Observați, experimentați, măsurați și evaluați ritmurile din organisme - Descărcare gratuită PDF
Observarea, experimentarea, măsurarea și evaluarea ritmurilor în organisme Institutul Wolfgang Engelmann de botanică Ecologie fiziologică a plantelor Universitatea din Tubinga Auf der Morgenstelle 1 D72076 Tübingen (FRG) În memoria profesorilor mei Erwin Bünning, Colin S. Pittendrigh și Jürgen Aschoff Tübingen 2004
Publicat de Tobias-lib, University Library Tübingen: URL: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3790/ Licență: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de /doku/licenses/xx.html ediția a 5-a 2009 Prima ediție a apărut în 1998 la http://www.uni.tuebingen.de/plantphys/bioclox, a 2-a ediție revizuită în 2002, a 3-a ediție revizuită în 2004 în Ediția a 4-a În 2007, textul și imaginile au fost revizuite. O versiune în limba engleză este publicată la Tobias-lib, Biblioteca Universității din Tubinga la http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3791/, o versiune franceză la Tobias-lib, Biblioteca Universității din Tubinga la http://tobias-lib.ub.unituebingen.de/volltexte/2009/3792/ (traducere de Pierre Dieumegard). Biblioteca Universității din Tübingen. Wolfgang Engelmann 2009 Această carte a fost scrisă împreună cu LYX, un sistem profesional pentru crearea documentelor (http://www.lyx.org). Folosește sistemul de tipărire LATEX. Imaginile grafice vectoriale au fost create cu xfig sub Linux. PyxPlot a fost folosit pentru diagrame. Mulțumesc lui Dirk Engelmann (ajutor cu computerul), John Dittami (corecții) și Petra Reinhard (corectură), ilustrațiilor Schneider-Uhle) și studenților (feedback)
Observa. Admiterea nepoților mei de către Dirk Engelmann 3
Cuprins Cuvânt înainte 15 Introducere 17 I Metode și resurse 19 1 Lucrare științifică 21 1.1 Cum se efectuează investigații. 21 1.1.1 Introducere. 21 1.1.2 Metoda de creare a mai multor ipoteze. 22 1.1.3 Testarea ipotezelor, analizarea și interpretarea datelor. 24 1.1.3.1 Formularea ipotezelor: rață de băut. 24 1.1.3.2 Analiza și interpretarea datelor. 25 1.1.3.3 Planificare, implementare și evaluare. 27 1.1.3.4 Exemplu pentru rezolvarea unei probleme. 29 1.1.4 Protocol de testare. 29 1.2 Comunicarea științifică. 32 1.2.1 Introducere. 32 1.2.2 Cum își raportează oamenii de știință rezultatele? 32 1.2.3 Publicație științifică: un exemplu. 35 1.2.4 Scrierea propriului articol științific. 35 1.2.5 Căutarea literaturii. 36 1.3 Controverse în știință. 39 1.4 Probleme nerezolvate. 40 2 Metode de înregistrare 43 2.1 Înregistrarea video și evaluarea ritmurilor. 43 2.1.1 Introducere. 43 2.1.2 Principiul înregistrării. 43 2.1.3 Înregistrare. 43 2.2 Înregistrarea mișcării animalelor cu bariere ușoare. 44 2.2.1 Introducere. 44 2.2.2 Principiul înregistrării. 44 3 Afișarea și analizarea seriilor temporale 47 3.1 Introducere. 47 5
Cuprins 3.2 Termeni elementari. 47 3.3 Reprezentarea grafică a seriilor temporale. 48 3.4 Netezirea. 49 3.5 Reglarea tendințelor. 50 3.6 Metoda analizei seriilor de timp. 50 3.6.1 Test RUN. 50 3.6.2 Plierea în frecvență. 51 3.6.3 Filtre digitale. 51 3.6.4 Analiza spectrală de entropie maximă. 53 3.6.5 Semnal mediu. 53 3.6.6 Afișare actogramă. 53 3.6.7 TIMESDIA. 53 3.6.8 MATLAB. 54 4 Lucrul cu modele 55 4.1 Introducere. 55 4.2 Modelare și simulare cu MODUS. 55 4.3 Modelare și simulare cu alte programe. 56 4.4 Exemple de modele de ritmuri. 56 4.4.1 Model de feedback pentru ritmurile biologice. 56 4.4.2 Modelul prădător-pradă. 57 4.4.3 Modelare, simulare cu un model. 58 II Exemple de observații și experimente 61 5 Ritmuri ultradiene 63 5.1 Introducere. 63 5.2 Oscilator chimic. 63 5.2.1 Noțiuni de bază. 63 5.2.2 Demonstrație. 65 5.2.2.1 Implementare. 65 5.2.2.2 Modelul de undă al activității chimice. 65 5.2.3 Dependența de temperatură a perioadei de oscilație. 66 5.2.3.1 Dificultăți și posibile erori. 67 5.3 Pendul gravitropic. 67 5.3.1 Noțiuni de bază. 67 5.3.2 Material. 68 5.3.3 Inducerea mișcării gravitropice a pendulului. 68 5.3.4 Înregistrarea mișcării pendulului, grafică și evaluare. 68 5.3.5 Propuneri de testare. 69 5.4 Ritmuri de transpirație. 69 5.4.1 Noțiuni de bază. 69 5.4.2 Material și metode de măsurare. 72 6
Cuprins 11.1 Literatură introductivă. 123 11.2 Subiecte cronobiologice pentru școli. 123 12 Cursuri la universități, proiecte de cercetare 127 13 Considerații și concepte didactice 131 13.1 Mijloace de învățământ. 131 13.1.1 Programe și descrierea acestora, discuri asociate. 132 13.1.2 Filme, filme video, diapozitive. 133 13.1.3 Echipamente, instrucțiuni, materiale de laborator, surse de aprovizionare. 134 13.1.4 Cultivarea organismelor de testat, surse de aprovizionare. 136 Index 146 Glosar 147 Bibliografie 161 9
Lista figurilor 6.1 Flori de Kalanchoe. 78 6.2 ritmul sevei celulare a unei plante CAM. 78 6.3 Cuva Oxalis. 79 6.4 Înregistrarea mișcării frunzelor Oxalis. 80 6.5 Anatomia articulației Oxalis. 80 6.6 Anatomia florii Kalanchoe. 81 6.7 Mișcarea petalelor Kalanchoe și aspirație. 81 6.8 Cuvetă cu flori de Kalanchoe. 82 6.9 Mișcarea petalelor Kalanchoe: curbă. 82 7.1 Ritmul talasomixa. 87 7.2 Cultura Thalassomyxa sincronizată. 87 8.2 Actograma unei muște de casă. 90 8.1 Exemple de animale de zi și de noapte. 91 8.3 Muște de casă. 92 8.5 Cusca cu muște 93 8.4 Sistem de înregistrare. 94 8.6 Înregistrarea activității Drosophila. 95 8.7 Pensete speciale. 96 8.8 Sistem de înregistrare pentru ritmul de eclozare al Drosophila. 97 8.10 Metoda funinginei pentru ritmul de incubație al Drosophila: Exemplu. 97 8.9 Metoda funinginei pentru ritmul de eclozare al Drosophila. 98 8.11 Timpii de somn-trezire ai unui copil mic. 99 8.13 Ziua medie a temperaturii rectale a unei persoane testate. 101 8.12 Curba temperaturii și somnul/trezirea unei persoane testate. 102 8.14 Ritm zilnic și tip de fază cronobiologică. 103 9.1 Mugur de flori și mugur vegetativ de farbite nil. 108 9.2 Perioada întunecată critică a farbitei. 109 9.3 Eșapament pentru transferul muștelor Drosophila. 110 10.1 Ritm de depunere a chitinei. 120 12
Lista tabelelor 1.1 Puncte de timp în timpul mișcării broșurii Desmodium. 26 1.2 Puncte de timp și erori standard în mișcarea laterală a prospectului. 28 1.3 Valorile măsurate ale mișcării broșurii laterale Desmodium. 30 1.4 Invitație la o prelegere. 33 8.1 Evaluarea tipului de fază cronobiologică. 100 8.2 Tipul fazei cronobiologice a diferitelor persoane testate. 102 13
Partea I Metode și resurse 19
1 Lucrare științifică Figura 1.3: Hamsterii sirieni sunt activi noaptea (stânga) și în timpul zilei se odihnesc (dreapta) și poate fi apoi testat în experimente: Fenomen Problemă Ipoteză Test experimental 1.1.2 Metodă de formare a ipotezelor multiple și concluzie țintită Potrivit lui Chamberlain (1965) și Platt (1964), lucrarea științifică este favorizată dacă se folosește metoda formării de ipoteze multiple și inferență strictă (inferență puternică) se aplică în mod constant. Metoda constă din pașii următori: 1 0 0 4 8 12 16 20 24 timpul zilei [ore] Figura 1.2: Estimarea intensității parfumului florilor de Exacum afin în funcție de ora zilei de către trei persoane diferite. Cel mai puternic parfum la începutul după-amiezii. Valori medii 22
1 Lucrare științifică Mișcarea laterală a prospectului 80 60 40 20 690 700 710 720 730 740 750 Timp [min] Figura 1.6: Cursul temporal al mișcării laterale a prospectului Desmodium motorium Tabelul 1.1: Timpii maximelor, minimelor și punctelor de întoarcere ale deplasării laterale a Desmodiumului Nu jos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 26
1 Lucrare științifică Tabelul 1.3: Tabel pentru introducerea valorilor măsurate ale mișcării penajului lateral Desmodium Timp (sec) 15 25 35 Timp (sec) 15 25 35 0 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 165 165 180 180 195 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 300 315 315 330 330 345 345 360 360 375 375 390 390 405 405 420 420 435 435 450 450 465 465 480 480 495 495 510 510 525 525 30
1.2 Comunicare științifică SERIE DE COLOCHII ALE ZONEI SPECIALE DE CERCETARE 45 Vorbitor: Subiect: Locație: Prof. Dr. C. S. Pittendrigh Stanford Univ., SUA Ritmicitate circadiană: O perspectivă evoluționistă Zoologisches Institut Frankfurt Siesmayerstr. 70 Mică sală de curs Ora: joi, 17 decembrie 1987 18:30 Oaspeții sunt foarte bineveniți, semnat prof. Dr. G. Fleissner Vă rugăm să rețineți, de asemenea, seminarul cu prof. Pittendrigh despre fotoperiodism în dimineața următoare: Vorbitor: prof. Dr. C. S. Pittendrigh Subiect: Ajustarea evolutivă a lungimii critice a zilei pentru a se modifica în latitudine Ora: vineri, 18 decembrie 1987, 9:30 Locație: Institutul Zoologic Frankfurt, sala de ședințe (etajul 2) Siesmayerstr. 70 Frankfurt, 1 decembrie 1987 Tabelul 1.4: Invitație la o prelegere 33
1 Lucrare științifică Figura 1.9: Exemple dintr-un protocol experimental: Cuprins Figura 1.10: Exemple dintr-un protocol experimental: Intrare pagina 34
1.2 Comunicare științifică Figura 1.13: Prima pagină a conținutului curent (stânga), o pagină din index (sus dreapta) și un exemplu de pagină cu cuprinsul unei reviste (jos dreapta). Sub ritmurile circadiene din dreapta sus este 127 41. La pagina 127 (dreapta jos) este pagina cu cuprinsul Journal of Interdisciplinary Cycle Research. La pagina 41 există o lucrare despre ritmurile circadiene de Queiroz-Claret și Queiroz 37
1 Lucrare științifică Figura 1.12: Pagini de copertă ale celor patru reviste specializate în lucrări cronobiologice: Journal of Biological Rhythms, Biological Rhythm Research (înainte: Journal of Interdisciplinary Cycle Figura 1.11: Exemplu din cercetarea științifică), Chronobiology International, Citation Index. Lucrarea lui J. Aschoff Chronobiologia (nu mai apare) în Zeitschrift für Tierpsychologie 49, pagina 225 din 1979 a fost publicată de M. Ferrer în Comp. Bioc. A. 107, 81 (1994) și de R.V. Peters, Brain Res. 639: 217 (1994) citat 38
1 Lucrare științifică 42
3 Reprezentarea și analiza seriilor temporale 0 Modulo 24 0 Modulo 24.2 7 7 zile 14 zile 14 21 21 0 6 12 18 24 Ora zilei 0 6.05 12.1 18.15 24.2 Ora zilei Figura 3.4: Metoda de pliere a frecvenței: Fâșiile de activitate reprezentate într-o grilă de 24 de ore (stânga ) au fost împărțite în bucăți în imaginea din dreapta, astfel încât activitatea animalelor între perioada a 7-a și a 24-a să fie aproximativ una sub alta. Axa x nu mai corespunde cu 24 de ore, ci cu durata perioadei din această secțiune (aproximativ 24,2 ore). Potrivit lui Ralph și colab. (1996) 15 20 zile 25 30 35 0 6 12 18 24 ora din zi (ore) Figura 3.5: Determinarea perioadei cu ajutorul pantei liniei celei mai potrivite. Durata perioadei este de 24,6 ore (așa cum se poate observa și atunci când se compară poziția celei mai potrivite linii în a 25-a zi (12 p.m.) și în a 35-a zi (6 p.m.): Diferența este de 6 ore împărțită la 10 (35-25) dă 0,6 (24 + 0,6 = 24,6) 52
4.4 Exemple de modele Au fost simulate ritmurile și comportamentul comotor la șobolani (Diez-Noguera (1994)) și muște (Helfrich-Förster și Diez-Noguera (1993)). Se bazează pe oscilatoare cuplate, ale căror proprietăți diferă ușor unele de altele. Această situație este frecventă în organisme. 59
4 Lucrul cu modelele 60
Partea II Exemple de observații și experimente 61
5 Ritmuri ultradiene Unghi [grade] 40 20 0 20 40 0 4 8 12 16 Timp [ore] Figura 5.5: Cursul mișcării pendulului gravitropic al hipocotilului unui vânt imperial după 30 de minute de iritație gravitropică Celula epidermică Celula secundară Celula de pază Cavitatea respiratorie Figura 5.6: Aparatul de deschidere a fantei în frunza unei plante de ovăz. Stânga: secțiune transversală, dreapta: vedere de sus. Celulele de gardă în formă de halteră (dreapta) sunt urmate fiecare de o celulă secundară, care la rândul ei este adiacentă celulelor epidermice. Cavitatea respiratorie ca parte a sistemului intercelular 70
5.4 Ritmuri de transpirație 1800 Perspirație 1600 1400 1200 50 0 50 100 150 200 250 Timp [min] Figura 5.7: Curs ritmic de transpirație într-o frunză de ovăz. La momentul 0, planta păstrată anterior în întuneric era iradiată cu lumină albă. Rezultatul este oscilațiile de transpirație (unități relative) starea normală a apei + _ conținutul de apă al celulei secundare conținutul de apă al celulei de gardă _ + deschiderea stomatelor absorbția apei starea acută a apei transpirație Figura 5.8: Cum apar oscilațiile transpirației într-o frunză de ovăz: Schema circuitului de feedback. Starea curentă a alimentării cu apă este comparată cu valoarea de referință (în cercul superior cu semnele + și -). Dacă există o diferență, acesta este utilizat ca un semnal de eroare pentru a influența lățimea stomatelor (închideți stomatele dacă nivelul apei este prea scăzut, deschideți-l dacă este prea mare). Întârzierile sunt importante pentru ca vibrațiile să apară 71
5.5 Înregistrarea mișcărilor cu Desmodium 5.5.3 Experimentarea ionilor de litiu încetinește oscilația în multe ritmuri circadiene. Ar trebui verificat dacă acest lucru se aplică și ritmului ultradian al Desmodium motorium. Gândiți-vă la modul în care ați conduce experimentul. Ce concentrații ați folosi, cât timp ați lăsa să funcționeze măsurătorile, cum arată testele de control? 75
6 Procese ritmice zilnice în plante Cameră video Lampă fluorescentă verde Ecran Blossom cuvetă Digitizator Disc plexiglas 0,2 M Soluție zahăr Imagine 1110000 1111 000000000000 111111111111000 1110000 1111 Calculator 000000000000 111111111111 0000 1111 000000000000 111111111111 0000 1111 Figura: tulpini din flori din poliuretan cu găuri . Iluminare cu două tuburi fluorescente verzi, înfășurate suplimentar cu folie verde. Înregistrarea cu camera video și digitalizarea imaginii folosind un dispozitiv de captare a cadrelor și computer. Florile sunt afișate pe monitor Figura 6.9: Curba originală și curba filtrată digital a unei mișcări a petalei Kalanchoe 82
6 Procese ritmice zilnice în plante ger (1988), Overland (1960)). Motivul pentru aceasta este adesea o adaptare la polenizarea de către insecte. Examinați diferite plante cu flori și gândiți-vă cum să testați ritmul de sensibilitate al nasului. 84
8 Procese ritmice zilnice la animale și oameni 01-07 11-39 zile 5 10 15 20 25 30 35 0 6 12 18 24 Ora din zi (de două ori pe zi) Figura 8.2: Exemplu de actogramă (un fel de tahograf) al muștei, activitatea sa locomotorie în primele 7 zile într-o schimbare de lumină-întuneric 12:12 ore și apoi timp de 30 de zile în condiții constante cu lumină roșie slabă la 22 0 C a fost înregistrată. Activități de zile consecutive una sub cealaltă, ora din zi reprezentată pe orizontală (scară de la 0 la 24, dar fiecare zi a fost reprezentată de două ori (grafic dublu). Datele au fost obținute cu metoda de înregistrare a analizei imaginii descrisă și afișate cu un program grafic. O linie dreaptă prin activitatea respectivă -Începutul poate fi folosit pentru a determina perioada 90
8.3 Ritmuri zilnice umane Cameră video Ecran Digitizator Imagine computer Placă de sticlă ruginită Cutie Placă de sticlă Plasă de nailon Muște moartă Lampă fluorescentă roșie Foaie de hârtie albă Păpușă de funingine Metoda funinginei. Lumina de la două tuburi fluorescente roșii este reflectată de o hârtie albă pe partea inferioară a suporturilor pentru păpuși, dintre care una este prezentată mai detaliat în partea din dreapta jos a imaginii: o placă metalică cu 10 * 10 găuri, fiecare cu o păpușă. O plasă albă cu ochiuri fine împiedică căderea păpușilor. Muștele eclozate șterg funinginea de pe partea inferioară a plăcilor de sticlă. Lumina roșie poate fi văzută de cameră în aceste puncte (vezi ecranul și Figura 8.9). Datele sunt salvate și reprezentate grafic în funcție de timp (vezi Figura 8.10) Hatch 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Timp [zile] Figura 8.10: Exemplu de curbă a ritmului de eclozare a Drosophila pseudoobscura. Datele au fost obținute cu înregistrarea funinginei și digitalizarea video descrisă și afișate cu programul OXALDIFI 97
8 Procese ritmice zilnice la animale și oameni Temperatura corpului [C] 38 37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 zile Figura 8.12: Evoluția temperaturii rectale și a perioadelor de somn-veghe ale unei persoane testate. Somn: întuneric, perioadă de veghe: dungi de lumină Tabelul 8.2: Tipul fazei cronobiologice a diferitelor persoane testate Nume Prenume M/F tip vârstă temp.min. 102
8 Procese ritmice zilnice la animale și oameni Exemplu: 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 01:00 02:00 03:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 01: 00 02:00 03:00 Vă rugăm să indicați ora la care vă ridicați de obicei. 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Indicați dacă sunteți o persoană activă mâine sau seara. 5 Mâine extrem de activ. 4 Moderat activ dimineața. 3 Nici unul, nici celălalt. 2 Moderat activ seara. 1 Extrem de activ seara. Pentru evaluarea chestionarului, a se vedea tabelul 8.1 106
9 Înțelesul ritmurilor circadiene: fotoperiodism Figura 9.3: Exhaustor pentru transferul muștelor Drosophila După (2-) 3 săptămâni, verificați animalele femele pentru dezvoltarea ouălor (masculii pot fi ușor recunoscuți prin testiculul lor roșu). Pentru a face acest lucru, apucați abdomenul cu două pensete ascuțite pentru ceasornicar în față și în spate, rupeți-l și priviți gălbenușul de ou în apă la o mărire de 25x. Ovarele dezvoltate sunt mult mai mari. Pentru 100 de muște aveți nevoie de aproximativ 15 minute pentru examinare. Examinați aproximativ 200 de muște din diferite culturi pentru fiecare lectură. Pregătiți un tabel al valorilor și afișați valorile în mod grafic (% diapauză în funcție de lungimea perioadei de lumină). 110
Partea a III-a Ritmuri în clasa 111
9 Înțelesul ritmurilor circadiene: fotoperiodism 114