A Mill vol simple pour l'étude du vol captif chez les insectes
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Plusieurs techniques de laboratoire ont été développés pour l'étude des insectes comportement de vol 1,2. Elles vont du simple 3,4 tethering statique à des appareils sophistiqués qui permettent une plus grande liberté de mouvement pour l'insecte captif 5. À ce jour, vol chambres 6-9 représentent les dispositifs permettant le plus haut niveau de la liberté de vol dans des conditions contrôlées. Cette technique présente deux inconvénients majeurs: il est difficile à utiliser pour l'étude de gros insectes et de la procédure manuelle de la collecte de données est fastidieuse.
Usines de vols représentent l'une des techniques les plus courantes et abordables pour l'étude du vol des insectes dans des conditions de laboratoire 10-12. Cette technique est préférable d'attacher statique, car il offre déplaçant stimuli 13, mais il diffère d'un vol libre de la réponse comportementale 14-16. Certains aspects du comportement de vol sur le moulin et à l'état sauvage sont similar 5,17 sorte malgré quelques limitations, usines de vol représentent une option viable pour enquêter sur des questions concernant l'apparition de certaines réponses de comportement de vol, comme dans le cas des migrateurs type de vol. En outre, les usines de vol sont plus faciles à réaliser que les souffleries ou les chambres de vol et la collecte de données peut facilement être automatisée. Ainsi, les chercheurs intéressés par le comportement de vol trouvent souvent que les usines de vol sont le meilleur choix, mais doivent être conscients des limites potentielles à la méthode. Ici, un design vol moulin flexible et personnalisable est présenté pour les chercheurs qui ont choisi d'utiliser les usines de vol pour étudier le comportement de vol.
Plusieurs auteurs décrivent des conceptions alternatives vol de l'usine. En général, la partie principale du système de broyage de vol, à savoir, le bras de l'usine de pivotement, est assez simple à réaliser. Moins simple est la partie électronique du système vol de l'usine, ce qui permet l'enregistrement des données. Traiter avec electronic conception de circuits peut être difficile, en particulier pour l'entomologiste ou l'écologiste comportementale manque de connaissances de base de l'électronique. Certains auteurs décrivent un complexe ou périmées composant électronique de circuit dans leur conception vol moulin 18-21, ou la description de la partie électronique de l'usine de vol est manquant 22,23. Autres dessins décrivent actographs mécaniquement complexes, qui sont assez compliqué à réaliser, mais peuvent aider les chercheurs à entreprendre des observations comportementales plus complexes 5.
Dans cet article, la conception d'un simple à construire, moulin de vol relativement peu coûteux pour l'étude de vol captif chez les insectes est décrite. Ensemble avec le composant électronique extrêmement simple, la conception a un certain nombre d'avantages. Le moulin de vol est conçu pour être utilisé dans les espaces restreints généralement disponibles dans le laboratoire insectes écologie standard. La structure est réalisée en acrylique transparent pLastic de sorte qu'une seule source de lumière peut atteindre uniformément chaque individu dans des chambres séparées de l'usine. Compte tenu de la transparence du matériau et de petite taille, le moulin à vol peut être utilisé dans un incubateur pendant des conditions de lumière et de température normalisées. Enfin, l'ensemble de la structure peut être facilement monté et démonté et, une fois démonté, il peut être stocké dans un petit espace. Un autre avantage de la conception de la structure est que l'usine de vol peut être modifié pour permettre l'étude des insectes de taille différente et en utilisant des distances différentes de la révolution. Ce moulin de vol a été utilisé pour recueillir des données sur les insectes aussi variés en taille et en forme que les bugs d'asclépiade, 24, les punaises de kudzu de Oncopeltus, Megacopta cribraria et Silphidés, vespilloides Nicrophorus. La conception vol de l'usine permet également de haute-vente grâce nécessaire pour des études nécessitant de grandes tailles d'échantillon. Les données peuvent être collectées en utilisant 8 canaux simultanés pour chacun des enregistreurs de données used de sorte qu'un grand nombre de personnes peut être analysé simultanément et grand nombre d'échantillons peut être traitée de la même journée. Pas de logiciels coûteux est nécessaire pour enregistrer et visualiser les données et le script personnalisé écrit pour l'analyse de données peut être modifié suivant les besoins spécifiques de la conception expérimentale. Réponse de vol est très variable dans différentes espèces d'insectes. Ainsi, avant de procéder à une expérience de vol moulin complet et les tests préliminaires sur la réponse de vol de l'insecte modèle de focale sont recommandés. Celles-ci fourniront une compréhension de la mesure de la variation de comportement en réponse de vol, qui sera utilisé pour les aspects de peaufiner de l'analyse de vol telles que le temps d'enregistrement ou de la plage de vitesse de vol.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un design vol moulin abordable, souple et réglable.
Comportement de vol de l'insecte est d'intéresser un large éventail de scientifiques, de ceux intéressés par le comportement de base d'insectes dans des environnements variables à des spécialistes dans la lutte biologique qui ont besoin de comprendre comment les conditions influencent la propension d'une espèce de parasites se disperser. Le comportement de vol peut être étudiée par diverses méthodes qui vont de vol «tapis roulants» et souffleries que les conditions sur le terrain approximatives à l'électricité statique des dispositifs de vol captif. Usines de vol captif, comme celui présenté ici, sont limitées par le fait que certains aspects de vol, comme les changements d'altitude, ne peut pas être mesurée 14. Toutefois, les usines de vol captif ne permettent insectes de voler sans interruption et permettent ainsi aux chercheurs de quantifier les paramètres tels que la vitesse, la distance et la périodicité de vol et de corréler ces paramètres avec les conditions environnementales, la physiologie, et morphology.
Le moulin de vol présentée ici a été conçu pour permettre aux chercheurs sans connaissances spécialisées de l'électronique pour construire et utiliser un moulin à vol captif afin d'étudier le comportement de vol des insectes. Un avantage de cette conception est que le coût global de l'usine de trajet est faible par rapport à d'autres conceptions. Le coût global peut être maintenue bien en dessous de 300 dollars américains. Les feuilles de plastique acrylique sont l'élément le plus coûteux. Le deuxième avantage est que l'usine de vol est adaptable pour la condition des espaces de travail contrôlées limitées disponibles dans de nombreux laboratoires, par opposition à une soufflerie spécialisée. L'utilisation d'épaisses feuilles de plastique acrylique transparent 3 mm signifie que la structure est à la fois transparente, pour permettre une observation facile des insectes, et aussi léger, permettant à l'usine de vol pour être déplacé à l'endroit approprié pour les essais en vol. La configuration empilée des cellules vol d'usines maximise le nombre d'échantillons exécuté tout en minimisant le piedimprimer de l'appareil. En outre, le dispositif peut être facilement démonté pour le stockage. En outre, l'usine de vol a été conçu pour permettre à un grand nombre d'individus à échantillonner relativement facilement. Chaque usine de vol contient 8 cellules, permettant aux chercheurs d'enregistrer l'activité de vol de plusieurs personnes simultanément. Fixation insectes indirectement au bras pivotant par une broche insecte insectes individuels permet d'être placés dans et retirés du broyeur à vol rapidement. Enfin, l'électronique d'enregistrement de données est simple et facile à utiliser, avec le logiciel librement disponible pour l'analyse des données. Une fois assemblé, le moulin de vol utilise des capteurs infrarouges simples pour enregistrer l'activité de vol. Le passage du drapeau de feuille à l'extrémité du bras à travers le faisceau infrarouge permet à chaque révolution du bras à enregistrer. La vitesse de rotation permet à des données comme la vitesse, la distance parcourue, le temps total de vol et les modèles de vol pour être enregistrés comme entrée dans un enregistreur de données.
Le moulin de volest apte à être adapté pour un certain nombre de différents types d'insectes. L'utilisation de tubes en acier hypodermique pour le bras pivotant est plus efficace que les autres options, telles que des bâtons de bois ou des pailles parce que, même si lourd, la traînée produite est réduite par le faible diamètre, permettant même de petits insectes pour être testé en vol. Récemment, des petits morceaux de fibre optique ont été utilisés dans une usine de vol pour les petits insectes 25. La fin du bras plié peut être collée à l'armature à différents angles par rapport à l'axe de support afin de positionner l'insecte expérimentale dans son orientation de départ naturel. Dans la conception présentée, dans laquelle le rayon est de 10 cm de longueur, toute la distance parcourue en un tour est de 62,8 cm. Retrait de la paroi verticale centrale permettra une configuration alternative de l'usine de vol dans lequel le rayon de bras peut être doublé en longueur pour accueillir de plus gros insectes et de la révolution des distances jusqu'à 1,20 m. Dans ce cas, aimants plus puissants sont recommanded à accueillir et à stabiliser le bras de plus moulin.
Comme indiqué tout au long, la conception de l'usine vol est souple et adaptable pour les espèces d'insectes d'intérêt et les chercheurs sont en mesure de le personnaliser pour leurs besoins particuliers. Cela inclut non seulement les besoins physiques de l'insecte, y compris les paramètres tels que la taille, la puissance, la structure de la cuticule, mais aussi des différences biologiques entre les espèces. Un inconvénient potentiel de toutes les usines de vol est que le manque de soutien des insectes tarse «forces de voler, peut-être à l'épuisement. Si cela est vrai dans certaines espèces, par exemple, nous avons observé la réponse automatique de vol avec nos essais de bugs asclépiade, il ne vaut pas pour tous les insectes que nous avons testés (par exemple vespilloides N.). Cependant, même avec la réponse automatique, nous avons jamais observé insectes volants à l'épuisement ou la mort, en partie à cause de la durée d'enregistrement que nous avons choisi pour accueillir la biologie des insectes. Ainsi, il est important de faireobservations préliminaires sur l'insecte d'intérêt à comprendre son comportement dans le moulin de vol afin d'optimiser la collecte de données. Un, problème connu supplémentaire avec les usines de vol, est que l'inertie peut maintenir le mouvement, même après l'insecte a cessé de voler activement. Le script fourni des comptes pour les erreurs de lecture due à l'inertie de l'usine de vol, caractérisé par une diminution rapide de la vitesse de vol et l'augmentation des distances entre les sommets. Le script 'flight_analysis.py' défausse ces «faux pics» et construit un nouveau signal pour analyse. L'utilisateur peut choisir le seuil de vitesse pour la correction, comme expliqué dans les notes fournies dans le script.
Une source d'alimentation de 5 V est suffisante pour obtenir un signal de tension pouvant être lu, mais une unité de puissance avec une tension de sortie variable peut être utilisée comme source d'alimentation pour permettre l'entrée d'alimentation pour faire varier et donc d'optimiser la tension de travail pour chaque capteur. Une telle solution peut aussi aider à augmenter le o de la qualité de visualisationsignaux de pointe f dans l'interface d'enregistrement du logiciel. La sortie du capteur est affiché dans l'interface du logiciel tel que formé par une base et de pointe tensions où la tension de base représente le plus faible tension de sortie du capteur au repos (lorsque le faisceau infrarouge ne soit pas interrompue), tandis que la tension de crête est la montée de la tension de base qui se produit lorsque le faisceau infrarouge est interrompu lorsque le bras se déplace à travers le faisceau. Une tension d'entrée de 5 V fournit une augmentation de l'ordre de 100 mV tout en augmentant l'entrée à 7 V augmente la montée du pic à 300 mV permettant une meilleure discrimination de base et de pointe tensions. La taille de la planche à pain sans soudure choisie détermine le nombre de cellules de vol peuvent être accueillis. Afin de minimiser les gouttes dans le signal de tension pendant l'enregistrement à partir de plusieurs capteurs, il est recommandé de placer les résistances dans des rangées alternées le long de la plaque d'essais (voir la figure 3C).
Personnalisable normalisation de signal et analysis scripts écrits pour l'accès ouvert langage de programmation Python.
La normalisation et l'analyse du signal de tension sont effectuées en utilisant des scripts personnalisés écrits en Python, qui est un langage libre, largement utilisé à des fins générales et de programmation de haut niveau. L'utilisateur final peut facilement personnaliser les scripts de travailler avec les paramètres spécifiés propres. La personnalisation est réalisée en changeant simplement les valeurs numériques ou des noms de variables. Notes sur la façon de personnaliser les paramètres peuvent être trouvés dans les scripts eux-mêmes. Les valeurs par défaut dans les scripts sont mis à offrir une amende signal de syntoniser la normalisation, mais l'utilisateur peut définir un seuil désiré selon la valeur de la tension moyenne pour chaque canal. Dans le script d'analyse des vols, les fonctions flying_bouts de la ligne 105 calcule la durée en secondes de la plus longue et la plus courte des épisodes de vol, le pourcentage de temps passé en vol sur la durée totale d'enregistrement et le nombre de cas de vol combats d'une plage de durée déterminée. Les gammes peuvent être modifiés selon les besoins des utilisateurs expérimentaux. Pour ce faire, toutes les valeurs numériques à l'intérieur de la fonction (inclus ceux du nom de la variable, par exemple dans le "flight_300_900" variable) doivent être changés à la valeur souhaitée. Le nombre de plages et leur durée dépend simplement de la spécification de l'utilisateur. Le script va imprimer à l'écran les résultats de l'analyse pour chaque canal. Ceux-ci comprennent: la vitesse moyenne de vol, temps de vol total, la distance parcourue, courts et plus longs épisodes de vol et de la composition de vol. En outre, le script renvoie un fichier .DAT * pour chaque canal et l'enregistre dans le dossier de sortie spécifié par l'utilisateur. Chaque fichier * .DAT contient deux colonnes: la première représente le temps relatif de l'événement de pointe, la seconde est la variation de vitesse détaillée entre deux événements successifs de pointe. Ce fichier peut être importé dans Excel ou R pour produire un graphique de la variation de vitesse surtemps et visualiser les modèles d'activité de vol.
En conclusion, ces résultats démontrent que cette conception vol broyeur peut être facilement et avec succès mis en œuvre pour recueillir des données pour les études de comportement au volant qui cherchent les modèles d'activité dans des modèles différents d'insectes. Ces données peuvent être utilisées pour étudier la variation individuelle dans les modèles comme dépendantes, par exemple sur la physiologie et la morphologie mouvement. Cela peut offrir de grandes connaissances dans les traits morphologiques et physiologiques sous-jacents qui déterminent la variation individuelle dans les modèles de mouvement comme la recherche de nourriture ou d'activité migratoire, qui affecte la population dans son ensemble. La variation de vitesse détaillées au fil du temps peut être utilisé en combinaison avec des mesures physiologiques et morphologiques détaillées, offrant un outil pour étudier les habitudes de consommation des ressources ou des effets de variation de la partie du corps la morphologie de l'activité de vol.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alfredo Attisano was supported by a European Social Fund studentship. James T. Murphy is supported by USDA-NIFA Award 2013-34103-21437.
Materials
| 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. |
References
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