Wibracje klatki piersiowej pszczół cieśli i wytwarzanie siły informują o mechanizmach uwalniania pyłku podczas kwitnienia

Pobieranie próbek

Wykorzystaliśmy dorosłe samice pszczół stolarskich Xylocopa (Xylocopoides) californica arizonensis Do wszystkich badań eksperymentalnych. Żywe pszczoły zebrano z miejsc w okolicach hrabstw Pima i Santa Cruz (AZ) w dniach 27 i 29 września 2020 r.; 11 i 13 października 2020 r.Dasylirion Wheeleri) suszone łodygi kwiatostanów (ryc. 1). W tych przypadkach usuwano całe łodygi zawierające gniazda, zamykano wejścia za pomocą węzłów sznurowych i wprowadzano do środowiska laboratoryjnego, gdzie łodygi były rozłupywane wzdłużnie za pomocą pszczelarskiego narzędzia do ula. Ze względu na tę metodę pobierania wszyscy dorośli częściej byli nowonarodzonymi młodymi dorosłymi. Pszczoły domowe karmiono 50% roztworem sacharozy, a następnie przenoszono do 15 mL plastikowych probówek Eppendorfa z dodatkowymi otworami wentylacyjnymi. Do wyściółki każdej probówki Eppendorfa dodano wilgotny kawałek tektury, aby fizycznie podtrzymać pszczoły i dodać dodatkową wilgoć. Probówki następnie chłodzono w 4°C przez 1-6 dni. Przed wysyłką pszczoły są wyjmowane z lodówki, podgrzewane do temperatury pokojowej i karmione 50% roztworem sacharozy przed przepakowaniem do pojedynczych tub. Rury zostały zaizolowane pakietem Blue Ice i/lub bębnem styropianowym, wszystkie zawarte w tekturowym bębnie do wysyłki. Pszczoły zostały wysłane w ciągu nocy na miejsce kolejnych eksperymentów (Montana State University, Bozeman, MT), przy czym wszystkie przesyłki dotarły w ciągu 1 tygodnia lub mniej od początkowego zbioru w terenie. Po przybyciu pszczoły przechowywano w lodówce w temperaturze 4 °C do czasu badania. Przed badaniem pszczoły wyjęto z lodówki i ogrzewano do temperatury pokojowej przez około 5-10 minut. Po testach pszczoły uśmiercono, umieszczając je w zamrażarce. Wszystkie pszczoły zostały przetestowane w ciągu 24 godzin od przybycia do Montana State University.

projekt eksperymentalny

Opracowaliśmy eksperyment do pomiaru sił kierunkowych i wibracji klatki piersiowej podczas obronnych szumów usznych u pszczół kopiących. Siły mierzono za pomocą sześcioosiowego przetwornika momentu obrotowego Nano17-E o wysokiej czułości (ATI Industrial Automation, Apex, NC, USA) z dokładnością 3,125 mN na każdą oś. Na przetworniku zamontowaliśmy cylindryczny wałek (rys. 2), na którym pszczoły były mocowane podczas eksperymentów doświadczalnych. Pryzmat został wydrukowany w 3D za pomocą drukarki FormLabs Form 2 SLA (Formlabs, Somerville, MA, USA) ze specjalną mocną żywicą, która ma właściwości podobne do ABS. Częstotliwość drgań własnych wałka z tworzywa sztucznego wynosiła 715 Hz. Wstępne testy wykazały, że pszczoły wytwarzały harmoniczne mocy wyższego rzędu, które rozciągały się poza częstotliwością naturalną postu. Aby określić, czy późniejsza sztywność wpłynęła na układ napędowy, czy na wibracje klatki piersiowej, wydrukowaliśmy w 3D drugi słupek z ciągłego włókna węglowego z 37% wyściółką za pomocą drukarki Markforged X7 (Markforged, Watertown, MA, USA). Wał z włókna węglowego zwiększył pierwszą częstotliwość rezonansową systemu do 1400 Hz. Podczas eksperymentów pilotażowych mierzono prędkość deformacji klatki piersiowej za pomocą bezdotykowego oscylometru laserowego (Polytech, PSV-400, Hudson, MA, USA) w worku piersiowym. Jasność miała odpowiednią refleksologię i nie wymagała leczenia środkami wzmacniającymi refleksologię. Wykonaliśmy numerycznie całkowanie i różniczkowanie, aby obliczyć odpowiednio przemieszczenie i przyspieszenie klatki piersiowej.

Zestaw doświadczalny. (a) Model CAD. Wymiary podano w milimetrach. (BPszczoła stolarska zamontowana na słupie z włókna węglowego. Zwróć uwagę na plamkę lasera na grzbietowej powierzchni klatki piersiowej pszczoły. Podstawa kartezjańska pokazana w prawym dolnym rogu określa kierunki siły. Osie x i z są wyrównane odpowiednio z grupami mięśni DVM i DLM owada. (cSkan microCT pokazuje przekrój klatki piersiowej owada z mięśniami lotu. Grupy mięśni DVM i DLM wskazano strzałkami. Należy zauważyć, że obraz z mikroCT przedstawia klatkę piersiową pszczoły miodnej, która ma anatomicznie podobne mięśnie lotu w porównaniu do pszczoły ciesielskiej uwzględnionej w tym badaniu.

Znieczulone na zimno owady przyklejono do drewnianej wykałaczki przy żuchwie za pomocą niskotemperaturowego kleju na gorąco. Klej został nałożony na obrąbek i szczęki, aby zapewnić dodatkową przyczepność, aby pszczoła nie mogła się uwolnić podczas eksperymentu. Wykałaczka została następnie przyklejona do słupka i przycięta do długości słupka. Po instalacji pszczoły pozostawiono do ogrzania w temperaturze pokojowej. Chociaż możliwe jest, że ten mechanizm wiązania mógł wpłynąć na zachowanie pszczół w porównaniu z nieskrępowanym świszczącym oddechem obronnym, konieczny był sztywny sznur w żuchwie, aby zapewnić, że pomiary siły nie zostaną zniekształcone przed dotarciem do przetwornika.

Następnie lekko szczypiemy (metalowymi kleszczami) tylną kość lub piszczel pszczoły, aby zainicjować brzęczenie obronne i powtarzamy, gdy pszczoła przestaje. Zarejestrowaliśmy co najmniej 2 minuty wierteł dla każdego owada. Każdy z pięciu osobników został przetestowany na pryzmacie z tworzywa sztucznego (Testy 1-5 poniżej) i pięciu osobników zostało przetestowanych na słupku z włókna węglowego (Tematy 6-10 poniżej). W sumie przebadano dziesięć osobników. Mięśnie ruchu DVM i DLM pszczół były z grubsza wyrównane odpowiednio z osiami siły x i z przetwornika, a oś y przetwornika działała środkowo-bocznie (ryc. Reprezentatywny film przedstawiający bzyczenie obronne pszczoły znajduje się w rękopisie Materiału Uzupełniającego.

Podczas eksperymentu pszczoły mogły swobodnie poruszać swoim ciałem, co stanowiło wyzwanie dla zbierania danych. Kierunek głowy jest stały, ale pszczoła może skręcać klatkę piersiową i brzuch lub zmieniać położenie nóg, próbując się uwolnić. Podczas gdy siły mięśni są przenoszone do trzonu głównie przez sztywne połączenie w żuchwie pszczoły, niewielki składnik siły może być również przenoszony przez nogi pszczół. Ruch ciała pszczoły może wpływać na kierunek siły. Dlatego zignorowaliśmy eksperymenty, w których sygnał wibrometru przekroczył określony poziom szumu. Wysoki szum wibrometru wiąże się ze słabym odbiciem optycznym, które pojawia się, gdy pszczoła się porusza, a poziom osłony jest nieprawidłowy w stosunku do lasera pomiarowego. Kryteria liczbowe wykluczania danych są opisane w następnej sekcji.

analiza danych

Dane dotyczące mocy i prędkości szeregów czasowych zostały zebrane z częstotliwością próbkowania 10 kHz, a następnie przetworzone w MATLAB 2020B. Zastosowaliśmy filtr pasmowy z odcięciem niskich częstotliwości 10 Hz i odcięciem wysokich częstotliwości 2000 Hz. Każdy eksperyment został następnie podzielony na równe przedziały po 1024 próbek, przy czym każdy przedział pokrywał się w 50% z poprzednim. Stworzyliśmy dwa kryteria, które musi spełnić każdy przedział, aby został uwzględniony w danych tabelarycznych. Po pierwsze, wartość średniej kwadratowej (RMS) siły zarejestrowanej na osi x musi przekraczać 10 mN. To kryterium ma na celu wykluczenie okresów odpoczynku. Po drugie, wartość RMS niefiltrowanej ilości prędkości pomiędzy 2,5 a 5 kHz musi być mniejsza niż 0,5 mm/h – y. Norma ta wyklucza okresy, w których współczynnik odbicia optycznego jest niski, co wskazuje na duży kąt padania pomiędzy amperomierzem laserowym a wibrometrem laserowym. Średnio 514 okresów czasu na pszczołę spełniało kryterium włączenia (minimum = 35, maksimum = 1336, std = 420). Osoby 1–10 miały odpowiednio 711, 244, 390, 1336, 136, 379, 35, 100, 693 i 1122 okresy pomiarowe.

Dla każdego ważnego okresu zestawiono skrajne wartości sił w kierunkach x, y, z oraz prędkość integracji klatki piersiowej. Aby określić częstotliwość oscylacji klatki piersiowej, zastosowaliśmy okno Hamminga do każdego szeregu czasowego prędkości, a następnie przekształciliśmy szereg czasowy w domenę częstotliwości za pomocą szybkiej transformacji Fouriera (FFT). Okno Hamminga ma na celu zmniejszenie wycieku widma. Użyliśmy MATLAB do identyfikacji pików objętości prędkości przekraczających 1 mm/sb-y, które były oddalone o co najmniej 20 Hz od sąsiednich pików. W większości przypadków wielkość prędkości występowała przy pewnej częstotliwości podstawowej i kilku harmonikach całkowitych; Zgłosiliśmy tylko dominującą częstotliwość, przy której większość energii wibracyjnej występuje w bieżących badaniach. Reprezentatywny zestaw danych pokazano na rysunku 3.

Reprezentatywne pomiary prędkości. (Góra) Dane serii czasowej w ciągu 1 sekundy ciągłego powiększania. (Średnia) Indywidualny przedział czasu, w którym obliczane są wartości kinematyki klatki piersiowej i siły. (Dół) Rozmiar FFT dla danych poklatkowych. Częstotliwość drgań klatki piersiowej jest szacowana z każdego interwału prędkości FFT. Zwróć uwagę na harmoniczne częstotliwości nałożone na podstawową częstotliwość drgań.

Statystyka

Aby sprawdzić, czy na pomiary wpływa rodzaj publikacji, przeprowadzono mieszany model ANOVA z wykorzystaniem pszczół (tj. indywidualny identyfikator próbki) jako efekt losowy i opublikowano jako efekt stały. W modelu mieszanym ANOVA testowano również, czy siła zależy od kierunku (\ ({F}_{x}\)A \({F}_{y}\)A \ ({F z}\)) lub rozpowszechniania lub interakcji tych czynników. Ten test przeprowadzono na danych uśrednionych dla każdego okresu. Dla wszystkich modeli istotność została wcześniej ustalona na p < 0,05. Odpowiedzi zostały przekształcone w logarytm naturalny, jeśli było to konieczne, aby spełnić założenia ANOVA dotyczące resztkowej normalności i homeopatii. Wszystkie analizy statystyczne przeprowadzono przy użyciu oprogramowania Minitab (wersja 18).

Następnie wykonaliśmy regresję liniową, aby dopasować modele związane z siłą szczytową do częstotliwości wibracji klatki piersiowej, przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia. Przeprowadziliśmy tę regresję w odstępach pomiarowych dla wszystkich badanych populacji, a także dla poszczególnych pszczół. Podczas regresji szczytowej siły w stosunku do amplitud kinetycznych klatki piersiowej podzieliliśmy każdy okres pomiarowy na cztery podokresy. Rozdzielenie interwałów poprawiło dokładność czasową pomiarów siły i kinematyki oraz korelacje między nimi. Dla każdego modelu liniowego określiliśmy współczynnik korelacji przecięcia, nachylenie i współczynnik korelacji Pearsona.