Burada, ortam çevre koşulları altında kelebeklerin soğuk şok geri kazanımını değerlendirmek için düşük maliyetli, erişilebilir bir protokol açıklanmaktadır.
Ekolojik fizyoloji, özellikle ektotermler, bu değişen dünyada, hayatta kalmalarını ve zindeliklerini daha iyi anlamak için organizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimleri keşfetmek için türlerin ve çevresel özelliklerin önlemlerini kullandığı için giderek daha önemlidir. Geleneksel termal tahliller zaman, para ve ekipman açısından maliyetlidir ve bu nedenle genellikle küçük örnek boyutları ve az sayıda türle sınırlıdır. Burada sunulan, kelebek örneğini kullanarak büyük, hacimli, karasal böceklerin bireysel davranışları ve fizyolojisi hakkında ayrıntılı veriler üreten yeni bir protokoldür. Bu makalede, sahada ortam çevre koşulları altında yapılabilen ve maliyetli laboratuvar ekipmanı gerektirmeyen bir soğuk şok geri kazanım tahlili yöntemleri açıklanmaktadır. Bu yöntem, tropikal kelebeklerin soğuk şokuna yanıt ve iyileşme stratejisini anlamak ve tüm kelebek topluluklarında bireysel düzeyde veriler oluşturmak için kullanılmıştır. Bu yöntemler hem uzak alan ortamlarında hem de sınıflarda kullanılabilir ve ekolojik olarak ilgili fizyolojik veriler oluşturmak ve bir öğretim aracı olarak kullanılabilir.
1970’lerin sonu ve 1980’lerin başında termal fizyoloji ve ekolojinin entegrasyonu1,2 ekolojik fizyoloji alanını başlattı. Ektotermler üzerinde yapılan kapsamlı termal çalışmalar, çeşitli eko-evrimsel bağlamlarda ekolojik-fizyolojik sinerjileri vurgulamaktadır3,4,5. Ektotermik organizmaların termal fizyolojisi üzerine yapılan araştırmalar, son zamanlarda iklim değişikliği ve dünya genelinde değişen termal manzaralar karşısında yeniden ilgi gördü6,7. Ekolojik fizyoloji akademik alanındaki çalışmaların bilgilendirilmesinin yanı sıra, termal fizyoloji tahlilleri araştırmacılar tarafından geniş ölçüde erişilebilir ve her seviye için uygulamalı bir öğretim yaklaşımı olarak hizmet edebilir. Termal sınırlar ve sıcaklık şoklarının etkileri de dahil olmak üzere termal performansın bileşenleri, hayvanların ekolojisi, davranışı ve yaşam öyküsü için temeldir8,9.
Özellikle, ekototermler fizyoloji sorularını ele almak için kullanılır, çünkü endotermi ortam ve organizma sıcaklığı arasında ayrılmaz bir bağlantı belirler. Organizmaların dayanabileceği sıcaklık aralığı (kritik termal minimum ila maksimum termal aralıkları) ve davranışlarının ve zindeliklerinin en üst düzeye çıkarıldıkları sıcaklıklar (termal optima) genellikle ekolojik ve evrimsel süreçlere dayanır. Bu fizyolojik özellikler, hem araçlar hem de aşırı sıcaklıklar arttıkça artan öneme sahiptir10. Örneğin, habitat tahribatına ve parçalanmaya eşlik eden sıcaklık artışları da dahil olmak üzere abiyotik değişiklikler, anuranlar da dahil olmak üzere ektoterm topluluklarını etkilemiş, fizyolojik olarak kırılgan türleri (dar termal toleranslı) küçük kalıntı habitat yamalarıyla sınırlamıştır11,12.
Termal performansın temel bileşenlerini değerlendirmek hem zaman hem de kaynak açısından pahalı olabilir ve geleneksel olarak laboratuvar ekipmanı ve standart koşullar gerektirir. Ayrıca, geleneksel tahliller genellikle belirli bir hayvan13 tarafından doğada yaşanan ortam koşullarının genişliğini yansıtmaz, çünkü benzer fizyoloji deneylerindeki sıcaklık dikkatlice kontrol edilir ve genellikle bir hayvanın yaşadığı ortam koşullarıyla ilgisizdir. Bu sıcaklık kontrolü, bireysel yanıtlardaki varyasyonun anlaşılmasını azaltabilir2,14. Fizyologlar, termal performans eğrilerini bilgilendirmek için bir hayvanın ortamını sürekli ısıtmak veya soğutmak için programlanabilir su banyolarını kullanarak laboratuvar tabanlı ısıtma ve soğutma deneylerine güvenmiştir15.
Tipik olarak, hayvanlar bir termokupl ile şişelere yerleştirilir ve ortam sıcaklıkları çevredeki su banyosunun sıcaklığını kontrol ederek sürekli olarak değiştirilir. Araştırmacılar, değiştirilmiş bir fizyolojik duruma (örneğin, soğuk komaya, nakavta) ulaşmak için gereken süreyi ve durum değişikliğinin gerçekleştiği sıcaklığı16,17. En az 500 USD’den başlayan fiyatlarla, bu araçlar büyük, ağırdır ve ek teknik ekipman (örneğin, bilgisayar, termokuples) gerektirir. Sonuç olarak, termal performansı değerlendirmek için klasik yöntemleri yürütmek için temel araçlar 1) herkes için ekonomik olarak erişilebilir değildir, 2) küçük dipteranlar için kullanılan geleneksel şişelerde yer alamayacak kadar büyük hayvanları test etmek için uygun değildir ve 3) uzak alan ayarlarında kullanılmak üzere taşınabilir değildir. Ortak uygulamaya bağlılık, taksonomi ve deneysel koşullar genelinde sınırlı temsile neden olmuştur18,19,20.
Tam termal performans eğrileri tür dağılımını, yaşam öyküsü özelliklerini ve davranışlarını bilgilendirebilirken, diğer özelliklerin yanı sıra, daha az ve daha basit termal ölçümlerin nicelemesi daha verimli ve hala son derece bilgilendirici olabilir. Soğuk koma başlangıcını ve ardından soğuk şok iyileşmesini, soğuk sertleştirmeyi ve sağalama davranışını ölçen fizyolojik tahliller, bir organizmanın kritik termal minimum için etkili ve yürütülebilirproxy’lerdir 8. Burada açıklanan, büyük karasal ektotermik böceklerden fizyolojik veriler elde etmek için yararlı bir soğuk şok tahlildir. Test uygun fiyatlı, erişilebilir ve saha koşullarında veya sınıfta yürütülmesi kolaydır. Bu protokol tarafından oluşturulan soğuk şok kurtarma verileri, ekolojik fizyoloji ile ilgili soruları takip etmek için türler veya bireysel düzeyde özellik verileri ile birleştirilmiş ve / veya öğrencilere fizyolojik ilkeleri öğretmek için kullanılabilir.
Termal fizyoloji çalışması, hayatta kalma ve zindelik için anahtar olan organizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimleri daha iyi anlamak için türlerin ve çevresel özelliklerin önlemlerini içerir. Bitki ve hayvanların doğal tarihini ve ekolojisini anlamanın ayrılmaz bir parçası olmakla birlikte, termal özellikler peyzaj ve iklim değişikliği karşısında giderek artan öneme sahiptir11,21. Çeşitli ektotermik karasal böcek grupları, özellikle lepidoptera ve odonatan, nispeten büyük ve boldur, farklı davranışlar sergiler ve manipülasyona elverişlidir. Burada özetlenen, bu tür böceklerin fizyolojik yanıtlarını etkili bir şekilde ölçmek için verimli ve düşük maliyetli bir testtir. Bu protokol, deneyden önceki kullanım süresi sınırlı olan sağlıklı organizmaların test etmesini gerektirir. Bir kerede test edilen organizma sayısında esnek olmakla birlikte, deney başına odak birey sayısı veri toplama amacına ve/veya gözlemci sayısına bağlı olarak değişecektir.
Örneğin, bu protokol tüm topluluklardaki kelebekler hakkında ayrıntılı bireysel veriler toplamak için geliştirilmiştir. Bu nedenle, temsili sonuçlar, mümkün olduğunca çok türdeki bireyler için ve yerel çevreyle ilgili çeşitli koşullar altında veri toplamayı en üst düzeye çıkarma çabasını göstermektedir. Odak türlerinin sayısından bağımsız olarak, gözlemcinin iyileşmeyi yaşayan kafesteki her bireyi tanımlayabilmesi çok önemlidir. Amaç sadece bir türden veri toplamaksa, aynı anda yalnızca bir veya iki kişi (farklı kanat aşınmasına dayanarak tanımlanabilirse veya ayrı ayrı işaretlenmişse) test edilmelidir. Çalışma konuları belirli bir araştırma sorusuna veya çalışma planına uygun olarak seçilmelidir. Ortaya çıkan soruya ve veri toplama amacına (örneğin araştırma veya sınıf) dayanarak, örnek boyutu ve diğer özelliklerin toplanması farklılık gösterecektir.
Bu protokolle ortaya çıkan fizyolojinin temel bileşenlerini göstermek için (soğuk komaya indüksiyon, iyileşme adımları, ortam koşullarının rolü), bir sınıf eğitmeni tek bir türün iki farklı türünü veya morflarını seçebilir. Odak bireyleri yalnızca bir temel özellikte (örneğin, renk) farklılık gösterirse, daha küçük bir örnek boyutu gerekli olacaktır ve öğrenciler bu özelliğin ve organizma fizyolojisinin ilişkisini yakından inceleyebilirler. Ekolojik fizyoloji ile ilgilenen araştırmacılar deneysel verilerini karmaşık ekolojik ve evrimsel soruları araştırmak için kullanabilirler. Araştırmacılar, sorularını doğrudan ele alan odak böceklerini (örneğin, yaşam evresine, yaşa, cinsiyete, konuma göre) dikkatlice seçtiklerinden ve ilgili değişkenlerin sayısına göre uygun örnek boyutunu belirlediklerinden emin olmalıdır. Karmaşık modeller için örnek boyutları yukarıda açıklananlardan daha büyük olacaktır.
Davranışsal kurtarma verilerini toplarken, kafesin zeminin üzerinde dinlenmesi önemlidir, çünkü gözlemci kurtarma davranışlarını ortaya çıkarmak için kafesin altına dokunabilmelidir. Bu, organizmanın fizyolojik olarak bunu yapabildiği anda yanıt vermesini (ayakta durmasını, uçmasını) sağlar ve terminal kurtarma davranışı (uçuş) belgelenmiştir. Soğuk şok geri kazanımı sırasında ortam koşullarının kaydedilmeleri termal fizyoloji çalışmasının ayrılmaz bir parçası, çünkü bu protokol organizma fizyolojisinde çevrenin rolünü incelemek ve dağıtmak için tasarlanmıştır. Veri kayıt cihazı (Bkz. Malzeme Tablosu),ilgili koşulların standartlaştırılmış önlemlerini (örneğin sıcaklık, ışık ve hatta nem) kaydetmek için yararlıdır. Ancak, bu araçlar kullanılamıyorsa, ilgili koşullar dijital termometre gibi başka şekillerde veya çevresel koşulların değişkenini basitleştirerek ve gölge ve güneş gibi farklı ortamlar kullanılarak ölçülebilir. Bu protokol, araştırmacıya çalışmanın amacına ve kapsamına göre soğuk şok iyileşmesi sırasındaki koşulları ölçme seçenekleri sunar.
Bu yöntem belirli taksonomik gruplara daha iyi uyacak şekilde değiştirilebilmesine rağmen, büyük, hacimli böceklerin kullanılması önerilir. Bağımsız olarak uçma yeteneklerini geri kazanan uçan böceklerin tam bir iyileşme başardığı düşünülebilir. Yöntem, açıklandığı gibi, tropik ve subtropiklerdeki kelebeklerde başarıyla kullanılmıştır. Belirli bir alanın termal eğilimlerine (yani, bir bölgede yaşanan sıcaklık aralığı değişebilir, böylece yükseklik, enlem, gölgelik örtüsüne dayalı beklentileri etkileyen), bir organizmanın soğuk komaya girmek için buzlu su banyosunda bir saatten fazla veya daha az bir süre gerektirebilir. Organizmanın büyüklüğü, soğuk komaya girmek için gerekli zamanı da etkileyebilir. Soğuk komaya neden olmak için gerekli soğuk maruz kalma zamanını bulmak (hareket etmemek), ancak odak türlerini öldürmemek önemlidir. Soğuk komaya neden olmak için gereken süre, bireylerin büyüklüğüne, konumuna ve doğal geçmişine / davranışına bağlı olacaktır. Burada açıklanan soğuk şok deneyinden elde edilen sonuçlara dayanarak ve odak böceklerinin ekolojisi bilgisini kullanarak, belirli bir birey tam bir iyileşme yapmazsa denemeyi sonuçlandırmak için bir zaman seçin.
Araştırmacının özel sorularına dayanarak, bu yöntem, sırasıyla hem doğal çevresel varyasyona hem de önemli değişkenler için kontrole izin vermek için sahada veya laboratuvarda kullanılabilir. Bu test basit ve ucuzdur ve termal fizyoloji alanındaki mevcut boşlukları doldurmaya yardımcı olur. Bu protokolün kolaylığı, alanı laboratuvar dostu organizmalardan daha fazlasına açarak çeşitli bir takson dizisi için istihdam etmeyi erişilebilir hale getirir. Standartlaştırılmış ancak ortam termal tahlili yapmanın yeniliği laboratuvar ve saha sonuçları arasındaki boşluğu doldurur22. Organizma iyileşmesi için ortam koşullarından yararlanmak, araştırmacıların fizyoloji14,22’deçevresel ve tür faktörlerinin rolünü bölümlemelerine yardımcı olacaktır. Son olarak, düşük maliyeti ve gerekli materyallerin eksikliği nedeniyle, bu protokol, birçok alan biyoloğu için ideal olan az ekipmanla ve küçük öğrencilere uygulamalı bir öğrenme deneyimi sağlamak için sınıflarda alanın uzak yerlerinde kullanılabilir.
The authors have nothing to disclose.
Jaret Daniels, Isabella Plummer, Brett Scheffers ve Dan Hahn’a protokole ilk gelişinde girdiler için teşekkürler. Jaime Haggard, Sebastián Durán ve Indiana Cristóbal Róis-Málaver’e bu protokolün birkaç tekrarını uyguladıklarından ve önemli bileşenlere girdilerinden dolayı ek şükranlar. Ayrıca, bir bütün olarak makale hakkında geri bildirim için anonim bir hakeme teşekkür edin. McGuire Lepidoptera Merkezi ve Biyoçeşitlilik yayın fonu, Tarım ve Yaşam Bilimleri Koleji, Doğal Kaynaklar ve Çevre Okulu ve UF’deki Yaban Hayatı Ekolojisi ve Koruma bölümü tarafından destek sağlandı.
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. |