כאן מתואר פרוטוקול זול ונגיש להערכת התאוששות הלם קר של פרפרים בתנאי סביבה.
פיזיולוגיה אקולוגית, במיוחד של ectotherms, חשוב יותר ויותר בעולם המשתנה הזה כפי שהוא משתמש במדדים של מינים ותכונות סביבתיות כדי לחקור את האינטראקציות בין אורגניזמים וסביבתם כדי להבין טוב יותר את הישרדותם ואת הכושר שלהם. מבחנים תרמיים מסורתיים הם יקרים במונחים של זמן, כסף, וציוד ולכן מוגבלים לעתים קרובות לגדלים מדגם קטן ומינים מעטים. מוצג כאן פרוטוקול חדשני המייצר נתונים מפורטים על התנהגות הפרט ופיזיולוגיה של חרקים גדולים, וולנטיים, יבשתיים, באמצעות הדוגמה של פרפרים. מאמר זה מתאר את השיטות של בדיקה התאוששות הלם קר שניתן לבצע בשטח בתנאים סביבתיים סביבתיים ואינו דורש ציוד מעבדה יקר. שיטה זו שימשה להבנת אסטרטגיית התגובה וההתאוששות להלם קר של פרפרים טרופיים, תוך יצירת נתונים ברמה האישית על פני קהילות פרפרים שלמות. ניתן להשתמש בשיטות אלה הן במסגרות שדה מרוחק והן בכיתות לימוד וניתן להשתמש בהן כדי ליצור נתונים פיזיולוגיים רלוונטיים מבחינה אקולוגית ככלי הוראה.
השילוב של פיזיולוגיה תרמית ואקולוגיה בסוף שנות השבעים ובתחילת שנות השמונים1,2 השיק את תחום הפיזיולוגיה האקולוגית. מחקרים תרמיים נרחבים שנערכו על ectotherms להדגיש סינרגיות אקולוגיות-פיזיולוגיות על פני הקשרים אקולוגיים-אבולוציוניים מגוונים3,4,5. מחקר על פיזיולוגיה תרמית של אורגניזמים אקותרמיים החזיר את תשומת הלב לאחרונה לנוכח שינוי האקלים ושינה נופים תרמיים ברחבי העולם6,7. בנוסף ללימודים בתחום האקדמי של פיזיולוגיה אקולוגית, מבחני פיזיולוגיה תרמית יכולים להיות נגישים באופן נרחב לחוקרים ויכולים לשמש כגישה מעשית להוראה לכל הרמות. רכיבים של ביצועים תרמיים, כולל גבולות תרמיים והשפעות של זעזועי טמפרטורה, הם היסוד לאקולוגיה, להתנהגות ולתולדות החיים של בעליחיים 8,9.
באופן ספציפי, ecototherms משמשים כדי לענות על שאלות של פיזיולוגיה, כמו אנדותרמיה מכתיב קשר בלתי ניתן לניתק בין טמפרטורת הסביבה והאורגניזם. טווח הטמפרטורות שאורגניזמים יכולים לעמוד בו (המינימום התרמי הקריטי שלהם לטווח תרמי מרבי) והטמפרטורות שבהן התנהגויותיהם וכושרם מוגדלים (אופטימה תרמית) מושרשת לעתים קרובות בתהליכים אקולוגיים ואבולוציוניים. תכונות פיזיולוגיות אלה הן בעלי חשיבות גוברת כמו טמפרטורות, הן אמצעים וקיצוניות, גדלים10. לדוגמה, השינויים האביוטיים, כולל עליית הטמפרטורה, המלווים הרס בתי גידול ופיצול השפיעו על קהילות של ectotherms, כולל anurans, הגבלת מינים שבריריים מבחינה פיזיולוגית (עם סובלנות תרמית צרה) לשרידים קטנים של בתי גידול11,12.
הערכת מרכיבים מרכזיים של ביצועים תרמיים יכולה להיות יקרה הן מבחינת זמן והן מבחינת משאבים ובאופן מסורתי דורשת ציוד מעבדה ותנאים מתוקננים. יתר על כן, מבחנים קונבנציונליים לעתים קרובות אינם משקפים את רוחבם של תנאי הסביבה מנוסים בטבע על ידי בעל חיים נתון13 כמו טמפרטורה בניסויים פיזיולוגיים דומים נשלט בקפידה ולעתים קרובות אינו קשור לתנאי הסביבה מנוסים על ידי בעל חיים. בקרת טמפרטורה זו יכולה להפחית את ההבנה של וריאציה בתגובות בודדות2,14. פיזיולוגים הסתמכו על ניסויי חימום וקירור מבוססי מעבדה, תוך שימוש באמבטיות מים ניתנות לתכנות כדי לחמם או לקרר בהתמדה את סביבת החיה כדי ליידע את עקומות הביצועים התרמיים15.
בדרך כלל, בעלי חיים ממוקמים בקבוקונים עם thermocouple, ואת טמפרטורת הסביבה שלהם משתנה בהתמדה על ידי שליטה על הטמפרטורה של אמבט המים שמסביב. החוקרים מודדים את הזמן שלוקח להשיג מצב פיזיולוגי שונה (למשל, תרדמת צוננת, הפלה) ואת הטמפרטורה שבה התרחש שינוי הסטטוס16,17. החל ממינימום של $500, כלים אלה הם גדולים, כבדים, ודורשים ציוד טכני נוסף (למשל, מחשב, thermocouples). כתוצאה מכך, הכלים הבסיסיים לביצוע שיטות קלאסיות להערכת ביצועים תרמיים הם 1) לא נגישים כלכלית לכולם, 2) לא מתאימים לחיות גדולות מכדי להיכלל בבקבוקונים מקובלים המשמשים לדיפטרנים קטנים, ו -3) לא ניידים לשימוש בהגדרות שדה מרוחק. דבקות בפרקטיקה המקובלת הביאה לייצוג מוגבל על פני טקסונומיה ותנאים ניסיוניים18,19,20.
בעוד עקומות ביצועים תרמיים מלאים יכולים ליידע את הפצת המינים, תכונות היסטוריית החיים, והתנהגות, בין תכונות אחרות, כימות של מדדים תרמיים פחות ופשוטים יכול להיות יעיל יותר ועדיין אינפורמטיבי מאוד. מבחנים פיזיולוגיים, מדידת התפרצות תרדמת צמרמורת והתאוששות הלם קר לאחר מכן, התקשות קרה, והתנהגות תיקון, הם פרוקסי יעילים ותשיקים למינימום התרמי הקריטי של אורגניזם8. המתואר כאן הוא הלם קר assay שימושי עבור לעורר נתונים פיזיולוגיים מחרקים אקותרמיים יבשתיים גדולים. ההסתעפות היא סבירה, נגישה וקלה לביצוע בתנאי שדה או בכיתה. נתונים על התאוששות הלם קר שנוצר על ידי פרוטוקול זה ניתן לשלב עם מינים או נתוני תכונה ברמה האישית כדי להמשיך שאלות לגבי פיזיולוגיה אקולוגית ו / או משמש ללמד את התלמידים על עקרונות פיזיולוגיים.
המחקר של פיזיולוגיה תרמית משלב מדדים של מינים ותכונות סביבתיות כדי להבין טוב יותר את האינטראקציות בין אורגניזמים וסביבתם כי הם המפתח להישרדות וכושר. בעוד תמיד חלק בלתי נפרד להבנת ההיסטוריה הטבעית והאקולוגיה של צמחים ובעלי חיים, תכונות תרמיות הן בעלי חשיבות גוברת לנוכח הנוף ושינוי האקלים11,21. מספר קבוצות של חרקים יבשתיים אקותרמיים, בפרט לפידופטרה ואודונאטן, הן גדולות ושופע יחסית, מפגינות התנהגויות שונות, והן מסוגלות למניפולציה. מתואר כאן היא חקירה יעילה וזולה כדי למדוד ביעילות תגובות פיזיולוגיות של חרקים כאלה. פרוטוקול זה דורש מקור של אורגניזמים בריאים כדי לבצע מבחנים, שזמן הטיפול בהם לפני הניסוי מוגבל. בעוד גמיש במספר האורגניזמים הנבדקים בבת אחת, מספר המוקדים לכל ניסוי ישתנה בהתאם למטרת איסוף הנתונים ו/או מספר הצופים.
לדוגמה, פרוטוקול זה פותח כדי לאסוף נתונים פרטניים מפורטים על פרפרים על פני קהילות שלמות. לפיכך, התוצאות הייצוגיות ממחישות מאמץ למקסם את איסוף הנתונים עבור אנשים ממין רב ככל האפשר ובמגוון תנאים הרלוונטיים לסביבה המקומית. ללא קשר למספר המינים המוקדיים, זה חיוני עבור הצופה להיות מסוגל לזהות כל אדם בכלוב חווה את ההתאוששות. אם המטרה היא לאסוף נתונים ממין אחד בלבד, אז רק אדם אחד או שניים (אם ניתן לזיהוי על בסיס ללבוש כנף שונים או אם מסומן בנפרד) צריך להיות מחויב בבת אחת. יש לבחור את נושאי המחקר בהתאם לשאלת מחקר או תוכנית לימודים ספציפית. בהתבסס על השאלה שהוצגה ומטרת איסוף הנתונים (מחקר או כיתה, למשל), גודל המדגם ואיסוף תכונות אחרות יהיו שונים.
כדי להמחיש את המרכיבים הבסיסיים של הפיזיולוגיה המובהקים על ידי פרוטוקול זה (אינדוקציה של תרדמת צמרמורת, צעדי התאוששות, תפקיד של תנאי הסביבה), מדריך בכיתה יכול לבחור שני מינים או מורפים שונים של מין אחד. אם המוקד שונה רק בתכונה מרכזית אחת (למשל, צבע), יהיה צורך בגודל מדגם קטן יותר, והתלמידים יכולים ללמוד מקרוב את הקשר של תכונה זו ופיזיולוגיה אורגניזמית. חוקרים המעוניינים בפיזיולוגיה אקולוגית עשויים להשתמש בנתונים הניסיוניים שלהם כדי לחקור שאלות אקולוגיות ואבולוציוניות מורכבות. החוקרים חייבים להיות בטוחים לבחור בקפידה חרקים מוקדיים כי ישירות לענות על השאלות שלהם (למשל, בהתבסס על שלב החיים, גיל, מין, מיקום), ו, בהתבסס על מספר המשתנים המעורבים, לקבוע את גודל המדגם המתאים. גדלים לדוגמה עבור דגמים מורכבים יהיו גדולים יותר מאלה שתוארו לעיל.
בעת איסוף נתוני התאוששות התנהגותית, זה המפתח כי הכלוב לנוח מעל הקרקע כי הצופה חייב להיות מסוגל להקיש על החלק התחתון של הכלוב כדי לעורר התנהגויות התאוששות. זה מבטיח שהאורגניזם יגיב (עומד, עף) ברגע שהוא מסוגל מבחינה פיזיולוגית לעשות זאת, והתנהגות ההחלמה הסופית (טיסה) מתועדת. רישום תנאי הסביבה במהלך התאוששות ההלם הקר הוא חלק בלתי נפרד מחקר הפיזיולוגיה התרמית, שכן פרוטוקול זה נועד לחקור ולהתיר את תפקיד הסביבה בפיזיולוגיה האורגנית. אוגרי נתונים (ראה טבלת החומרים)שימושיים לתיעוד מדדים מתוקננים של תנאים רלוונטיים (למשל, טמפרטורה, אור ואפילו לחות). עם זאת, אם כלים אלה אינם זמינים, ניתן למדוד את התנאים הרלוונטיים בדרכים אחרות כמו עם מדחום דיגיטלי או על ידי פישוט המשתנה של תנאי הסביבה ושימוש בסביבות נפרדות כגון צל ושמש. פרוטוקול זה נותן לחוקר אפשרויות למדוד את התנאים במהלך התאוששות הלם קר בהתבסס על המטרה וההיקף של המחקר.
למרות שניתן לשנות שיטה זו כך שתתאים יותר לקבוצות טקסונומיות ספציפיות, מומלץ להשתמש בחרקים גדולים ווולנטיים. חרקים מעופפים המחזירים לעצמם את יכולתם לעוף באופן עצמאי עשויים להיחשב כמי שהשיגו החלמה מלאה. השיטה, כמתואר, שימשה בהצלחה על פרפרים באזורים הטרופיים והסובטרופיים. בהתבסס על המגמות התרמיות של אזור נתון (כלומר, טווח הטמפרטורות שחוו באתר שישתנה, ובכך להשפיע על הציפיות המבוססות על גובה, קו רוחב, כיסוי חופה), אורגניזם עשוי לדרוש פחות או יותר משעה באמבט מי קרח כדי להיכנס לתרדמת צוננת. גודל האורגניזם עשוי להשפיע גם על הזמן הדרוש כדי להיכנס לתרדמת צמרמורת. זה המפתח למצוא את הזמן של חשיפה קרה הכרחי כדי לגרום לתרדמת צמרמורת (לא זז), אבל לא להרוג מינים מוקדיים. הזמן הנדרש כדי לגרום לתרדמת צמרמורת יהיה תלוי בגודל, מיקום, ואת ההיסטוריה הטבעית / התנהגות של הפרטים. בהתבסס על תוצאות ניסוי ההלם הקר המתואר בזאת ושימוש בידע על האקולוגיה של החרקים המוקדיים, בחר זמן לסיים את הניסוי אם אדם נתון אינו מחלים לחלוטין.
בהתבסס על השאלות הספציפיות של החוקר, שיטה זו יכולה להיות מועסקת או בתחום או במעבדה כדי לאפשר הן וריאציה סביבתית טבעית ושליטה עבור משתנים חשובים, בהתאמה. בדיקה זו היא פשוטה וזולה ומסייעת למלא פערים קיימים בתחום הפיזיולוגיה התרמית. הקלות של פרוטוקול זה הופכת אותו לנגיש להעסיק עבור מגוון רחב של taxa, פתיחת השדה יותר אורגניזמים ידידותיים למעבדה. החידוש בביצוע בדיקה תרמית סטנדרטית אך סביבתית ממלא את הפער בין תוצאות המעבדה לשדה22. מינוף תנאי הסביבה להתאוששות האורגניזם יסייע לחוקרים לחלק את תפקידם של גורמים סביבתיים ומינים בפיזיולוגיה14,22. לבסוף, בשל עלותו הנמוכה והיעדר החומרים הנדרשים, ניתן להשתמש בפרוטוקול זה במקומות מרוחקים בשטח עם מעט ציוד אידיאלי לביולוגים רבים בתחום – כמו גם בכיתות כדי לאפשר לתלמידים צעירים חווית למידה מעשית.
The authors have nothing to disclose.
תודה לג’ארט דניאלס, איזבלה פלאמר, ברט שיברס ודן האן על הקלט על הפרוטוקול כפי שהוא פותח לראשונה. הכרת תודה נוספת לחיימה הגארד, סבסטיאן דוראן ואינדיאנה כריסטובל רויס-מלאבר על יישום מספר איטרציות של פרוטוקול זה ועל קלט על מרכיבי מפתח. תודה גם לסוקר אנונימי על משוב על כתב היד בכללותו. התמיכה ניתנה על ידי מרכז מקגווייר לקרן הפרסום של לפידופטרה והמגוון הביולוגי, המכללה למדעי החקלאות והחיים, בית הספר למשאבי טבע וסביבה, והמחלקה לאקולוגיה ושימור חיות בר ב- UF.
24 x 24 x 36" Popup Rearing & Observation Cage | Bioquip | 1466PB | Ensure that the cage is slightly elevated from the ground to be able to tap the floor of the cage during experiments. |
Cooler | Any | NA | |
Glassine envelopes | Bioquip | 1130B | |
HOBO Pendant Temperature/Light 8K Data Logger | Onset | UA-002-08 | If a datalogger is not accessible, researchers may choose to use a digital thermometer to record ambient temperatures at regular intervals. See protocol step 4.5 for additional information. |
HOBO Optic USB Base Station | Onset | Base-U-1 | |
Ice water | NA | NA | |
Insects (focal taxa) | NA | Any | Collect sufficient samples to test, ensuring replication of experimental groups (e.g. species, sampling location) |
PVC T-joint | Any | Any | |
Sealable plastic bag | Any | NA | |
Stopwatch/timer | Any | NA | |
Weight | Any | NA | Large coins or small rocks to weigh down the plastic bags will ensure that specimens are submerged in ice water. A standardized weight is ideal. |