Спостерігайте, експериментуйте, вимірюйте та оцінюйте ритми в організмах - PDF Free Download
Спостереження, експериментування, вимірювання та оцінка ритмів в організмах Вольфганг Енгельманн Інститут ботаніки Фізіологічна екологія рослин Тюбінгенський університет Auf der Morgenstelle 1 D72076 Тюбінген (ФРН) На згадку про моїх викладачів Ервіна Бюннінга, Коліна С. Піттендріха та Юргена Ашофа Тюбінгена 2004
Опублікував Тобіас-ліб, Університетська бібліотека Тюбінгена: URL: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3790/ Ліцензія: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de /doku/licenses/xx.html 5-е видання 2009 р. Перше видання з’явилось у 1998 р. за адресою http://www.uni.tuebingen.de/plantphys/bioclox, 2-е перероблене видання 2002 р., 3-те перероблене видання 2004 р. 4-е видання У 2007 році текст та зображення були переглянуті. Англійська версія опублікована в Тобіас-ліб, Тюбінгенська бібліотека університету за адресою http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3791/, французька версія в Тобіас-ліб, Тюбінгенська університетська бібліотека за адресою http://tobias-lib.ub.unituebingen.de/volltexte/2009/3792/ (переклад П’єра Дюмегарда). Бібліотека Тюбінгенського університету. Вольфганг Енгельманн 2009 Ця книга написана спільно з LYX, професійною системою для створення документів (http://www.lyx.org). Він використовує систему набору LATEX. Зображення векторної графіки були створені за допомогою xfig під Linux. Для діаграм був використаний PyxPlot. Завдяки Дірку Енгельманну (допомога в роботі з комп’ютером), Джону Діттамі (виправлення) та Петрі Рейнхард (коректура), ілюстрації Шнайдера-Уле) та студентам (відгуки)
Спостерігайте. Прийом моїх онуків Дірком Енгельманном 3
Зміст Передмова 15 Вступ 17 I Методи та ресурси 19 1 Наукова робота 21 1.1 Як проводити дослідження. 21 1.1.1 Вступ. 21 1.1.2 Метод створення множинних гіпотез. 22 1.1.3 Перевірка гіпотез, аналіз та інтерпретація даних. 24 1.1.3.1 Формулювання гіпотез: пити качку. 1.1.3.2 Аналіз та інтерпретація даних. 1.1.3.3 Планування, впровадження та оцінка. 27 1.1.3.4 Приклад розв’язання задачі. 29 1.1.4 Протокол тестування. 29 1.2 Наукове спілкування. 32 1.2.1 Вступ. 32 1.2.2 Як вчені повідомляють про свої результати? 32 1.2.3 Наукове видання: приклад. 35 1.2.4 Написання власної наукової статті. 35 1.2.5 Пошук літератури. 36 1.3 Суперечки в науці. 39 1.4 Невирішені проблеми. 40 2 Методи реєстрації 43 2.1 Відеореєстрація та оцінка ритмів. 43 2.1.1 Вступ. 43 2.1.2 Принцип реєстрації. 43 2.1.3 Реєстрація. 43 2.2 Реєстрація пересування тварин за допомогою світлових бар’єрів. 44 2.2.1 Вступ. 44 2.2.2 Принцип реєстрації. 44 3 Відображення та аналіз часових рядів 47 3.1 Вступ. 47 5
Зміст 3.2 Елементарні терміни. 47 3.3 Графічне зображення часових рядів. 48 3.4 Згладжування. 49 3.5 Коригування тенденцій. 50 3.6 Метод аналізу часових рядів. 50 3.6.1 Тест RUN. 50 3.6.2 Згинання частоти. 51 3.6.3 Цифрові фільтри. 51 3.6.4 Максимальний ентропійний спектральний аналіз. 53 3.6.5 Середнє значення сигналу. 53 3.6.6 Відображення актограми. 53 3.6.7 ЧАС. 53 3.6.8 MATLAB. 54 4 Робота з моделями 55 4.1 Вступ. 55 4.2 Моделювання та моделювання за допомогою MODUS. 55 4.3 Моделювання та моделювання з іншими програмами. 56 4.4 Приклади моделей ритмів. 56 4.4.1 Модель зворотного зв’язку для біологічних ритмів. 56 4.4.2 Модель хижака-здобичі. 57 4.4.3 Моделювання, моделювання за допомогою моделі. 58 II Приклади спостережень та експериментів 61 5 Ультрадіанські ритми 63 5.1 Вступ. 63 5.2 Хімічний генератор. 63 5.2.1 Основи. 63 5.2.2 Демонстрація. 65 5.2.2.1 Впровадження. 65 5.2.2.2 Хвильовий характер хімічної активності. 65 5.2.3 Температурна залежність періоду коливань. 66 5.2.3.1 Труднощі та можливі помилки. 67 5.3 Гравітропічний маятник. 67 5.3.1 Основи. 67 5.3.2 Матеріал. 68 5.3.3 Індукція руху гравітропічного маятника. 68 5.3.4 Реєстрація руху маятника, графіки та оцінка. 68 5.3.5 Тестові пропозиції. 69 5.4 Ритми потовиділення. 69 5.4.1 Основи. 69 5.4.2 Матеріал та методи вимірювання. 72 6
Зміст 11.1 Вступна література. 123 11.2 Хронобіологічні теми для шкіл. 123 12 Курси в університетах, дослідницькі проекти 127 13 Дидактичні міркування та концепції 131 13.1 Засоби навчання. 131 13.1.1 Програми та їх опис, пов'язані з ними диски. 132 13.1.2 Фільми, відеофільми, слайди. 133 13.1.3 Обладнання, інструкції, лабораторні матеріали, джерела постачання. 134 13.1.4 Вирощування досліджуваних організмів, джерела постачання. 136 Покажчик 146 Глосарій 147 Бібліографія 161 9
Список малюнків 6.1 Квіти каланхое. 78 6,2 ph ритм клітинного соку рослини CAM. 78 6.3 Кювета з оксалісу. 79 6.4 Реєстрація руху листя оксалісу. 80 6.5 Анатомія оксалісового суглоба. 80 6.6 Анатомія квітки каланхое. 81 6.7 Рух пелюсток каланхое та всмоктуюча сила. 81 6.8 Кювета з квітами каланхое. 82 6.9 Рух пелюстки каланхое: крива. 82 7.1 Ритм талассомікси. 87 7.2 Синхронізована культура талассомікси. 87 8.2 Актограма домашньої мухи. 90 8.1 Приклади денних та нічних тварин. 91 8.3 Домашня муха. 92 8.5 Мухова клітка. 93 8.4 Система реєстрації. 94 8.6 Реєстрація активності дрозофіли. 95 8.7 Спеціальний пінцет. 96 8.8 Система реєстрації ритму штрихування дрозофіли. 97 8.10 Метод сажі для ритму штрихування дрозофіли: Приклад. 97 8.9 Метод сажі для ритму штрихування дрозофіли. 98 8.11 Час сну для немовляти. 99 8,13 Середня доба ректальної температури досліджуваного. 101 8.12 Крива температури і сон/неспання випробовуваної людини. 102 8.14 Добовий ритм та тип хронобіологічної фази. 103 9.1 Квіткова брунька та вегетативна брунька Pharbitis nil. 108 9.2 Критичний темний період фарбіту. 109 9.3 Витяжка для перенесення мух дрозофіли. 110 10.1 Ритм відкладення хітину. 120 12
Список таблиць 1.1 Пункти часу під час руху листівки Десмодіум. 26 1.2 Моменти часу та стандартні помилки в бічному русі листівки. 28 1.3 Виміряні значення бічного руху листівки Десмодіум. 30 1.4 Запрошення на лекцію. 33 8.1 Оцінка типу хронобіологічної фази. 100 8.2 Хронобіологічний тип фази у різних досліджуваних. 102 13
Частина I Методи та ресурси 19
1 Наукова робота Рисунок 1.3: Сирійські хом'яки активні вночі (ліворуч), а вдень відпочивають (праворуч) 4 3 Рисунок 1.1: Конюшина вдень (ліворуч) і нічне положення (праворуч), вид зверху міцності аромату 2 на питання, на які експериментально відповіли гіпотезами а потім можуть бути перевірені в експериментах: Гіпотеза проблеми феномену Експериментальний тест 1.1.2 Метод формування множинних гіпотез та цілеспрямований висновок Згідно Чемберлена (1965) та Платта (1964), наукові роботи надають перевагу, якщо застосовується метод формування множинних гіпотез та суворий висновок (сильний умовивід) послідовно застосовується. Метод складається з наступних етапів: 1 0 0 4 8 12 16 20 24 час доби [години] Рисунок 1.2: Оцінка інтенсивності запаху квіток Exacum affine як функції часу доби трьома різними людьми. Найсильніший аромат рано вдень. Середні значення 22
1 Наукова робота Бічний рух листівки 80 60 40 20 690 700 710 720 730 740 750 Час [хв] Рисунок 1.6: Часовий хід бічного руху листівки Desmodium motorium Таблиця 1.1: Часи максимумів, мінімумів та точок повороту бічного руху листівки Desmodium немає знизу 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 26
1 Наукова робота Таблиця 1.3: Таблиця для введення виміряних значень бічного руху листівки Десмодіум Час (с) 15 25 35 Час (с) 15 25 35 0 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 150 165 165 180 180 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 300 315 315 330 330 345 345 360 360 375 375 390 390 405 405 420 420 435 435 450 450 465 465 480 480 495 495 510 510 525 525 30
1.2 Наукова комунікація СЕРІЯ КОЛОКВІЙ СПЕЦІАЛЬНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ 45 Спікер: Тема: Місце розташування: Проф. C. S. Pittendrigh Stanford Univ., США Циркадна ритмічність: погляд еволюціоніста Zoologisches Institut Frankfurt Siesmayerstr. 70 Малий лекційний зал Час: четвер, 17 грудня 1987 р., 18:30. Гостей запрошуємо підписати проф. Г. Флейснер Будь ласка, також зверніть увагу на семінар з проф. Піттендрігом з питань фотопериодизму наступного ранку: Доповідач: проф. Д-р. C. S. Pittendrigh Тема: Еволюційне регулювання критичної довжини дня для зміни широти Час: п’ятниця, 18 грудня 1987 р., 9:30 ранку. Місцезнаходження: Зоологічний інститут Франкфурта, кімната засідань (2-й поверх) Siesmayerstr. 70 Франкфурт, 1 грудня 1987 р. Таблиця 1.4: Запрошення на лекцію 33
1 Наукова робота Рисунок 1.9: Приклади експериментального протоколу: Зміст Рисунок 1.10: Приклади експериментального протоколу: Сторінка 34
1.2 Наукове спілкування Рисунок 1.13: Головна сторінка поточного змісту (ліворуч), сторінка з покажчика (угорі праворуч) та приклад сторінки зі змістом журналу (праворуч унизу). Під циркадними ритмами вгорі праворуч 127 41. На сторінці 127 (внизу праворуч) - сторінка зі змістом Журналу досліджень міждисциплінарного циклу. На сторінці 41 є робота про циркадні ритми Квейро-Кларе та Квейроза 37
1 Наукова робота Рисунок 1.12: Титульні сторінки чотирьох журналів, що спеціалізуються на хронобіологічних роботах: Journal of Biological Rhythms, Biological Rhythm Research (раніше: Journal of Interdisciplinary Cycle Figure 1.11: Example from Science Research), Chronobiology International, Citation Index. Праця J. Aschoff Chronobiologia (більше не з'являється) у Zeitschrift für Tierpsychologie 49, сторінка 225, 1979 р. Була опублікована М. Феррером у Comp. Bioc. А. 107, 81 (1994) та Р.В. Peters, Brain Res. 639: 217 (1994), цитоване 38
1 Наукова робота 42
3 Представлення та аналіз часових рядів 0 Модуль 24 0 Модуль 24,2 7 7 днів 14 днів 14 21 21 0 6 12 18 24 Час доби 0 6,05 12,1 18,15 24,2 Час доби Рисунок 3,4: Метод складання частоти: Смужки активності, побудовані в цілодобовій сітці (ліворуч) ) були розбиті на частини на правій картинці, так що активність тварин між 7-м і 24-м періодами була приблизно нижче одна від одної. Вісь х більше не відповідає 24 годинам, а довжині періоду в цьому розділі (приблизно 24,2 години). За даними Ralph et al. (1996) 15 20 днів 25 30 35 0 6 12 18 24 час доби (години) Рисунок 3.5: Визначення періоду за допомогою нахилу лінії, що найкраще підходить. Тривалість періоду становить 24,6 години (що також можна побачити при порівнянні положення найбільш підходящої лінії на 25-й день (12:00) та на 35-й день (18:00): Різниця становить 6 годин, поділених на 10 (35-25) дає 0,6 (24 + 0,6 = 24,6) 52
4.4 Приклади моделей Ритми та поведінка комотора у щурів (Diez-Noguera (1994)) та мух (Helfrich-Förster та Diez-Noguera (1993)) були змодельовані. В його основі лежать зв’язані генератори, властивості яких дещо відрізняються один від одного. Така ситуація поширена в організмах. 59
4 Робота з моделями 60
Частина II Приклади спостережень та експериментів 61
5 Ультрадіанові ритми Кут [градуси] 40 20 0 20 40 0 4 8 12 16 Час [години] Рисунок 5.5: Хід руху гравітропічного маятника гіпокотиля імператорського вітру після 30 хвилин гравітропічного подразнення Епідермальна клітина Вторинна клітина Захисна клітина Дихальна порожнина Рисунок 5.6: Апарат для розкриття тріщин в аркуші вівса. Зліва: поперечний переріз, праворуч: вид зверху. За клітинами гантелі (праворуч) слідує вторинна клітина, яка в свою чергу примикає до клітин епідерми. Дихальна порожнина як частина міжклітинної системи 70
5.4 Ритми потовиділення 1800 Потіння 1600 1400 1200 50 0 50 100 150 200 250 Час [хв] Рисунок 5.7: Ритмічний хід потовиділення у вівсяних листках. В 0 час рослина, яку раніше тримали в темряві, опромінювали білим світлом. Результатом є транспіраційні коливання (відносні одиниці) нормальний стан води + _ вміст води у вторинній клітині вміст води в охоронній камері _ + відкриття продихів поглинання води гострий стан потоку води Рисунок 5.8: Як виникають коливання потовиділення в вівсяному листі: Схема контуру зворотного зв'язку. Поточний стан водопостачання порівнюється із заданим значенням (у верхньому колі знаками + та -). Якщо є різниця, це використовується як сигнал помилки для впливу на ширину продихів (закрийте продихи, якщо рівень води занадто низький, відкрийте, якщо він занадто високий). Затримки часу важливі для виникнення вібрацій 71
5.5 Реєстрація рухів десмодієм 5.5.3 Експеримент Іони літію уповільнюють коливання в багатьох циркадних ритмах. Слід перевірити, чи стосується це також ультрадіанського ритму Desmodium motorium. Подумайте, як би ви провели експеримент. Які концентрації ви б використовували, скільки часу ви дозволяли б проводити вимірювання, як виглядають контрольні тести? 75
6 Щоденні ритмічні процеси в рослинах Відеокамера Зелена люмінесцентна лампа Екран Квіткова кювета Дигітайзер Оргскло диск 0,2 М Розчин цукру Малюнок 1110000 1111 000000000000 111111111111000 1110000 1111 Комп'ютер 000000000000 111111111111 0000 1111 000000000000 111111111111 0000 1111 Рисунок: поліуретанові стебла для цукрових квітів . Освітлення двома зеленими люмінесцентними лампами, додатково обмотаними зеленою фольгою. Реєстрація за допомогою відеокамери та оцифровка зображення за допомогою фреймграфера та комп’ютера. Квіти показані на моніторі Малюнок 6.9: Оригінальна крива та цифрово відфільтрована крива руху пелюстки каланхое 82
6 Щоденні ритмічні процеси у рослин ger (1988), Overland (1960)). Причиною цього часто є пристосування до запилення комахами. Вивчіть різні квіткові рослини і подумайте, як перевірити ритм чутливості носа. 84
8 Щоденні ритмічні процеси у тварин і людей 01-07 11-39 днів 5 10 15 20 25 30 35 0 6 12 18 24 Час доби (двічі на день) Рисунок 8.2: Приклад актограми (різновиду тахографа) домашньої мухи, її рухової активності було зареєстровано в перші 7 днів при зміні світла і темряви 12:12 годин, а потім протягом 30 днів у постійних умовах із слабким червоним світлом при 22 0 C. Діяльність послідовних днів один під одним, час доби наноситься горизонтально (шкала від 0 до 24 години, але кожен день будується двічі (подвійний графік). Дані отримували за допомогою методу запису аналізу зображень, що описується та відображається графічною програмою. Пряма лінія через відповідну діяльність -Початки можна використовувати для визначення періоду 90
8.3 Повсякденні ритми людини Відеокамера Екран Дігітайзер Комп'ютерна картинка Іржава скляна пластинка Коробка Скляна пластина Нейлонова сітка Мертва муха Червона флуоресцентна лампа Білий аркуш паперу Сажа лялька Рисунок 8.8: Система запису для вимірювання вилуплення мух дрозофіли з пупаріуму за допомогою відеокамери, дигітайзера та комп'ютера Метод сажі. Світло від двох червоних люмінесцентних трубок відбивається білим папером на нижній стороні тримачів для ляльок, один з яких детальніше показаний у нижній правій частині малюнка: Металева пластина з 10 * 10 отворами, кожна з лялькою. Біла сітка з дрібними вічками запобігає випаданню ляльок. Вилуплені мухи витирають сажу з нижньої сторони скляних пластин. Камера в цих точках може бачити червоне світло (див. Екран та рисунок 8.9). Дані зберігаються та складаються як функція часу (див. Рисунок 8.10) Вилуплення 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Час [дні] Рисунок 8.10: Приклад кривої ритму вилуплення Drosophila pseudoobscura. Дані були отримані за допомогою реєстрації кіптяви та описаної цифрової оцифровки та відображені за допомогою програми OXALDIFI 97
8 Щоденні ритмічні процеси у тварин та людей Температура тіла [C] 38 37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 днів Рисунок 8.12: Курс ректальної температури та періоди сну і неспання у досліджуваної людини. Сон: темний, період неспання: світлі смуги Таблиця 8.2: Хронобіологічна фаза типу різних досліджуваних Прізвище Ім'я М/Ж віковий тип темп. Хв. 102
8 Щоденні ритмічні процеси у тварин і людей Приклад: 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 Будь ласка, вкажіть час, коли ви зазвичай встаєте. 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Вкажіть, чи є ви активною людиною завтра чи ввечері. 5 Надзвичайно активний завтра. 4 Помірно активний вранці. 3 Ні те, ні інше. 2 Помірно активний ввечері. 1 Надзвичайно активний ввечері. Оцінку опитувальника див. У таблиці 8.1 106
9 Значення добових ритмів: фотоперіодизм Рисунок 9.3: Вихлоп для перенесення мух дрозофіл Через (2–3) тижні перевірте наявність у самок тварин на розвиток яєць (самців легко розпізнати за червоними яєчками). Для цього візьміться за живіт двома загостреними пінцетами годинника спереду і ззаду, порвіть його і розгляньте жовток у воді зі збільшенням у 25 разів. Розвинені яєчники значно більші. На 100 мух вам потрібно близько 15 хвилин для обстеження. Вивчіть приблизно 200 мух з різних культур для кожного читання. Підготуйте таблицю значень та відобразіть значення графічно (% діапаузи залежно від тривалості світлового періоду). 110
Частина III Ритми в класі 111
9 Значення циркадних ритмів: фотоперіодизм 114