טיסת מיל פשוט לחקר Tethered הטיסה בחרקים
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
טכניקות מעבדה כמה פותחו עבור המחקר של 1,2 טיסת התנהגות חרקים. אלה נעות בין 3,4 קשירת סטטי פשוטה למכשירים מתוחכמים המאפשרים חופש תנועה לחרקים קשורים 5. לתאי טיסת תאריך 6-9 מייצגים את המכשירים המאפשרים את הרמה הגבוהה ביותר של חופש הטיסה בתנאים מבוקרים. טכניקה זו יש שני חסרונות עיקריים: קשה להשתמש לחקר חרקים גדולים וההליך הידני של איסוף הנתונים הוא זמן רב.
טחנות טיסה לייצג אחת הטכניקות הנפוצות וזולות ביותר ללימוד טיסת חרקים בתנאי מעבדה 10-12. טכניקה זו היא עדיפה על קשירת סטטי כי הוא מציע נע 13 גירויים, אבל זה שונה מטיסה חופשית תגובה התנהגותית 14-16. היבטים מסוימים של התנהגות הטיסה על הטחנה ובטבע הם similar 5,17 כך למרות מגבלות מסוימות, טחנות טיסה מייצגות אפשרות מעשית לחקור שאלות בנוגע להתרחשותן של תגובות טיסת התנהגות מסוימות, כמו במקרה של סוג טיסה נודד. כמו כן, טחנות טיסה קלות יותר להבין מאשר מנהרות רוח או תאי טיסה ואיסוף נתונים בקלות יכול להיות אוטומטי. לפיכך, חוקרים מעוניינים בטיסה התנהגות לעתים קרובות מוצאים שטחנות הטיסה הן הבחירה הטובה ביותר, אבל צריך להיות מודע למגבלות הפוטנציאל לשיטה. הנה, עיצוב טחנת טיסה גמיש וניתן להתאמה אישית מוצג לחוקרים שבחרו לנצל את טחנות טיסה לחקור טיסת התנהגות.
כמה מחברים מתארים עיצובי טחנת טיסה חלופיים. באופן כללי את החלק העיקרי של מערכת טיסת הטחנה, כלומר, הזרוע של טחנת הציר, הוא די פשוט להבין. פשוט פחות הוא החלק האלקטרוני של מערכת טחנת טיסה, המאפשרת ההקלטה של הנתונים. התמודדות עם אלעיצוב מעגלי ectronic יכול להיות מאתגר, במיוחד לחוקר החרקים או אקולוג ההתנהגות חסר בידע רקע של אלקטרוניקה. חלק מהחברים לתאר מסובך או מתוך רכיב במעגלים אלקטרוני תאריך בעיצובם טחנת טיסת 18-21, או התיאור של החלק האלקטרוני של טחנת הטיסה חסרה 22,23. עיצובים אחרים לתאר actographs המסובך מכאני, שהם די מסובכים להבין, אבל יכול לעזור לחוקרים לבצע תצפיות התנהגותיות מורכבות יותר 5.
במאמר זה עיצוב לפשוט לבנות, טחנת טיסה זולה יחסית ללימוד טיסה קשורה בחרקים מתוארת. יחד עם הרכיב האלקטרוני פשוט מאוד, יש לו את העיצוב מספר היתרונות. טחנת הטיסה מיועדת לשימוש בחללים מוגבלים בדרך כלל הזמינים במעבדה לאקולוגיה של חרקים סטנדרטית. המבנה עשוי מp אקריליק השקוףlastic כך שמקור אור יחיד באופן שווה יכול להגיע לכל אדם בתאים נפרדים של הטחנה. בהתחשב בשקיפות של החומר וגודל קטן, טחנת הטיסה ניתן להשתמש באינקובטור לתנאי אור וטמפרטורה סטנדרטיים. לבסוף, את המבנה כולו ניתן להרכיב ומפורקים בקלות, וברגע מפורק, זה יכול להיות מאוחסן בחלל קטן. יתרון נוסף לעיצוב של המבנה הוא שטחנת הטיסה יכולה להיות שונה כדי לאפשר המחקר של חרקים בגודל שונה ושימוש במרחקי מהפכה שונים. טחנת טיסה זו נעשתה שימוש כדי לאסוף נתונים על חרקים מגוונים כמו בגודל וצורה כמו חרקי פרח חלבלוב, 24, באגים פאסקיאטוס Oncopeltus kudzu, cribraria Megacopta, וחיפושיות לקבור, vespilloides Nicrophorus. עיצוב טחנת הטיסה גם מאפשר לגבוה דרך-מכר הנדרש ללימודים דורשים גודל מדגם גדול. ניתן לאסוף נתונים באמצעות 8 ערוצים בו זמנית לכל אחד מאוגרי נתונים uSED כך שמספר גבוה של אנשים ניתן לנתח בו זמנית ומספר גדול של דגימות יכול להיות מטופלים באותו היום. אין צורך בתוכנה יקרה כדי להקליט ולדמיין את הנתונים ואת התסריט כתב מותאם אישית לניתוח נתונים יכול להיות שונה הבא הצרכים הספציפיים של תכנון הניסוי. תגובת טיסה היא משתנה מאוד במינים חרקים שונים. לפיכך, לפני ביצוע ניסוי טחנת טיסה מלא, בדיקות ראשוניות על תגובת הטיסה של דגם החרקים מוקדי מומלצות. אלה יספקו הבנה של היקף הווריאציה ההתנהגות בתגובה טיסה, אשר תשמש להיבטים לכוונן של ניתוח הטיסה כגון זמן הקלטה או טווח מהירות טיסה.
Protocol
Representative Results
Discussion
עיצוב טחנת טיסה במחיר סביר, גמיש, וניתן להתאמה.
חרקים טיסת התנהגות היא עניין לטווח של מדענים, מאלו שמתעניייינים בהתנהגות הבסיסית של חרקים תחת סביבות משתנים למומחים בbiocontrol שצורך להבין כיצד תנאים להשפיע על הנטייה של מיני מזיקים לפיזור. טיסת התנהגות ניתן ללמוד על ידי שיטות שונות שנעות בין "הליכונים" הטיסה ומנהרות רוח שתנאי שטח משוערים לשלג מכשירי טיסה קשורים. טחנות טיסה קשורות, כמו זו שהוצגה כאן, מוגבלות שבהיבטים מסוימים של טיסה, כגון שינויים בגובה, לא ניתן למדוד 14. עם זאת, טחנות טיסה קשורות מאפשרות חרקים לטוס ללא הפרעה ובכך מאפשרים לחוקרים לכמת פרמטרים כגון מהירות, מרחק ומחזוריות של טיסה ולתאם פרמטרים אלה עם תנאי סביבה, פיזיולוגיה, ומטרorphology.
טחנת הטיסה מוצגת כאן נועדה לאפשר לחוקרים ללא ידע מיוחד של אלקטרוניקה לבנות ולהשתמש טחנת טיסה קשורה כדי ללמוד טיסת התנהגות בחרקים. אחד יתרונות של עיצוב זה הוא כי העלות הכוללת של טחנת הטיסה היא נמוכה בהשוואה לעיצובים אחרים. העלות הכוללת יכולה להישמר גם מתחת ל -300 דולרים. גיליונות אקריליק הפלסטיק הם הפריט היקר ביותר. היתרון השני הוא שטחנת הטיסה היא להתאמה למוגבלת סביבות עבודה מבוקרות המצב זמין במעבדות רבות, בניגוד למנהרת רוח מיוחדת. השימוש בגיליונות 3 מ"מ עובי שקוף אקריליק פלסטיק אומר שהמבנה הוא גם שקוף, כדי לאפשר התבוננות קלה של החרקים, וגם קל משקל, המאפשר לטחנת הטיסה ליועבר למיקום המתאים לניסויי טיסה. התצורה נערמה של תאי טחנת טיסה למקסימום את מספר הדגימות לרוץ תוך מזעור הרגללהדפיס של המכשיר. יתר על כן, המכשיר יכול להיות מפורק בקלות לאחסון. בנוסף, טחנת הטיסה נועדה לאפשר למספר גדול של אנשים שנדגמו בקלות יחסית. כל טחנת טיסה מכילה 8 תאים, המאפשר לחוקרים להקליט פעילות טיסה של אנשים בו זמנית. חיבור חרקים בעקיפין לזרוע הציר דרך סיכת חרקים מאפשר לחרקים בודדים כדי להיות ממוקמים ובהוסרו מטחנת הטיסה במהירות. לבסוף, האלקטרוניקה הקלטת נתונים היא פשוטה וקלה לשימוש, עם תוכנה זמינה באופן חופשי לניתוח נתונים. לאחר הרכבה, טחנת הטיסה משתמשת בחיישני IR פשוט להקליט פעילות טיסה. המעבר של דגל נייר בסוף הזרוע באמצעות קרן אינפרא אדום מאפשר לכל מהפכה של הזרוע שתירשם. שיעור המהפכה מאפשר נתונים כמו מהירות, מרחק שעבר, זמן טיסה כולל ודפוסים של טיסה שיירשמו כקלט לנתונים לוגר.
טחנת הטיסההוא מסוגל להיות מותאם למספר סוגים שונים של חרקים של. השימוש בצינורות פלדת מזרק לזרוע הציר הוא יעיל יותר מאשר אפשרויות אחרות, כגון מקלות עץ או קשיות שתייה כי, למרות שיותר כבד, הגרירה מיוצרת היא מופחת על ידי הקוטר הצר, המאפשרת אפילו חרקים קטנים להיות במבחן טיסה. לאחרונה, חתיכות קטנות של סיבים אופטיים כבר בשימוש בטחנת טיסה לחרקים קטנים 25. הסוף הכפוף של הזרוע יכול להיות דבוק לאבזור בזוויות שונות ביחס לציר התמיכה על מנת למצב את החרק הניסיוני בכיוון הטיסה הטבעי שלה. בעיצוב שהוצג, שברדיוס הוא 10 ס"מ אורך, כל המרחק שעבר במהפכה אחת הוא 62.8 סנטימטר. הסרת הקיר האנכי המרכזי תאפשר תצורה חלופית של טחנת הטיסה שברדיוס הזרוע יכול להיות מוכפל באורך כדי להתאים חרקים גדולים ומהפכה מרחקים של עד 1.20 מ '. במקרה זה, מגנטים חזקים הם recommenטוליפ אין כדי להתאים ולייצב את זרועו של הטחנה עוד.
כאמור בכל, עיצוב טחנת הטיסה הוא גמיש להתאמה למיני חרקים של עניין וחוקרים מסוגלים להתאים אותו לצרכים שלהם בפרט. זה כולל לא רק צרכי הפיזיים של החרקים, כוללים פרמטרים כגון גודל, כוח, מבנה של הציפורן, אלא גם הבדלים ביולוגיים בין מינים. חסרון פוטנציאלי אחד לכל טחנות הטיסה הוא שחוסר החרקים "הכוחות" תמיכת tarsal לעוף, אולי עד כדי אפיסת כוחות. אמנם זה נכון בכמה מינים, למשל, ראה את תגובת הטיסה האוטומטית עם ניסויי באג פרח חלבלובנו, זה לא נכון לכל החרקים שנבדקנו (לדוגמא vespilloides נ). עם זאת, אפילו עם התגובה האוטומטית, שמעולם לא נצפו חרקים מעופפים לתשישות או מוות, בין שאר בשל זמן ההקלטה בחרנו כדי להתאים את הביולוגיה של החרקים. לפיכך, חשוב לעשותתצפיות ראשוניות על החרקים של עניין להבין את ההתנהגות שלה במפעל הטיסה על מנת לייעל את איסוף הנתונים. סוגיה נוספת, ידועה בטחנות טיסה, היא שיכולה לשמור על אינרציה תנועה גם לאחר החרקים הפסיקו באופן פעיל מעופף. התסריט סיפק חשבונות לטעויות בהבנה בשל אינרציה של טחנת הטיסה, מאופיין בירידה מהירה במהירות טיסה והגדלת מרחקים בין פסגות. "Flight_analysis.py 'התסריט מוחק" פסגות שווא' אלה ובונה אות חדשה לניתוח. המשתמש יכול לבחור את סף המהירות לתיקון, כפי שמוסבר בהערות שנקבעו בתסריט.
5 V מקור כוח מספיק כדי לקבל אות מתח קריא, אולם כוח יחידה עם מתח יציאה משתנה יכולה לשמש כמקור כוח כדי לאפשר קלט הכח להיות מגוון ובכך לייעל את העבודה במתח לכל חיישן. פתרון כזה יכול גם לעזור להגדיל את o איכות ההדמיהאותות שיא F בממשק ההקלטה של התוכנה. הפלט של החיישן מוצג בממשק התוכנה שכהוקם על ידי מתחי בסיס ושיא שבו מתח הבסיס מייצג את המתח הנמוך ביותר הפלט מהחיישן במנוחה (כאשר קרן האינפרא האדומה לא הפסיקה), ואילו מתח השיא היא העלייה ממתח הבסיס המתרחש כאשר קרן IR נקטעה כזרוע נוסעת דרך הקרן. מתח כניסה של 5 V מספק עלייה של כ -100 mV תוך הגדלת הקלט 7 V מגביר עלייה של השיא ל -300 mV מאפשרת לאפליה ברורה יותר של מתחי בסיס ושיא. גודלו של קרש חיתוך ההלחמה נבחר קובע כיצד ניתן לאכלס תאי טיסה רבים. על מנת למזער את הטיפות באות המתח במהלך הקלטה מחיישנים מרובים, מומלץ למקם את הנגדים בשורות חלופיות לאורך קרש החיתוך (ראה איור 3 ג).
תקינת אות להתאמה אישית וanalysiתסריטים של נכתבו עבור פייתון שפת תכנות הגישה הפתוחה.
התקינה והניתוח של אות המתח מתבצעים באמצעות תסריטים שנכתבו מותאם אישית בפייתון, שהיא שפה חופשית, בשימוש נרחב למטרות כלליות ורמה גבוהה תכנות. משתמש הקצה יכול בקלות להתאים אישית את התסריטים לעבודה עם הגדרות שצוינו עצמו. ההתאמה האישית מושגת פשוט על ידי שינוי ערכים מספריים או שמות משתנים. ניתן למצוא הערות על איך להתאים את הפרמטרים בתוך התסריטים עצמם. ערכי ברירת המחדל בתסריטים מוגדרים לספק סטנדרטיזציה אות לכוונן, אבל המשתמש יכול להגדיר כל סף רצוי בהתאם לערך של ממוצע המתח עבור כל ערוץ. בתסריט ניתוח הטיסה, flying_bouts הפונקציה מקו 105 מחשבת את משך הזמן בשניות של הארוך ביותר ועפנו התקפים הקצרים ביותר, את אחוז הזמן שבילה בטיסה מעל כולל זמן ההקלטה ומספר טיסת התקף אירועים של מגוון משך צוין. ניתן לשנות הטווחים בהתאם לדרישות ניסוי המשתמש. כדי לעשות זאת, כל הערכים המספריים בתוך הפונקציה (כלולים אלה בשם המשתנה, למשל ב" flight_300_900 "משתנה) צריכים להיות שונה לערך הרצוי. מספר הטווחים ומשך הזמן שלהם פשוט תלוי במפרט של המשתמש. התסריט יודפס על מסך את התוצאות של הניתוח לכל ערוץ. אלה כוללים: מהירות ממוצעת מעופפת, הכולל זמן טיסה, מרחק שעבר, וארוך ביותר מעופף התקפים הקצרים והרכב טיסה. בנוסף, התסריט חוזר קובץ הזאתי מחתה * לכל ערוץ ושומר אותו בתיקיית הפלט שצוינה על ידי המשתמש. כל קובץ הזאתי מחתה * מכיל שתי עמודות: הראשון מייצג את הזמן היחסי של אירוע השיא, שני הווריאציה מהירות מפורטת בין שני אירועי שיא רצופים הוא. קובץ זה יכול להיות מיובא ב- Excel או R כדי לייצר גרף של הווריאציה על המהירותזמן ולדמיין את דפוסי פעילות הטיסה.
לסיכום, תוצאות אלו מראות כי עיצוב טחנת טיסה זו יכול להיות מיושמת בקלות ובהצלחה כדי לאסוף נתונים עבור מחקרים התנהגותיים מסתכלים על טיסת דפוסי פעילות בדגמי חרקים שונים. נתונים אלה יכולים לשמש כדי לחקור וריאציה בודדת בדפוסים תלויים כמו למשל על פיזיולוגיה ומורפולוגיה תנועה. זה יכול להציע תובנות גדולות לתכונות הפיזיולוגיות ומורפולוגיה בסיס קביעת וריאציה בודדת בדפוסי תנועה כמו ליקוט או פעילות נודדת, שסופו של דבר משפיע על אוכלוסייה בכללותה. הווריאציה המהירות מפורטת לאורך זמן ניתן להשתמש בשילוב עם מדידות פיסיולוגיות ומורפולוגיות מפורטות, מציע כלי ללמוד דפוסי צריכת משאבים או השפעות של שינוי במורפולוגיה חלק גוף על פעילות הטיסה.
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
- Hardie, J. Flight Behavior in Migrating Insects. J. Agric. Entomol. 10, 239-245 (1993).
- Reynolds, D., Riley, J. Remote-sensing, telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement: a survey of existing and potential techniques. Comput. Electron. in Agric. 35, 271-307 (2002).
- Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
- Dingle, H., Blakley, N. R., Miller, E. R. Variation in body size and flight performance in milkweed bugs (Oncopeltus). Evolution. , 371-385 (1980).
- Gatehouse, A., Hackett, D. A technique for studying flight behaviour of tethered Spodoptera exempta moths. Physiol. Entomol. 5, 215-222 (1980).
- Grace, B., Shipp, J. A laboratory technique for examining the flight activity of insects under controlled environment conditions. Inter. J Biometeorol. 32, 65-69 (1988).
- Kennedy, J., Booth, C. Free flight of aphids in the laboratory. J. Exp. Biol. 40, 67-85 (1963).
- Kennedy, J., Ludlow, A. Co-ordination of two kinds of flight activity in an aphid. J. Exp. Biol. 61, 173-196 (1974).
- Laughlin, R. A modified Kennedy flight chamber. Aust. J. Entomol. 13, 151-153 (1974).
- Krell, R. K., Wilson, T. A., Pedigo, L. P., Rice, M. E. Characterization of bean leaf beetle (Coleoptera: Chrysomelidae) flight capacity. J. Kansas Entomol Soc. , 406-416 (2003).
- Liu, Z., Wyckhuys, K. A., Wu, K. Migratory adaptations in Chrysoperla sinica (Neuroptera: Chrysopidae). Environ. Entomol. 40, 449-454 (2011).
- Wang, X. G., Johnson, M. W., Daane, K. M., Opp, S. Combined effects of heat stress and food supply on flight performance of olive fruit fly (Diptera: Tephritidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 102, 727-734 (2009).
- Dingle, H. . Migration: the biology of life on the move. , (2014).
- Blackmer, J. L., Naranjo, S. E., Williams, L. H. Tethered and untethered flight by Lygus hesperus and Lygus lineolaris (Heteroptera: Miridae). Environ. Entomol. 33, 1389-1400 (2004).
- Riley, J., Downham, M., Cooter, R. Comparison of the performance of Cicadulina leafhoppers on flight mills with that to be expected in free flight. Entomol. Exp. App. 83, 317-322 (1997).
- Taylor, R., Bauer, L. S., Poland, T. M., Windell, K. N. Flight performance of Agrilus planipennis (Coleoptera: Buprestidae) on a flight mill and in free flight. J. Insect Behav. 23, 128-148 (2010).
- Cooter, R., Armes, N. Tethered flight technique for monitoring the flight performance of Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae). Environ. Entomol. 22, 339-345 (1993).
- Chambers, D., Sharp, J., Ashley, T. Tethered insect flight: A system for automated data processing of behavioral events. Behav. Res. Meth. Instr. 8, 352-356 (1976).
- Clarke, J., Rowley, W., Christiansen, S., Jacobson, D. Microcomputer-based monitoring and data acquisition system for a mosquito flight. Ann. Entomol. Soc. Am. 77, 119-122 (1984).
- Resurreccion, A., Showers, W., Rowley, W. Microcomputer-interfaced flight mill system for large moths such as black cutworm (Lepidoptera: Noctuidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 81, 286-291 (1988).
- Taylor, R., Nault, L., Styer, W., Cheng, Z. -. B. Computer-monitored, 16-channel flight mill for recording the flight of leafhoppers (Homoptera: Auchenorrhyncha). Ann. Entomol. Soc. Am. 85, 627-632 (1992).
- Bruzzone, O. A., Villacide, J. M., Bernstein, C., Corley, J. C. Flight variability in the woodwasp Sirex noctilio (Hymenoptera: Siricidae): an analysis of flight data using wavelets. J. Exp. Biol. 212, 731-737 (2009).
- Schumacher, P., Weyeneth, A., Weber, D. C., Dorn, S. Long flights in Cydia pomonella L. (Lepidoptera: Tortricidae) measured by a flight mill: influence of sex, mated status and age.. Physiol. Entomol. 22, 149-160 (1997).
- Attisano, A., Tregenza, T., Moore, A. J., Moore, P. J. Oosorption and migratory strategy of the milkweed bug, Oncopeltus fasciatus. An. Behav. 86, 651-657 (2013).
- Martini, X., Hoyte, A., Stelinski, L. L. Abdominal color of the Asian citrus psyllid (Hemiptera: Liviidae) is associated with flight capabilities. Ann. Entomol. Soc. Am. 107, 627-632 (2014).
