Her beskrives en billig, tilgængelig protokol for at evaluere kold chokgenvinding af sommerfugle under omgivende miljøforhold.
Økologisk fysiologi, især af ectotherms, bliver stadig vigtigere i denne foranderlige verden, da den bruger foranstaltninger af arter og miljømæssige træk til at udforske samspillet mellem organismer og deres omgivelser for bedre at forstå deres overlevelse og fitness. Traditionelle termiske assays er dyre med hensyn til tid, penge og udstyr og er derfor ofte begrænset til små stikprøvestørrelser og få arter. Præsenteret her er en ny protokol, der genererer detaljerede data om individuel adfærd og fysiologi af store, volant, terrestriske insekter ved hjælp af eksemplet med sommerfugle. Dette papir beskriver metoderne til en kold stødgenvindingsanalyse, der kan udføres i marken under omgivende miljøforhold og ikke kræver dyrt laboratorieudstyr. Denne metode er blevet brugt til at forstå reaktionen og genopretningsstrategien for koldt chok af tropiske sommerfugle, der genererer data på individuelt niveau på tværs af hele sommerfuglsamfund. Disse metoder kan anvendes i både fjerntliggende feltmiljøer og klasseværelser og kan bruges til at generere økologisk relevante fysiologiske data og som undervisningsværktøj.
Integrationen af termisk fysiologi og økologi i slutningen af 1970’erne og begyndelsen af 1980’erne1,2 lancerede området for økologisk fysiologi. Omfattende termiske undersøgelser foretaget på ectotherms fremhæve økologisk-fysiologiske synergier på tværs af forskellige øko-evolutionære sammenhænge3,4,5. Forskning i termisk fysiologi af ectothermic organismer har genvundet opmærksomheden for nylig i lyset af klimaændringerne og ændrede termiske landskaber over hele verden6,7. Ud over at informere undersøgelser inden for det akademiske område af økologisk fysiologi, termisk fysiologi assays kan være bredt tilgængelige for forskere og kan tjene som en hands-on undervisning tilgang til alle niveauer. Komponenter af termisk ydeevne, herunder termiske grænser og virkninger af temperaturchok, er grundlæggende for dyrenes økologi, adfærd og livshistorie8,9.
Specifikt bruges økotothermer til at behandle spørgsmål om fysiologi, da endoterapi dikterer en uløselig forbindelse mellem omgivelses- og organismetemperatur. Temperaturområdet, som organismer kan modstå (deres kritiske termiske minimum til maksimalt termisk område) og de temperaturer, hvor deres adfærd og fitness maksimeres (termisk optima), er ofte rodfæstet i økologiske og evolutionære processer. Disse fysiologiske træk er af stigende betydning, da temperaturer, både midler og ekstremer, stiger10. For eksempel har de abiotiske ændringer, herunder temperaturstigninger, der ledsager ødelæggelse og fragmentering af levesteder, påvirket samfund af ectotherms, herunder anuraner, der begrænser fysiologisk skrøbelige arter (med smal termisk tolerance) til små rest habitat patches11,12.
Vurdering af nøglekomponenter i termisk ydeevne kan være dyrt både med hensyn til tid og ressourcer og kræver traditionelt laboratorieudstyr og standardiserede forhold. Desuden afspejler konventionelle assays ofte ikke bredden af omgivelsesforhold, som et givet dyr oplever i naturen13, da temperaturen i lignende fysiologiforsøg kontrolleres omhyggeligt og ofte ikke er relateret til omgivende forhold, som et dyr oplever. Denne temperaturkontrol kan mindske forståelsen af variation i individuelle reaktioner2,14. Fysiologer har påberåbt sig laboratoriebaserede opvarmnings- og køleforsøg ved hjælp af programmerbare vandbade til støt at opvarme eller afkøle et dyrs miljø for at informere termiske ydelseskurver15.
Typisk placeres dyr i hætteglas med et termoelement, og deres omgivelsestemperatur ændres støt ved at kontrollere temperaturen i det omgivende vandbad. Forskere måler den tid, det tager at opnå en ændret fysiologisk tilstand (f.eks. chill coma, knockdown) og den temperatur, hvor statusændringen fandt sted16,17. Fra mindst USD $ 500 er disse værktøjer store, tunge og kræver ekstra teknisk udstyr (f.eks. computer, termoelementer). Derfor er de grundlæggende værktøjer til at udføre klassiske metoder til vurdering af termisk ydeevne 1) ikke økonomisk tilgængelige for alle, 2) ikke egnede til at analysere dyr, der er for store til at være indeholdt i sædvanlige hætteglas, der anvendes til små dipteraner, og 3) ikke bærbare til brug i fjerntliggende feltindstillinger. Overholdelse af almindelig praksis har resulteret i begrænset repræsentation på tværs af taksonomi og forsøgsbetingelser18,19,20.
Mens komplette termiske præstationskurver kan informere arternes fordeling, livshistorieegenskaber og adfærd, blandt andre træk, kan kvantificeringen af færre og enklere termiske målinger være mere effektiv og stadig ekstremt informativ. Fysiologiske assays, måling af chill coma debut og efterfølgende koldt chok opsving, koldhærdning, og ret til adfærd, er effektive og eksekverbare fuldmagter til den kritiske termiske minimum af en organisme8. Beskrevet her er en kold chokanalyse, der er nyttig til at fremkalde fysiologiske data fra store terrestriske ektotermiske insekter. Analysen er overkommelig, tilgængelig og let at udføre under feltforhold eller i klasseværelset. Data om genopretning af koldt chok genereret af denne protokol kan kombineres med data om arter eller træk på individuelt niveau for at forfølge spørgsmål vedrørende økologisk fysiologi og / eller bruges til at lære eleverne om fysiologiske principper.
Studiet af termisk fysiologi inkorporerer målinger af arter og miljømæssige træk for bedre at forstå samspillet mellem organismer og deres omgivelser, der er nøglen til overlevelse og fitness. Mens altid integreret i forståelsen af naturhistorie og økologi af planter og dyr, termiske træk er af stigende betydning i lyset af landskabet og klimaændringerne11,21. Flere grupper af ectothermic terrestriske insekter, især lepidoptera og odonatan, er relativt store og rigelige, udviser forskellige adfærd, og er modtagelige for manipulation. Skitseret her er en effektiv og billig analyse for effektivt at måle fysiologiske reaktioner hos sådanne insekter. Denne protokol kræver en kilde til sunde organismer til at analysere, hvis håndteringstid forud for forsøget er begrænset. Selv om antallet af organismer, der analyseres på én gang, er fleksibelt, vil antallet af forsøgspersoner pr. forsøg variere afhængigt af formålet med dataindsamlingen og/eller antallet af observatører.
For eksempel blev denne protokol udviklet til at indsamle detaljerede individuelle data om sommerfugle på tværs af hele samfund. Som sådan illustrerer de repræsentative resultater en indsats for at maksimere dataindsamlingen for personer af så mange arter som muligt og under en række forhold, der er relevante for det lokale miljø. Uanset antallet af fokale arter er det afgørende for observatøren at kunne identificere hver enkelt person i buret, der oplever genopretningen. Hvis målet er at indsamle data fra kun én art, bør kun en eller to personer (hvis de kan identificeres baseret på forskellig vingeslitage, eller hvis de er individuelt mærket) analyseres på én gang. Forsøgspersonerne skal udvælges i overensstemmelse med et specifikt forskningsspørgsmål eller en bestemt studieplan. Baseret på det stillede spørgsmål og formålet med dataindsamling (forskning eller klasseværelse, for eksempel), vil stikprøvestørrelsen og indsamlingen af andre træk variere.
For at illustrere de grundlæggende komponenter i fysiologi belyst af denne protokol (induktion af chill koma, trin for nyttiggørelse, rolle omgivende forhold), kan et klasseværelse instruktør vælge to forskellige arter eller morphs af en enkelt art. Hvis fokuspersonerne kun adskiller sig i et nøgletræk (f.eks. farve), vil en mindre stikprøvestørrelse være nødvendig, og studerende kan nøje studere forholdet mellem dette træk og organismefysiologi. Forskere interesseret i økologisk fysiologi kan bruge deres eksperimentelle data til at udforske komplekse økologiske og evolutionære spørgsmål. Forskerne skal sørge for omhyggeligt at vælge fokale insekter, der direkte behandler deres spørgsmål (f.eks. baseret på livsstadium, alder, køn, placering) og på grundlag af antallet af involverede variabler bestemme den passende stikprøvestørrelse. Stikprøvestørrelser for komplekse modeller vil være større end dem, der er beskrevet ovenfor.
Mens du indsamler adfærdsmæssige genopretningsdata, er det vigtigt, at buret hviler over jorden, fordi observatøren skal være i stand til at trykke på bunden af buret for at fremkalde genopretningsadfærd. Dette sikrer, at organismen reagerer (står, flyver), så snart den er fysiologisk i stand til at gøre det, og terminalgenvindingsadfærden (flyvning) er dokumenteret. Registrering af omgivende forhold under koldchokgenvinding er en integreret del af studiet af termisk fysiologi, da denne protokol er designet til at studere og adskille miljøets rolle i organismal fysiologi. Dataloggere (se materialetabellen) er nyttige til at registrere standardiserede målinger af relevante forhold (f.eks. temperatur, lys og endda fugtighed). Men hvis disse værktøjer ikke er tilgængelige, kan relevante forhold måles på andre måder, f.eks. med et digitalt termometer, eller ved at forenkle miljøforholdenes variabel og ved hjælp af forskellige miljøer som skygge og sol. Denne protokol giver forskeren mulighed for at måle forholdene under kold chokgendannelse baseret på undersøgelsens formål og omfang.
Selvom denne metode kan ændres, så den passer bedre til specifikke taksonomiske grupper, anbefales det, at der anvendes store, volant insekter. Flyvende insekter, der genvinder deres evne til at flyve uafhængigt, kan anses for at have opnået en fuld genopretning. Metoden, som beskrevet, blev med succes brugt på sommerfugle i troperne og subtroperne. Baseret på de termiske tendenser i et givet område (dvs. det temperaturområde, der opleves på et sted, der vil variere, hvilket påvirker forventningerne baseret på højde, breddegrad, baldakindække), kan en organisme kræve mere eller mindre end en time i et isvandbad for at komme ind i en kølekoma. Organismens størrelse kan også påvirke den tid, der er nødvendig for at komme i en kølekoma. Det er vigtigt at finde det tidspunkt for kold eksponering, der er nødvendigt for at fremkalde en kølig koma (ikke bevæger sig), men ikke dræbe fokusarter. Den tid, der kræves for at fremkalde en chill koma vil afhænge af størrelse, placering, og naturlige historie / adfærd af enkeltpersoner. Baseret på resultaterne fra det koldt chok eksperiment, der er beskrevet heri, og ved hjælp af viden om fokale insekters økologi, skal du vælge et tidspunkt, hvor forsøget skal afsluttes, hvis en given person ikke foretager en fuld genopretning.
Baseret på forskerens specifikke spørgsmål kan denne metode anvendes enten i marken eller laboratoriet for at give mulighed for både naturlig miljøvariation og kontrol for henholdsvis vigtige variabler. Denne analyse er enkel og billig og hjælper med at udfylde eksisterende huller inden for termisk fysiologi. Den lethed af denne protokol gør det tilgængeligt at ansætte for en bred vifte af taxa, åbne feltet for mere end lab-venlige organismer. Det nye ved at udføre en standardiseret, men omgivende termisk analyse udfylder kløften mellem laboratorie- og feltresultater22. Udnyttelse af de omgivende forhold for genopretning af organismer vil hjælpe forskerne med at opdele miljø – og artsfaktorernes rolle i fysiologi14,22. Endelig, på grund af dens lave omkostninger og mangel på nødvendige materialer, kan denne protokol bruges i fjerntliggende steder i marken med lidt udstyr-ideel til mange feltbiologer-såvel som i klasseværelser for at give unge studerende en hands-on læringsoplevelse.
The authors have nothing to disclose.
Tak til Jaret Daniels, Isabella Plummer, Brett Scheffers og Dan Hahn for input til protokollen, som den først blev udviklet. Yderligere taknemmelighed til Jaime Haggard, Sebastián Durán og Indiana Cristóbal Róis-Málaver for at implementere flere gentagelser af denne protokol og for input til nøglekomponenter. Også tak til en anonym anmelder for feedback på manuskriptet som helhed. Støtte blev ydet af McGuire Center for Lepidoptera og Biodiversitet’s publikation fond, College of Agricultural and Life Sciences, School of Natural Resources and Environment, og Wildlife Økologi og Bevarelse afdeling på 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. |