Robert Franke

Divizia de acvacultură și ecologie a apei dulci, Departamentul de științe animale, Universitatea din Goettingen, Goettingen, Germania,

Gabriele Hoerstgen-Schwark

Divizia de acvacultură și ecologie a apei dulci, Departamentul de științe animale, Universitatea din Goettingen, Goettingen, Germania,

Conceput și proiectat experimentele: RF GHS. Realizarea experimentelor: RF. Analiza datelor: RF GHS. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: GHS RF. Am scris manuscrisul: RF.

Abstract

Introducere

Majoritatea crustaceelor ​​se învârt pe tot parcursul vieții. Momentul evenimentelor de mutare este influențat de o varietate de factori interni și externi [1]. Moltarea este adesea cuplată cu faze distincte ale ciclurilor geofizice. Sincronizarea sezonieră a mutării este bine cunoscută pentru crustaceele cu latitudini superioare. Cu toate acestea, multe pot fi, de asemenea, cuplate cu cicluri de mediu cu periodicități mai scurte, cum ar fi ciclul lunar-lunar, ciclul semilunar al mareelor ​​de primăvară, ciclul zilnic și ciclul mareelor. Acest lucru a fost raportat în special pentru un număr de crustacee marine [2-9] și unele insecte [10,11]. Semnificația adaptativă a acestor fenomene, precum și mecanismele de bază sunt doar puțin înțelese.

Raci de apă dulce favorizează, de obicei, un anumit moment al zilei pentru năpârlire, deși nu există un model uniform în rândul speciilor: nopțile nocturne sunt cunoscute pentru Cherax destructor [12], în timp ce Procambarus clarkii [13] și Astacus astacus [14] molează în principal în timpul zilei. În ceea ce privește o posibilă cuplare a mutării la ciclurile lunare, nu a fost disponibilă nicio informație pentru nicio specie de raci de apă dulce până de curând. Cu toate acestea, rezultatele raportate într-o lucrare recentă [14] sugerează că procesele de mutare într-o populație de laborator a racului nobil A. astacus poate fi sincronizat printr-un ciclu artificial de lumină lunară.

Cuplarea proceselor de mutare la anumite faze ale ciclului lunar necesită o intrare periodică a informațiilor externe relevante. Rotația lunii în raport cu pământul este însoțită de o varietate de modificări regulate ale mediului [15]. Cele mai evidente dintre aceste modificări se referă la forțele gravitaționale și la modificările lunar-lunare în regimul de lumină nocturnă (ciclul luminii lunii). În plus, o serie de parametri geofizici subtili, cum ar fi forțele electromagnetice, suferă, de asemenea, modificări lunar-lunare și, prin urmare, trebuie să fie considerate și surse potențiale de informații externe [16]. Numai analize experimentale stricte pot specifica ce variabile de mediu particulare sunt implicate într-un moment lunar-ritmic al mutării sau altor activități.

Efectele luminii lunii asupra vieții de pe pământ au fost o chestiune de speculații de-a lungul secolelor. Cu toate acestea, din anii 1960, au fost furnizate dovezi fără echivoc pentru un rol al luminii lunii într-o serie de contexte diferite: a) orientare și navigație pe timp de noapte [17-19]; b) reglarea activității nocturne [20,21]; c) generarea ritmurilor lunare de reproducere, mutare sau alte activități [22-26].

Factorii de mediu pot opera fie direct (control exogen), fie indirect (control endogen) în generarea ritmurilor biologice care sunt legate de ciclurile geofizice. Ritmurile controlate în mod exogen depind de o intrare continuă a anumitor stimuli externi. Ritmurile controlate endogen sunt generate de un mecanism de ceas intern, iar factorii externi acționează doar ca agenți de antrenare (zeitgebers) care ajustează (antrenează) ceasul intern la un ciclu geofizic cu o durată de perioadă similară [27,28]. În acest caz, ritmul biologic ar persista cel puțin o perioadă de timp atunci când este protejat de sincronizatorul extern relevant („condiții constante”), arătând în aceste condiții perioada sa spontană (de funcționare liberă) care se potrivește îndeaproape, dar se abate ușor de cea a ciclul mediului. Deși acest model a fost dezvoltat și testat în primul rând pentru ritmurile zilnice (circadiene), se poate aplica și altor ritmuri (circatidale, circalunare și circanuale) care sunt în conformitate cu ciclurile geofizice [5,11,29,30].

Materiale și metode

Declarație de etică

Studiul este conform cu legile germane și nu a necesitat permisiuni.

Materiale animale și condiții de cultură

Materialul animal provine dintr-o fermă germană de raci (Helmut Jeske, Oeversee). Pentru experimente racii au fost păstrați în grupuri de un singur sex de 80 (experimentul 1) sau 100 (experimentul 2) indivizi fiecare în tancuri de mică adâncime (1,4 m 2, volum de apă 165L) care erau elemente ale unui sistem de recirculare intern stabilit (pentru detalii [14]). Rezervoarele au fost echipate cu un surplus de tuburi de plastic ca ascunzătoare. O dietă foarte diversificată a fost oferită zilnic seara (fulgi de ovăz, pelete comerciale de origine mixtă de plante și animale și diverse tipuri de alimente dezghețate: larve chironomide, viermi de făină, pești, spanac), iar mâncarea neconsumată a fost îndepărtată dimineața.

Temperatura apei a fost constantă la 19 ± 1 ° C. Rezervoarele erau amplasate în camere rezistente la lumină, ferite de lumina naturală. S-a aplicat un regim constant de lumină pe zi lungă de LD 16: 8 folosind lămpi fluorescente (Philips Master TL-D 865, temperatura culorii 6500 K, spectru bogat în lungimi de undă scurte și medii). Intensitatea luminii la suprafața apei în timpul zilei a fost constantă, dar a variat între 110-350 lx în zona rezervoarelor mari. Ciclul luminii lunii a fost simulat de o lumină artificială slabă (lampă cu filament de tungsten, spectru complet) la care animalele au fost expuse pe parcursul unei secvențe de șase nopți în fiecare lună lunară (perioada de „lună plină”). Intensitatea acestei lumini la suprafața apei a fost de 1,5 până la 2,5 lx, care este ușor mai mare decât, dar aproximativ corespunde cu, intensitatea lunii pline naturale (aproximativ 0,3-0,5 lx). Toate celelalte nopți ale ciclului lunar erau absolut întunecate. Intensitatea luminii (iluminarea) a fost măsurată cu un fotometru (Photo-Meter 1, Quantum Instruments Inc.).

În timpul experimentelor, toate tancurile au fost verificate zilnic pentru a verifica dacă există multe. Exuviae au fost îndepărtate pentru a evita numărul dublu.

Experimentul 1

La începutul experimentului (11 noiembrie 2011), animalele (160 masculi, lungimea carapacei 35-40 mm; și 160 femele, lungimea carapacei 30-35 mm) aveau aproximativ 18 luni și erau deja ținute în permanență ” condiții de vară ”(19 ± 1 ° C, LD 16: 8) și un ciclu artificial de lumină lunară pentru mai mult de șase luni (din aprilie 2011). Ciclul luminii lunii era în fază cu ciclul lunar natural, adică cele șase nopți succesive luminate de lună au fost distribuite simetric în jurul zilelor lunii pline naturale (nopți între zilele 13 și 19 ale ciclului lunar, vezi mai jos). Frecvențele Molt au fost înregistrate zilnic, separat pentru cele două sexe, pe parcursul a trei cicluri lunare complete din 11 noiembrie 2011 (zi după luna plină) până pe 07 februarie 2012 (luna plină).

Experimentul 2

Analize statistice

Distribuțiile frecvențelor de mutare în jurul ciclului lunar au fost analizate cu metodele de statistică circulară [31] folosind software-ul Oriana 4.0 (Kovach Computer Services). Pentru reprezentarea circulară a datelor, zilele calendaristice au fost transformate în zile lunare (1-30), ziua 1 și 16 reprezentând zilele lunii noi și, respectiv, lunii pline. Zilele lunare au fost, de asemenea, convertite în 30 de grupuri de unghi de fază de câte 12 °, grupul 0 ° (interval: 354 ° -6 °) corespunzând zilei 1 (luna nouă) și grupul 180 ° (interval: 174 ° -186 °) corespunzător până în ziua 16 (lună plină). Celelalte 28 de grupuri reprezintă cele șapte zile înainte și după luna nouă și, respectiv, luna plină.

Datele frecvenței Molt au urmat o distribuție von Mises (distribuție „circulară normală”). S-a calculat direcția unghiulară medie (ziua medie lunară de năpârlire, cu un interval de încredere de 95%), indicând faza lunii în care s-a concentrat nămolirea. Pentru a estima dispersia datelor de năpârlire de-a lungul ciclului lunar, s-au calculat deviația standard unghiulară. Ipoteza nulă că multe au fost distribuite aleatoriu pe ciclul lunar a fost testată cu testul Rayleigh. În plus, a fost efectuată o analiză de corelație circulară-liniară pentru a testa o relație semnificativă între frecvențele zilnice de mutare și ciclul lunar. Posibile diferențe nespecificate (diferențe în direcția unghiulară medie și/sau în deviația unghiulară medie) între sexe au fost analizate cu testul Mardia-Watson-Wheeler. În acest scop, legăturile dintre eșantioane au fost rupte prin alocare aleatorie. A fost efectuat un test parametric pentru parametrul de concentrație pentru a analiza dacă bărbații și femelele diferă în ceea ce privește deviația unghiulară medie a datelor lunare de mutare [32].

Rezultate

Experimentul 1

Ratele de mortalitate pe perioada experimentală (trei luni) au fost nesemnificative (5% pentru bărbați și 8% pentru femei). Au fost înregistrate un total de 274 de mușchi (152 de bărbați, 122 de femei). Frecvențele zilnice de muta reprezentate pe parcursul perioadei complete de trei luni (11 noiembrie 2011-07 februarie 2012) arată o periodicitate lunară-lunară clară atât la bărbați, cât și la femele (Figura 1). Graficul densității spectrale (Figura 2) pentru această serie de timp prezintă un singur vârf vizibil la o frecvență de aproximativ 0,034 d -1, corespunzător unei perioade de aproximativ 29,3 d. Oscilațiile din acest interval de frecvență/perioadă contribuie astfel la cea mai substanțială contribuție la periodicitatea observată în seria temporală. Seria cronologică se îndepărtează semnificativ de zgomotul alb: Bartlett K - S d = 0.5680> valoare critică (m = 92) = 0.1709.

populațiile

Complot de bare stivuite; zile de lună plină indicate de cercuri deschise.

Bărbații și femelele grupate; vârf la 0,034 d -1 .

Deși evenimentele de mutare au fost dispersate pe întregul ciclu lunar, frecvențele au atins în mod clar în jurul lunii noi (Figura 3). Direcția unghiulară medie a fost de 1,9 ° (interval de încredere de 95%: 351,4 ° -12,5 °), ceea ce corespunde zilei lunii noi (ziua 1). Abaterea standard circulară a fost de 74,3 °. Testul Rayleigh a arătat în mod clar că distribuția a fost semnificativ diferită de cea aleatorie (Z = 51,2, p Figura 4), a fost de 8,4 ° (interval de încredere 95%: 358,0 ° -18,7 °) pentru bărbați (zi după luna nouă) și 345,2 ° (319,4 ° -10,9 °) pentru femele (cu o zi înainte de luna nouă). Abaterile standard circulare s-au ridicat la 61,0 ° (masculi) și 92,2 ° (femele). Rezultatele testului Rayleigh au relevat distribuții non-aleatorii ale frecvențelor de mutare atât la bărbați (Z = 48,9, p> 0,01), cât și la femele (Z = 9,1, p 2 = 0,823, p Figura 5) .

Se arată linia de regresie liniară.

Creșterea rapidă a temperaturii imediat înainte de începerea experimentului a reprezentat un stimul puternic care a pus capăt ruperii hibernale a proceselor de mutare. Aproape toți raci (392 din 400) mutau destul de sincron în aproximativ patru săptămâni (Figura 6). Ulterior, modificările lunar-lunare ale frecvențelor zilnice de muta s-au stabilit treptat în ambele grupuri (și independent de sex). Ritmurile grupurilor A și B au fost în mod clar schimbate de fază una față de cealaltă cu aproximativ jumătate din perioada lunară, reflectând schimbarea de fază a ciclurilor artificiale ale lunii la care animalele din grupele A și B au fost expuse.

Cercurile deschise indică lunile pline; ziua 1 = 30 martie 2012; ziua 365 = 29 martie 2013. Grupa A (albastru): ciclu artificial în fază cu ciclul lunar natural; Grupa B (roșu): ciclu artificial decalat cu jumătate din perioada lunară. Săgeată: încetarea regimurilor de lună pe 03 decembrie (ziua 249).

Referindu-ne la procedura din Experimentul 1, datele dintr-o perioadă de trei cicluri lunare complete (01 septembrie - 28 noiembrie 2012) au fost analizate statistic. Un total de 244 (grupa A) și 232 (grupa B) au fost înregistrate în această perioadă de timp. Pentru ambele grupuri, graficele de densitate spectrală prezintă un singur vârf vizibil la o frecvență de 0,033 d -1, corespunzător unei perioade de 30,0 d (Figura 7). Oscilațiile cu frecvențe/perioade în jurul acestor valori au contribuit astfel cel mai mult la caracterul ritmic observat al seriei temporale. Ambele serii temporale se îndepărtează semnificativ de zgomotul alb: Bartlett K - S d = 0,5680> valoare critică (m = 90) = 0,1728 pentru grupul A și Bartlett K - S d = 0,4357> valoare critică (m = 90) = 0,1728 pentru grup B.

Bărbații și femelele s-au reunit. Grupa A (ciclu artificial în fază cu ciclul lunar natural) cu vârf la 0,033 d -1 și grupul B (ciclu artificial modificat de fază cu jumătate din perioada lunară) cu vârf la 0,033 d -1 .

Grupa A (N = 244): ciclu artificial în fază cu ciclul lunar natural; grupa B (N = 232): ciclu artificial defazat cu jumătate din perioada lunară. Date colectate pentru bărbați și femei. Sunt indicate direcția unghiulară medie și intervalul său de încredere de 95%. Cerc deschis = lună plină naturală, cerc umplut = lună nouă naturală; perioada de expunere la lumina artificială a lunii marcată cu galben.

După ce ciclurile artificiale de lumină lunară au fost oprite (03 decembrie 2012), au apărut doar câteva vârfuri suplimentare în frecvențele zilnice de mutare (unul în grupa B și două în grupa A), continuând (în absența unor indicii fotice lunare-periodice) ritmurile care se stabiliseră anterior sub influența ciclurilor artificiale ale lunii. În mod surprinzător, totuși, ritmurile de mutare din ambele grupuri nu s-au estompat, ci au ajuns la un final brusc. Practic nu au mai fost înregistrate alte mutări de la mijlocul lunii ianuarie 2013 până la sfârșitul experimentului (29 martie 2013) exact la un an după ce a fost început. Din cauza lipsei unor alte mutări, a fost imposibil să se calculeze o perioadă de rulare liberă a ritmului de mutare.

Discuţie

Intervalele Molt în A. astacul crește puternic odată cu înaintarea în vârstă. În prima lor vară, racii tineri năpădesc de până la șase ori, ceea ce corespunde unor intervale de muda între aproximativ 10 și 30 de zile [33,34]. În a doua vară, intervalele de năpârlire sunt deja mai lungi de o lună și această tendință continuă până la moartea individului. La nivel individual, mutarea nu este deci ritmică în sens strict. Cu toate acestea, atunci când sunt cuplate la anumite faze ale ciclurilor de mediu, procesele care sunt aritmice la nivel individual sau chiar apar doar o singură dată în timpul vieții unui individ pot afișa un ritm marcat la nivelul populației. Acest lucru se aplică și ritmului de năpârlire observat în A. astacus care se manifestă numai la nivel de populație.

În cadrul unui ciclu artificial de lumină lunară, procesele de mutare într-o populație de laborator de A. astacus (vârsta de 18 luni și mai mult) a prezentat o componentă ritmică clară, cu o perioadă corespunzătoare ciclului luminii lunii (Experimentul 1). Vârfurile de năpârlire au coincis cu „lunile noi”, adică cu zilele la mijloc între perioadele succesive de nopți cu lună. Gradul de sincronizare a mutării a fost mai mare la bărbați decât la femei, în timp ce perioada și etapizarea nu au diferit între sexe.

Proiectarea Experimentului 1 (ciclul artificial al lunii în fază cu ciclul natural) nu permite o dovadă concludentă că de fapt stimulii fotici sunt cei care cuplează procesele de mutare la o anumită fază a ciclului lunar. Acest lucru se datorează faptului că condițiile de laborator controlate au fost inevitabil pătrunse de modificări periodice ale unor parametri geofizici subtili (de exemplu câmpuri electromagnetice) care sunt legate de rotația lunii în jurul pământului. Există o serie de constatări care sugerează că astfel de factori pot fi percepuți de organisme [16,35,36] și, prin urmare, nu trebuie ignorați ca potențiale surse de informații externe.

Rezultatele experimentului 2 arată totuși în mod clar că informațiile externe primare pentru periodicitatea lunară observată în năpârlire provin din modificările lunar-lunare din regimul de lumină nocturnă. O schimbare a perioadelor de lună plină artificială în lunile noi naturale a dus la o schimbare de fază corespunzătoare în ritmul de năpârlire mai degrabă de aceeași magnitudine (ziua medie lunară de năpârlire). Mai mult decât atât, gradul de sincronizare a moltelor (deviația unghiulară medie a moltelor) a fost independent de faptul dacă lunile pline artificiale au coincis cu lunile pline sau cu lunile noi ale ciclului natural. Dacă sunt implicați deloc alți factori lunar-ritmici, există o predominanță clară a informațiilor fotice față de alte indicii.

În mod surprinzător, relația de fază între ciclul luminii lunii artificiale și ritmul de mutare din grupa A din experimentul 2 (ziua lunară medie de mutare: ziua 26) a diferit ușor, dar semnificativ (Testul Mardia-Watson-Wheeler: W = 51,3, p și și8). 8). După cum se știe pentru ritmurile circadiene, mai mulți factori externi și interni influențează relația de fază dintre indicii de mediu și ritmul biologic evident [37]. Relația de fază dintre replicile lunare și vârful exivațiilor din A. astacus poate fi astfel modificat de factori externi, cum ar fi temperatura, numărul de nopți de lună pe ciclu și intensitatea luminii lunii, precum și de factori interni, cum ar fi vârsta/dimensiunea, istoricul anterior, starea fiziologică etc. Deoarece parametrii externi din ambele seturi experimentale au fost în mare parte neschimbați, diferența ușoară înregistrată în relația de fază poate fi rezultatul diferențelor în condițiile interne ale animalelor, cum ar fi vârsta și istoricul anterior.

Cuplarea ritmurilor biologice cu ciclul lunar prin stimuli fotici asociați cu ciclul luminii lunii au fost sugerate pentru o serie de specii marine, de apă dulce și terestre, totuși dovezile experimentale sunt încă limitate la câteva cazuri (pentru recenzii, vezi 26,38,39 ). În majoritatea cazurilor studiate, indicii lunari fotici nu par să acționeze direct, ci ca zeitgebers (agenți antrenori) ai unui ritm endogen (semi) lunar. Neregulile în condițiile meteorologice fac ca lumina lunii să fie un indiciu destul de nesigur în multe părți ale lumii. O natură endogenă ar permite menținerea ritmului chiar și atunci când luna este ocazional ocultată de nori.

Ce (e) avantaj (e) selectiv (e) obțin racii sincronizându-și mulțimea (exuviațiile) cu zilele din jurul lunii noi? Actul de exuviere este un eveniment crucial. La și imediat după expirații, racii sunt probabil ținte vulnerabile față de prădători și expuși unui pericol crescut de atacuri canibaliste. Beneficiile pot apărea în două contexte diferite, care nu se exclud reciproc: (1) Molts sunt cronometrate într-o fază distinctă a ciclului lunar, deoarece condițiile de mediu din acest moment sunt mai potrivite pentru mutarea de succes decât sunt în alte momente. (2) Moltarea în același timp poate oferi un anumit avantaj tuturor persoanelor implicate. În acest caz, sincronizarea cu ciclul extern nu ar fi decât o cale deviată prin care animalele dintr-o populație realizează o anumită sincronie interindividuală.

Declarație de finanțare

Nu există surse de finanțare externe actuale pentru acest studiu.