هنا ، يتم وصف بروتوكول منخفض التكلفة ويمكن الوصول إليه لتقييم استعادة الصدمة الباردة للفراشات في ظل الظروف البيئية المحيطة.
علم وظائف الأعضاء الإيكولوجية، ولا سيما من ectotherms، تزداد أهمية في هذا العالم المتغير كما أنه يستخدم مقاييس الأنواع والصفات البيئية لاستكشاف التفاعلات بين الكائنات الحية والمناطق المحيطة بها لفهم أفضل لبقائها واللياقة البدنية. إن المقايسات الحرارية التقليدية مكلفة من حيث الوقت والمال والمعدات، وبالتالي غالبا ما تقتصر على أحجام العينات الصغيرة والأنواع القليلة. يقدم هنا بروتوكول جديد يولد بيانات مفصلة عن السلوك الفردي وعلم وظائف الأعضاء للحشرات الأرضية الكبيرة ، باستخدام مثال الفراشات. تصف هذه الورقة طرق اختبار استعادة الصدمات الباردة التي يمكن إجراؤها في الميدان في ظل الظروف البيئية المحيطة ولا تتطلب معدات مختبرية مكلفة. وقد استخدمت هذه الطريقة لفهم استراتيجية الاستجابة والتعافي للصدمة الباردة للفراشات الاستوائية ، وتوليد بيانات المستوى الفردي عبر مجتمعات الفراشات بأكملها. ويمكن استخدام هذه الأساليب في كل من البيئات الميدانية النائية والفصول الدراسية ويمكن استخدامها لتوليد البيانات الفسيولوجية ذات الصلة بيئيا وكأداة تعليمية.
التكامل بين علم وظائف الأعضاء الحرارية والبيئة في أواخر 1970s وأوائل 1980s1،2 أطلقت مجال علم وظائف الأعضاء الإيكولوجية. دراسات حرارية واسعة النطاق أجريت على ectotherms تسليط الضوء على التآزر الإيكولوجية الفسيولوجية عبر سياقات متنوعة الإيكولوجية التطورية3،4،5. وقد استعادت البحوث على الفسيولوجيا الحرارية للكائنات ectothermic الاهتمام في الآونة الأخيرة في مواجهة تغير المناخ والمناظر الطبيعية الحرارية المتغيرة في جميع أنحاء العالم6،7. بالإضافة إلى الدراسات الاسترشادية في المجال الأكاديمي لعلم وظائف الأعضاء الإيكولوجية، يمكن أن تكون مقايسات الفسيولوجيا الحرارية متاحة على نطاق واسع للباحثين ويمكن أن تكون بمثابة نهج تعليمي عملي لجميع المستويات. مكونات الأداء الحراري، بما في ذلك الحدود الحرارية وآثار الصدمات في درجات الحرارة، هي أساسية للبيئة والسلوك وتاريخ حياةالحيوانات 8،9.
على وجه التحديد ، يتم استخدام ecototherms لمعالجة مسائل علم وظائف الأعضاء ، حيث يملي endothermy وجود صلة لا تنفصم بين درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الكائن الحي. غالبا ما تكون مجموعة درجات الحرارة التي يمكن للكائنات الحية تحملها (الحد الأدنى الحراري الحرج إلى النطاق الحراري الأقصى) ودرجات الحرارة التي يتم فيها تعظيم سلوكياتها وملاءمتها (optima الحرارية) متجذرة في العمليات الإيكولوجية والتطورية. هذه الصفات الفسيولوجية ذات أهمية متزايدة حيث أن درجات الحرارة ، سواء الوسائل أو التطرف ، تزداد10. على سبيل المثال ، أثرت التغيرات اللاأحيائية ، بما في ذلك ارتفاع درجات الحرارة ، التي تصاحب تدمير الموائل وتجزئتها على مجتمعات ectotherms ، بما في ذلك الأنوران ، مما يحد من الأنواع الهشة من الناحية الفسيولوجية (مع التسامح الحراري الضيق) إلى بقع الموائل الصغيرة المتبقية11،12.
ويمكن أن يكون تقييم المكونات الرئيسية للأداء الحراري مكلفا من حيث الوقت والموارد على حد سواء، ويتطلب عادة معدات مختبرية وظروفا موحدة. وعلاوة على ذلك، فإن المقايسات التقليدية لا تعكس في كثير من الأحيان اتساع نطاق الظروف المحيطة التي يعاني منها معين في الطبيعة13 حيث يتم التحكم بعناية في درجة الحرارة في تجارب فسيولوجيا مماثلة وغالبا ما لا علاقة لها بالظروف المحيطة التي يعاني منها الحيوان. هذا التحكم في درجة الحرارة يمكن أن يقلل من فهم الاختلاف في الاستجابات الفردية2،14. وقد اعتمد علماء وظائف الأعضاء على تجارب التدفئة والتبريد المختبرية ، وذلك باستخدام حمامات المياه القابلة للبرمجة لتسخين أو تبريد بيئة الحيوان بثبات لإعلام منحنيات الأداء الحراري15.
عادة، يتم وضع الحيوانات في قوارير مع الحرارية، ويتم تغيير درجة حرارتها المحيطة باطراد عن طريق التحكم في درجة حرارة حمام المياه المحيطة بها. يقيس الباحثون الوقت الذي يستغرقه تحقيق حالة فسيولوجية متغيرة (على سبيل المثال ، غيبوبة البرد ، الضربة القاضية) ودرجة الحرارة التي حدث فيها تغيير الحالة16،17. تبدأ هذه الأدوات بمبلغ لا يقل عن 500 دولار أمريكي، وهي كبيرة وثقيلة وتتطلب معدات تقنية إضافية (على سبيل المثال، الكمبيوتر، الزج الحراري). وبالتالي، فإن الأدوات الأساسية لتنفيذ الأساليب الكلاسيكية لتقييم الأداء الحراري هي 1) غير متاحة اقتصاديا للجميع، 2) غير مناسبة لتقييم الحيوانات كبيرة جدا بحيث لا يمكن احتواؤها في قوارير العرفي المستخدمة لdipterans الصغيرة، و 3) غير المحمولة للاستخدام في بيئات الحقل البعيد. وقد أدى الالتزام بالممارسة الشائعة إلى تمثيل محدود عبر التصنيف والشروط التجريبية18و19و20.
في حين أن منحنيات الأداء الحراري الكامل يمكن أن تسترشد توزيع الأنواع، والصفات تاريخ الحياة، والسلوك، من بين سمات أخرى، يمكن أن يكون القياس الكمي للمقاييس الحرارية أقل وأبسط أكثر كفاءة ولا تزال غنية بالمعلومات للغاية. المقايسات الفسيولوجية، وقياس بداية غيبوبة البرد والانتعاش صدمة الباردة اللاحقة، تصلب الباردة، والسلوك الصحيح، هي وكلاء فعالة وقابلة للتنفيذ للحد الأدنى الحراري الحرجة من كائنحي 8. الموصوف هنا هو اختبار الصدمة الباردة مفيدة للحصول على البيانات الفسيولوجية من الحشرات ectothermic الأرضية الكبيرة. إن المقايسة ميسورة التكلفة، ويمكن الوصول إليها، وسهلة التنفيذ في ظل ظروف ميدانية أو في الفصول الدراسية. يمكن أن تقترن البيانات المتعلقة باستعادة الصدمة الباردة الناتجة عن هذا البروتوكول ببيانات الأنواع أو السمات الفردية لمتابعة الأسئلة المتعلقة بالفيزيولوجيا الإيكولوجية و /أو استخدامها لتعليم الطلاب حول المبادئ الفسيولوجية.
تتضمن دراسة علم وظائف الأعضاء الحرارية مقاييس للأنواع والصفات البيئية لفهم أفضل للتفاعلات بين الكائنات الحية والمناطق المحيطة بها التي هي مفتاح البقاء واللياقة البدنية. في حين أن دائما جزءا لا يتجزأ من فهم التاريخ الطبيعي والبيئة من النباتات والحيوانات، والصفات الحرارية ذات أهمية متزايدة في مواجهة المناظر الطبيعية وتغير المناخ11،21. العديد من مجموعات الحشرات الأرضية الكثيرة ، على وجه الخصوص ، lepidoptera و odonatan ، كبيرة نسبيا وفيرة ، وتظهر سلوكيات متميزة ، وقابلة للتلاعب. المبين هنا هو إجراء فحص فعال ومنخفض التكلفة لقياس الاستجابات الفسيولوجية لمثل هذه الحشرات بشكل فعال. يتطلب هذا البروتوكول مصدرا للكائنات الحية السليمة للتشتياز ، والتي يكون وقت معالجتها قبل التجربة محدودا. وفي حين أن عدد الكائنات الحية التي يتم فحصها في وقت واحد مرن، فإن عدد الأفراد المحوريين في كل تجربة سيختلف استنادا إلى الغرض من جمع البيانات و/أو عدد المراقبين.
على سبيل المثال، تم تطوير هذا البروتوكول لجمع بيانات فردية مفصلة عن الفراشات عبر مجتمعات بأكملها. وعلى هذا النحو، توضح النتائج التمثيلية الجهود المبذولة لزيادة جمع البيانات إلى أقصى حد ممكن للأفراد من أكبر عدد ممكن من الأنواع وفي ظل مجموعة متنوعة من الظروف ذات الصلة بالبيئة المحلية. وبغض النظر عن عدد الأنواع المحورية، من الأهمية بمكان أن يتمكن المراقب من تحديد هوية كل فرد في القفص يعاني من الانتعاش. إذا كان الهدف هو جمع البيانات من نوع واحد فقط، ثم واحد فقط أو اثنين من الأفراد (إذا كان يمكن التعرف عليها على أساس ارتداء جناح مختلفة أو إذا وضعت علامة فردية) ينبغي أن يتم فحصها في وقت واحد. يجب اختيار مواضيع الدراسة وفقا لمسألة بحثية محددة أو خطة دراسة. واستنادا إلى السؤال المطروح والغرض من جمع البيانات (البحوث أو الفصول الدراسية، على سبيل المثال)، سيختلف حجم العينة وجمع الصفات الأخرى.
لتوضيح المكونات الأساسية لعلم وظائف الأعضاء التي أوضحها هذا البروتوكول (تحريض غيبوبة البرد ، وخطوات التعافي ، ودور الظروف المحيطة) ، يمكن لمدرب الفصل الدراسي اختيار نوعين متميزين أو مورفات من نوع واحد. إذا اختلف الأفراد البؤريين فقط في سمة رئيسية واحدة (مثل اللون) ، فسيكون من الضروري وجود حجم عينة أصغر ، ويمكن للطلاب دراسة العلاقة بين هذه الصفة وعلم وظائف الأعضاء الحية عن كثب. قد يستخدم الباحثون المهتمون في علم وظائف الأعضاء الإيكولوجية بياناتهم التجريبية لاستكشاف الأسئلة الإيكولوجية والتطورية المعقدة. يجب على الباحثين التأكد من اختيار الحشرات البؤرية بعناية التي تعالج أسئلتهم مباشرة (على سبيل المثال ، استنادا إلى مرحلة الحياة والعمر والجنس والموقع) ، وبناء على عدد المتغيرات المعنية ، حدد حجم العينة المناسب. أحجام العينة للنماذج المعقدة ستكون أكبر من تلك الموضحة أعلاه.
أثناء جمع بيانات الاسترداد السلوكي ، من المهم أن يستريح القفص فوق الأرض لأن المراقب يجب أن يكون قادرا على الاستفادة من الجزء السفلي من القفص لإثارة سلوكيات التعافي. وهذا يضمن استجابة الكائن الحي (المدرجات والذباب) بمجرد أن يكون قادرا من الناحية الفسيولوجية على القيام بذلك ، ويتم توثيق سلوك التعافي النهائي (الطيران). تسجيل الظروف المحيطة أثناء استعادة الصدمة الباردة هو جزء لا يتجزأ من دراسة علم وظائف الأعضاء الحرارية، كما تم تصميم هذا البروتوكول لدراسة وتفكيك دور البيئة في فسيولوجيا الكائنات الحية. 10- إن قاطعي البيانات (انظر جدول المواد)مفيدون في تسجيل مقاييس موحدة للظروف ذات الصلة (مثل درجة الحرارة والضوء وحتى الرطوبة). ومع ذلك، إذا كانت هذه الأدوات غير متوفرة، يمكن قياس الظروف ذات الصلة بطرق أخرى مثل ميزان الحرارة الرقمي أو عن طريق تبسيط متغير الظروف البيئية واستخدام بيئات متميزة مثل الظل والشمس. يمنح هذا البروتوكول الباحث خيارات لقياس الظروف أثناء التعافي من الصدمة الباردة استنادا إلى الغرض ونطاق الدراسة.
على الرغم من أنه يمكن تعديل هذه الطريقة لتناسب مجموعات تصنيف محددة بشكل أفضل ، فمن المستحسن استخدام الحشرات الكبيرة والفولانت. يمكن اعتبار الحشرات الطائرة التي تستعيد قدرتها على الطيران بشكل مستقل أنها حققت الشفاء التام. تم استخدام هذه الطريقة ، كما هو موضح ، بنجاح على الفراشات في المناطق المدارية وشبه المدارية. واستنادا إلى الاتجاهات الحرارية لمنطقة معينة (أي نطاق درجات الحرارة التي تشهدها المواقع التي ستختلف، مما يؤثر على التوقعات على أساس الارتفاع، والعرض، وغطاء المظلة)، قد يحتاج الكائن الحي إلى أكثر أو أقل من ساعة واحدة في حمام الماء المثلج للدخول في غيبوبة البرد. قد يؤثر حجم الكائن الحي أيضا على الوقت اللازم للدخول في غيبوبة البرد. من المهم العثور على وقت التعرض البارد اللازم للحث على غيبوبة البرد (عدم التحرك) ، ولكن ليس قتل الأنواع المحورية. الوقت اللازم للحث على غيبوبة البرد سيعتمد على حجم وموقع وتاريخ طبيعي / سلوك الأفراد. استنادا إلى نتائج تجربة الصدمة الباردة الموصوفة هنا واستخدام المعرفة بإيكولوجيا الحشرات البؤرية ، اختر الوقت الذي تنتهي فيه التجربة إذا لم يتعافى فرد معين تماما.
واستنادا إلى الأسئلة المحددة للباحث، يمكن استخدام هذه الطريقة إما في الميدان أو المختبر للسماح بالتنوع البيئي الطبيعي والتحكم في المتغيرات الهامة على التوالي. هذا المقايسة بسيطة وغير مكلفة ويساعد على سد الثغرات الموجودة في مجال علم وظائف الأعضاء الحرارية. سهولة هذا البروتوكول يجعل من السهل استخدام لمجموعة متنوعة من الضرائب، وفتح المجال لأكثر من الكائنات الصديقة للمختبر. إن حداثة إجراء فحص حراري موحد ولكن محيط تسد الفجوة بين النتائج المختبرية والميدانية22. الاستفادة من الظروف المحيطة لاستعادة الكائن الحي سوف تساعد الباحثين تقسيم دور العوامل البيئية والأنواع في علم وظائف الأعضاء14،22. وأخيرا، ونظرا لانخفاض تكلفته وعدم وجود المواد المطلوبة، يمكن استخدام هذا البروتوكول في مواقع نائية في الميدان مع معدات قليلة مثالية لكثير من علماء الأحياء الميدانيين، وكذلك في الفصول الدراسية للسماح للطلاب الصغار بتجربة تعليمية عملية.
The authors have nothing to disclose.
بفضل جاريت دانيلز، إيزابيلا بلومر، بريت شيفرز، ودان هان لإدخال على البروتوكول كما تم تطويره لأول مرة. امتنان إضافي لخايمي هاغارد وسيباستيان دوران وإنديانا كريستوبال رويس-مالافر لتنفيذهم عدة تكرارات لهذا البروتوكول وللمدخلات المتعلقة بالمكونات الرئيسية. شكرا أيضا لمراجع مجهول للحصول على تعليقات حول المخطوطة ككل. وقدم الدعم مركز ماكغواير لليبيدوباتيرا وصندوق النشر التابع للتنوع البيولوجي، وكلية العلوم الزراعية والحياتية، وكلية الموارد الطبيعية والبيئة، وقسم إيكولوجيا الحياة البرية والحفاظ عليها في الجبهة المتحدة.
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. |