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.
Flere laboratorieteknikker har blitt utviklet for studiet av insekt flight atferd 1,2. Disse spenner fra enkel statisk tethering 3,4 til sofistikerte enheter som tillater større bevegelsesfrihet for tethered insekt 5. Oppdaterte flight kamre 6-9 representerer enhetene slik at den høyeste grad av frihet til å fly i kontrollerte forhold. Denne teknikken har to store ulemper: det er vanskelig å bruke for studiet av store insekter og den manuelle fremgangsmåten for innsamling av data er tidkrevende.
Flight møller representerer en av de mest vanlige og rimelige teknikker for studiet av insekt flight under laboratorieforhold 10-12. Denne teknikken er å foretrekke fremfor statisk tethering fordi det tilbyr flytting stimuli 13, men det er forskjellig fra en gratis flytur atferdsrespons 14-16. Noen aspekter av flygingen oppførsel på møllen og i naturen er Similär 5,17 så til tross for noen begrensninger, fly møller representerer et levedyktig alternativ for å undersøke spørsmål om forekomsten av bestemte flight atferd svar, slik tilfellet er for trekkende flight type. Også flight møller er lettere å realisere enn vindtunneler eller fly kamre og datainnsamlingen kan enkelt automatiseres. Dermed forskere er interessert i flukt atferd ofte at fly møller er det beste valget, men bør være klar over den potensielle begrensninger i metoden. Her er en fleksibel og tilpasningsdyktig flight mill utforming presenteres for forskere som har valgt å benytte fly møller å undersøke flight atferd.
Flere forfattere beskriver alternative flight mill design. Generelt er hoveddelen av flukten fressystem, dvs. svingmølle arm, er ganske enkelt å realisere. Mindre oversiktlig er den elektroniske delen av flyturen fressystem, som tillater registrering av data. Håndteringen av electronic kretser design kan være utfordrende, spesielt for entomolog eller atferds økolog mangler i bakgrunnen kunnskap om elektronikk. Noen forfattere beskriver et komplisert eller utdatert elektronisk kretskomponent i flukten fresutforming 18-21, eller beskrivelsen av den elektroniske delen av uren møllen mangler 22,23. Andre design beskrive mekanisk kompliserte actographs, som er ganske komplisert å realisere, men kan hjelpe etterforskerne å foreta mer komplekse atferdsobservasjoner 5.
I denne utredningen et design for en enkel å bygge, er relativt billig mill flytur for studiet av tethered fly i insekter beskrevet. Sammen med den ekstremt enkle elektroniske komponenten, har utformingen en rekke fordeler. Isen møllen er konstruert for å bli brukt i begrensede områder vanligvis er tilgjengelige i standard insekt økologi laboratorium. Strukturen er laget av gjennomsiktig akryl pLastic slik at en enkelt lyskilde kan jevnt nå hver enkelt i separate kammere i møllen. Gitt gjennomsiktigheten til materialet og liten størrelse, kan det uren mølle anvendes i en inkubator for standardiserte lys- og temperaturforhold. Endelig kan hele strukturen monteres og demonteres lett og, når demontert, kan den lagres i en liten plass. En annen fordel med konstruksjonens utforming er at uren møllen kan endres for å tillate undersøkelse av insekter av forskjellig størrelse og ved bruk av forskjellige omdreinings avstander. Denne flyturen mill har blitt brukt til å samle inn data om insekter som varierte i størrelse og form som milkweed bugs, Oncopeltus fasciatus 24, kudzu bugs, Megacopta cribraria og begrave biller, Nicrophorus vespilloides. Flyturen mill designen gjør også at for høy gjennom-put kreves for studier som krever store utvalgsstørrelser. Data kan samles inn ved hjelp av 8 samtidige kanaler for hver av de datalogger used, slik at et høyt antall individer kan analyseres samtidig, og et stort antall prøver kan behandles på samme dag. Ingen dyr programvare er nødvendig for å ta opp og visualisere data og tilpassede skrevet manus til dataanalyse kan endres etter de spesifikke behovene til den eksperimentelle design. Flight respons er svært variabel i ulike insektarter. Dermed før du utfører en full flukt mill eksperiment, er foreløpige tester på responsen fly av fokus insekt modellen anbefales. Disse vil gi en forståelse av omfanget av de atferdsmessige variasjonen i flukt reaksjon, som vil bli brukt til å finjustere aspekter ved analyse uren som registreringstid eller flygehastighetsområdet.
En rimelig, fleksibel og justerbar flight mill design.
Insect flight atferd er av interesse for en rekke forskere, fra de som er interessert i den grunnleggende oppførsel av insekter under varierende miljøer til spesialister i biokontroll som har behov for å forstå hvordan forholdene påvirker tilbøyelighet til et skadedyr å spre. Flight atferd kan studeres ved hjelp av forskjellige metoder som spenner fra flight 'tredemøller' og vindtunneler som omtrentlige feltforhold til statisk tethered fly enheter. Tethered fly møller, lik den som presenteres her, er begrenset ved at visse aspekter av flyturen, for eksempel endringer i høyde, ikke kan måles 14. Men ikke tethered fly møller tillate insekter å fly uavbrutt og dermed tillate forskere å kvantifisere parametere som hastighet, distanse og periodisitet av fly og relatere disse parametrene med miljøforhold, fysiologi, og morphology.
Flyturen mill presenteres her er designet for å tillate forskere uten spesialisert kunnskap om elektronikk for å bygge og bruke en tethered flytur mill for å studere flight atferd i insekter. En fordel med denne utformingen er at den totale kostnaden for flygingen møllen er lav i forhold til andre utførelser. Den totale kostnaden kan holdes godt under 300 dollar. Plastakrylplater er de mest kostbare elementet. Den andre fordelen er at flygingen mill er tilpasningsdyktig for de begrensede kontrollerte tilstanden arbeidsområder tilgjengelig i mange laboratorier, i motsetning til en spesialisert vindtunnel. Bruken av 3 mm tykke transparente akrylplastplater menes at strukturen er både transparent, for å tillate enkel observasjon av insekter, og også lav vekt, slik at flyet møllen å bli flyttet til det aktuelle stedet for flyge forsøk. Den stablede konfigurasjon av uren møllen cellene maksimerer antallet prøver kjøres samtidig som fotenut av enheten. Videre kan enheten enkelt demonteres for lagring. I tillegg ble det uren møllen konstruert for å tillate et stort antall individer som skal avsøkes forholdsvis lett. Hver flight mill inneholder 8 celler, slik at forskerne å registrere aktivitet fly av flere personer samtidig. Feste insekter indirekte til den svingbare arm ved en insektpinnen gir individuelle insekter som skal plasseres i og fjernes fra uren møllen hurtig. Til slutt, er dataregistreringselektronikk enkel og lett å bruke, med fritt tilgjengelig programvare for dataanalyse. Når montert, bruker flyet mill enkle IR-sensorer for å registrere flight aktivitet. Passasjen av folien flagget på enden av armen gjennom den infrarøde strålen lar hver omdreining av armen som skal tas opp. Frekvensen av revolusjonen gjør at data som hastighet, distanse, total flytid og mønstre av flyturen skal registreres som innspill til en data-logger.
Flyturen miller i stand til å tilpasses for en rekke forskjellige typer av insekter. Bruk av sprøyte stålrør for svingarmen er mer effektive enn andre alternativer, for eksempel tre pinner eller sugerør fordi, selv om tyngre, er drag produsert reduseres med liten diameter, slik at selv små insekter å være flight-testet. Nylig har små stykker av optisk fiber er benyttet i et fly mølle i 25 små insekter. Den bøyde avslutning av armen kan limes til armaturen i forskjellige vinkler i forhold til bæreaksen for å posisjonere den eksperimentelle insekt i sin naturlige flyretning. I utformingen presenteres, der radien er 10 cm i lengde, er hele avstanden i en omdreining 62,8 cm. Fjerning av den sentrale vertikale vegg vil tillate en alternativ konfigurasjon av flyvningen mølle i hvilken armen radius kan dobles i lengde for å gi plass til større insekter og omdreining avstander opp til 1,20 m. I dette tilfellet sterkere magneter er anbefalingended å imøtekomme og stabil lenger mill arm.
Som nevnt over, er flyturen mill utformingen fleksibel og tilpasningsdyktig for insektarter av interesse og forskere er i stand til å tilpasse den til deres spesielle behov. Dette inkluderer ikke bare de fysiske behov insekt, inkludert parametere som størrelse, kraft, struktur av skjellaget, men også biologiske forskjeller mellom arter. En mulig ulempe for alle fly møller er at mangelen på tarsal støtte 'styrkenes insekter å fly, kanskje til utmattelse. Selv om dette er sant i noen arter, for eksempel, observerte vi automatisk respons flytur med våre milkweed bug prøvelser, er det ikke sant for alle insektene vi har testet (for eksempel N. vespilloides). Men selv med den automatiske svar, vi har aldri observert insekter flyr til utmattelse eller død, delvis på grunn av opptakstiden valgte vi å imøtekomme biologi insekter. Derfor er det viktig å gjøreforeløpige observasjoner på insekt av interesse for å forstå sin oppførsel i flight mill for å optimalisere datainnsamlingen. En ekstra, velkjent problem med fly møller, er at treghet kan opprettholde bevegelse selv etter at insektet har stoppet aktivt flyr. Manuset gitt kontoer for misreadings grunn av treghet av flygingen mill, preget av rask nedgang i flukt hastighet og økende avstand mellom toppene. Skriptet 'flight_analysis.py' forkaster disse "falske topper 'og konstruerer et nytt signal for analyse. Brukeren kan velge hastigheten terskelen for korreksjon, som forklart i notene gitt i manuset.
A 5 V kraftkilde er nok til å oppnå en lesbar spenningssignal, men en kraftenhet med variabel utgangsspenning kan brukes som strømkilde for å tillate at krafttilførselen til varieres og dermed optimalisere driftsspenning til hver sensor. En slik løsning kan også bidra til å øke kvaliteten visualisering of peak signaler i programvarens innspillingen grensesnitt. Sensorens utgang er vist i programvare-grensesnittet som er dannet av en base og spennings hvor basisspenningen representerer den laveste utgangsspenningen fra sensoren i ro (når IR-strålen ikke er brutt), mens toppspenning er til økningen fra basisspenningen som oppstår når IR-strålen brytes når armen beveger seg gjennom bjelken. En inngangsspenning på 5 V gir en økning på rundt 100 mV samtidig øke innspill til 7 V øker peak stige til 300 mV noe som åpner for en klarere diskriminering av base og topp spenninger. Størrelsen på den valgte solderless brødfjel bestemmer hvor mange fly celler kan innkvarteres. For å minimere dråper i spenningssignalet under opptak fra flere sensorer, er det anbefalt å plassere motstander i annenhver rad langs brødfjel (se Figur 3C).
Passelig signal standardisering og analyseverktøs skript skrevet for åpen tilgang programmeringsspråket Python.
Standardisering og analyse av spenningssignalet er utført ved hjelp av tilpassede skrift skript i Python, som er et gratis, mye brukt generell og Høynivåspråk. Sluttbrukeren kan enkelt tilpasse skript for å jobbe med egne spesifiserte innstillinger. Tilpassingen er oppnådd ved å endre numeriske verdier eller variabelnavn. Merknader om hvordan du tilpasser parametrene kan finnes innenfor skript selv. Standardverdiene i manuskripter blir satt til å levere et signal finjustere standardisering, men brukeren kan definere hvilken som helst ønsket terskel i henhold til verdien av den midlere spenning for hver kanal. I flight analyse script, funksjons flying_bouts fra linje 105 beregner varighet i sekunder på lengste og korteste flygende anfall, prosentandel av tiden brukt i fly over den totale opptakstiden og antallet flygende bout events av en bestemt varighet range. Områdene kan endres i henhold til bruker eksperimentelle krav. For å gjøre det, alle de numeriske verdiene inne i funksjon (inkludert de i variabelnavnet, for eksempel i variabelen "flight_300_900") må endres til ønsket verdi. Antall områder og deres varighet avhenger bare av brukerens spesifikasjon. Manuset blir skrevet ut på skjermen resultatene av analysen for hver kanal. Disse inkluderer: vanlig flygende fart, total flytid, distanse, korteste og lengste flyr anfall og flight komposisjon. I tillegg returnerer manuset en * DAT-fil for hver kanal og lagrer det i output-mappen som er angitt av brukeren. Hver * DAT-filen inneholder to kolonner: Den første representerer den relative tiden av peak hendelsen, andre er detaljert hastighetsvariasjoner mellom to påfølgende peak hendelser. Denne filen kan importeres i Excel eller R for å gi en grafisk fremstilling av hastighetsvariasjoner i løpettid og visualisere flight aktivitet mønstre.
I konklusjonen, disse resultatene viser at denne reisen mill design kan være enkelt og implementert for å samle data for atferdsstudier ser på flygende aktivitetsmønstre i ulike insekt modeller. Slike data kan benyttes for å undersøke individuelle variasjoner i bevegelsesmønstre som avhengige for eksempel på fysiologi og morfologi. Dette kan gi stor innsikt i de underliggende fysiologiske og morfologiske trekk som bestemmer individuell variasjon i bevegelsesmønstre som beite eller vandrende aktivitet, som til slutt påvirker befolkningen som helhet. Den detaljerte hastighetsvariasjoner over tid kan brukes i kombinasjon med detaljerte fysiologiske og morfologiske målinger, med et verktøy for å studere mønstre av ressursforbruk eller effektene av variasjon i kroppsdelen morfologi på flyet aktivitet.
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. |