Flight in insects is influenced by a number of factors and the propensity to disperse is an important variable in understanding insect ecology and biological control strategies. We describe the construction and use of a simple, relatively inexpensive, and flexible flight mill for measuring parameters of tethered flight in insects.
Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have shown that flight mills are valuable tools for the experimental study of insect flight behavior, allowing researchers to examine how factors such as age, host plants, or population source can influence an insects’ propensity to disperse. Flight mills allow researchers to measure components of flight such as speed and distance flown. Lack of detailed information about how to build such a device can make their construction appear to be prohibitively complex. We present a simple and relatively inexpensive flight mill for the study of tethered flight in insects. Experimental insects can be tethered with non-toxic adhesives and revolve around an axis by means of a very low friction magnetic bearing. The mill is designed for the study of flight in controlled conditions as it can be used inside an incubator or environmental chamber. The strongest points are the very simple electronic circuitry, the design that allows sixteen insects to fly simultaneously allowing the collection and analysis of a large number of samples in a short time and the potential to use the device in a very limited workspace. This design is extremely flexible, and we have adjusted the mill to accommodate different species of insects of various sizes.
Flere laboratoriemetoder er blevet udviklet til undersøgelse af insekter flyvning adfærd 1,2. Disse spænder fra simple statisk tethering 3,4 til sofistikerede enheder, der tillader større bevægelsesfrihed for tøjret insekt 5. Til dato flyvning kamre 6-9 repræsenterer de enheder, der gør det muligt det højeste niveau af frihed søgning i kontrollerede forhold. Denne teknik har to væsentlige ulemper: det er vanskeligt at bruge til studiet af store insekter og manuelle procedure for dataindsamling er tidskrævende.
Møller på flyrejser repræsenterer en af de mest almindelige og overkommelige teknikker til studiet af insekter flyvning under laboratorieforhold 10-12. Denne teknik er at foretrække frem for statisk tethering fordi det giver at flytte stimuli 13, men det adskiller sig fra en fri flyvning adfærdsmæssig respons 14-16. Nogle aspekter af flyvningen adfærd på møllen og i naturen er Similar 5,17 så trods nogle begrænsninger, udgør flyvning møller en farbar vej for at undersøge spørgsmål om forekomsten af bestemte flyvning adfærd reaktioner, som det er tilfældet for vandrende flyvning type. Også flyvning møller er lettere at realisere end vindtunneler eller flyvning kamre og dataindsamlingen kan nemt automatiseres. Således forskere interesseret i flyvning adfærd finder ofte, at flyvning møller er det bedste valg, men bør være opmærksomme på de potentielle begrænsninger i metoden. Her er en fleksibel og kan tilpasses flyvning mølle design præsenteret for forskere, der har valgt at udnytte flyvning møller for at undersøge flyvning adfærd.
Adskillige forfattere beskriver alternative flyvning mill design. Generelt hovedparten af flyvningen møllen, dvs., den drejelige møllens arm, er ganske enkelt at realisere. Mindre ligetil er den elektroniske del af flyvningen mill system, som tillader registrering af data. Beskæftiger sig med elNadja kredsløb design kan være en udfordring, især for entomolog eller adfærdsmæssige økolog mangler baggrundsviden om elektronik. Nogle forfattere beskriver en kompliceret eller forældede elektronisk kredsløb komponent i deres flyvning mølle design 18-21, eller beskrivelsen af den elektroniske del af flyvningen møllen mangler 22,23. Andre udformninger beskriver mekanisk komplicerede actographs, som er ganske kompliceret at realisere, men kan hjælpe efterforskerne at foretage mere komplekse adfærdsmæssige observationer 5.
I dette papir et design for en enkel at bygge, er relativt billig flyvning mill for studiet af tøjret flyvning i insekter beskrevet. Sammen med den ekstremt simpel elektronisk komponent, mønstret har en række fordele. Flyvningen Møllen er designet til at blive anvendt i begrænsede rum typisk tilgængelige i standard insekt økologi laboratorium. Strukturen er lavet af transparent akryl pLastic således at en enkelt lyskilde jævnt kan nå hver enkelt i separate kamre i møllen. I betragtning af den åbenhed af materialet og lille størrelse, kan flyvningen møllen skal anvendes i en inkubator for standardiserede lys og temperaturforhold. Endelig kan hele strukturen samles og demonteres let, og når skilles ad, kan det opbevares i et lille rum. En anden fordel ved udformningen af strukturen er, at flyvningen møllen kan modificeres for at tillade undersøgelse af insekter af forskellig størrelse og med forskellige afstande revolution. Denne flyvning mølle er blevet brugt til at indsamle data om insekter så forskellige i størrelse og form som milkweed bugs, Oncopeltus fasciatus 24, kudzu bugs, Megacopta cribraria og begrave biller, Nicrophorus vespilloides. Flyvningen mølle design giver også mulighed for høj gennemgående put kræves til undersøgelser, der kræver store stikprøvestørrelser. Kan indsamles data ved hjælp af 8 samtidige kanaler for hver af de dataloggere used således at et stort antal personer kan analyseres samtidigt og et stort antal prøver kan håndteres på samme dag. Ingen dyre software er nødvendig for at registrere og visualisere data og brugerdefinerede skriftlige script til analyse af data kan ændres efter de specifikke behov i den eksperimentelle design. Flugt reaktion varierer meget i forskellige insektarter. Således forud for udførelsen af en fuld flyvning mølle eksperiment, indledende tests på flyvningen reaktion omdrejningspunktet insekt-modellen anbefales. Disse vil give en forståelse af omfanget af den adfærdsmæssige variation i flugt reaktion, som vil blive anvendt til at finjustere aspekter af analysen flyvning såsom optagelsestid eller flugt hastighedsområde.
En overkommelig, fleksibel og justerbar flyvning mølle design.
Insekt opførsel flyvning er af interesse for en række forskere, fra de interesserede i grundlæggende adfærd insekter under variable miljøer til specialister i biologisk bekæmpelse, som har behov for at forstå, hvordan vilkårene indflydelse tilbøjelighed et skadedyr arter spreder. Fly adfærd kan studeres ved forskellige metoder, der spænder fra flyvning 'løbebånd «og vindtunneler, der tilnærmelsesvis marken for statisk bundne flyvning enheder. Tøjrede flyvning møller, som den præsenteres her, er begrænset i at visse aspekter af en flyvning, såsom ændringer i højde, kan ikke måles 14. Men bundne flyvning møller tillader insekter at flyve uafbrudt og dermed give forskerne at kvantificere parametre såsom hastighed, distance og hyppighed søgning og korrelere disse parametre med miljøforhold, fysiologi og morphology.
Flyvningen mølle præsenteres her er designet til at tillade forskere uden specialviden af elektronik til at opbygge og bruge et tøjret flyvning mølle for at studere flyvning adfærd i insekter. En fordel ved denne konstruktion er, at de samlede omkostninger af flyvningen møllen er lav sammenlignet med andre udformninger. De samlede udgifter kan holdes et godt stykke under 300 dollars. Plast acrylplader er de mest kostbare element. Den anden fordel er, at flyvningen møllen er passende til de begrænsede kontrollerede tilstand arbejdsområder fås i mange laboratorier, i modsætning til en specialiseret vindtunnel. Anvendelsen af 3 mm tykke transparente akryl plastplader betyder, at strukturen både er gennemsigtigt, for at muliggøre let observation af insekter og også lette vægt, gør det muligt for flyvningen møllen skal flyttes til den relevante placering for flyvning forsøg. Den stablede konfiguration af flyvning mill celler maksimerer antallet af prøver køres samtidig minimere fodenudskrive på enheden. Endvidere kan anordningen være let at skille ad. Desuden blev det fly mølle designet til at give mulighed for et stort antal enkeltpersoner der skal udtages prøver relativt let. Hver flyvning mølle indeholder 8 celler, der gør det muligt for forskerne at optage flyvning aktivitet af flere individer på samme tid. Montering insekter indirekte til svingarmen via et insekt pin giver individuelle insekter, der skal placeres i og fjernes fra flyvningen mill hurtigt. Endelig dataregistrering elektronik er enkel og let at bruge, med frit tilgængelig software til dataanalyse. Når samlet, anvender flyvningen mill simple IR sensorer til at registrere flyvning aktivitet. Passagen af folien flag på enden af armen gennem den infrarøde stråle tillader hver omdrejning af armen, der skal optages. Satsen revolution giver data som hastighed, distance, total flyvetid og mønstre af flyvning registreres som input til en data-logger.
Flyvningen mølleer i stand til at tilpasses til en række forskellige typer af insekter. Anvendelsen af hypodermiske stålrør for svingarmen er mere effektivt end andre muligheder, såsom træstave eller sugerør, for selv om tungere, er træk fremstilles reduceret med den smalle diameter, så selv små insekter at være et fly-testet. For nylig har små stykker af optisk fiber været anvendt i en flyvning mølle for små insekter 25. Det bøjede slutning af armen kan limes til armaturet ved forskellige vinkler i forhold til understøtningen akse for at placere den eksperimentelle insekt i sin naturlige flyveretning. I udformningen vist, hvor radius er 10 cm i længden, hele distance ved en omdrejning er 62,8 cm. Fjernelse af centrale lodrette væg vil gøre det muligt en alternativ konfiguration af flyvningen møllen hvor armen radius kan fordobles i længden til at rumme større insekter og revolution afstande på op til 1,20 m. I dette tilfælde stærkere magneter er henstilded til at rumme og stabilisere længere mølle arm.
Som nævnt overalt, flyvningen mølle design er fleksibelt og kan tilpasses til de insektarter af interesse og forskere er i stand til at tilpasse det til deres særlige behov. Dette omfatter ikke kun de fysiske behov insektet, herunder parametre såsom størrelse, effekt, struktur kutikula, men også de biologiske forskelle mellem arterne. En mulig ulempe for alle fly møller er, at manglen på tarsal support 'styrkers insekter til at flyve, måske til udmattelse. Mens dette er sandt i nogle arter, for eksempel, observerede vi den automatiske flyvning respons med vores milkweed bug prøvelser, er det ikke sandt for alle de insekter, vi har testet (f.eks N. vespilloides). Men selv med den automatiske reaktion, vi aldrig observeret insekter flyver til udmattelse eller død, dels på grund af optagetiden vi valgte at imødekomme biologi insekter. Således er det vigtigt at gøreindledende bemærkninger om insekt af interesse at forstå dens adfærd i flyvningen møllen for at optimere dataindsamlingen. En yderligere, velkendte problem med flyvning møller, er, at inerti kan opretholde bevægelse, selv efter insektet er stoppet aktivt flyvende. Scriptet forudsat regnskab for misreadings grund inerti af flyvningen møllen, karakteriseret ved hurtigt fald i flyvehastighed og stigende afstande mellem toppe. Scriptet 'flight_analysis.py »skiller disse" falske toppe' og konstruerer et nyt signal til analyse. Brugeren kan vælge tærsklen hastighed for korrektion, som forklaret i noterne leveres i scriptet.
En 5 V strømkilde er nok til at opnå en læsbar spændingssignal, men en motor med variabel udgangsspænding kan anvendes som strømkilde for at tillade strøm input til varieres og dermed optimere arbejder spænding for hver sensor. En sådan løsning kan også bidrage til at øge visualisering kvalitet of peak signaler i softwarens optagelse grænseflade. Sensorens udgangssignal er vist i software interface som er dannet af en base og spidsspændinger hvor basisspændingen repræsenterer den laveste udgangsspænding fra sensoren i hvile (når den infrarøde stråle ikke afbrydes), mens den maksimale spænding er stigningen fra basisspændingen der opstår, når den infrarøde stråle afbrydes, så armen bevæger sig gennem strålen. Et input spænding på 5 V giver en stigning på omkring 100 mV samtidig øge input til 7 V øger højdepunkt er anledning til 300 mV giver mulighed for en klarere skelnen mellem basen og peak spændinger. Størrelsen af den valgte solderless breadboard bestemmer, hvor mange flyrejser celler kan imødekommes. For at minimere fald i spændingssignalet under optagelse fra flere sensorer, anbefales det at placere modstandene i skiftende rækker langs breadboard (se figur 3C).
Standardisering og analysi tilpasselig signals scripts skrevet til åben adgang programmeringssproget Python.
Gennemføres standardisering og analyse af spændingen signal ved hjælp af brugerdefinerede skriftlige scripts i Python, som er et gratis, udbredte generelle formål og højt niveau programmeringssprog. Slutbrugeren kan nemt tilpasse scripts til at arbejde med egne angivne indstillinger. Tilpasningen sker ved blot at ændre numeriske værdier eller variable navne. Bemærkninger om, hvordan du tilpasser parametrene kan findes inden scripts selv. Standardværdierne i scripts er indstillet til at levere en finindstille signal standardisering, men brugeren kan definere ethvert ønsket grænsen ifølge værdien af den gennemsnitlige spænding for hver kanal. I flyvningen analyse scriptet, funktionen flying_bouts fra linie 105 beregner varigheden i sekunder af længste og korteste flyvende anfald, den procentdel af tiden tilbragt i flyvning over den samlede optagetid, og antallet af flyvende Bout begivenheds af en bestemt varighed interval. Intervallerne kan ændres i overensstemmelse med brugernes eksperimentelle krav. For at gøre det, alle numeriske værdier inden funktionen (inkluderet dem i variabelnavnet, for eksempel i variablen "flight_300_900") skal ændres til den ønskede værdi. Antallet af intervaller og deres varighed simpelthen afhænger af brugerens specifikationer. Scriptet vil udskrive på skærmen resultaterne af analysen for hver kanal. Disse omfatter: gennemsnitlig flyvende fart, total flyvetid, distance, korteste og længste flyvende anfald og flyvning sammensætning. Derudover scriptet returnerer en * .dat-fil for hver kanal og gemmer det i output mappe angivet af brugeren. Hver * .DAT fil indeholder to kolonner: den første er den relative tidspunktet for peak tilfælde, den anden er den detaljerede hastighedsvariation mellem to på hinanden peak begivenheder. Denne fil kan importeres i Excel eller R for at frembringe en graf over hastigheden variation overtid og visualisere flyvning aktivitetsmønstre.
Afslutningsvis disse resultater viser, at denne flyvning mølle design kan let og med succes gennemført for at indsamle data til adfærdsmæssige undersøgelser ser på flyvende aktivitet mønstre i forskellige insekt-modeller. Sådanne data kan anvendes til at undersøge individuel variation i bevægelsesmønstre som afhængige for eksempel på fysiologi og morfologi. Dette kan tilbyde store indsigt i de underliggende fysiologiske og morfologiske træk bestemmer individuel variation i bevægelsesmønstre som fouragering eller vandrende aktivitet, som i sidste ende påvirker befolkningen som helhed. Den detaljerede hastighed variation over tid kan anvendes i kombination med detaljerede fysiologiske og morfologiske målinger, der tilbyder et værktøj til at studere mønstre i ressourceforbrug eller effekter af variation i kropsdel morfologi på flyet aktivitet.
The authors have nothing to disclose.
Alfredo Attisano was supported by a European Social Fund studentship. James T. Murphy is supported by USDA-NIFA Award 2013-34103-21437.
Data Logger | DATAQ Instruments, Ohio, USA | DI-149 | These particular data loggers were chosen because they can be easily connected via USB to a computer and come with free proprietary software (WinDaq/Lite, DATAQ Instruments, Ohio, USA) to visualize and record the sensor's output, increasing the affordability of the flight mill design. |
Data Logger – potential alternative | A potential alternative to the DATAQ data loggers is an RS232 to USB adaptor, readily available through office or electronic supply stores. These should be able to read data directly from the serial port via the pyserial module. | ||
Entomological pins | BioQuip | ||
Hypodermic steel tubing 19 guage | Small Parts | B000FN5Q3I | Available through Amazon.com; other suppliers are available but be sure to purchase austenitic steel tubing to ensure the arm in non-magnetic |
IR Sensors | Optek Technology Inc., Texas USA | OPB800W | |
N42 neodymium magnets | Readily available; can be purchased through specialized magnet suppliers, hobby stores or Amazon | ||
Plexiglass/perspex | Readily available at any hardware store | ||
Polystyrene columns for support | Any polystyrene or styrofoam packing materials that might otherwise be discarded or recycled can be used to fashion the support columns for the flight mill. Otherwise, styrofoam insulation sheets are available at any hardware store. | ||
Solderless Breadboard Power Supply Module | Arrela | MB102 | The 5V power unit, breadboard and solderless male-male jumper wires can be easily purchased as a kit. |