Tunel aerodynamiczny jest ważnym narzędziem w badaniach ekologii chemicznej owadów, które pozwala na laboratoryjne testowanie reakcji owadów na semiochemikalia. Uwalniając zapachy do kontrolowanego strumienia wiatru, reakcja behawioralna owadów na te bodźce może być bezpośrednio monitorowana, badając ich lot pod wiatr w kierunku źródła. Węch jest najważniejszym mechanizmem sensorycznym, za pomocą którego wiele owadów wchodzi w interakcję ze swoim środowiskiem biotycznym1. Owady wykorzystują sygnały zapachowe, aby znaleźć odpowiednich partnerów do krycia. Podobnie używają bukietów zapachowych z zasobów gospodarza, aby znaleźć pożywienie dla siebie lub potomstwa. Rośliny wydzielają kwiatowe zapachy w połączeniu z nektarem i pyłkiem, aby zapewnić skuteczność zapylania przez owady. Wszystkie te lotne sygnały dyfundują pasywnie do środowiska, a owady muszą zidentyfikować i zinterpretować ich indywidualne znaczenie. Gdy substancje lotne są uwalniane do środowiska, cząsteczki przemieszczają się z wiatrem jako włókna, zachowując początkowe stężenie na długich dystansach z wiatrem, zanim ostatecznie zostaną rozbite i rozcieńczone przez turbulencje i dyfuzję2. Owady mogą wykrywać drobne zmiany w sygnale lotnym i kierować swój ruch pod wiatr, w kierunku źródła. Owady zachowują się w locie z szybkimi falami pod wiatr w kontakcie z atrakcyjnym zapachem i rzucają na boki po stracie, aby przenieść pióropusz zapachu3,4. Współzlokalizowane ułożenie neuronów węchowych w czubku czułków owadów może ułatwić reakcje behawioralne na pojawienie się i utratę kontaktu pióropusza z niezwykłą wysoką rozdzielczością5 i umożliwić owadom rozróżnienie podobnych cząsteczek zapachowych pochodzących z różnych źródeł6. Wizualne sprzężenie zwrotne podczas lotu, określane jako anemotaksja optomotoryczna, ma fundamentalne znaczenie dla identyfikacji kierunku wiatru, obiektów i przemieszczenia względnego2,7. Wykorzystując interakcję sensoryczną i wyrafinowane zachowanie, owady mogą lokalizować źródła punktowe w trójwymiarowym środowisku.
Identyfikacja atraktantów i odstraszaczy owadów może mieć kilka ważnych aspektów zastosowania. Feromony płciowe (sygnały wewnątrzgatunkowe) wielu owadów szkodników mogą być syntetyzowane i uwalniane do powietrza, aby zakłócić zachowania godowe8. Zarówno feromony, jak i kairomony (sygnały międzygatunkowe) mogą być wykorzystywane do masowego odłowu, wabienia i zabijania w pułapkach monitorujących, aby dostarczyć bezpośrednich informacji o stanie szkodników. Środki odstraszające owady, takie jak na komary9, mogą być również badane w testach biologicznych w tunelu aerodynamicznym. Metody te odgrywają ważną rolę w zintegrowanej ochronie roślin i systemach wspomagania decyzji dla rolników.
Testy biologiczne w tunelu aerodynamicznym, gdzie można monitorować repertuar zachowań gatunku zależny od zapachu, to skuteczna metoda identyfikacji potencjalnych nowych narzędzi do zwalczania szkodników, które zastąpią lub zmniejszą wpływ stosowania pestycydów.
Teoretyczne uzasadnienie projektu tunelu aerodynamicznego jest dokładnie opisane10. W tym miejscu opisujemy konstrukcję tunelu aerodynamicznego, zastosowanie zapachu i zachowanie podczas lotu, które zostało wykorzystane w kilku eksperymentach w celu określenia protokołu testu biologicznego w tunelu aerodynamicznym. Tunel aerodynamiczny (rysunek 1) w Nibio (Ås, Norwegia) jest zbudowany z odpornego na zarysowania przezroczystego poliwęglanu. Arena lotów ma 67 cm wysokości, 88 cm szerokości i 200 cm długości. Przed areną lotów znajduje się dodatkowa sekcja z poliwęglanu o długości 30 cm. Ta część tunelu aerodynamicznego służy jako część użytkowa do aplikacji zapachów. Jeśli substancje lotne wejdą w kontakt z obudową z poliwęglanu na arenie lotniczej, mogą później zostać ponownie uwolnione i zanieczyszczone między sesjami. Na każdym końcu sekcji użytkowej znajduje się zatem perforowana metalowa kratka. Obie kratki ograniczają przepływ powietrza i wytwarzają lekkie nadciśnienie po stronie nawietrznej. Powoduje to zwiększony przepływ laminarny po stronie nawietrznej. Siatka nawietrzna wykonana jest z perforowanej metalowej płyty z otworami o średnicy 8 mm równomiernie rozmieszczonymi w przekroju poprzecznym tunelu, aby zapewnić 54% otwartej przestrzeni. Kratka z wiatrem ma otwory o średnicy 3 mm i 51% otwartej przestrzeni. Zmniejsza to turbulencje i zapewnia, że pióropusz zapachu przemieszcza się centralnie w dół areny lotów. Pióropusz zapachu będzie miał kształt wąskiego stożka i może być uwidoczniony za pomocą dymu. Na podłodze areny lotów rozłożone są plastikowe lub papierowe kółka o różnych rozmiarach (od 5 do 15 cm średnicy), aby zapewnić owadom wizualną informację zwrotną podczas lotu. Na nawietrznym końcu areny lotów oraz w części użytkowej znajdują się drzwi wejściowe o wymiarach 25 na 50 cm. Pomiędzy nawietrznym końcem areny lotów a sekcją filtra wylotowego znajduje się 60 cm otwarta przestrzeń do obsługi owadów. Ten obszar dostępu jest pokryty po bokach tkaniną o oczkach o grubości 0,8 mm, aby zapobiec przedostawaniu się owadów do pomieszczenia.
Powietrze jest zasysane do pierwszej obudowy filtra przez wentylator. Powietrze przechodzi przez filtr przeciwpyłowy, a następnie jest oczyszczane przez 24 filtry z węglem aktywnym o dużej pojemności i uwalniane w tunelu. Powietrze wychodzące z tunelu jest przepuszczane przez podobną obudowę filtra, zanim zostanie uwolnione z powrotem do pomieszczenia. Korzystne może być odprowadzanie powietrza na zewnątrz budynku przez wyciąg. Wentylatory na obu obudowach filtrów pracują z równym przepływem. Oba wentylatory mają ciągły ściemniacz i są skalibrowane do różnych prędkości wiatru za pomocą przepływomierza. Prędkość powietrza zależy od badanego gatunku. 30 cm S-1 to często dobry punkt wyjścia. W przypadku małych owadów idealna prędkość powietrza może zostać zmniejszona, a w przypadku silnych lotników prędkość lotu może być wyższa, aby zwiększyć względną odległość lotu.
Pomieszczenie w tunelu aerodynamicznym ułatwia kontrolę temperatury, wilgotności i natężenia światła. Taśmy LED są umieszczone za nieprzezroczystą szybą z poli(metakrylanu metylu) o grubości 3 mm, aby stworzyć rozproszone źródło światła nad i za areną lotów. Oba źródła światła mogą być sterowane niezależnie.
Aplikację zapachu można osiągnąć na kilka sposobów. Ogólnie rzecz biorąc, zapachy są uwalniane do strumienia powietrza w środku nawietrznego końca areny lotów. W zależności od zadawanych pytań badawczych punkt uwalniania może być odsłonięty lub zakryty. Szklany cylinder (średnica 10 cm, długość 12,5 cm) z metalową siatką (rozmiar oczek 2 × 2 mm) po stronie nawietrznej może wizualnie blokować źródło zapachu i jednocześnie służyć jako platforma do lądowania dla owadów. W wielu eksperymentach pozioma szklana platforma może być używana do prezentacji źródeł zapachu lub sygnałów wizualnych w pobliżu punktu uwolnienia. Istnieje również możliwość uwolnienia dwóch zapachów w tym samym czasie, obok siebie, aby ułatwić testy wyboru. Punkty uwalniania są następnie umieszczane w odległości 20 cm od siebie, a pióropusze zapachu nakładają się na siebie od połowy tunelu. Wybór można następnie zidentyfikować po tym, za którym pióropuszem owad podąża pod wiatr.
Konstrukcja tunelu aerodynamicznego ułatwia wiele metod uwalniania substancji niestabilnych. Na przykład, określony zapach może zostać uwolniony przed zapachem tła, takim jak emitowany przez roślinę uprawną11,12. Można również testować różne bodźce wzrokowe13,14. Układ doświadczalny musi być dostosowany do każdego gatunku i pytania badawczego.
Naturalne źródła zapachów, takie jak części roślin i syntetyczne zapachy z dozowników, mogą być wprowadzane bezpośrednio na arenę lotów. Aby odizolować zachowania związane z zapachem od obrazu, źródło zapachu może zostać zakryte lub substancje lotne mogą być przenoszone na arenę lotów przez filtrowany węglem drzewnym dopływ powietrza laboratoryjnego z zewnątrz. Źródło zapachu jest następnie zamykane w szklanym słoiku, a powietrze jest przepychane przez słoik do tunelu aerodynamicznego przez rurki teflonowe i szklane rurki. Prędkość lotu w punkcie wypuszczenia powinna odpowiadać prędkości wiatru na arenie.
Aby uwolnić zapachy w określonych proporcjach, można użyć rozpylacza. Opryskiwacz jest dyszą ultradźwiękową ze stożkową końcówką i włożonym mikrootworem ułatwiającym przepływ cieczy o wielkości 10 μl min-1. Dysza jest podłączona do szerokopasmowego generatora ultradźwiękowego i działa z częstotliwością 120 kHz. Pompa strzykawkowa wpycha próbkę zapachu do dyszy opryskiwacza. Rurka fluorowanego etylenu i propylenu (FEP) o średnicy wewnętrznej 0,12 mm łączy gazoszczelną strzykawkę o pojemności 1 ml z dyszą. Adaptery rurek, które pęcznieją w etanolu i kurczą się w powietrzu, ułatwiają szczelne dopasowanie bez objętości wewnętrznej. Wielkość kropelki aerozolu powstającej w wyniku wibracji dyszy jest zależna od częstotliwości i zależy od konkretnego użytego rozpuszczalnika. Małe kropelki odparowują i są przenoszone do tunelu aerodynamicznego w postaci substancji lotnych. Istnieją również inne projekty opryskiwaczy, a tańsza wersja wykorzystująca szklaną kapilarnę napędzaną piezoelektrycznie zapewnia podobne rozwiązanie15.
Syntetyczne mieszanki lub kolekcje przestrzeni nad głową mogą być używane z opryskiwaczem. Próbki rozcieńcza się czystym etanolem do pożądanych stężeń. W przypadku zbierania lotnego próbkę można rozcieńczyć tak, aby odpowiadała czasowi zbierania. Oznacza to, że lotny zbiór próbek pobrany w ciągu 3 godzin należy rozcieńczyć do 1800 μl, co przy szybkości uwalniania z opryskiwacza przy 10 μl min-1 odpowiada 3 godzinom.
Identyfikacja zachowania podczas lotu może być dokonana bezpośrednio przez ręczną obserwację lub analizę wideo post hoc. Lot zorientowany należy odróżnić od lotu losowego. Zachowanie zależne od zapachu można rozpoznać po następujących cechach: zygzakowaty lot w poprzek pióropusza zapachu, prosty lot pod wiatr, gdy znajduje się wewnątrz pióropusza i zapętlenie z powrotem, jeśli kontakt z pióropuszem zostanie utracony. Po utracie atrakcyjnego pióropusza owady mogą również zacząć zygzakowato z rosnącymi łukami, aby ponownie połączyć się z utraconym pióropuszem3,4. Takie zachowanie ma fundamentalne znaczenie w warunkach polowych, gdzie owady podążające za atrakcyjnym zapachem muszą radzić sobie z turbulencjami i zmieniającymi się kierunkami wiatru. Wzorzec lotu nie jest jednolity i różni się w zależności od rzędów owadów. Na przykład silne muchy, takie jak muchy, mają szybszą orientację pod wiatr z szerszym wzorem rzucania niż, a prędkość wiatru powinna zostać zwiększona, aby ułatwić dłuższy względny tor lotu.
Lot owada można również sfilmować. Za pomocą jednej kamery można opisać proste charakterystyki lotu, wykreślając współrzędne x16. Korzystając z dwóch kamer ze zsynchronizowanym przechwytywaniem klatek, lot 3D można zrekonstruować za pomocą zewnętrznego oprogramowania17. Tor lotu może być następnie analizowany w celu uzyskania informacji o prędkości i odległości lotu, kątach lotu w odniesieniu do kierunku wiatru oraz szczegółów dotyczących charakterystyki lotu w odniesieniu do pióropusza zapachu. Dostępne są zarówno niestandardowe, jak i komercyjne urządzenia i oprogramowanie, które umożliwiają automatyczne śledzenie klatka po klatce. Ramki kalibracyjne powinny być używane do odwoływania się do przestrzeni świata rzeczywistego, a prostoliniowe obiektywy szerokokątne powinny być używane w celu zminimalizowania zniekształceń obiektywu. Należy zadbać o to, aby zredukować wizualny hałas tła, taki jak krawędzie i narożniki na arenie tunelu aerodynamicznego, oraz zmaksymalizować dyskryminację owadów i tła. Dzięki zastosowaniu źródła światła podczerwonego, odbicie (np. od nocnych komarów) można sfilmować za pomocą monochromatycznych kamer CCD17.