Qui, viene descritto un protocollo accessibile a basso costo per valutare il recupero degli shock freddi delle farfalle in condizioni ambientali ambientali.
La fisiologia ecologica, in particolare degli ectotermi, è sempre più importante in questo mondo che cambia in quanto utilizza misure di specie e tratti ambientali per esplorare le interazioni tra gli organismi e l’ambiente circostante per comprenderne meglio la sopravvivenza e la forma fisica. I test termici tradizionali sono costosi in termini di tempo, denaro e attrezzature e sono quindi spesso limitati a piccole dimensioni del campione e poche specie. Presentato qui è un nuovo protocollo che genera dati dettagliati sul comportamento individuale e la fisiologia di insetti terrestri grandi, volant, utilizzando l’esempio delle farfalle. Questo documento descrive i metodi di un saggio di recupero degli urti freddi che può essere eseguito sul campo in condizioni ambientali ambientali e non richiede costose attrezzature di laboratorio. Questo metodo è stato utilizzato per comprendere la strategia di risposta e recupero allo shock freddo delle farfalle tropicali, generando dati di livello individuale in intere comunità di farfalle. Questi metodi possono essere utilizzati sia in contesti di campo remoto che in classe e possono essere utilizzati per generare dati fisiologici ecologicamente rilevanti e come strumento didattico.
L’integrazione della fisiologia termica e dell’ecologia tra la fine degli anni ’70 e l’inizio degli anni’80 1,2 ha lanciato il campo della fisiologia ecologica. Ampi studi termici condotti su ectotermi evidenziano sinergie eco-fisiologiche in diversi contesti eco-evolutivi3,4,5. La ricerca sulla fisiologia termica degli organismi ectotermici ha recentemente ripreso l’attenzione di fronte ai cambiamenti climatici e ai paesaggi termici alterati intutto il mondo 6,7. Oltre a informare gli studi nel campo accademico della fisiologia ecologica, i test di fisiologia termica possono essere ampiamente accessibili ai ricercatori e possono servire come approccio didattico pratico per tutti i livelli. I componenti delle prestazioni termiche, inclusi i limiti termici e gli effetti degli shock di temperatura, sono fondamentali per l’ecologia, il comportamento e la storia dellavita degli animali 8,9.
In particolare, gli ecototermi sono usati per affrontare le questioni di fisiologia, poiché l’endotermia detta un legame inestricabile tra temperatura ambiente e temperatura corporea. L’intervallo di temperatura che gli organismi possono sopportare (il loro minimo termico critico fino all’intervallo massimo termico) e le temperature alle quali i loro comportamenti e la loro forma fisica sono massimizzati (optima termica) sono spesso radicati nei processi ecologici ed evolutivi. Questi tratti fisiologici sono sempre più importanti in quanto le temperature, sia medie che estreme, stanno aumentandodi 10. Ad esempio, i cambiamenti abiotici, compresi gli aumenti di temperatura, che accompagnano la distruzione e la frammentazione dell’habitat hanno colpito comunità di ectotermi, compresi gli anurani, limitando le specie fisiologicamente fragili (con stretta tolleranza termica) alle piccole macchie dell’habitat residuo11,12.
La valutazione dei componenti chiave delle prestazioni termiche può essere costosa sia in termini di tempo che di risorse e tradizionalmente richiede attrezzature di laboratorio e condizioni standardizzate. Inoltre, i saggi convenzionali spesso non riflettono l’ampiezza delle condizioni ambientali vissute in natura da un dato animale13 poiché la temperatura in esperimenti di fisiologia simili è attentamente controllata e spesso non correlata alle condizioni ambientali vissute da un animale. Questo controllo della temperatura può diminuire la comprensione della variazione nelle singolerisposte 2,14. I fisiologi si sono affidati a esperimenti di riscaldamento e raffreddamento basati su laboratorio, utilizzando bagni d’acqua programmabili per riscaldare o raffreddare costantemente l’ambiente di un animale per informare le curve diprestazione termica 15.
Tipicamente, gli animali vengono collocati in fiale con una termocopia e la loro temperatura ambiente viene cambiata costantemente controllando la temperatura del bagno d’acqua circostante. I ricercatori misurano il tempo necessario per raggiungere uno stato fisiologico alterato (ad esempio, coma freddo, knockdown) e la temperatura alla quale si è verificato il cambiamento di stato16,17. A partire da un minimo di $ 500 USD, questi strumenti sono grandi, pesanti e richiedono attrezzature tecniche aggiuntive (ad esempio, computer, termoaccoppie). Di conseguenza, gli strumenti di base per effettuare metodi classici di valutazione delle prestazioni termiche non sono 1) economicamente accessibili a tutti, 2) non adatti per il dosaggio di animali troppo grandi per essere contenuti nelle fiale abituali utilizzate per i piccoli ditteri e 3) non portatili per l’uso in ambienti di campo remoti. L’adesione alla pratica comune ha portato a una rappresentanza limitata tra tassonomia e condizionisperimentali 18,19,20.
Mentre curve complete di prestazioni termiche possono informare la distribuzione delle specie, i tratti della cronologia della vita e il comportamento, tra gli altri tratti, la quantificazione di metriche termiche sempre più semplici può essere più efficiente e comunque estremamente informativa. I test fisiologici, la misurazione dell’insorgenza del coma freddo e il successivo recupero degli shock freddi, l’indurimento a freddo e il comportamento di adeggio, sono proxy efficaci ed eseguibili per il minimo termico criticodi un organismo 8. Descritto qui è un saggio di shock freddo utile per ottenere dati fisiologici da grandi insetti ectotermici terrestri. Il test è conveniente, accessibile e facile da eseguire in condizioni di campo o in classe. I dati sul recupero degli shock a freddo generati da questo protocollo possono essere abbinati a dati sulle specie o sui tratti a livello individuale per perseguire domande riguardanti la fisiologia ecologica e / o utilizzati per insegnare agli studenti i principi fisiologici.
Lo studio della fisiologia termica incorpora misure di specie e tratti ambientali per comprendere meglio le interazioni tra gli organismi e l’ambiente circostante che sono fondamentali per la sopravvivenza e la forma fisica. Pur essendo sempre parte integrante della comprensione della storia naturale e dell’ecologia di piante e animali, i tratti termici sono sempre più importanti di fronte al paesaggio e ai cambiamenticlimatici 11,21. Diversi gruppi di insetti terrestri ectotermici, in particolare i lepidotteri e l’odonatano, sono relativamente grandi e abbondanti, mostrano comportamenti distinti e sono suscettibili di manipolazione. Qui è delineato un saggio efficiente e a basso costo per misurare efficacemente le risposte fisiologiche di tali insetti. Questo protocollo richiede una fonte di organismi sani per il test, il cui tempo di manipolazione prima dell’esperimento è limitato. Sebbene flessibile nel numero di organismi saggiati contemporaneamente, il numero di individui focali per esperimento varierà in base allo scopo della raccolta dei dati e/o al numero di osservatori.
Ad esempio, questo protocollo è stato sviluppato per raccogliere dati individuali dettagliati sulle farfalle in intere comunità. Pertanto, i risultati rappresentativi illustrano uno sforzo per massimizzare la raccolta di dati per individui di quante più specie possibile e in una varietà di condizioni rilevanti per l’ambiente locale. Indipendentemente dal numero di specie focali, è fondamentale che l’osservatore sia in grado di identificare ogni individuo nella gabbia che sperimenta il recupero. Se l’obiettivo è quello di raccogliere dati da una sola specie, solo uno o due individui (se identificabili in base all’usura diversa delle ali o se contrassegnati individualmente) devono essere saggiati contemporaneamente. Le materie di studio devono essere scelte in base a una specifica domanda di ricerca o piano di studio. In base alla domanda posta e allo scopo della raccolta dei dati (ricerca o classe, ad esempio), le dimensioni del campione e la raccolta di altri tratti differiranno.
Per illustrare le componenti fondamentali della fisiologia chiarite da questo protocollo (induzione del coma freddo, fasi di recupero, ruolo delle condizioni ambientali), un istruttore di classe può scegliere due specie distinte o morfi di una singola specie. Se gli individui focali differiscono solo in un tratto chiave (ad esempio, il colore), sarà necessaria una dimensione del campione più piccola e gli studenti possono studiare da vicino la relazione di quel tratto e la fisiologia dell’organismo. I ricercatori interessati alla fisiologia ecologica possono utilizzare i loro dati sperimentali per esplorare complesse questioni ecologiche ed evolutive. I ricercatori devono essere sicuri di scegliere attentamente gli insetti focali che affrontano direttamente le loro domande (ad esempio, in base alla fase della vita, all’età, al sesso, alla posizione) e, in base al numero di variabili coinvolte, determinare la dimensione del campione appropriata. Le dimensioni del campione per i modelli complessi saranno maggiori di quelle sopra descritte.
Durante la raccolta dei dati di recupero comportamentale, è fondamentale che la gabbia si riposi dal suolo perché l’osservatore deve essere in grado di toccare il fondo della gabbia per suscitare comportamenti di recupero. Ciò garantisce che l’organismo risponda (sta in piedi, vola) non appena è fisiologicamente in grado di farlo e il comportamento di recupero terminale (volo) è documentato. La registrazione delle condizioni ambientali durante il recupero degli shock freddi è parte integrante dello studio della fisiologia termica, in quanto questo protocollo è progettato per studiare e districare il ruolo dell’ambiente nella fisiologia organismica. I registratori di dati (vedi tabella dei materiali) sono utili per registrare misure standardizzate delle condizioni rilevanti (ad esempio, temperatura, luce e persino umidità). Tuttavia, se questi strumenti non sono disponibili, le condizioni rilevanti possono essere misurate in altri modi come con un termometro digitale o semplificando la variabile delle condizioni ambientali e utilizzando ambienti distinti come ombra e sole. Questo protocollo offre al ricercatore opzioni per misurare le condizioni durante il recupero degli shock a freddo in base allo scopo e alla portata dello studio.
Sebbene questo metodo possa essere modificato per adattarsi meglio a specifici gruppi tassonomici, si raccomanda di utilizzare insetti grandi e volant. Gli insetti volanti che riacquistano la loro capacità di volare in modo indipendente possono essere considerati come aver compiuto un pieno recupero. Il metodo, come descritto, è stato utilizzato con successo sulle farfalle nei tropici e subtropicali. In base alle tendenze termiche di una data area (cioè, la gamma di temperature sperimentate in un sito che varierà, influenzando così le aspettative in base all’elevazione, alla latitudine, alla copertura del baldacchino), un organismo può richiedere più o meno di un’ora in un bagno d’acqua ghiacciata per entrare in coma freddo. La dimensione dell’organismo può anche influenzare il tempo necessario per entrare in coma freddo. È fondamentale trovare il tempo di esposizione al freddo necessario per indurre un coma freddo (non in movimento), ma non uccidere le specie focali. Il tempo necessario per indurre un coma freddo dipenderà dalle dimensioni, dalla posizione e dalla storia / comportamento naturale degli individui. Sulla base dei risultati dell’esperimento di shock freddo descritto nel presente documento e utilizzando la conoscenza dell’ecologia degli insetti focali, scegliere un momento in cui concludere lo studio se un dato individuo non fa un pieno recupero.
Sulla base delle domande specifiche del ricercatore, questo metodo può essere utilizzato sia sul campo che in laboratorio per consentire sia variazioni ambientali naturali che controlli per variabili importanti, rispettivamente. Questo saggio è semplice ed economico e aiuta a colmare le lacune esistenti nel campo della fisiologia termica. La facilità di questo protocollo lo rende accessibile da utilizzare per una vasta gamma di taxa, aprendo il campo a organismi più che amichevoli per il laboratorio. La novità di eseguire un saggio termico standardizzato ma ambientale colma il divario tra risultati di laboratorio e di campo22. Sfruttare le condizioni ambientali per il recupero degli organismi aiuterà i ricercatori a dividere il ruolo dei fattori ambientali e delle specie nellafisiologia 14,22. Infine, a causa del suo basso costo e della mancanza di materiali richiesti, questo protocollo può essere utilizzato in luoghi remoti sul campo con poche attrezzature ideali per molti biologi sul campo e in classe per consentire ai giovani studenti un’esperienza di apprendimento pratica.
The authors have nothing to disclose.
Grazie a Jaret Daniels, Isabella Plummer, Brett Scheffers e Dan Hahn per l’input sul protocollo così come è stato sviluppato per la prima volta. Ulteriore gratitudine a Jaime Haggard, Sebastián Durán e Indiana Cristóbal Róis-Málaver per aver implementato diverse iterazioni di questo protocollo e per l’input sui componenti chiave. Grazie anche a un revisore anonimo per il feedback sul manoscritto nel suo complesso. Il sostegno è stato fornito dal McGuire Center for Lepidoptera and Biodiversity’s publication fund, dal College of Agricultural and Life Sciences, dalla School of Natural Resources and Environment e dal dipartimento wildlife ecology and conservation di 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. |