Ten protokół przedstawia metody tworzenia, dołączania i śledzenia znaczników radarowych harmonicznych dla owadów.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół przedstawia metody tworzenia, dołączania i śledzenia znaczników radarowych harmonicznych dla owadów.
Używanie urządzeń śledzących do śledzenia ruchów zwierząt od dawna jest standardowym podejściem do badania zachowania i ekologii kręgowców. Do niedawna te metody śledzenia były niedostępne dla entomologów ze względu na zbyt duży rozmiar i masę urządzeń śledzących, które muszą być przymocowane. Technologie stosowane do śledzenia owadów obejmują telemetrię radiową, Bluetooth, RFID i radar harmoniczny. Wśród nich telemetria radiowa jest najczęściej używaną metodą śledzenia większych owadów. Oferuje większy zasięg wykrywania i unikalne sygnały dla każdego śledzonego owada, ale wymaga drogich znaczników, które mają ograniczoną trwałość i trwałość w terenie oraz są ciężkie, zwykle co najmniej 150 miligramów. Z kolei znaczniki radarów harmonicznych, po raz pierwszy użyte w 1986 roku, są lżejsze o co najmniej rząd wielkości, niedrogie i mają zasięgi wykrywania, które umożliwiają śledzenie w terenie wielu mniejszych owadów. Tutaj demonstrujemy zastosowanie gotowego nadajnika-odbiornika sprzedawanego do ratownictwa w terenie. Niedrogie znaczniki i gotowe nadajniki-odbiorniki sprawiają, że ta technika śledzenia owadów jest bardzo dostępna dla entomologów badających zachowanie owadów i ekologię. W tym artykule zajmiemy się tworzeniem tagów, dołączaniem tagów do owadów, śledzeniem tych oznaczonych owadów oraz przedstawimy kilka reprezentatywnych wyników śledzenia.
Wykorzystanie urządzeń śledzących do badania ruchów kręgowców od dawna jest standardowym podejściem do zbierania danych związanych z zachowaniem i ekologią większych zwierząt, takich jak ssaki, ptaki i ryby, przy czym śledzenie głównie wykorzystuje telemetrię radiową i śledzenie GPS1. Jednak do niedawna te metody śledzenia były niedostępne dla entomologów ze względu na zbyt duży rozmiar i masę urządzeń śledzących, które muszą być dołączone2. Technologie stosowane do śledzenia owadów obejmują telemetrię radiową, Bluetooth, RFID i radar harmoniczny2,3. Spośród nich telemetria radiowa jest zdecydowanie najczęściej używaną metodą śledzenia większych owadów2. Oferuje większy zasięg wykrywania i unikalne sygnały dla każdego śledzonego owada. Ta metoda wymaga jednak drogich znaczników, które mają ograniczoną trwałość i trwałość w terenie i są ciężkie, zwykle co najmniej 150 mg. Bluetooth jest obecnie najsłabiej rozwiniętą techniką, z mniejszymi znacznikami niż telemetria radiowa, ale także krótszym zasięgiem3. Tagi RFID mogą mieć bardzo małe rozmiary i są dość niedrogie, ale mają najkrótszy zasięg (często tylko kilka mm)4. Znakowanie owadów za pomocą tagów RFID było najczęściej używane do badania robotnic wchodzących i wychodzących z ula5. Dla porównania, znaczniki radaru harmonicznego są lżejsze o co najmniej rząd wielkości niż znaczniki telemetrii radiowej, są niedrogie i mają zasięgi wykrywania, które pozwalają na śledzenie w terenie znacznie mniejszych owadów6 (Rysunek 1).
Radar harmoniczny wykorzystuje nadajnik-odbiornik, który emituje sygnał, który zasila znacznik przenoszony przez owada i odbiera sygnał zwrotny o podwójnej częstotliwości wysyłany przez tag7,8,9 (Rysunek 2). Chociaż wiele badań opisało użycie harmonicznych znaczników radarowych w przypadku owadów średniej wielkości6,10,11,12,13, nie ma odpowiedniej demonstracji, jak sfabrykować znacznik. W tym artykule przedstawiamy instrukcje krok po kroku, jak wykonać dwa różne rozmiary znaczników radaru harmonicznego, z których każdy jest zbudowany z diody Schottky'ego i drutu nitinolowego. Mniejsze znaczniki są lżejsze i lepiej sprawdzają się w przypadku mniejszych owadów6, podczas gdy większe znaczniki mają większy zasięg i mogą być obsługiwane przez większe owady11. Drut nitinolowy jest krytycznym elementem konstrukcyjnym, ponieważ drut ten jest elastyczny, dzięki czemu oznakowany owad może poruszać się stosunkowo swobodnie. Szybko powraca również do orientacji prostej, co pozwala na maksymalny zwrot sygnału6,10,11. Demonstrujemy również użycie gotowego nadajnika-odbiornika (patrz sekcja "Uzyskiwanie sygnałów" poniżej) sprzedawanego do ratownictwa w terenie7,9,14. Niedrogie znaczniki i gotowe nadajniki-odbiorniki sprawiają, że ta technika śledzenia owadów jest bardzo dostępna dla entomologów badających zachowanie owadów i ekologię. W tym artykule poruszamy temat tworzenia tagów, dołączania tagów do owadów, śledzenia tych oznaczonych owadów i przedstawiamy reprezentatywne wyniki śledzenia.
1. Przygotowanie
2. Duży znacznik
UWAGA: Ta sekcja przedstawia zestaw dużych tagów. Ważne jest, aby mieć dwa przewody o odpowiedniej długości anteny (8,25 cm, aby dopasować częstotliwość transceivera) dla dużych tagów.
3. Mały znacznik
UWAGA: Ta sekcja przedstawia zestaw małych tagów.
4. Duży dodatek do tagu - chrząszcz długorogi z Queensland (QLB)
5. Małe tagi - muszki owocowe Tephritid
6. Odbieranie sygnałów
Zasięg detekcji oraz rozmiar nadajnika to prawdopodobnie dwie najważniejsze cechy znaczników do śledzenia owadów. W tym miejscu przedstawiamy reprezentatywne wyniki dotyczące maksymalnego zasięgu detekcji dla dużych i małych znaczników wykonanych w niniejszym artykule. Maksymalne zasięgi detekcji określono poprzez przymocowanie znaczników wzdłuż grubego drewnianego kołka (~1.5 m) za pomocą dwustronnej taśmy. Następnie wyznaczono maksymalną odległość, przy której sygnały z nadajnika mogły być wykryte, oddalając odbiornik od znacznika do momentu, aż sygnał przestał być słyszalny. W otwartym terenie przetestowano po dziesięć znaczników każdego rozmiaru. Maksymalna odległość detekcji dla większych znaczników jest w przybliżeniu czterokrotnie większa niż dla mniejszych (Tabela 1). Niewspółosiowość znacznika i odbiornika, wraz z zakłóceniami spowodowanymi przez roślinność, często redukuje zasięg detekcji w warunkach terenowych. W naszym doświadczeniu, podczas pracy w drzewostanach uprawnych, przyjmujemy odległość detekcji wynoszącą ~10 m dla większych znaczników i ~5 m dla małych znaczników.
Na koniec chcielibyśmy przedstawić wyniki reprezentatywnego badania śledzenia chrząszcza z rodzaju Queensland longhorn beetle (QLB). Celem badania była analiza ekologii ruchu QLB, ponieważ niewiele wiadomo o tym, gdzie dorosłe chrząszcze przebywają w środowisku. Ze względu na to, że chrząszcze te są kryptyczne, ich zlokalizowanie w terenie bez zastosowania techniki śledzenia, takiej jak HR, jest dość trudne. Badanie przeprowadzono w drzewostanie kukui (Aleurites moluccana) na wyspie Big Island na Hawajach. W trakcie badania oznakowano i wypuszczono wiele chrząszczy. Następnie zlokalizowano je, korzystając z technik śledzenia zaprezentowanych wcześniej w niniejszym artykule. Przykład trasy przebytej przez jednego chrząszcza w ciągu 10 dni przedstawiono na Rysunku 4. Należy zauważyć, że chrząszcz był śledzony w wielu lokalizacjach, w tym wysoko w koronach drzew kukui oraz przy martwych liściach. Był to istotny wniosek z niniejszego badania. Ponieważ QLB mogą być bardzo kryptyczne, rolnicy często pytali o to, gdzie chrząszcze „chowają się” wokół drzew. Dzięki śledzeniu poszczególnych osobników QLB udało nam się ustalić, że chrząszcze często ukrywają się w suchych liściach, co utrudnia ich wykrycie. Badanie to dostarcza ważnych, nowych informacji na temat tego, gdzie dorosłe osobniki QLB przebywają w ciągu dnia oraz jak przemieszczają się w nocy.

Rysunek 1: Porównanie urządzeń powszechnie stosowanych do śledzenia owadów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Radar harmoniczny działa poprzez wysyłanie sygnału o jednej częstotliwości (niebieski), a następnie odbieranie sygnału powrotnego (o podwojonej częstotliwości) (czerwony). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Natężenie sygnału jest powiązane z orientacją tagu i transceivera. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Reprezentatywne wyniki śledzenia pojedynczego chrząszcza z rodzaju Queensland longhorn w drzewach kukui. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Duże tagi | Małe tagi |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabela 1: Maksymalne odległości detekcji (średnia ± SE, m) dla nadajników radarowych do owadów (N = 10).
W tym protokole opisujemy i pokazujemy, jak wytworzyć dwa rozmiary harmonicznych znaczników radarowych. Ponadto pokazaliśmy, jak przymocować te znaczniki do owadów za pomocą klejów utwardzanych promieniami UV i zademonstrowaliśmy siłę sygnału nadajnika-odbiornika. Protokół ten został udoskonalony, aby umożliwić usprawnioną produkcję wielu tanich znaczników HR przy minimalnym specjalistycznym sprzęcie laboratoryjnym. Ponadto protokół powinien być dostępny dla badaczy mających doświadczenie w manipulowaniu obiektami pod mikroskopem preparacyjnym. Zalecamy, aby osoby próbujące wykonać znaczniki zaczęły od większych znaczników, aby rozwinąć umiejętności manipulowania diodami i nakładania klejów przewodzących. Umiejętności te mogą być na początku trudne, ale z doświadczenia (ucząc ponad 20 osób) odkryliśmy, że krzywa uczenia się pozwala ludziom stosunkowo szybko przejść do tworzenia mniejszych znaczników z szybkością i powtarzalnością.
Podczas gdy pokazano produkcję dwóch rozmiarów przywieszek, wykonaliśmy również przywieszki z diodą6 o średniej wielkości, używając zarówno drutu nitinolowego o mniejszej, jak i większej średnicy. Różne zastosowania, takie jak rozmiar owadów i wymagany zakres wykrywania, wpływają na wybór rozmiarów diod i przewodów.
Projekt znacznika używany w tym protokole jest prostszy niż inne używane do śledzenia owadów 15,16,17,18. Powszechnie stosowaną konstrukcją jest pętla w antenie, tworząca w ten sposób zwarcie DC na diodzie18,19. Znaczniki z pętlami w antenach są zwykle montowane pionowo na klatce piersiowej, a nie wzdłużnie, jak pokazano w tym protokole. Orientacja pionowa potencjalnie pozwala na lepsze ustawienie znacznika i nadajnika-odbiornika, gdy owad jest w locie (ponieważ owady na ogół nie latają do góry nogami lub z nogami skierowanymi w bok). Jednak pionowa orientacja znacznika przesuwa środek masy znacznika od środka masy owada, co potencjalnie ma większy wpływ na równowagę i zdolność lotu.
Nie mamy żadnych konfliktów interesów, które moglibyśmy ujawnić.
Chcielibyśmy podziękować Kate Fairbanks i Jamesowi Snyderowi (Departament Rolnictwa i Usług Konsumenckich Florydy), Nicholasowi Manoukisowi (USDA-ARS-PBARC), Jamesowi Yoderowi (Wschodni Uniwersytet Menonicki) i Stefano De Faveri (Departament Rolnictwa i Rybołówstwa Queensland) za przejrzenie tego protokołu.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Duży przyrząd | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Duży przyrząd | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Drut nitinolowy (mały) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| Wykrywacz ręczny RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· &środkowa kropka; , Szwecja) | Częstotliwości działania: Europa, 866,9 MHz (nadawanie), 1733,8 MHz (odbiór); US, 902,85 MHz (nadawanie), 1805,7 MHz (odbiór) | |
| RF Schottky Diode (mała) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, USA) | MA4E2501L-1290 | Zakupione przez Richardson RFPD |
| Dioda Schottky'ego (duża) | RECCO AB (Lidingo· &środkowa kropka; , Szwecja) | ||
| Srebrny przewodzący klej epoksydowy | MG Chemicals | 12642-14 (Amazonka: 8331D) | Zakupione przez Amazon |
| Mały przyrząd | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Mały przyrząd | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Superelastyczny drut nitinolowy (duży) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, USA) | 8320K31 | Średnica 0,003 cala x długość 30 stóp |
| Ted Pella Inc Srebrna przewodząca żywica epoksydowa | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA) | ||
| Klej UV | Bondic (Niagara Falls, NY, USA) | Zakupiony przez Amazon i/lub Bondic online (notaglue.com) |