Summary
我们开发了一个低成本和小型飞行厂, 建设与一般可用的项目, 并容易用于试验。利用这个仪器, 我们测量了一个豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus的飞行能力。
Abstract
豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus (村山富市), 是真菌病原体的载体, 导致壳斗科树 (日本橡木枯萎) 的大量死亡。因此, 了解扩散能力可能有助于使诱捕/树移除的努力更有效地预防这种疾病。在这项研究中, 我们测量飞行速度和持续时间, 并估计飞行距离的甲虫使用新开发的飞行厂。该机组成本低, 体积小, 使用常用的物品建造。飞行磨机臂及其垂直轴组成一根细针。甲虫标本用速溶胶水粘在手臂的一个尖端上。另一个尖端是厚的由于被塑料覆盖, 从而有助于检测手臂的旋转。臂的革命是由安装在红外线 led 上的照片传感器检测到的, 当手臂通过 led 上方时, 输出电压的变化就表明了这一点。照片传感器连接到一台个人电脑, 输出电压数据以1赫的采样速率存储。通过使用这个飞行磨机进行实验, 我们发现quercivorus至少能飞27公里。由于我们的飞行厂包括便宜和小的普通项目, 许多飞行磨房可以同时被准备和使用在一个小实验室空间。这使实验者能够在短时间内获得足够数量的数据。
Introduction
动物为了寻找食物和伴侣, 迁徙了很长的距离。迁徙的动物有时可能携带不良的同伴。雌豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus (村山富市), 是一个已知的真菌病原体, Raffaelea quercivora Kubono 和新 Ito。这种病原体导致壳斗科树 (日本橡木枯萎) 的大量死亡和高水平的死亡率1。自1980年以来, 这种疾病一直在日本蔓延, 并已成为一个严重的问题2。
quercivorus是一种小昆虫 (体长4-5 毫米, 体重4-6 毫克), 每年的疾病扩展表明, 它们能够飞到几公里3,4。雄quercivorus定位一棵寄主树, 并释放一个聚合信息素, 吸引男性和女性5。因此, 宿主树受到 conspecifics 的大规模攻击, 最终死亡。在着陆后, 雄鸟在树内钻孔, 一个由信息素吸引的雌性进入隧道, 产卵。孵化的quercivours在隧道中生长, 直到成年。成人出现并分散, 以找到新的主机。因此, 疾病的扩展可能与这种甲虫的迁徙能力有关。然而, 甲虫能飞的程度仍然不明。此外, 雌性比雄性大6 (女性: 4.6 毫米, 雄性: 4.5 毫米) 和雄性甲虫搜索目标树, 进入树内的隧道, 然后吸引雌性。考虑到这些性别差异在身体大小和飞行的作用在他们的生活中, 性区别可能存在于飞行能力, 但能力的区别仍然不清楚。
一般来说, 由于迁徙区域的范围很广, 测量野外迁移能力, 特别是飞行能力, 是极其困难的。在60年7、8、9、10、11、12等拴系条件下的实验室测量了迁移能力, 例如一个飞行磨机系统;,13. 飞行磨机系统表明, 有些昆虫具有长距离飞行的能力。例如, 山松树甲虫的最长的飞行距离在一个飞行磨房是24公里14, 并且啮 planipennisi杨最大地飞行了7公里15。虽然飞行磨房是通常可利用的工具, 生物化验与活动物经常导致相当大个体区别。为了克服这一点, 许多测量, 重复多次, 需要得到可靠的估计平均扩散能力。因此, 应同时使用多个个人来快速收集足够数量的数据。然而, 同时实验需要一个更大的空间, 多个实验设置, 并比单一测量系统更昂贵。因此, 该机组必须低成本, 应易于建设与一般可用的项目, 并紧凑的规模。此外, 实验过程不应复杂或需要熟练的操作员。
在这项研究中, 我们组装了一个小型, 低成本的飞行厂 (图 1和图 2), 可以很容易地用于实验, 并测量飞行能力的豚草甲虫, P. quercivorus.
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Protocol
1. 飞机厂的建造
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飞机磨机装置的施工
- 从针 (金属部分:40 毫米长度和直径0.25 毫米) 切断塑料部分; 塑料部分: 长度为22毫米, 直径为2毫米) 带钳 (图 3)。
- 用环氧树脂胶粘剂 (图 3) 在十字的形状上用未经处理的针固定这根针, 将其称为飞行磨臂和轴向针。
注: 对于轴向针, 未经处理的一侧应为底部。飞行磨房胳膊的被揭露的末端是为胶合甲虫 (图 1B和图 3)。
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基地建设
- 通过锤击钉子以防止轴向水平滑动 (图 4), 在薄薄的不锈钢金属板 (5 厘米 x 5 厘米) 表面上制作一个小酒窝。
注意: 金属板的实际尺寸不重要, 另一种材料是可能的, 但避免使用任何软材料;否则, 针会卡住, 防止磨机旋转。 - 用胶带将木板上的金属板 (木制底座) 放置并固定。
- 弯曲一个钢板, 使其双 L 形 (图 1C和图 2A)。
注: 用 L 型金属板固定墙上的家具是很方便的。另一种方便的观点是, 支持使用这种板块的是, 板块已经有很多孔。孔用于拧紧, 也可以修复一个捕捉按钮 (图 1A和图 4)。 - 通过切割一次性塑料吸管的尖端 (高度 = 1 厘米, 外径 (外径) = 4 毫米, 内径 (id) = 2 毫米) 来制造圆柱形, 用于引导轴向针 (图 2A和图 4)。
- 将双 L 形板和金属板上的气缸固定 (图 2A和图 4)。
- 通过锤击钉子以防止轴向水平滑动 (图 4), 在薄薄的不锈钢金属板 (5 厘米 x 5 厘米) 表面上制作一个小酒窝。
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传感设备的建设
- 弯曲金属板使其 L 形, 使一个顶部板。
注: 使用 L 型金属板固定在墙上的家具是方便的 (图 5B-C)。如果是这样, 则可以跳过此步骤。 - 在顶板上放置一个小的金属帽 (长度为5毫米, 直径为1毫米) (图 2D-E,图 4,图 5A)。
注意: 作为一个上限, 我们使用了一个捕捉按钮。它穿过 L 形板上的一个孔 (图 4)。 - 修复 L 型板上的照片传感器 (图 4和图 5A)。拧紧 L 形板上传感器的电路基板以节省空间 (图 2D-E,图 4)。
- 将红外线 led (150 兆瓦) 粘附在一个小磁铁上, 与 LED 的电路衬底 (图 1A和图 2A) 粘合。
- 将 LED (150 兆瓦) 放在照片传感器下方的基板上 (图 1A和图 2A)。
- 弯曲金属板使其 L 形, 使一个顶部板。
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施工支架
- 弯曲金属板使其 L 形。
注: 使用 L 型金属板固定在墙上的家具是方便的 (图 5B-C)。如果是这样, 则可以跳过此步骤。 - 用螺丝固定木板 (木墙) 上的盘子 (图 1C,图 4,图 5B)。木板的高度不重要, 这项研究是7厘米。
- 弯曲金属板使其 L 形。
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连接电缆
- 通过普通电缆将照片传感器连接到 a/d 转换器的模拟输入通道。
注: 如果所有电缆都捆绑并固定在 L 形板上 (图 5B-D), 这是很有帮助的, 因为凌乱的工作区经常会防止整个实验中的细微操作。 - 通过 USB 电缆将 a/d 转换器连接到个人计算机 (PC)。
- 通过普通电缆将照片传感器连接到 a/d 转换器的模拟输入通道。
2. 实验程序
- 收集所有新出现的P. quercivorus成人从死的栎 crispula (Fagales: 壳斗科) 树在上午 (7-9 am) 的一天的实验将进行。
注意: 不要使用在前一天收集的甲虫。每天有超过100只甲虫出现, 新出现的甲虫每天都被检查。有关收集甲虫的详细方法, 请参阅参考16 。 - 把甲虫放在冰上麻醉。避免把甲虫弄湿;否则, 将很难完成以下过程。在冰上执行所有后续的步骤。
- 将一小部分的即时胶水 (湿乎乎胶) 的一部分, 在甲虫的 pronotum 与磨臂, 并保持磨臂与 pronotum 接触。
注: 如果单独使用胶水, 湿乎乎胶水会慢慢干燥。然而, 当两个组分混合 (材料表) 时, 这种胶水的作用很快。另一组分 (液体胶) 将在下一步使用。 - 使用细针或棍子添加少量的胶水 (液体胶水) 的其他成分。确保机翼没有胶水 (图 1B)。液体胶用于促进湿乎乎胶的硬化。
- 通过使用磁铁将 l 形板 (顶板) 放在另一 l 形板上, 将十字形针调整成机架 (图 6)。在调整针顶板高度时, 只需滑动顶部板即可。将轴向针的上尖端插入顶板上的 "捕捉" 按钮的孔 (图 5A), 然后将另一个笔尖放到基板上的导轨上 (图 6)。
- 调整传感器下 IR 指示灯的位置。
3. 获取和分析数据
- 将放大后的输出信号从照片传感器中记录下来, 并通过 a/d 转换器将其存储在 PC 中, 方法是使用具有1000磅/秒采样率的商用软件 (图 7A) (用于 a/d 转换器和软件、材料表)。
- 启动软件 DAQFActoryExpress。
- 在工作区窗口中, 单击日志记录图标上的十字 (+) 标记。
- 右键单击日志记录集名称, 然后选择 "开始日志记录集"。
注意: 软件继续记录和保存数据。 - 要停止录制, 请右键单击日志记录集名称, 然后选择 "结束日志记录集" 以保存. csv 文件。
- 仅在记录的电压超过阈值 (0.5 V) 的情况下, 通过检测时间来提取在 IR LED 上方的飞行机臂的传递时间。
注意: 由于某些软件 (例如, Excel) 可以读取创建的. csv 文件, 所以根据研究的目的使用熟悉的软件。如有必要, 请下载通过 Github、https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill 提供的定制程序。有关我们的程序的详细信息以及使用该程序的说明, 请参阅与主程序一起附带的自述文件。
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Representative Results
在这些实验中, 大约50% 的甲虫被应用到飞机上, 显示了一个或多个革命。当塑料部件通过传感器和 LED 之间的虚线时, 记录的电压从大约 0 v 变到约 6.5 v, 而传递的持续时间在10-20 毫秒以内, 这取决于飞行速度。因此, 像一场革命一样, 一个类似的峰值电压变化被观察到 (图 7B)。我们定义的飞行, 当飞行磨房胳膊旋转,即, 电压超出了门限 (0.5 V), 不管革命的数量在回合, 革命速度或革命期间。我们还将飞行时间定义为仅当记录的电压超过阈值时。因此, 每次通过塑料部件时, 只提取一个时间点。因此, 50% 的甲虫应用到飞行厂 "飞"。一些甲虫往往在飞行前反复张开翅膀, 但在大多数情况下, 甲虫在没有事先显示任何迹象的情况下就开始飞行。通常情况下, 甲虫一直飞行一段时间 (部分飞行), 然后在间隔后再次飞行 (图 7C-D)。这是不可能预测甲虫是否会恢复飞行。因此, 当间隔超过60分钟时, 我们指定一个测量完成。
在大多数情况下, 甲虫飞行速度为每秒3-6 转 (0.75-1. 50 米/秒)。我们估计总飞行距离通过乘一个革命的距离 (即飞行路径的圆周), 将是大约 25.1 cm, 并且取决于飞行磨房胳膊的半径, 以革命的总数。为了避免低估甲虫的飞行能力, 我们省略了从这种分析中发现的短飞行 (不到1公里) 的甲虫。最后, 我们从35只甲虫身上获得了16只甲虫 (7 只雄性和9只雌性), 至少进行了一次革命。
我们将飞行时间定义为总飞行时间, 飞行距离为部分飞行的总和距离。16甲虫显示1.26 小时 (3.24 公里) 或更长的飞行没有能量摄入。最大持续时间和距离分别为7.5 小时和27.1 公里。由于这些实验中的飞行时间和距离在很大程度上是不同的, 所以中值比平均值更有信息量。
检查飞行能力的性别差异, 我们根据性别分组数据, 发现飞行距离为男性相似 (中间: 10.2 公里, 平均: 13.4) 3.11 km, 最少: 3.3 公里, 最大: 27.1 公里) 和女性 (中间: 17.2 公里, 平均: 17.2 @ 2.16 公里, 分钟: 8.7 km, 最大: 25.4 公里)。魏氏秩和试验显示在飞行距离男性和女性之间没有显著的差异 (p = 0.211) (图 8), 也没有在男性和女性之间的飞行期间 (男性: 3.8 h, 女性: 4.7 h, p = 0.142)。因此, 我们得出结论, 甲虫的性别在距离和持续时间上可能具有相同的飞行能力。
图 1: 飞行磨房的概要。(一)飞机厂的斜视。比较网球的比例。(B)附在飞机磨房上的甲虫。(C)飞机厂的刻度。有关每个部件的详细信息, 请参见图 2 。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 从不同角度的飞行磨机.一个正面(a), 左侧(B), 右侧(C), 和顶部(D)视图的飞行磨房。(E)顶板的底部视图。为了拍照, LED 从照片传感器的下方移动。a: 轴向针, bp: 底板, dlp: 双 L 型板, 国标: 导轨上的底板, gt: 导轨上的顶板, led: IR led, lp: L 型板, ma: 飞机磨臂, mp, 金属板上底板, ps: 照片传感器。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 用于飞行磨机的针.原针 (左) 和十字形针 (右)。针的大小是: 金属部分:40 毫米长度和0.25 毫米直径, 塑料部分:22 毫米长度和2毫米直径。a: 轴向针, ma: 飞机磨臂。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 如何构造飞行磨机.有关详细信息, 请参阅文本。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 飞机磨零件。(a)在 L 型板上固定有环氧树脂胶粘剂的顶板和照片传感器指南。捕捉按钮的孔直径为1毫米, 长度为5毫米. (B)从右上角角度看飞机轧机的斜视。磁铁连接两个 L 形板。一个黑色的 L 形板拧在木盘子上。(C)飞机厂的后景色。电线被捆绑和固定在 L 形板上拧在木板上。(D)三架飞铣刀 (F1-F3) 排列在一个小空间 (45 厘米 x 20 厘米)。gt: 指南上板, mg, 磁铁, ps: 照片传感器。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 如何调整机架.垂直滑动顶部板, 将轴向针的顶端插入到顶板上的导轨上,即: "捕捉" 按钮的孔。将十字形针插入双 L 形板的孔中。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7: 革命的代表性时间痕迹。(a) 500 毫秒 (a)、十年代 (B) 和1小时 (C) 飞行活动期间电压输出的例子。踪影从 (C) 世俗地扩展到 (A)。虚线指示展开的期间。电压输出采样每1毫秒 (1000 点每秒)。当手臂通过红外 LED 时, 传感器的输出电压从0.01 伏增加到约 6.7 v。一个像钉一样的电压变化被观察作为一个革命 (B)。当时间刻度与面板 C 中的分钟类似时, 就像一个黑色矩形 (c) 一样观察到持久的飞行。通常, 飞行活动有两个阶段: 一是密集飞行阶段, 另一种是停顿阶段。密集飞行阶段之间的间隔长度是不可预测的。在密集飞行阶段, 甲虫以恒定的速度飞行。(D)电压输出的叠加和相应的累计飞行距离。电压输出与面板 (C) 相同。蓝色: 电压输出的1小时飞行, 红色: 累计飞行距离。请单击此处查看此图的较大版本.
图 8: 男性与女性之间飞行距离的比较.飞行距离的箱子情节。男性和女性在飞行距离上没有显著差异。框中的线条表示中间值, 框的边缘分别表示较高和较低的四分位数。最大和最小值由晶须表示。请单击此处查看此图的较大版本.
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Discussion
我们开发了一个低成本, 易于建设, 紧凑的飞行磨机, 为小昆虫, 如P. quercivorus (4-5 毫米的身体长度和4-6 毫克的体重)。我们的飞行厂只包括普通的项目, 如针, 红外线 LED, 照片传感器, 瞬时胶水等, 不需要任何复杂的, 昂贵的, 或稀有的项目, 如计算机控制的电气设备。这样就可以方便快捷地收集必要的项目并降低实验成本。事实上, 每台机组的成本仅为1000日元 (约10美元、8欧元或7英镑) (不包括非飞行磨机特定项目, 如 PC、a/d 转换器、软件、软件许可证等) 此外, 所提出的飞机厂是紧凑的。因此, 有可能准备和使用多个飞行磨房16不需要一个大的实验空间 (图 5D)。这些是这一方法的最强的点关于其他飞行磨房方法学。
在这个小甲虫的情况下, 推进力是非常小的。因此, 摩擦阻力必须尽可能小, 如前所述的研究15,17。这对测量非常关键。从这个角度来看, 使用薄针是非常方便减少的接触面积的飞机磨底板。由于同样的原因, 飞行厂的上部必须也是光滑的。所有潜在的接触点或位置必须是平滑的。
当目标昆虫是小的, 飞行磨房必须保持平, 虽然以前的论文没有清楚地提及此。否则, 测量结果可能会出乎意料地受到重力相关效应的影响。重力相关影响和大摩擦阻力会产生误导性的结果。另一个关键点是飞行机臂长度的准确性。因为当甲虫飞远的时候, 革命的次数超过了 1万, 对针长的精确测量提供了误导性的数据。在施工后测量磨臂回转半径比使飞铣机臂精确的长度更实用。
为了测量quercivorus的飞行活动, 本实验提出了一些实际的重要问题。首先, 测量必须由新出现的甲虫进行。到目前为止, 我们已经注意到, 早上开始一个实验提供了更多的甲虫, 飞行超过1公里, 相对于下午开始。因此, 理想的是, 尽可能多的甲虫必须在早上测量。其次, 顶部和底板上的参考线可能对收集大量数据至关重要。使用所述程序进行的实验是相当简单和快速的。从麻醉到完成胶合, 它花费了少于1分钟经常, 调整十字形针到飞行磨房是限速步。如果花费太多的时间, 只有少数甲虫可以测量。这些指南有助于快速调整针到磨坊。第三, 必须找到最佳的测量条件, 以及处理昆虫的最佳方法。理想情况下, 所有测量数据都必须用于分析, 尽管在动物行为9、10、18领域经常使用排除。我们省略了飞行不到1公里的昆虫, 因为我们不知道短距离飞行者是否有能力飞, 或者一些实验性故障导致了短程飞行。该实验的最佳性能将提供一个更精确的估计甲虫的飞行能力。
另一个限制可能是同时取样大量甲虫的数据。一种高功率的 PC 机, 有助于同时处理多个飞行铣刀的数据。特别是在保存和写入数据时, PC 规范是至关重要的。因为飞行是高速和持久的, 如果不使用适当的个人计算机, 有些数据可能丢失。我们发现1赫采样率是最好的, 我们的设置。然而, 取样率必须调整到每个特定的飞行磨机设备。
由于飞行间隔超过60分钟时, 甲虫飞行的测量被终止, 我们在经过60分钟后一直观察每只甲虫。此外, 我们的分析是不加衬的。因此, 如果某些行为状态如飞行间隔、飞行时间、飞行距离等, 将会有所帮助. 实时通知/显示。为了实现实时分析, 必须在将来开发一个新的程序, 并使用高功率的 PC。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
我们感谢美国深谷市先生、田硕先生和 t. Ishino 先生帮助进行了这些实验。这项研究得到了日本促进科学学会 (15K14755) 的科学研究资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| needle | Seirin | J type No. 5 x 40 mm | |
| epoxy resin adhesive | Konishi | #16113 | |
| metal plate | from a home improvement store | ||
| disposable plastic pipette | from a home improvement store | ||
| snap button | from a craft store | ||
| IR sensor | Hamamatsu Photonics | S7136 | |
| IR LED | OptoSupply | OSIR5113A | 150 mW |
| custom-made program | downloadable from Github. URL: https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill |
||
| instant glue | Toagosei | 31204 | |
| A/D converter | LabJack Co. | U3-HV | |
| DAQ software | AzeoTech | DAQFactoryExpress | download from AzeoTech Web page. |
References
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