Introduction
Mehreren Labortechniken wurden für die Studie von Insektenflugverhalten 1,2 entwickelt. Diese reichen von einfachen statischen Tethering 3,4 um anspruchsvolle Geräte, die größere Bewegungsfreiheit für die angebundenen Insekten 5 zu ermöglichen. Bis heute Flugkammern 6-9 stellen die Geräte so dass ein Höchstmaß an Freiheit des Fliegens unter kontrollierten Bedingungen. Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: es ist schwierig, für die Untersuchung von großen Insekten und dem manuellen Verfahren der Datensammlung verwenden, ist zeitaufwendig.
Flugmühlen stellen eine der häufigsten und erschwingliche Techniken für die Untersuchung von Insektenflug unter Laborbedingungen 10-12. Diese Technik ist vorzuziehen, statische Tethering, weil es bewegte Reize 13, aber es ist von einem freien Flug Verhaltensreaktion 14-16 unterscheidet. Einige Aspekte der Flugverhalten an der Mühle und in freier Wildbahn sind similar 5,17 so trotz einiger Einschränkungen, Flugmühlen stellen eine sinnvolle Option, um Fragen in Bezug auf das Auftreten von bestimmten Flugverhalten Reaktionen zu untersuchen, wie es der Fall der Migrationsflugtyp. Auch sind Flugmühlen einfacher zu realisieren ist als Windkanälen und Luftkammern und die Datenerfassung kann leicht automatisiert werden. So Forscher interessiert Flugverhalten oft feststellen, dass Flugmühlen sind die beste Wahl, aber sollte sich der möglichen Einschränkungen der Methode. Hier wird eine flexible und anpassbare Flugwerk Design für Forscher, die sich entschieden haben, Flugwerke zu nutzen, um das Flugverhalten zu untersuchen vorgestellt.
Mehrere Autoren beschreiben alternative Flugwerk-Designs. In der Regel der Hauptteil des Flugmühlensystem, dh die Schwenkmühle Arm, ist recht einfach zu realisieren. Weniger einfach ist der elektronische Teil der Flugwerk-System, das die Aufzeichnung der Daten erlaubt. Der Umgang mit elEctronic Schaltungen Design kann eine Herausforderung sein, vor allem für den Entomologen oder der Verhaltensökologe fehlt in Hintergrundwissen der Elektronik. Einige Autoren beschreiben eine komplizierte oder veraltet elektronischen Schaltkreis-Komponente in ihre Flugwerk Design 18-21, oder die Beschreibung des elektronischen Teils des Fluges Mühle fehlt 22,23. Andere Ausführungen beschreiben mechanisch kompliziert actographs, die ziemlich kompliziert zu erkennen sind, aber Ermittler helfen, komplexere Verhaltensbeobachtungen 5 vorzunehmen.
In diesem Beitrag wird ein Entwurf für ein einfach zu bauen, ist relativ preiswert Flugwerk für die Studie der Fesselflug bei Insekten beschrieben. Zusammen mit dem extrem einfachen elektronischen Bauelements weist die Konstruktion eine Reihe von Vorteilen. Der Flug Mühle wurde entwickelt, um in den beengten Platzverhältnissen in der Regel in der Standard Insekt Ökologie Labor verfügbar werden. Die Struktur besteht aus transparentem Acryl p gemachtlastic, so dass eine einzige Lichtquelle gleichmäßig jeden Einzelnen in getrennten Kammern der Mühle zu erreichen. Angesichts der Transparenz des Materials und der geringen Größe kann das Flugwerk in einem Inkubator für standardisierte Licht- und Temperaturbedingungen verwendet werden. Schließlich kann die gesamte Struktur zusammengebaut und einfach demontiert und nach auseinandergebaut, kann es in einem kleinen Raum gelagert werden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion der Struktur ist, dass die Flugwerk kann verändert werden, um die Studie von Insekten von unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Dreh Strecken möglich ist. Dieser Flug Mühle verwendet wurde, um Daten über die Insekten so unterschiedlich in der Größe zu sammeln und Form wie milkweed Bugs, Oncopeltus fasciatus 24, Kudzu Wanzen, Megacopta Cribraria und Vergraben Käfer, Nicrophorus vespilloides. Der Flug Mühle Design ermöglicht auch bei hohen Durchlauf für Studien, die große Probengrößen erforderlich. Daten können mit 8 simultane Kanäle für jeden der Datenlogger u gesammelt werdenSED so dass eine große Anzahl von Personen gleichzeitig analysiert werden können und eine große Anzahl von Proben in der gleichen Tag behandelt werden. Keine teure Software benötigt wird, um aufzuzeichnen und zu visualisieren, die Daten und die benutzerdefinierte schriftlichen Skript für die Datenanalyse Anlehnung an die konkreten Bedürfnisse des experimentellen Design geändert werden. Flucht-Reaktion ist sehr variabel in verschiedenen Insektenarten. So vor der Durchführung einer vollen Flug Mühle Experiment Vorversuche auf der Flucht-Reaktion der Brenninsektenmodell werden empfohlen. Darin wird auf ein Verständnis für das Ausmaß der Variation im Flug Verhaltensantwort, die zur Feinabstimmung Aspekte der Fluganalyse wie Aufnahmedauer oder Fluggeschwindigkeitsbereich verwendet wird.
Protocol
1. Konstruieren Sie die Flug-Mühle
- Konstruieren Sie die Acryl-Kunststoff-Tragstruktur:
- Schneiden 3 mm dicke, transparente Acrylplatten in die beiden äußeren vertikalen Wände, die einen zentralen vertikalen Wand und der fünf horizontalen Regalen, wie durch die in 1 gezeigte Konstruktion spezifiziert.
- Zusammenzubauen durch Einsetzen der Ablagen (Figuren 1 und 2; HS) in vertikalen Wänden (Figuren 1 und 2; OW und CW) an der Tragstruktur (2A) auszubilden.
- Stärkung der Struktur durch Einfügen Polystyrol Säulen an den Außenecken an der Rückseite der Vorrichtung (2A und 2C). Falls erforderlich, kleben kurze Stücke rechtwinklige Kante-Protektoren an den zentralen vertikalen Wandanschlüsse, um zusätzliche Unterstützung für die horizontalen Regalen zu schaffen.
- Konstruieren Sie die pivoting Armbaugruppe:
- Kleben Sie ein 5 cm Länge von 1 cm Durchmesser Kunststoffrohr in den oberen Rand jeder Zelle. Klebstoff Eine 2 cm Länge von 1 cm Durchmesser, Kunststoffrohren, in der unteren Mitte der einzelnen Zellen, so dass die oberen und unteren Rohrleitung in jeder Zelle ausgerichtet ist. Mit Heißkleber, befestigen zwei 10 mm x 4 mm N42 Neodym-Magneten an dem Ende eines jeden Trägers, Ausbilden der Magnetlager für die Mühle Arm.
- Legen Sie eine entomologischen Stift in einen 20 ul Pipettenspitze und fixieren mit Heißkleber. Positionieren Sie den Stift, so dass beide Enden aus der Pipettenspitze zu verlängern, um den Anker des Flugwerk zu bilden.
Hinweis: Während der Flugerprobung ist die Oberseite des Stiftes an Ort und Stelle von der oberen Reihe von Magneten gehalten. Der untere Satz von Magneten ist, um den Anker in einer vertikalen Position zu halten, so dass sie sich um ihre Achse drehen. - Schneiden Sie ein 24 cm Länge von 19 Gauge nichtmagnetischen subkutanen Stahlrohr. Mit Heißkleber, befestigen Sie den Mittelpunkt an die Spitze der Pipettenspitze from Schritt 1.2.2. Biege einem Ende des Schlauchs in 2 cm vom Ende bis zu einem Winkel von 95 °, so dass eine lange Arm 12 cm vom Mittelpunkt und einen kurzen Arm mit einem 10 cm Radius von der Mitte der Biegung (2B).
Anmerkung: Die Radiuslänge können, um unterschiedliche Dreh Abstände aufnehmen variiert werden.
- Richten Sie den IR-Sensor und Datenlogger:
- Befestigen Sie die IR-Sensoren zu den ewigen Seiten jeder Zelle mit wiederverwendbaren Klebemasse, so dass der Sensor in die Zelle durch die in die äußeren vertikalen Wand Träger (2C) geschnitten Öffnungen erstrecken.
- Schließen Sie die IR-Sensoren an einen Datenlogger über eine sehr einfache elektronische Schaltung auf einer Solderless Brotschneidebrett (Abbildung 3) gebaut. Verbindung von zwei Widerständen von 180 Ω und 2,2 kOhm, die jeweils an dem Eingang und Ausgang des IR-Verbindung auf dem Schaltbrett (3A, B). Legen Sie die Widerstände in alternate Reihen entlang der Steckbrett, um Tropfen in das Spannungssignal während der Aufnahme von mehreren Sensoren zu minimieren (siehe 3C).
2. Flugversuche
- Tether Insekten zur Flugmühle Arm indirekt durch ein Insekt pin:
- Legen Sie eine kleine Folien Flagge am Ende des nicht gebogenen Ende des Schwenkarms zu einer Störung der IR-Strahl in den Sensor zu maximieren und als Gegengewicht fungieren.
- Je nach Größe des Insekts und Nagelhautbereich für die Befestigung vorhanden, bringen Sie die experimentelle Insekt, um ein Insekt pin mit wiederverwendbaren Klebemasse oder nicht-toxische Hautkleber. Falls erforderlich, zu betäuben das Insekt entweder durch Kühlen oder mit CO 2.
- Mould eine kleine Menge von Klebemasse um die abgerundete Spitze eines entomologischen Stift und bedecken Sie es mit einem Tropfen nicht-toxische Hautkleber. Sanft auf den Halsschild Bereich gelten, und warten 5-10s, bis der Kleber trocken ist.
Hinweis: Die Pro-verfahren in Schritt 2.1.3 wird für Insekten mit harten (Käfer, Wanzen) oder Soft geeignet (Wespen, Fliegen) Nagelhaut. Insekten mit behaarten Oberhaut (Motten, Schmetterlinge), müssen Sie das Haar sanft mit einem sehr feinen Pinsel vor Tethering entfernen zu lassen. - Legen Sie den Stift mit dem Insekt in das gebogene Ende des Schwenkarms Anordnung befestigt.
- Nachdem die Flugtest beendet ist, entfernen Sie die Tethering mit einer feinen Pinzette.
Hinweis: Datenlogger einrichten und Akquisition wurde wie folgt für die spezifische Ausrüstung in der Tabelle aufgeführten Materialien und sollte für die Verwendung mit alternativen Anlagen angepasst werden optimiert.
- Starten Sie eine Aufnahme-Session mit dem frei verfügbaren WinDaq Lite-Software
- Downloaden und installieren Sie die kostenlose Software WinDaq Lite (siehe Geräteliste).
- Öffnen Sie die Gerätehardware-Manager, wählen Sie den Datenlogger aus der Popup-Liste und drücken Sie auf "Start der WinDaq '. Ein neues Fenster öffnet sich und das Eingangsschildal von jedem Sensor angezeigt.
- Wählen Sie die gewünschte Abtastfrequenz, bei der die Datenlogger liest und zeigt den Ausgang des Sensors.
Hinweis: Die Abtastfrequenz wird auf Fluggeschwindigkeit des Insekts hängen jedoch Abtastfrequenzen im Bereich zwischen 30 bis 45 Hz wird schnell genug, um den Flug der kleinen bis mittelgroße Insekten zu erfassen. - Drücken Sie Strg-F4, um eine Aufnahme-Session zu starten. Wählen Sie den Zielpfad der Aufnahmedatei in der ersten Pop-Up-Fenster. Wählen Sie die passende Länge der Zeit, die Flucht für die bestimmte Insekten und Experiment aufzunehmen. Definieren Sie die Aufnahmezeit in der zweiten Popup-Fenster. Sobald die Aufnahmezeit abgelaufen drücken Sie Strg-S zu finalisieren die aufgenommene Datei.
- Qualität der Aufnahme zu überprüfen.
- Öffnen Sie die aufgezeichneten Flugbahn und wählen Sie einen Spannungskanal. Drücken Sie Strg-T, um ein Pop-up-Fenster mit den Spannungsstatistiken für jeden Kanal zu öffnen.
- Dass keine großen Tropfen zu gewährleistenin Minimalwert resultierte aus Spannungsabfall über den Stromkreis (Figur 4). Verwerfen Kanäle, in denen der Unterschied zwischen dem Kanal durchschnittlichen und minimalen Spannung größer ist als 0,1 V.
- Speichern Sie die Datei in einer * .CSV-Format: Wählen Sie Datei> Speichern unter, und in dem Popup-Fenster wählen Sie "Tabellenkalkulation Druck (CSV)". In der "Tabellenkalkulation Kommentare" Popup-Fenster wählen Sie "Relative Zeit" und deaktivieren Sie alle anderen Optionen. Klicken Sie auf OK, um die Datei zu speichern.
3. Analyse der Flugdaten mit Python 3.4.x
- Installieren Sie die neueste Python 3.4.x-Version. Laden Sie das Archiv Python_scripts.zip (Zusatzdateien), öffnen Sie sie, und speichern standardize_peaks.py und flight_analysis.py auf den Desktop.
- Standardisieren, und wählen Sie die Spitzen in dem aufgezeichneten Signalwie folgt
- Rechts-Klick auf das standardize_peaks.py Symbol. Wählen Sie "Öffnen mit IDLE".
Hinweis: IDLE ist die Standard-Editor für Python, aber jeder Text-Editor kann für diesen Zweck verwendet werden. - In Zeilen 18-19, geben Sie die Schwellwerte um die mittlere Spannung verwendet, um die Standardisierung des Spannungssignals für jeden Kanal durchzuführen.
Hinweis: Die Standardwerte werden festgelegt, um eine Feinabstimmung Signal Standardisierung liefern, aber der Benutzer kann eine beliebige Schwelle nach dem Wert der mittleren Spannung für jeden Kanal zu definieren. Diese können in der Spannung Statistikfenster gefunden werden (siehe Schritt 2.3). - In Zeile 45, geben Sie den Pfad zu dem Ordner, in dem die aufgenommenen * .csv-Datei gespeichert wird.
- In Zeile 91, geben Sie den Pfad zu dem Ordner, in dem Sie die * .TXT Peak-Datei aufnehmen möchten.
- In der Leitung 61 und der Leitung 72, die Anzahl der Kanäle benötigt. Hinzufügen oder Löschen von Kanälen durch das Löschen der # am Anfang der Zeile 61-63 und 72-74 bis maximum von 8 Kanälen.
- Speichern Sie die Datei und starten Sie das Skript durch Drücken von F5.
- Geben Sie den Namen der * .csv-Datei (mit irgendwelchen zusätzlichen Unterordner) in den Pop-Up-Fenster und drücken Sie die Eingabetaste, um eine neue * .TXT-Datei mit den standardisierten Signalen im angegebenen Ordner zu speichern.
Hinweis: Je nach der Anzahl von Kanälen N, enthält diese Datei n + 1 Spalten: Die erste Spalte ist die relative Zeit der Abtastung Fall die anderen n Spalten stellen die Basis und Spitzenereignisse von der n Kanäle für die Aufnahme verwendet. Ein Wert von 0 für die Basisspannung, während ein Wert von 1 einen Peak, der von dem Durchgang des Merkers durch den IR-Sensor abgeleitet wird.
- Rechts-Klick auf das standardize_peaks.py Symbol. Wählen Sie "Öffnen mit IDLE".
- Analysieren Sie den Flugweg mit dem standardisierten Datei: Bearbeiten Sie die flight_analysis.py Script, um die Benutzer experimentellen Bedingungen unterzubringen:
- Rechtsklick auf das Symbol flight_analysis.py. Wählen Sie "Öffnen mit IDLE".
- In Zeile 39 und Zeile 80 die Längedes kreisförmigen Flugbahn gemäß der Armradius.
- Aktivieren Sie bei Bedarf eine optionale Drehzahlkorrekturschleife durch das Löschen der # in den Zeilen 50-52. Ändern Sie entsprechend Geschwindigkeitswert.
- In Zeile 77 und Zeile 85, bearbeiten Sie die Drehzahlschwelle und die Zeitlücke Werte für falsche Drehzahlwerte in der Flugbahn zu korrigieren und einen Anteil von sehr kurzer Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden langen ununterbrochenen Flug Anfälle auftreten.
- In Zeile 198, geben Sie die Gesamtaufnahmezeit in Sekunden. Ändern Sie die Wertebereiche in den Ausgangsleitungen von der Leitung 287 ab.
HINWEIS: Die Standardbereiche gemäß den Benutzer experimentellen Anforderungen modifiziert werden. Um dies zu tun, alle Zahlenwerte innerhalb der Funktion (inklusive die, die in der Variablenname, zum Beispiel in der Variablen "flight_300_900") müssen auf den gewünschten Wert verändert werden. - In Zeile 248 den Pfad zu dem Ordner, in dem die * .txt standardisierten Datei wird gespeichert.
- Geben Sie die Anzahlvon Kanälen. Hinzufügen oder Löschen von Kanälen durch Hinzufügen oder Löschen ein # am Anfang der Linien 257 bis 259, 270 bis 272 Linien und Linien 279 bis 281 bis zu einem Maximum von 8 Kanälen.
- In Zeile 304 geben Sie den Pfad zu dem Ordner, in dem Sie die Ausgabedateien speichern möchten.
- Sobald alle Benutzereinstellungen angegeben sind, speichern Sie die Datei und starten Sie das Skript durch Drücken von F5.
- Geben Sie den Namen der * .TXT-Datei zu analysieren (mit irgendwelchen zusätzlichen Unterordner) im Popup-Fenster und drücken Sie die Eingabetaste.
Representative Results
Figur 5 zeigt repräsentative Beispiele für die Art von Kurven, die mit den im vorherigen Abschnitt beschriebenen Skripte erhalten werden können. Flugdaten wurden aus experimentellen Arbeiten in der Abteilung für Zoologie an der Universität Cambridge durchgeführt unter Verwendung des Einbettungskäfer Nicrophorus vespilloides als Modell (Attisano, unveröffentlichte Daten) erhalten. Zwei junge unmated Männchen etwa 20 Tage alt waren angebunden an den Flugwerken und D und 21 ° C: unter kontrollierten Umweltbedingungen 14:10 L platziert. Die Käfer wurden in der Flugmühle 8 Stunden hintereinander links und der Flug-Aktivität wurde aufgezeichnet. Die auf dem Bildschirm Analyse und die grafische Ausgabe ist es möglich, individuelle Unterschiede in der Flugaktivitätsmustern zu lösen. Zum Beispiel die erste männliche (5A) zeigte eine starke Flugaktivität innerhalb der ersten Stunde der Aufzeichnung, gekennzeichnet durch eine hohe Geschwindigkeit und kontinuierlichen Flug, etwa drei Stunden dauerte. Thverlängert Aktivitätsphase wird durch eine allmähliche Verringerung der Geschwindigkeit von etwa 1,6 m / s bis ungefähr 1 m / s, die charakterisiert. Nach der ersten fliegenden Runde zeigte die einzelnen fast periodischen Muster von relativ kurzen Flug bouts ca. 10-15 Minuten Dauer jeder. Die zweite männliche zeigte eine sehr unterschiedliche Flugmuster mit fliegenden Kämpfe, die nie die Dauer von 15-20 Minuten (5B) übertroffen. In diesem Einzel der Flug-Aktivität wird durch eine breite Streuung der Flug Kämpfe in den ersten 4 Stunden Aufnahme, nach der seine Aktivität wird fast Zeitschrift gekennzeichnet. Diese einzelnen vorgestellt sehr niedrige Fluggeschwindigkeit, die nur gelegentlich überschritten 0,4 m / s.
Ein weiteres repräsentatives Beispiel wurde unter Verwendung eines anderen Insektenmodell, das milkweed bug Oncopeltus fasciatus erhalten. Die Daten wurden bei einer Studie über das Migrationsverhalten und physiologische Reaktion auf Lebensmittelspannung in milkweed bug Weibchen 24 gesammelt. In dieser Studie wurde dieAufnahmezeit wurde auf eine Stunde, um Frauen als Migranten oder Personen mit Wohnsitz charakterisieren gesetzt. Diese Verhaltenstypen werden durch ein "Alles oder Nichts" Ansprechen charakterisiert. Migrations Weibchen greifen in nachhaltige und kontinuierliche Flüge in der Regel dauerhaft für einige Stunden, während Wohnsitz Weibchen Flugaktivität länger als einige Minuten zeigen nie. So wird eine Wanderinnen einen Flug Muster wie in 6A zeigen, während ein Bewohner Weibchen wird durch ein Bewegungsmuster wie das in 6B charakterisiert werden.
Abbildung 1. Design-Konfiguration für Acryl-Kunststoff-Tragstruktur. Die Acryl-Kunststoff-Tragstruktur für die Flugmühlen wird aus drei unterschiedlichen Komponenten aufgebaut. Es gibt zwei äußeren vertikalen Wand (OW), die beide Schlitze für den Regalen und eine Öffnung, um die IR-sens zubringenors (A). Es gibt einen einzigen zentralen vertikalen Wand (CW) mit Steckplätzen für den Regalen. Und es gibt 5 horizontale Regale (HS) mit Schlitzen für die Wände. Das magnetische Drehpunkt zu den horizontalen Regalen an Position B. verklebt Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Assembled Flugmühle. (A) Das Acrylkunststoffträgerstruktur wird durch Verschieben der fünf horizontalen Regalen (HS) in die Schlitze in den beiden Außenwänden (OW) und der zentralen Wand (CW), was zu einer Struktur mit 8 einzelnen Zellen, die jeweils eine magnetische gebaut Schwenk und einen IR-Sensor, so dass für 8 Individuen gleichzeitig geflogen werden. (B) Der Schwenkarm an dem die Insekten bunden kann accomm konstruiert werden Odate eine Vielzahl von Größen und Morphologien der Insekten. (C) Als tethered Insekten verschiebt den Schwenkarm zwischen den Magneten aufgehängt ist, die Folie Flagge am anderen Ende des Arms aktiviert den IR-Sensor (Pfeil). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Entwurf der Schaltung, welche die IR-Sensoren an den Datenlogger. (A) Eine einfache Schaltung verbindet Eingabe von dem Infrarot-Sensor und Datenlogger. (B) Jeder Datenlogger eingeschaltet und mit dem Datenlogger über eine Solderless Brotschneidebrett mit dem Schaltbild angeschlossen werden. (C) Mehrere Sensoren werden mit dem einzigen Datenlogger mit der gleichen Steckbrett angeschlossen werden.large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Beispiele für aufgezeichnete Flugveranstaltungen. Spannungsspitzen stellen vollständige Umdrehungen des Flugmühle Arm. (A) Eine gute Qualität der Aufnahme einer Flugveranstaltung ohne Spannungsabfälle in dem aufgezeichneten Signal. (B) Ein Flug Veranstaltung mit einem Spannungsabfall in dem aufgezeichneten Signal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. Vertreter Flugdaten von den Vergraben Käfer Nicrophorus vespilloides. Individuelle Unterschiede im FlugVerhalten wird einfach in den Flugaufnahmen erfasst. (A) Eine Einzel flog kontinuierlich für etwa drei Stunden nach dem Beginn der Studie und flog dann in regelmäßigen Abständen mit hoher Geschwindigkeit für den Rest der Studie. (B) Das Verhalten des Einzelnen ist, dass verschiedene dieser Käfer flog nur sporadisch in der gesamten Studie und nie flog bei den hohen Geschwindigkeiten in den einzelnen in Feld A (beachten Sie den Unterschied in der Skala auf der Y-Achse) zu sehen. Bitte klicken Sie hier, um vergrößern Version dieser Figur.
Abbildung 6. Repräsentative Flugdaten aus dem milkweed bug Oncopeltus fasciatus. Zwei verschiedene Verhaltensmuster eindeutig zwischen den Flugdatenaufzeichnung beobachtet. (A (B) Das Verhalten in Panel A ist mit der typischen Flugverhalten eines gebietsansässigen einzelnen gegenüber. Residents Fliegen bei niedrigen Drehzahlen und Flug Anfälle nur kurze Zeit (man beachte den Unterschied in der Skala auf der X-Achse für die A und B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Discussion
Eine erschwingliche, flexible und einstellbarer Flugwerk Design.
Insektenflugverhalten ist von Interesse für eine Reihe von Wissenschaftlern, von denen sich für das Grundverhalten von Insekten unter variablen Umgebungen zu Spezialisten in biologischen Bekämpfung, die brauchen, um zu verstehen, wie Bedingungen Einfluss auf die Neigung eines Schädlingsarten zu zerstreuen. Flugverhalten kann durch verschiedene Verfahren, die von Flucht "Tretmühlen" und Windkanälen, die ungefähre Feldbedingungen zu Fesselfluggeräte statischen Bereich untersucht werden. Tethered Flugmühlen, wie die hier vorgestellt werden, dass bestimmte Aspekte der Flucht, wie Veränderungen in der Höhe begrenzt ist, kann nicht gemessen 14 werden. Allerdings Fesselflugmühlen Lassen Insekten fliegen ohne Unterbrechung und damit es den Forschern ermöglichen, um Parameter wie Geschwindigkeit, Distanz und Periodizität der Flug quantifizieren und zu korrelieren diese Parameter mit Umweltbedingungen, Physiologie und morphology.
Der Flug Mühle hier vorgestellten wurde entwickelt, um Forschern ohne spezielle Kenntnisse der Elektronik zu bauen und verwenden Sie einen Fesselflug-Mühle, um das Flugverhalten von Insekten studieren können. Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Gesamtkosten des Fluges Mühle ist niedrig im Vergleich zu anderen Designs. Die Gesamtkosten beibehalten werden deutlich unter 300 $. Die Kunststoff-Acrylplatten sind die teuerste Einzelteil. Der zweite Vorteil ist, dass der Flug Mühle ist für den begrenzten kontrollierten Zustand Arbeitsbereiche in vielen Labors anpassbar, im Gegensatz zu einem spezialisierten Windkanal. Die Verwendung von 3 mm dicken transparenten Acryl-Kunststoffplatten bedeutet, dass die Struktur ist sowohl transparent, um eine einfache Beobachtung der Insekten, sowie geringes Gewicht ermöglichen, so dass der Flugwerk um an die entsprechende Stelle für Flugversuche bewegt werden. Die gestapelte Anordnung der Flugwerk Zellen maximiert die Anzahl von Abtastungen bei gleichzeitiger Minimierung des Fußes verlaufenDrucken des Gerätes. Ferner kann die Vorrichtung leicht zur Lagerung zerlegt werden. Zusätzlich wurde das Flugwerk entwickelt, um für eine große Anzahl von Personen zu ermöglichen, sich relativ leicht abgetastet werden. Jeder Flug Mühle enthält 8-Zellen, so dass die Forscher Flugaktivität von mehreren Personen gleichzeitig aufnehmen. Anbringen Insekten indirekt mit dem Schwenkarm durch ein Insekt Stift ermöglicht individuelle Insekten in der Flugwerk schnell platziert und entfernt werden. Schließlich ist der Datenaufzeichnungselektronik einfach und leicht zu bedienen, mit frei verfügbaren Software zur Datenanalyse. Einmal montiert, verwendet das Flugwerk einfachen IR-Sensoren zur Flugaktivität aufzeichnen. Die Passage der Folie Flagge am Ende des Armes durch den Infrarotstrahl kann jeder Umdrehung des Armes zu erfassen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit kann Daten wie Geschwindigkeit, zurückgelegte Strecke, die Gesamtflugzeit und Muster der Flug als Eingabe in ein Datenlogger aufgezeichnet werden.
Der Flug Mühlein der Lage ist, für eine Reihe von verschiedenen Arten von Insekten angepasst werden. Die Verwendung von hypodermischen Rohr für den Schwenkarm ist wirksamer als andere Optionen, wie beispielsweise Holzstäben oder Trinkhalme, weil, obwohl schwerere wird das erzeugte Schlepp durch den schmalen Durchmesser reduziert, so dass auch kleine Insekten in die Flucht gegengeprüft. In letzter Zeit wurden kleine Stücke von Faseroptik in einem Flugwerk für kleine Insekten 25 verwendet. Das gebogene Ende des Arms mit dem Anker in verschiedenen Winkeln relativ zu der Achse der Halterung, um die experimentellen Insekt im natürlichen Flugorientierung zu positionieren verklebt werden. In der Gestaltung dargestellt, bei der der Radius 10 cm in der Länge, über den gesamten Abstand in einer Umdrehung gereist ist 62,8 cm. Entfernen der zentralen vertikalen Wand wird eine alternative Konfiguration des Fluges Mühle, in der der Arm Radius kann in der Länge verdoppelt, um größere Insekten aufzunehmen und Revolution Entfernungen bis zu 1,20 m zu ermöglichen. In diesem Fall stärkere Magnete sind Empded zur Aufnahme und Stabilisierung mehr Mühle Arm.
Wie bereits im gesamten, ist die Flugwerk Design flexibel und für die Insektenarten von Interesse anpassungsfähig und Forscher sind in der Lage, sie für ihre speziellen Bedürfnisse anpassen. Dies umfasst nicht nur die körperlichen Bedürfnisse des Insekts, darunter Parameter wie Größe, Leistung, Struktur der Nagelhaut, aber auch biologische Unterschiede zwischen den Arten. Ein möglicher Nachteil für alle Flugmühlen besteht darin, dass das Fehlen der Insekten tarsal Unterstützung "Kräfte zu fliegen, vielleicht bis zur Erschöpfung. Dies gilt zwar in einigen Arten, zum Beispiel, haben wir beobachtet, die automatische Flucht-Reaktion mit unseren milkweed bug Studien, es ist nicht wahr für alle Insekten haben wir (zum Beispiel N. vespilloides) getestet. Aber selbst mit der automatischen Antwort, die wir nie beobachtet Insekten bis zur Erschöpfung oder Tod fliegen, zum Teil, weil der Aufzeichnungszeit haben wir uns für die Biologie der Insekten unterzubringen. Somit ist es wichtig zu tun,Vorbemerkungen auf das Insekt von Interesse, um sein Verhalten in der Luftmühle, um die Datenerfassung zu optimieren zu verstehen. Eine weitere, bekannte Problem mit Flugmühlen, ist, dass Trägheitsbewegung, selbst nachdem das Insekt hat aufgehört aktiv fliegen zu halten. Das Skript zur Verfügung gestellt Konten für die Missdeutungen aufgrund der Trägheit des Fluges Mühle, durch eine rasche Abnahme der Fluggeschwindigkeit aus und zunehmender Entfernung zwischen den Spitzen. Das Skript 'flight_analysis.py "verwirft diese" falschen Peaks "und erstellt ein neues Signal für die Analyse. Der Benutzer kann die Drehzahlschwelle für die Korrektur zu wählen, wie sie in den im Skript vorgesehen Anhang erläutert.
A 5-V-Stromquelle ist ausreichend, um eine lesbare Spannungssignal zu erhalten, ist jedoch ein Motor mit variabler Ausgangsspannung kann als Energiequelle verwendet werden, um die Leistungsaufnahme variiert und optimiert so Betriebsspannung für jeden Sensor. Eine solche Lösung kann auch helfen, um die Visualisierung Qualität o erhöhenf Spitzensignale in der Software Recording-Interface. Die Ausgabe des Sensors wird in der Softwareschnittstelle gezeigt, wie durch eine Basis und Spitzenspannungen in dem die Basis-Spannung entspricht der niedrigsten Ausgangsspannung des Sensors in Ruhestellung (wenn der IR-Strahl nicht unterbrochen wird), während die Spitzenspannung ist der Anstieg von der Basisspannung gebildet das auftritt, wenn der IR-Strahl unterbrochen wird, wenn der Arm bewegt sich durch den Strahl. Eine Eingangsspannung von 5 V liefert einen Anstieg von etwa 100 mV, während die Erhöhung der Eingang auf 7 V erhöht die Peakanstieg bis 300 mV was eine deutlichere Unterscheidung der Basis- und Spitzenspannungen. Die Größe des ausgewählten Steckbrett bestimmt, wieviele Luftzellen untergebracht werden können. Um Tropfen in dem Spannungssignal während der Aufzeichnung von mehreren Sensoren zu minimieren, wird empfohlen, um die Widerstände in abwechselnden Reihen entlang der Steckbrett platzieren (siehe 3C).
Anpassbare Signal Standardisierung und analysis-Skripte für die Open-Access-Programmiersprache Python geschrieben.
Die Standardisierung und Auswertung des Spannungssignals durch Verwendung von benutzerdefinierten geschriebene Skripte in Python, die ein freies, weit verbreitete allgemeine Zwecke und High-Level-Programmiersprache ist durchgeführt. Der Endanwender kann leicht anpassen, die Skripte, um mit eigenen festgelegten Einstellungen. Die Anpassung wird durch einfaches Ändern numerischer Werte oder Variablennamen erreicht. Hinweise, wie Sie die Parameter anpassen können innerhalb der Skripte selbst gefunden werden. Die Standardwerte in den Skripten sind so eingestellt, um eine Feinabstimmung Signal Standardisierung liefern, aber der Benutzer kann eine beliebige Schwelle nach dem Wert der mittleren Spannung für jeden Kanal zu definieren. In der Fluganalyse Skript die Funktion flying_bouts von der Linie 105 berechnet die Dauer in Sekunden der längsten und kürzesten fliegen Kämpfe, den Prozentsatz der Zeit im Flug über den Gesamtaufnahmezeit verbrachte und die Zahl der fliegenden Kampf Ereigniss von bestimmter Dauer Bereich. Die Bereiche können entsprechend den Benutzeranforderungen experimentellen modifiziert werden. Um dies zu tun, alle Zahlenwerte innerhalb der Funktion (inklusive die, die in der Variablenname, zum Beispiel in der Variablen "flight_300_900") müssen auf den gewünschten Wert verändert werden. Die Anzahl der Bereiche und deren Dauer hängt einfach von der Spezifikation des Benutzers. Das Skript wird auf dem Bildschirm drucken Sie die Ergebnisse der Analyse für jeden Kanal. Dazu gehören: durchschnittliche Fluggeschwindigkeit, Gesamtflugzeit, zurückgelegte Strecke, kürzeste und längste fliegen Kämpfe und Flug Zusammensetzung. Darüber hinaus gibt das Skript eine * .DAT-Datei für jeden Kanal und speichert sie in den Ausgabeordner durch den Benutzer angegeben. Jede * .DAT-Datei enthält zwei Spalten: Die erste stellt die relative Zeit der Spitzenveranstaltung, die zweite ist die detaillierte Geschwindigkeitsänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzenveranstaltungen. Diese Datei kann in Excel oder R eingeführt, um eine graphische Darstellung der Geschwindigkeitsänderung über erzeugenZeit und visualisieren die Flugaktivitätsmuster.
Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass diese Flugwerk Design kann leicht und erfolgreich umgesetzt, um Daten für Verhaltensstudien Blick auf fliegen Aktivitätsmuster in verschiedenen Insektenmodelle zu sammeln. Solche Daten können verwendet werden, um individuelle Unterschiede in Bewegungsmuster wie beispielsweise abhängig Physiologie und Morphologie zu untersuchen. Dies kann große Einblicke in die zugrunde liegenden physiologischen und morphologischen Merkmale der Bestimmung der individuellen Variation der Bewegungsmuster wie Nahrungssuche oder über wandernde Aktivität, die letztlich als Ganzes betrifft Bevölkerung bieten. Die detaillierte Zahländerung über der Zeit in Verbindung mit detaillierten physiologische und morphologische Messungen verwendet werden und bietet ein Werkzeug, um Muster der Ressourcenverbrauch oder Wirkung der Variation in Körperteils Morphologie auf dem Flug-Aktivität zu ermitteln.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Hardie, J.
- Reynolds, D., Riley, J. Remote-sensing, telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement: a survey of existing and potential techniques. Comput. Electron. in Agric. 35, 271-307 (2002).
- Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
- Dingle, H., Blakley, N. R., Miller, E. R. Variation in body size and flight performance in milkweed bugs (Oncopeltus). Evolution. , 371-385 (1980).
- Gatehouse, A., Hackett, D. A technique for studying flight behaviour of tethered Spodoptera exempta moths. Physiol. Entomol. 5, 215-222 (1980).
- Grace, B., Shipp, J. A laboratory technique for examining the flight activity of insects under controlled environment conditions. Inter. J Biometeorol. 32, 65-69 (1988).
- Kennedy, J., Booth, C.
- Kennedy, J., Ludlow, A. Co-ordination of two kinds of flight activity in an aphid. J. Exp. Biol. 61, 173-196 (1974).
- Laughlin, R. A modified Kennedy flight chamber. Aust. J. Entomol. 13, 151-153 (1974).
- Krell, R. K., Wilson, T. A., Pedigo, L. P., Rice, M. E. Characterization of bean leaf beetle (Coleoptera: Chrysomelidae) flight capacity. J. Kansas Entomol Soc. , 406-416 (2003).
- Liu, Z., Wyckhuys, K. A., Wu, K. Migratory adaptations in Chrysoperla sinica (Neuroptera: Chrysopidae). Environ. Entomol. 40, 449-454 (2011).
- Wang, X. G., Johnson, M. W., Daane, K. M., Opp, S. Combined effects of heat stress and food supply on flight performance of olive fruit fly (Diptera: Tephritidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 102, 727-734 (2009).
- Dingle, H. Migration: the biology of life on the move. , Oxford University Press. (2014).
- Blackmer, J. L., Naranjo, S. E., Williams, L. H. Tethered and untethered flight by Lygus hesperus and Lygus lineolaris (Heteroptera: Miridae). Environ. Entomol. 33, 1389-1400 (2004).
- Riley, J., Downham, M., Cooter, R. Comparison of the performance of Cicadulina leafhoppers on flight mills with that to be expected in free flight. Entomol. Exp. App. 83, 317-322 (1997).
- Taylor, R., Bauer, L. S., Poland, T. M., Windell, K. N. Flight performance of Agrilus planipennis (Coleoptera: Buprestidae) on a flight mill and in free flight. J. Insect Behav. 23, 128-148 (2010).
- Cooter, R., Armes, N. Tethered flight technique for monitoring the flight performance of Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae). Environ. Entomol. 22, 339-345 (1993).
- Chambers, D., Sharp, J., Ashley, T. Tethered insect flight: A system for automated data processing of behavioral events. Behav. Res. Meth. Instr. 8, 352-356 (1976).
- Clarke, J., Rowley, W., Christiansen, S., Jacobson, D. Microcomputer-based monitoring and data acquisition system for a mosquito flight. Ann. Entomol. Soc. Am. 77, 119-122 (1984).
- Resurreccion, A., Showers, W., Rowley, W. Microcomputer-interfaced flight mill system for large moths such as black cutworm (Lepidoptera: Noctuidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 81, 286-291 (1988).
- Taylor, R., Nault, L., Styer, W., Cheng, Z. -B. Computer-monitored, 16-channel flight mill for recording the flight of leafhoppers (Homoptera: Auchenorrhyncha). Ann. Entomol. Soc. Am. 85, 627-632 (1992).
- Bruzzone, O. A., Villacide, J. M., Bernstein, C., Corley, J. C. Flight variability in the woodwasp Sirex noctilio (Hymenoptera: Siricidae): an analysis of flight data using wavelets. J. Exp. Biol. 212, 731-737 (2009).
- Schumacher, P., Weyeneth, A., Weber, D. C., Dorn, S. Long flights in Cydia pomonella L. (Lepidoptera: Tortricidae) measured by a flight mill: influence of sex, mated status and age. Physiol. Entomol. 22, 149-160 (1997).
- Attisano, A., Tregenza, T., Moore, A. J., Moore, P. J. Oosorption and migratory strategy of the milkweed bug, Oncopeltus fasciatus. An. Behav. 86, 651-657 (2013).
- Martini, X., Hoyte, A., Stelinski, L. L. Abdominal color of the Asian citrus psyllid (Hemiptera: Liviidae) is associated with flight capabilities. Ann. Entomol. Soc. Am. 107, 627-632 (2014).
