مقاومة Pneumography لقياس الحد الأدنى من الغازية من معدل ضربات القلب في مرحلة متأخرة اللافقاريات
Summary
قياس معدل ضربات القلب خلال التحدي الحراري يوفر نظرة ثاقبة في الاستجابات الفسيولوجية للكائنات الحية نتيجة للتغير البيئي الحاد. باستخدام جراد البحر الأمريكي(Homarus americanus)ككائن حي نموذجي ، يصف هذا البروتوكول استخدام الارتقان الرئوي كنهج غير باضع وغير قاتل نسبيًا لقياس معدل ضربات القلب في اللافقاريات المتأخرة.
Abstract
وتتزايد درجات الحرارة في المحيطات بسرعة نتيجة للتغيرات الواسعة النطاق في المناخات العالمية. وبما أن فسيولوجيا الكائنات الحية تتأثر بشدة بدرجة الحرارة البيئية، فإن هذا ينطوي على إمكانية تغيير الأداء الفسيولوجي الحراري في مجموعة متنوعة من الكائنات البحرية. باستخدام جراد البحر الأمريكي(Homarus americanus)ككائن حي نموذجي ، يصف هذا البروتوكول استخدام الارتقان الرئوي لفهم كيفية تغير أداء القلب في مرحلة متأخرة من الفيفقاريات تحت الضغط الحراري الحاد. يقدم البروتوكول تقنية طفيفة التوغل تسمح بجمع معدل ضربات القلب في الوقت الحقيقي أثناء تجربة زيادة درجة الحرارة. يتم التلاعب بسهولة البيانات لتوليد مؤامرة Arrhenius التي تستخدم لحساب درجة حرارة كسر Arrhenius (ABT) ، ودرجة الحرارة التي يبدأ معدل ضربات القلب في الانخفاض مع ارتفاع درجات الحرارة. يمكن استخدام هذه التقنية في مجموعة متنوعة من اللافقاريات في مرحلة متأخرة (أي سرطان البحر أو بلح البحر أو الروبيان). على الرغم من أن البروتوكول يركز فقط على تأثير درجة الحرارة على أداء القلب ، إلا أنه يمكن تعديله لفهم إمكانية حدوث إجهادات إضافية (مثل نقص الأكسجة أو فرط الكبة) للتفاعل مع درجة الحرارة للتأثير على الأداء الفسيولوجي. وبالتالي، فإن هذه الطريقة تنطوي على إمكانية تطبيقات واسعة النطاق لزيادة فهم كيفية استجابة اللافقاريات البحرية للتغيرات الحادة في البيئة.
Introduction
في العقود الأخيرة، أدت زيادة مدخلات غازات الاحتباس الحراري (أي ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز) في الغلاف الجوي إلى أنماط واسعة النطاق من التغير البيئي1. محيطات العالم ترتفع بسرعة2,3, وهو الاتجاه الذي قد يكون له آثار شديدة على فسيولوجيا الكائنات الحية. درجة الحرارة يؤثر بشدة على معدلات الفسيولوجية، والكائنات الحية لديها نطاق درجة الحرارة الأمثل للأداء4،,5،,6. على هذا النحو، قد يواجه الأفراد صعوبات في الحفاظ على توصيل الأكسجين السليم إلى الأنسجة حيث تضل درجات الحرارة خارج هذا النطاق. وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في الأداء الهوائي في مواجهة ارتفاع درجات حرارة المحيطات5,7.
في بيئة المختبر ، فإن طريقة لفهم الآثار الفسيولوجية للتغيير البيئي هي فحص أداء القلب في سياق الإجهاد الحراري. وهذا يوفر نظرة ثاقبة كيف التعرض لظروف الاحترار المتوقعة قد يغير منحنيات الأداء5,6 فضلا عن إمكانية التأقلم اللدونة8. وقد تم تنفيذ مجموعة متنوعة من الأساليب بنجاح لقياس معدل ضربات القلب في اللافقاريات البحرية في السابق. ومع ذلك ، فإن العديد من هذه التقنيات تنطوي على إزالة جراحية أو التلاعب الرئيسي في الهيكل الخارجي وزرع طويل الأمد لأجهزة القياس9،10،11، مما يدخل إجهادًا إضافيًا لموضوع الاختبار ويزيد من الوقت اللازم للتعافي الناجح قبل التجريب. وعلاوة على ذلك، قد تقتصر التقنيات الأقل توغلا (مثل الملاحظة البصرية، وتصوير الفيديو) على مراحل تاريخ الحياة المبكرة عندما تكون الكائنات الحية كاملة أو شبه شفافة12. وعلاوة على ذلك، يمكن تقديم تحديات إضافية للباحثين الذين ليسوا على دراية جيدة في منهجيات أكثر تقدما من الناحية التكنولوجية (على سبيل المثال، الملاحظات عبر محولات الأشعة تحت الحمراء أو التروية دوبلر8،11).
يستخدم هذا البروتوكول جراد البحر الأمريكي(Homarus americanus)كنموذج اللافقاريات البحرية في مرحلة متأخرة لإثبات استخدام الارتقان الرئوي للمقاومة لتقييم التغيرات في معدل ضربات القلب خلال تجربة زيادة درجة الحرارة. الارتقاق الرئوي ينطوي على تمرير تيار كهربائي متذبذب (AC) عبر اثنين من أقطاب الكهربائية المتمركزة على جانبي التامور لقياس التغيرات في الجهد كما عقود القلب ويرتاح13,14. هذه التقنية هي طفيفة التوغل، كما أنها تستخدم استخدام الأقطاب الكهربائية الصغيرة (أي قطر 0.10-0.12 ملم) التي يتم زرعها بلطف تحت الهيكل الخارجي مباشرة. وأخيرا، فإنه يوفر تقييمات في الوقت الحقيقي لكل من معدل ضربات القلب ودرجة حرارة المياه خلال المنحدر من خلال استخدام مسجل البيانات.
كما يوفر البروتوكول تعليمات لحساب درجة حرارة كسر Arrhenius (ABT) ، ودرجة الحرارة التي يبدأ فيها معدل ضربات القلب في الانخفاض مع ارتفاع درجات الحرارة13،15. ABT بمثابة مؤشر غير فتاك من الحد الحراري للقدرة في مواضيع الاختبار التي يمكن تفضيلها على قياس الحد الأقصى الحراري الحرج (CTماكس، الحد الأعلى لوظيفة القلب5،6)،كما الحدود القاتلة غالبا ما تكون متطرفة ونادرا ما تواجهها في البيئة الطبيعية5.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول استخدام الارتقان الرئوي للمقاومة لقياس التغيرات في معدل ضربات القلب في اللافقاريات في المراحل المتأخرة أثناء تجربة زيادة درجة الحرارة. الفائدة الأساسية من هذه التقنية مقارنة بالنهج المختبرية الأخرى9,10,11 هو أنه هو الح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين أشكر بول راوسون للمساعدة المختبرية والمؤسسة الوطنية للعلوم جائزة IIA-1355457 إلى ماين EPSCoR في جامعة ماين للحصول على أموال لشراء المعدات. وقد تم دعم هذا المشروع من قبل المعهد الوطني للأغذية والزراعة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية، ومشروع هاتش رقم MEO-21811 من خلال محطة ماين للتجارب الزراعية والحرجية، وكذلك دائرة المصايد البحرية الوطنية التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي سالتونستال كينيدي غرانت #18GAR039-136. كما يشكر المؤلفون ثلاثة مراجعين مجهولين على تعليقاتهم على نسخة سابقة من هذه المخطوطة. منشور محطة التجارب الزراعية والغابات في ولاية ماين رقم 3733.
Materials
| 1.6 mm (1/16 in) drill bit | Milwaukee Tool at Home Depot | 1001294900 | This is for a 1.6 mm (1/16 in) diameter drill bit. This item can be found at most home-improvement stores. |
| 38 AWG Copper Magnet Wire | TEMCo | MW0093 | This wire is used to make the wire electrode leads that are implanted into the test subjects. This listing is for a 4 oz coil of 38-gauge magnetic wire. TemCo also has 36-gauge magnetic wire that is also suitable for use in constructing wire electrodes. |
| Cyanoacrylate glue | Loctite | 852882 | This item includes a brush tip, which makes it easier to control the amount of glue used to secure electrodes to the carapace. |
| Ethanol, 70% Solution, Molecular Biology Grade | Fisher BioReagents | BP82931GAL | This reagent is used in combination with the sterile cotton balls to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Excel | Microsoft | N/A | This program is used in the protocol for organizing, manipulating, and analyzing data. It is compatible with both PC and Mac operating systems. |
| Fisherbrand 8-Piece Dissection Kit | Fisher Scientific | 08-855 | This kit includes the forceps, scissors, dissecting knife (and blades), and dissecting needle needed to accomplish the electrode implantation steps in the protocol. |
| Fisherbrand Isotemp Refrigerated/Heated Bath Circulators: 5.4-6.5L, 115V/60Hz | Fisher Scientific | 13-874-180 | This is a complete system that consists of an immersion circulator and a bath. It can be used as a temperature controlled bath or to circulate fluid externally to an application. Temperature range of this water bath is -20 to +100 °C, and the unit heats/cools rapidly and is easy to drain upon conclusion of use. |
| Fisherbrand Sterile Cotton Balls | Fisher Scientific | 22-456-885 | These swabs should be soaked in 70% ethanol before being used to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Fork Terminal, Red Vinyl, Butted Seam, 22 to 16 AWG, 100 PK | Grainger | 5WHE6 | Terminals are soldered to the magnetic wire to construct the wire electrodes. These can be purchased from a variety of home-improvement vendors. |
| Impedance converter | UFI | Model 2991 | Measures impedance changes correlated with very small voltage changes, ranging from 0.2 ohm to over 5 ohms. This model can convert impedance changes that stem from resistance, capacitance, or inductance variations, as well as a combination of all three. |
| LabChart software | ADInstruments | N/A | Purchase of the PowerLab datalogger includes the LabChart software, but a license for the software can also be directly downloaded online. LabChart allows the user to record data, open and read LabChart files, analyze data, as well as save and export files. There is a free version of the software, LabChart Reader, but users can only open and read LabChart files and analyze them (i.e., it cannot be used to record, save, or export data files). One also has the option of selecting LabChart Pro, which includes LabChart teaching modules that can be used for educational purposes. |
| LED Soldering Iron | Grainger | 28EA35 | This is a generic soldering iron that can be used to solder the magnetic wire to the fork terminals to create the wire electrodes. |
| PowerLab datalogger | ADInstruments | ML826 | There are a variety of models of the PowerLab. This catalog number is for the 2/26 model that is a 2 channel, 16 bit resolution recorder with two analog input channels, independently selectable input sensitivities, two independent analog outputs for stimulation or pulse generation and a trigger input. The PowerLab features a wide range of low-pass filters, AC or DC coupling and adaptive mains filter. This unit has a USB interface for connection to Windows or Mac OS computers and a sampling rate of 100,000 samples/s per channel. |
| Prism8 | GraphPad | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature through its “Segmental linear regression” data analysis option. This program does not require any programming and is compatible with both Mac and Windows operating systems. |
| R | R Project | N/A | This is free software for statistical computing that is compatible with UNIX platforms, as well as Windows and Mac operating systems. This program can also be used to calculate the Arrhenius Break Temperature using the “segmented” package. There are a number of tutorials and user guides available online through the r-project.org website. |
| Rosin Core Solder | Grainger | 331856 | This product has a diameter of 0.031 in (0.76 mm) and is ideal for use in soldering speaker wire (similar gauge as magnetic wire used for electrodes). |
| SAS | SAS Institute | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature. However, it does require programming and is not compatible with Mac operating systems. |
| SigmaPlot | Systat Software, Inc. | N/A | This is the authors’ preferred program for statistical determination of the Arrhenius Break Temperature. The “Regression Wizard” is easy to use and does not require any programming. One can obtain a free 30-day trial license before purchase. However, it is compatible only with PC computers. |
| T-type Pod | ADInstruments | ML312 | Suitable for measurement of temperatures from 0-50 °C using T-type thermocouples. |
| T-type Thermocouple Probe | ADInstruments | MLT1401 | Compatible with the T-type Pod for connection. Measures temperature up to 150 °C, and is suitable for immersion in various solutions, semi-solids, and tissue (includes a needle for implantation). This product is a 0.6 mm diameter isolated probe that is sheathed in chemical-resistant Teflon and a lead length of 1.0 m. |
| UV Cable Tie, Black | Home Depot | 295813 | This is for a 100-pack of 8-inch (20.32 cm), black cable ties. However, based on the size of test subjects, smaller or larger cable ties may be needed. This item, and others like it, can be purchased at any home-improvement store. |
References
- Stocker, T. F., et al. . Climate Change 2013: The Physical Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , (2013).
- Pershing, A. J., et al. Slow adaptation in the face of rapid warming leads to collapse of the Gulf of Maine cod fishery. Science. 350 (6262), 809-812 (2015).
- Smale, D. A., et al. Marine heat waves threaten global biodiversity and the provision of ecosystem services. Nature Climate Change. 9 (4), 306-316 (2019).
- Pörtner, H. O., Farrell, A. P. Physiology and climate change. Science. 322 (5902), 690-692 (2008).
- Pörtner, H. O., Bock, C., Mark, F. C. Oxygen- and capacity-limited thermal tolerance: bridging ecology and physiology. Journal of Experimental Biology. 220 (15), 2685-2696 (2017).
- Somero, G. N., Lockwood, B. L., Tomanek, L. . Biochemical adaptation: response to environmental challenges, from life’s origins to the Anthropocene. , (2017).
- Sokolova, I. M., Frederich, M., Bagwe, R., Lanning, G., Sukhotin, A. A. Energy homeostasis as an integrative tool for assessing limits of environmental stress tolerance in aquatic invertebrates. Marine Environmental Research. 79, 1-15 (2012).
- Tepolt, C. K., Somero, G. N. Master of all trades: thermal acclimation and adaptation of cardiac function in a broadly distributed marine invasive species, the European green crab, Carcinus maenas. Journal of Experimental Biology. 217 (7), 1129-1138 (2014).
- Frederich, M., Pörtner, H. O. Oxygen limitation of thermal tolerance defined by cardiac and ventilatory performance in spider crab, Maja squinado. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 279 (5), 1531-1538 (2000).
- Metzger, R., Sartoris, F. J., Langenbuch, M., Pörtner, H. O. Influence of elevated CO2 concentrations on thermal tolerance of the edible crab Cancer pagurus. Journal of Thermal Biology. 32, 144-151 (2007).
- Walther, K., Sartoris, F. J., Bock, C., Pörtner, H. O. Impact of anthropogenic ocean acidification on thermal tolerance of the spider crab Hyas araneus. Biogeosciences. 6 (10), 2207-2215 (2009).
- Styf, H. K., Sköld, H. N., Eriksson, S. P. Embryonic response to long-term exposure of the marine crustacean Nephrops norvegicus to ocean acidification. Ecology and Evolution. 3 (15), 5055-5065 (2013).
- Camacho, J., Qadri, S. A., Wang, H., Worden, M. K. Temperature acclimation alters cardiac performance in the lobster Homarus americanus. Journal of Comparative Physiology A. 192 (12), 1327-1334 (2006).
- Braby, C., Somero, G. N. Ecological gradients and relative abundance of native (Mytilus trossulus) and invasive (Mytilus galloprovincialis) blue mussels in the California hybrid zone. Marine Biology. 148 (6), 1249-1262 (2006).
- Stenseng, E., Braby, C. E., Somero, G. N. Evolutionary and acclimation-induced variation in the thermal limits of heart function in congeneric marine snails (Genus Tegula): implications for vertical zonation. Biological Bulletin. 208 (2), 138-144 (2005).
- Factor, J. . Biology of the Lobster: Homarus americanus. , (1995).
- Muggeo, V. M. Segmented: an R package to fit regression models with broken-lin relationships. R News. 8 (1), 20-25 (2008).
- Ryan, S. E., Porth, L. S. A tutorial on the piecewise regression approach applied to bedload transport data. General Technical Report RMS-GTR-189. , (2007).
- . . Prism8 Statistics Guide. , (2020).
- Cuculescu, M., Hyde, D., Bowler, K. Thermal tolerance of two species of marine crab, Cancer pagurus and Carcinus maenas. Journal of Thermal Biology. 23 (2), 107-110 (1998).
- Stillman, J. H. A comparative analysis of plasticity of thermal limits in porcelain crabs across latitudinal and intertidal zone clines. International Congress Series. 1275, 267-274 (2004).
- Maderia, D., et al. cellular and biochemical thermal stress response of intertidal shrimps with different vertical distributions: Palaemon elegans and Palaemon serratus. Comparative Biochemistry and Physiology, Part A. 183, 107-115 (2015).
- Padilla-Ramirez, S., et al. The effects of thermal acclimation on the behavior, thermal tolerance, and respiratory metabolism in a crab inhabiting a wide range of thermal habitats (Cancer antennarius Stimpson, 1856, the red shore crab). Marine and Freshwater Behaviour and Physiology. 48 (2), 89-101 (2017).
- Pörtner, H. O. Ecosystem effects of ocean acidification in times of ocean warming: a physiologist’s view. Marine Ecology Progress Series. 373, 203-217 (2008).
- Pörtner, H. O. Oxygen- and capacity-limitation of thermal tolerance: a matrix for integrating climate-related stressor effects in marine ecosystems. Journal of Experimental Biology. 213 (6), 881-893 (2010).
- Zittier, Z. M. C., Hirse, T., Pörtner, H. O. The synergistic effects of increasing temperature and CO2 levels on activity capacity and acid-base balance in the spider crab, Hyas araneus. Marine Biology. 160 (8), 2049-2062 (2013).
- Harrington, A. M., Hamlin, H. J. Ocean acidification alters thermal cardiac performance, hemocyte abundance, and hemolymph chemistry in subadult American lobsters Homarus americanus H. Milne Edwards, 1837 (Decapoda: Malcostraca: Nephropidae). Journal of Crustacean Biology. 39 (4), 468-476 (2019).
- Depledge, M. H. Photoplethysmography – a non-invasive technique for monitoring heart beat and ventilation rate in decapod crustaceans. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology. 77 (2), 369-371 (1984).
