Ein einfacher Flug Mühle für das Studium der Flug Tethered in Insekten
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
Mehreren Labortechniken wurden für die Studie von Insektenflugverhalten 1,2 entwickelt. Diese reichen von einfachen statischen Tethering 3,4 um anspruchsvolle Geräte, die größere Bewegungsfreiheit für die angebundenen Insekten 5 zu ermöglichen. Bis heute Flugkammern 6-9 stellen die Geräte so dass ein Höchstmaß an Freiheit des Fliegens unter kontrollierten Bedingungen. Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: es ist schwierig, für die Untersuchung von großen Insekten und dem manuellen Verfahren der Datensammlung verwenden, ist zeitaufwendig.
Flugmühlen stellen eine der häufigsten und erschwingliche Techniken für die Untersuchung von Insektenflug unter Laborbedingungen 10-12. Diese Technik ist vorzuziehen, statische Tethering, weil es bewegte Reize 13, aber es ist von einem freien Flug Verhaltensreaktion 14-16 unterscheidet. Einige Aspekte der Flugverhalten an der Mühle und in freier Wildbahn sind similar 5,17 so trotz einiger Einschränkungen, Flugmühlen stellen eine sinnvolle Option, um Fragen in Bezug auf das Auftreten von bestimmten Flugverhalten Reaktionen zu untersuchen, wie es der Fall der Migrationsflugtyp. Auch sind Flugmühlen einfacher zu realisieren ist als Windkanälen und Luftkammern und die Datenerfassung kann leicht automatisiert werden. So Forscher interessiert Flugverhalten oft feststellen, dass Flugmühlen sind die beste Wahl, aber sollte sich der möglichen Einschränkungen der Methode. Hier wird eine flexible und anpassbare Flugwerk Design für Forscher, die sich entschieden haben, Flugwerke zu nutzen, um das Flugverhalten zu untersuchen vorgestellt.
Mehrere Autoren beschreiben alternative Flugwerk-Designs. In der Regel der Hauptteil des Flugmühlensystem, dh die Schwenkmühle Arm, ist recht einfach zu realisieren. Weniger einfach ist der elektronische Teil der Flugwerk-System, das die Aufzeichnung der Daten erlaubt. Der Umgang mit elEctronic Schaltungen Design kann eine Herausforderung sein, vor allem für den Entomologen oder der Verhaltensökologe fehlt in Hintergrundwissen der Elektronik. Einige Autoren beschreiben eine komplizierte oder veraltet elektronischen Schaltkreis-Komponente in ihre Flugwerk Design 18-21, oder die Beschreibung des elektronischen Teils des Fluges Mühle fehlt 22,23. Andere Ausführungen beschreiben mechanisch kompliziert actographs, die ziemlich kompliziert zu erkennen sind, aber Ermittler helfen, komplexere Verhaltensbeobachtungen 5 vorzunehmen.
In diesem Beitrag wird ein Entwurf für ein einfach zu bauen, ist relativ preiswert Flugwerk für die Studie der Fesselflug bei Insekten beschrieben. Zusammen mit dem extrem einfachen elektronischen Bauelements weist die Konstruktion eine Reihe von Vorteilen. Der Flug Mühle wurde entwickelt, um in den beengten Platzverhältnissen in der Regel in der Standard Insekt Ökologie Labor verfügbar werden. Die Struktur besteht aus transparentem Acryl p gemachtlastic, so dass eine einzige Lichtquelle gleichmäßig jeden Einzelnen in getrennten Kammern der Mühle zu erreichen. Angesichts der Transparenz des Materials und der geringen Größe kann das Flugwerk in einem Inkubator für standardisierte Licht- und Temperaturbedingungen verwendet werden. Schließlich kann die gesamte Struktur zusammengebaut und einfach demontiert und nach auseinandergebaut, kann es in einem kleinen Raum gelagert werden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion der Struktur ist, dass die Flugwerk kann verändert werden, um die Studie von Insekten von unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Dreh Strecken möglich ist. Dieser Flug Mühle verwendet wurde, um Daten über die Insekten so unterschiedlich in der Größe zu sammeln und Form wie milkweed Bugs, Oncopeltus fasciatus 24, Kudzu Wanzen, Megacopta Cribraria und Vergraben Käfer, Nicrophorus vespilloides. Der Flug Mühle Design ermöglicht auch bei hohen Durchlauf für Studien, die große Probengrößen erforderlich. Daten können mit 8 simultane Kanäle für jeden der Datenlogger u gesammelt werdenSED so dass eine große Anzahl von Personen gleichzeitig analysiert werden können und eine große Anzahl von Proben in der gleichen Tag behandelt werden. Keine teure Software benötigt wird, um aufzuzeichnen und zu visualisieren, die Daten und die benutzerdefinierte schriftlichen Skript für die Datenanalyse Anlehnung an die konkreten Bedürfnisse des experimentellen Design geändert werden. Flucht-Reaktion ist sehr variabel in verschiedenen Insektenarten. So vor der Durchführung einer vollen Flug Mühle Experiment Vorversuche auf der Flucht-Reaktion der Brenninsektenmodell werden empfohlen. Darin wird auf ein Verständnis für das Ausmaß der Variation im Flug Verhaltensantwort, die zur Feinabstimmung Aspekte der Fluganalyse wie Aufnahmedauer oder Fluggeschwindigkeitsbereich verwendet wird.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine erschwingliche, flexible und einstellbarer Flugwerk Design.
Insektenflugverhalten ist von Interesse für eine Reihe von Wissenschaftlern, von denen sich für das Grundverhalten von Insekten unter variablen Umgebungen zu Spezialisten in biologischen Bekämpfung, die brauchen, um zu verstehen, wie Bedingungen Einfluss auf die Neigung eines Schädlingsarten zu zerstreuen. Flugverhalten kann durch verschiedene Verfahren, die von Flucht "Tretmühlen" und Windkanälen, die ungefähre Feldbedingungen zu Fesselfluggeräte statischen Bereich untersucht werden. Tethered Flugmühlen, wie die hier vorgestellt werden, dass bestimmte Aspekte der Flucht, wie Veränderungen in der Höhe begrenzt ist, kann nicht gemessen 14 werden. Allerdings Fesselflugmühlen Lassen Insekten fliegen ohne Unterbrechung und damit es den Forschern ermöglichen, um Parameter wie Geschwindigkeit, Distanz und Periodizität der Flug quantifizieren und zu korrelieren diese Parameter mit Umweltbedingungen, Physiologie und morphology.
Der Flug Mühle hier vorgestellten wurde entwickelt, um Forschern ohne spezielle Kenntnisse der Elektronik zu bauen und verwenden Sie einen Fesselflug-Mühle, um das Flugverhalten von Insekten studieren können. Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Gesamtkosten des Fluges Mühle ist niedrig im Vergleich zu anderen Designs. Die Gesamtkosten beibehalten werden deutlich unter 300 $. Die Kunststoff-Acrylplatten sind die teuerste Einzelteil. Der zweite Vorteil ist, dass der Flug Mühle ist für den begrenzten kontrollierten Zustand Arbeitsbereiche in vielen Labors anpassbar, im Gegensatz zu einem spezialisierten Windkanal. Die Verwendung von 3 mm dicken transparenten Acryl-Kunststoffplatten bedeutet, dass die Struktur ist sowohl transparent, um eine einfache Beobachtung der Insekten, sowie geringes Gewicht ermöglichen, so dass der Flugwerk um an die entsprechende Stelle für Flugversuche bewegt werden. Die gestapelte Anordnung der Flugwerk Zellen maximiert die Anzahl von Abtastungen bei gleichzeitiger Minimierung des Fußes verlaufenDrucken des Gerätes. Ferner kann die Vorrichtung leicht zur Lagerung zerlegt werden. Zusätzlich wurde das Flugwerk entwickelt, um für eine große Anzahl von Personen zu ermöglichen, sich relativ leicht abgetastet werden. Jeder Flug Mühle enthält 8-Zellen, so dass die Forscher Flugaktivität von mehreren Personen gleichzeitig aufnehmen. Anbringen Insekten indirekt mit dem Schwenkarm durch ein Insekt Stift ermöglicht individuelle Insekten in der Flugwerk schnell platziert und entfernt werden. Schließlich ist der Datenaufzeichnungselektronik einfach und leicht zu bedienen, mit frei verfügbaren Software zur Datenanalyse. Einmal montiert, verwendet das Flugwerk einfachen IR-Sensoren zur Flugaktivität aufzeichnen. Die Passage der Folie Flagge am Ende des Armes durch den Infrarotstrahl kann jeder Umdrehung des Armes zu erfassen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit kann Daten wie Geschwindigkeit, zurückgelegte Strecke, die Gesamtflugzeit und Muster der Flug als Eingabe in ein Datenlogger aufgezeichnet werden.
Der Flug Mühlein der Lage ist, für eine Reihe von verschiedenen Arten von Insekten angepasst werden. Die Verwendung von hypodermischen Rohr für den Schwenkarm ist wirksamer als andere Optionen, wie beispielsweise Holzstäben oder Trinkhalme, weil, obwohl schwerere wird das erzeugte Schlepp durch den schmalen Durchmesser reduziert, so dass auch kleine Insekten in die Flucht gegengeprüft. In letzter Zeit wurden kleine Stücke von Faseroptik in einem Flugwerk für kleine Insekten 25 verwendet. Das gebogene Ende des Arms mit dem Anker in verschiedenen Winkeln relativ zu der Achse der Halterung, um die experimentellen Insekt im natürlichen Flugorientierung zu positionieren verklebt werden. In der Gestaltung dargestellt, bei der der Radius 10 cm in der Länge, über den gesamten Abstand in einer Umdrehung gereist ist 62,8 cm. Entfernen der zentralen vertikalen Wand wird eine alternative Konfiguration des Fluges Mühle, in der der Arm Radius kann in der Länge verdoppelt, um größere Insekten aufzunehmen und Revolution Entfernungen bis zu 1,20 m zu ermöglichen. In diesem Fall stärkere Magnete sind Empded zur Aufnahme und Stabilisierung mehr Mühle Arm.
Wie bereits im gesamten, ist die Flugwerk Design flexibel und für die Insektenarten von Interesse anpassungsfähig und Forscher sind in der Lage, sie für ihre speziellen Bedürfnisse anpassen. Dies umfasst nicht nur die körperlichen Bedürfnisse des Insekts, darunter Parameter wie Größe, Leistung, Struktur der Nagelhaut, aber auch biologische Unterschiede zwischen den Arten. Ein möglicher Nachteil für alle Flugmühlen besteht darin, dass das Fehlen der Insekten tarsal Unterstützung "Kräfte zu fliegen, vielleicht bis zur Erschöpfung. Dies gilt zwar in einigen Arten, zum Beispiel, haben wir beobachtet, die automatische Flucht-Reaktion mit unseren milkweed bug Studien, es ist nicht wahr für alle Insekten haben wir (zum Beispiel N. vespilloides) getestet. Aber selbst mit der automatischen Antwort, die wir nie beobachtet Insekten bis zur Erschöpfung oder Tod fliegen, zum Teil, weil der Aufzeichnungszeit haben wir uns für die Biologie der Insekten unterzubringen. Somit ist es wichtig zu tun,Vorbemerkungen auf das Insekt von Interesse, um sein Verhalten in der Luftmühle, um die Datenerfassung zu optimieren zu verstehen. Eine weitere, bekannte Problem mit Flugmühlen, ist, dass Trägheitsbewegung, selbst nachdem das Insekt hat aufgehört aktiv fliegen zu halten. Das Skript zur Verfügung gestellt Konten für die Missdeutungen aufgrund der Trägheit des Fluges Mühle, durch eine rasche Abnahme der Fluggeschwindigkeit aus und zunehmender Entfernung zwischen den Spitzen. Das Skript 'flight_analysis.py "verwirft diese" falschen Peaks "und erstellt ein neues Signal für die Analyse. Der Benutzer kann die Drehzahlschwelle für die Korrektur zu wählen, wie sie in den im Skript vorgesehen Anhang erläutert.
A 5-V-Stromquelle ist ausreichend, um eine lesbare Spannungssignal zu erhalten, ist jedoch ein Motor mit variabler Ausgangsspannung kann als Energiequelle verwendet werden, um die Leistungsaufnahme variiert und optimiert so Betriebsspannung für jeden Sensor. Eine solche Lösung kann auch helfen, um die Visualisierung Qualität o erhöhenf Spitzensignale in der Software Recording-Interface. Die Ausgabe des Sensors wird in der Softwareschnittstelle gezeigt, wie durch eine Basis und Spitzenspannungen in dem die Basis-Spannung entspricht der niedrigsten Ausgangsspannung des Sensors in Ruhestellung (wenn der IR-Strahl nicht unterbrochen wird), während die Spitzenspannung ist der Anstieg von der Basisspannung gebildet das auftritt, wenn der IR-Strahl unterbrochen wird, wenn der Arm bewegt sich durch den Strahl. Eine Eingangsspannung von 5 V liefert einen Anstieg von etwa 100 mV, während die Erhöhung der Eingang auf 7 V erhöht die Peakanstieg bis 300 mV was eine deutlichere Unterscheidung der Basis- und Spitzenspannungen. Die Größe des ausgewählten Steckbrett bestimmt, wieviele Luftzellen untergebracht werden können. Um Tropfen in dem Spannungssignal während der Aufzeichnung von mehreren Sensoren zu minimieren, wird empfohlen, um die Widerstände in abwechselnden Reihen entlang der Steckbrett platzieren (siehe 3C).
Anpassbare Signal Standardisierung und analysis-Skripte für die Open-Access-Programmiersprache Python geschrieben.
Die Standardisierung und Auswertung des Spannungssignals durch Verwendung von benutzerdefinierten geschriebene Skripte in Python, die ein freies, weit verbreitete allgemeine Zwecke und High-Level-Programmiersprache ist durchgeführt. Der Endanwender kann leicht anpassen, die Skripte, um mit eigenen festgelegten Einstellungen. Die Anpassung wird durch einfaches Ändern numerischer Werte oder Variablennamen erreicht. Hinweise, wie Sie die Parameter anpassen können innerhalb der Skripte selbst gefunden werden. Die Standardwerte in den Skripten sind so eingestellt, um eine Feinabstimmung Signal Standardisierung liefern, aber der Benutzer kann eine beliebige Schwelle nach dem Wert der mittleren Spannung für jeden Kanal zu definieren. In der Fluganalyse Skript die Funktion flying_bouts von der Linie 105 berechnet die Dauer in Sekunden der längsten und kürzesten fliegen Kämpfe, den Prozentsatz der Zeit im Flug über den Gesamtaufnahmezeit verbrachte und die Zahl der fliegenden Kampf Ereigniss von bestimmter Dauer Bereich. Die Bereiche können entsprechend den Benutzeranforderungen experimentellen modifiziert werden. Um dies zu tun, alle Zahlenwerte innerhalb der Funktion (inklusive die, die in der Variablenname, zum Beispiel in der Variablen "flight_300_900") müssen auf den gewünschten Wert verändert werden. Die Anzahl der Bereiche und deren Dauer hängt einfach von der Spezifikation des Benutzers. Das Skript wird auf dem Bildschirm drucken Sie die Ergebnisse der Analyse für jeden Kanal. Dazu gehören: durchschnittliche Fluggeschwindigkeit, Gesamtflugzeit, zurückgelegte Strecke, kürzeste und längste fliegen Kämpfe und Flug Zusammensetzung. Darüber hinaus gibt das Skript eine * .DAT-Datei für jeden Kanal und speichert sie in den Ausgabeordner durch den Benutzer angegeben. Jede * .DAT-Datei enthält zwei Spalten: Die erste stellt die relative Zeit der Spitzenveranstaltung, die zweite ist die detaillierte Geschwindigkeitsänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzenveranstaltungen. Diese Datei kann in Excel oder R eingeführt, um eine graphische Darstellung der Geschwindigkeitsänderung über erzeugenZeit und visualisieren die Flugaktivitätsmuster.
Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass diese Flugwerk Design kann leicht und erfolgreich umgesetzt, um Daten für Verhaltensstudien Blick auf fliegen Aktivitätsmuster in verschiedenen Insektenmodelle zu sammeln. Solche Daten können verwendet werden, um individuelle Unterschiede in Bewegungsmuster wie beispielsweise abhängig Physiologie und Morphologie zu untersuchen. Dies kann große Einblicke in die zugrunde liegenden physiologischen und morphologischen Merkmale der Bestimmung der individuellen Variation der Bewegungsmuster wie Nahrungssuche oder über wandernde Aktivität, die letztlich als Ganzes betrifft Bevölkerung bieten. Die detaillierte Zahländerung über der Zeit in Verbindung mit detaillierten physiologische und morphologische Messungen verwendet werden und bietet ein Werkzeug, um Muster der Ressourcenverbrauch oder Wirkung der Variation in Körperteils Morphologie auf dem Flug-Aktivität zu ermitteln.
Declarações
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. |
Referências
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