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.
Flera laboratorietekniker har utvecklats för att studera insektsflygbeteende 1,2. Dessa sträcker sig från enkla statiska Delning 3,4 till sofistikerade enheter som tillåter större rörelsefrihet för den bundna insekten 5. Hittills flygkamrarna 6-9 representerar enheterna medger den högsta nivån av fri flygning under kontrollerade förhållanden. Denna teknik har två stora nackdelar: det är svårt att använda för studier av stora insekter och det manuella förfarandet för datainsamling är tidskrävande.
Flyg fabriker utgör en av de vanligaste och mest prisvärda tekniker för att studera insekts flygning under laboratorieförhållanden 10-12. Denna teknik är att föredra framför statisk uppbindning eftersom det erbjuder rörliga stimuli 13, men det skiljer sig från en fri flygning beteende svar 14-16. Vissa aspekter av flyg beteende på bruket och i naturen är Similar 5,17 så trots vissa begränsningar, flygfabriker utgör ett bärkraftigt alternativ för att utreda frågor om förekomsten av vissa flygbeteendesvar, vilket är fallet med migrationsflyg typ. Även flygkvarnar är lättare att förverkliga än vindtunnlar eller flygkammare och datainsamlingen kan lätt automatiseras. Således, forskare som är intresserade under flygning beteende finner ofta att flyg kvarnar är det bästa valet, men bör vara medvetna om de potentiella begränsningar av metoden. Här är en flexibel och anpassningsbar flyg kvarn designen presenteras för forskare som har valt att utnyttja flygkvarnar för att undersöka flygbeteende.
Flera författare beskriver alternativa flyg mill mönster. I allmänhet är huvuddelen av flyg kvarnen systemet, dvs, den svängbara kvarnen arm, är ganska enkel att realisera. Mindre enkelt är den elektroniska delen av flygningen kvarnen systemet, vilket möjliggör registrering av data. Att handskas med electronic kretsar design kan vara en utmaning, särskilt för entomologist eller beteende ekolog saknar bakgrundskunskaper av elektronik. Vissa författare beskriver en komplicerad eller inaktuell elektronisk krets komponent i deras flykt kvarn utformning 18-21, eller beskrivningen av den elektroniska delen av flygningen bruket saknas 22,23. Andra mönster beskriver mekaniskt komplicerade actographs, som är ganska komplicerat att förstå men kan hjälpa utredarna att utföra mer komplexa beteendeobservationer 5.
I detta papper en design för en enkel att bygga, är relativt billiga flygkvarn för studier av tjudrad flygning i insekter beskrivits. Tillsammans med den extremt enkla elektroniska komponenten, har en rad fördelar designen. Flygningen kvarnen är konstruerad för att användas i de begränsade utrymmena typiskt tillgängliga i standardinsekts ekologi laboratorium. Strukturen är gjord av transparent akryl pLastic så att en enda ljuskälla jämnt kan nå varje individ i separata kammare i kvarnen. Med tanke på insyn i materialet och liten storlek, kan flyg kvarnen användas i en inkubator för standardiserade ljus- och temperaturförhållanden. Slutligen kan hela strukturen monteras och demonteras lätt och när demonteras, kan den förvaras i ett litet utrymme. En annan fördel med utformningen av strukturen är att flyg kvarnen kan modifieras för att möjliggöra studier av insekter av olika storlek och med olika varv avstånd. Denna flyg Bruket har använts för att samla in uppgifter om insekter så olika i storlek och form som Milkweed buggar, Oncopeltus fasciatus 24, kudzu buggar, Megacopta cribraria och begrava skalbaggar, Nicrophorus vespilloides. Flygningen kvarn designen gör också hög genom sätta krävs för studier som kräver stora provstorlekar. Data kan insamlas med användning av 8 samtidiga kanaler för var och en av datainsamlare used så att ett stort antal personer kan analyseras samtidigt och ett stort antal prover kan hanteras på samma dag. Ingen dyr programvara behövs för att registrera och visualisera data och anpassat program skrivna manus för dataanalysen kan ändras efter de särskilda behoven hos den experimentella designen. Flight respons är mycket varierande i olika insektsarter. Således, innan en fullständig flygning kvarn experimentet preliminära tester på flykt svar av bränninsekts modell rekommenderas. Dessa kommer att ge en förståelse för omfattningen av beteendevariation under flygning svar, som kommer att användas för att finjustera aspekter av flyganalysen såsom inspelningstid eller flygvarvtalsområdet.
En prisvärd, flexibel och justerbar flyg kvarn design.
Insekt flygning beteende är av intresse för en rad forskare, från dem som är intresserade i den grundläggande beteende insekter under variabla miljöer specialister inom biokontroll som behöver förstå hur villkoren påverkar benägenheten hos en skadedjur att skingra. Flight beteende kan studeras genom olika metoder som sträcker sig från flyg "löpband" och vindtunnlar som ungefärliga fältförhållanden för statiska uppbundna flyg enheter. Bundna flyg kvarnar, som den presenteras här, är begränsade i att vissa aspekter av flygningen, såsom förändringar i höjd, inte kan mätas 14. Dock inte bundna flyg kvarnar tillåter insekter att flyga utan avbrott och därmed göra det möjligt för forskare att kvantifiera parametrar som hastighet, avstånd och periodicitet av flyg och korrelera dessa parametrar med miljöförhållanden, fysiologi och morphology.
Flygningen kvarn som presenteras här var utformad så att forskare utan specialkunskaper av elektronik för att bygga och använda en tjudrad flygkvarn för att studera flygbeteende hos insekter. En fördel med denna utformning är att den totala kostnaden för flyg kvarnen är låg jämfört med andra konstruktioner. Den totala kostnaden kan hållas långt under 300 dollar. Plastakrylskivor är de mest kostsamma objekt. Den andra fördelen är att flyg kvarn är anpassningsbar för de begränsade kontrollerade villkors arbetsytor som är tillgängliga i många laboratorier, i motsats till en specialiserad vindtunnel. Användningen av tre mm tjock transparent akrylplastskivor innebär att strukturen är både transparent, för att möjliggöra enkel observation av insekter, och också låg vikt, gör det möjligt för flyg kvarnen flyttas till lämplig plats för flygförsök. Det staplade konfigurationen av flyg mill cellerna maximerar antalet prover körda under minimering fotenskriva ut av anordningen. Vidare kan anordningen lätt tas isär för förvaring. Dessutom var flyg kvarnen utformad för att möjliggöra ett stort antal personer som ska provtas relativt lätt. Varje flyg kvarn innehåller 8 celler, som gör det möjligt för forskare att registrera flygverksamhet av flera personer samtidigt. Fästa insekter indirekt till vridarmen genom en insekt stiftet ger individuella insekter som skall placeras i och avlägsnas från flyg kvarnen snabbt. Slutligen är datainspelnings elektronik enkel och lätt att använda, med fritt tillgänglig programvara för dataanalys. När monterade, använder flyg kvarnen enkla IR-sensorer för att spela in flygverksamhet. Passagen av folien flaggan i slutet av armen genom den infraröda strålen gör att varje varv av armen som ska spelas in. Graden av revolutionen gör att data som hastighet, tillryggalagd sträcka, total flygtid och mönster av flygningen ska bokföras som bidrag till en datalogger.
Flygningen kvarnkan anpassas för ett antal olika typer av insekter. Användningen av hypodermiska stålrör för vridarmen är effektivare än andra alternativ, till exempel träpinnar eller sugrör, för även om tyngre, är motståndet produceras minskas med liten diameter, vilket gör att även små insekter att vara flygning testas. Nyligen har små bitar av optisk fiber använts i en flyg kvarn för små insekter 25. Den böjda avslutning av armen kan limmas till ankaret i olika vinklar i förhållande till stödaxeln för att positionera den experimentella insekt i sin naturliga flygning orientering. Vid konstruktionen presenteras, där radien är 10 cm i längd, är hela gångsträcka i ett varv 62,8 cm. Ta bort den centrala vertikala väggen kommer att möjliggöra en alternativ konfiguration av flygbruket i vilken armen radien kan fördubblas i längd för att rymma större insekter och revolution avstånd upp till 1,20 m. I detta fall starkare magneter är rekomded att rymma och stabilisera längre brukets arm.
Som nämnts hela, är flyg kvarnen designen flexibla och anpassningsbara för insektsarter av intresse och forskarna har möjlighet att skräddarsy den för deras särskilda behov. Detta inkluderar inte bara de fysiska behoven hos insekten, inklusive parametrar såsom storlek, makt, struktur av nagelband, men också biologiska skillnader mellan arter. En potentiell nackdel med alla flyg fabriker är att bristen på böjd stöd "krafternas insekterna att flyga, kanske till utmattning. Även om detta är sant i vissa arter, till exempel, observerade vi den automatiska flykt svar med våra milkweed bugg försök, är det inte sant för alla insekter som vi har testat (t ex N. vespilloides). Men även med automatiskt svar, aldrig observerade vi insekter som flyger till utmattning eller död, delvis på grund av inspelningstiden valde vi att rymma biologi insekter. Således är det viktigt att görapreliminära synpunkter på insekten av intresse att förstå dess beteende i flyg fabriken för att optimera datainsamlingen. En ytterligare, väl känt problem med flyg kvarnar, är att trögheten kan bibehålla rörelse även efter insekten har slutat aktivt flyga. Skriptet tillhandahålls konton för feltolkning på grund av trögheten i flyg kvarnen, som kännetecknas av snabb minskning av flyghastighet och öka avstånden mellan topparna. Skriptet "flight_analysis.py" förkastar dessa "falska toppar" och skapar en ny signal för analys. Användaren kan välja tröskeln för korrigeringshastighet, vilket förklaras i noterna anges i skriptet.
En 5 V effektkälla är tillräckligt för att erhålla en läsbar spänningssignal, men en motor med variabel utspänning kan användas som kraftkälla för att tillåta ineffekten till varieras och sålunda optimera arbetsspänning för varje sensor. En sådan lösning kan också bidra till att öka visualisering kvalitet of topp signaler i programvarans inspelningsgränssnitt. Givarens utsignal visas i programvarugränssnittet som bildas av en bas och toppspänningar där basspänningen representerar den lägsta utgångsspänningen från sensorn vid vila (när den infraröda strålen inte avbryts) medan toppspänningen är ökningen från basspänningen som inträffar när den infraröda strålen avbryts så armen rör sig genom strålen. En inspänning av 5 V ger en ökning med cirka 100 mV och samtidigt öka ingången till 7 V ökar topp uppgång till 300 mV möjliggör en tydligare diskriminering av bas- och toppspänningar. Storleken på den valda lödfria breadboard bestämmer hur många flyg celler kan rymmas. För att minimera droppar i spänningssignalen under inspelning från flera sensorer, är det rekommenderat att placera motstånd i alternerande rader längs bakbord (se figur 3C).
Anpassningsbara signal standardisering och analysis manus skrivna för open access programmeringsspråket Python.
Standardisering och analys av spänningssignalen utförs genom att använda anpassade skrivna skript i Python, som är en fri, utbredda programmeringsspråk allmänt ändamål och hög nivå. Slutanvändaren kan enkelt anpassa skript för att arbeta med egna angivna inställningar. Den anpassning uppnås genom att helt enkelt ändra siffervärden eller variabelnamn. Anmärkningar om hur du anpassar parametrarna kan hittas inom manus själva. Normalvärdena i skripten är inställda på att leverera en finjustera signal standardisering, men användaren kan definiera alla önskade tröskel enligt värdet av medelspänningen för varje kanal. I flyganalysen manus, funktions flying_bouts från linje 105 beräknar varaktigheten i sekunder för längsta och kortaste flygande anfall, andelen tid under flygning över den totala inspelningstiden och antalet flygningar bout händelses av en viss tid intervall. Intervallen kan ändras enligt användarens experimentella krav. För att göra detta, alla numeriska värden inuti funktionen (ingår de i variabelnamn, till exempel i variabeln "flight_300_900") måste ändras till det önskade värdet. Antalet intervall och deras varaktighet beror helt enkelt på användarens specifikation. Manuset kommer att skriva på skärmen resultatet av analysen för varje kanal. Dessa inkluderar: genomsnittlig flyghastighet, total flygtid, tillryggalagd sträcka, kortaste och längsta flygande anfall och flygsammansättning. Dessutom återgår manuset a * .DAT fil för varje kanal och sparar den i mappen utgång som anges av användaren. Varje * DAT-filen innehåller två kolumner: den första representerar den relativa tiden för topp händelsen, den andra är den detaljerade hastighetsvariation mellan två på varandra följande toppevenemang. Denna fil kan importeras i Excel eller R för att producera ett diagram över hastighets variation övertid och visualisera flygaktivitetsmönster.
Sammanfattningsvis visar dessa resultat att detta flyg kvarn design kan enkelt och framgångsrikt genomförts för att samla in data för beteendestudier tittar på flygande aktivitetsmönster i olika insekts modeller. Sådana data kan användas för att undersöka individuella variationen i rörelsemönster som beroende till exempel på fysiologi och morfologi. Detta kan erbjuda stora insikter i de underliggande fysiologiska och morfologiska egenskaper som bestämmer individuella variationer i rörelsemönster som föda eller vandrande aktivitet, vilket i slutändan drabbar befolkningen som helhet. Den detaljerade hastighetsvariation över tiden kan användas i kombination med detaljerade fysiologiska och morfologiska mätningar, erbjuder ett verktyg för att studera konsumtionsmönster resurs eller effekter av variation i kroppsdelen morfologi på flygverksamhet.
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. |