Наблюдавайте, експериментирайте, измервайте и оценявайте ритмите в организмите - PDF Безплатно изтегляне
Наблюдение, експериментиране, измерване и оценка на ритмите в организмите Волфганг Енгелманн Институт за ботаника Физиологична екология на растенията Университет в Тюбинген Auf der Morgenstelle 1 D72076 Тюбинген (ФРГ) В памет на моите учители Ервин Бюнинг, Колин С. Питтендрих и Юрген Ашоф Тюбинген 2004
Публикувано от Tobias-lib, Университетска библиотека Тюбинген: URL: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3790/ Лиценз: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de /doku/licenses/xx.html 5-то издание 2009 г. Първото издание се появи през 1998 г. на адрес http://www.uni.tuebingen.de/plantphys/bioclox, второто преработено издание през 2002 г., третото преработено издание през 2004 г. в 4-то издание През 2007 г. текстът и изображенията бяха преработени. Английска версия е публикувана в Tobias-lib, Университетска библиотека в Тюбинген на адрес http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3791/, френска версия в Tobias-lib, Университетска библиотека в Тюбинген на http://tobias-lib.ub.unituebingen.de/volltexte/2009/3792/ (превод на Пиер Диумегард). Университетска библиотека в Тюбинген. Wolfgang Engelmann 2009 Тази книга е написана с LYX, професионална система за създаване на документи (http://www.lyx.org). Той използва системата за набиране на LATEX. Изображенията с векторни графики са създадени с xfig под Linux. За диаграмите е използван PyxPlot. Благодарение на Dirk Engelmann (помощ при работа с компютър), John Dittami (корекции) и Petra Reinhard (корекция), илюстрации на Schneider-Uhle) и ученици (обратна връзка)
Наблюдавайте. Приемане на моите внуци от Дирк Енгелман 3
Съдържание Предговор 15 Въведение 17 I Методи и ресурси 19 1 Научна работа 21 1.1 Как се провеждат разследвания. 21 1.1.1 Въведение. 21 1.1.2 Метод за създаване на множество хипотези. 22 1.1.3 Тестване на хипотези, анализ и интерпретация на данни. 1.1.3.1 Формулиране на хипотези: пиене на патица. 1.1.3.2 Анализ и интерпретация на данни. 25 1.1.3.3 Планиране, изпълнение и оценка. 27 1.1.3.4 Пример за решаване на проблем. 29 1.1.4 Протокол за изпитване. 29 1.2 Научна комуникация. 32 1.2.1 Въведение. 32 1.2.2 Как учените отчитат своите резултати? 32 1.2.3 Научна публикация: пример. 35 1.2.4 Написване на собствена научна статия. 35 1.2.5 Търсене на литература. 36 1.3 Противоречия в науката. 39 1.4 Нерешени проблеми. 40 2 Методи на регистрация 43 2.1 Регистрация на видео и оценка на ритмите. 43 2.1.1 Въведение. 43 2.1.2 Принцип на регистрация. 43 2.1.3 Регистрация. 43 2.2 Регистриране на движението на животни със светлинни бариери. 44 2.2.1 Въведение. 44 2.2.2 Принцип на регистрация. 44 3 Показване и анализ на времеви редове 47 3.1 Въведение. 47 5
Съдържание 3.2 Основни термини. 47 3.3 Графично представяне на времеви редове. 48 3.4 Изглаждане. 49 3.5 Коригиране на тенденциите. 50 3.6 Метод за анализ на времеви редове. 50 3.6.1 RUN тест. 50 3.6.2 Честотно сгъване. 51 3.6.3 Цифрови филтри. 51 3.6.4 Максимален ентропиен спектрален анализ. 53 3.6.5 Средна стойност на сигнала. 53 3.6.6 Показване на актограма. 53 3.6.7 TIMESDIA. 53 3.6.8 MATLAB. 54 4 Работа с модели 55 4.1 Въведение. 55 4.2 Моделиране и симулация с MODUS. 55 4.3 Моделиране и симулация с други програми. 56 4.4 Примери за модели ритми. 56 4.4.1 Модел за обратна връзка за биологични ритми. 56 4.4.2 Модел на хищник-плячка. 57 4.4.3 Моделиране, симулация с модел. 58 II Примери за наблюдения и експерименти 61 5 Ултрадиански ритми 63 5.1 Въведение. 63 5.2 Химичен генератор. 63 5.2.1 Основи. 63 5.2.2 Демонстрация. 65 5.2.2.1 Прилагане. 65 5.2.2.2 Вълнов модел на химическа активност. 65 5.2.3 Температурна зависимост на периода на трептене. 66 5.2.3.1 Трудности и възможни грешки. 67 5.3 Гравитропно махало. 67 5.3.1 Основи. 67 5.3.2 Материал. 68 5.3.3 Индукция на движението на гравитропното махало. 68 5.3.4 Регистриране на движението на махалото, графики и оценка. 68 5.3.5 Предложения за тестове. 69 5.4 Ритми на изпотяване. 69 5.4.1 Основи. 69 5.4.2 Материал и методи за измерване. 72 6
Съдържание 11.1 Уводна литература. 123 11.2 Хронобиологични теми за училищата. 123 12 Курсове в университети, изследователски проекти 127 13 Дидактически съображения и концепции 131 13.1 Помощни средства за обучение. 131 13.1.1 Програми и тяхното описание, свързани дискове. 132 13.1.2 Филми, видео филми, диапозитиви. 133 13.1.3 Оборудване, инструкции, лабораторни материали, източници на доставка. 134 13.1.4 Култивиране на тестови организми, източници на доставка. 136 Индекс 146 Речник 147 Библиография 161 9
Списък на фигури 6.1 Цветя на каланхое. 78 6.2 ph ритъм на клетъчния сок на CAM растение. 78 6.3 Кювета Oxalis. 79 6.4 Регистрация на движението на листата Oxalis. 80 6.5 Анатомия на оксалисовата става. 80 6.6 Анатомия на цветето каланхое. 81 6.7 Движение на венчелистчетата на каланхое и засмукване. 81 6.8 Кювета с цветя от каланхое. 82 6.9 Движение на венчелистче от каланхое: крива. 82 7.1 Таласомикса ритъм. 87 7.2 Синхронизирана култура на Thalassomyxa. 8.2 Актограма на домашна муха. 90 8.1 Примери за дневни и нощни животни. 91 8.3 Домашна муха. 92 8.5 Муха клетка. 93 8.4 Регистрационна система. 94 8.6 Регистриране на активността на дрозофила. 95 8.7 Специални пинсети. 96 8.8 Регистрационна система за ритъма на излюпване на дрозофила. 97 8.10 Метод на сажди за ритъма на излюпване на дрозофила: Пример. 97 8.9 Метод на сажди за ритъма на излюпване на дрозофила. 98 8.11 Време за събуждане на малко дете. 99 8.13 Среден ден от ректалната температура на изследваното лице. 101 8.12 Температурна крива и сън/събуждане на изпитвано лице. 102 8.14 Дневен ритъм и тип хронобиологична фаза. 103 9.1 Цветна пъпка и вегетативна пъпка на Pharbitis nil. 108 9.2 Критичен тъмен период на фарбит. 109 9.3 Ауспух за прехвърляне на мухи дрозофила. 110 10.1 Ритъм на отлагане на хитин. 120 12
Списък на таблици 1.1 Точки във времето по време на движението на листовка Desmodium. 26 1.2 Точки във времето и стандартни грешки в страничното движение на листовка. 28 1.3 Измерени стойности на страничното движение на листовка Desmodium. 30 1.4 Покана за лекция. 33 8.1 Оценка на типа хронобиологична фаза. 100 8.2 Тип хронобиологична фаза на различни изпитвани лица. 102 13
Част I Методи и ресурси 19
1 Научна работа Фигура 1.3: Сирийските хамстери са активни през нощта (вляво), а през деня си почиват (вдясно) 4 3 Фигура 1.1: Детелина през деня (вляво) и нощна позиция (вдясно), изглед отгоре на силата на аромата 2 по въпроси, на които експериментално е отговорено с хипотези и след това могат да бъдат тествани в експерименти: Хипотеза за феноменен проблем Експериментален тест 1.1.2 Метод за формиране на множество хипотези и целенасочено заключение Според Чембърлейн (1965) и Плат (1964), научната работа е облагодетелствана, ако се използва методът за формиране на множество хипотези и строг извод (силен извод) последователно се прилага. Методът се състои от следните стъпки: 1 0 0 4 8 12 16 20 24 време на деня [часове] Фигура 1.2: Оценка на интензивността на аромата на цветята на Exacum affine като функция от времето на деня от трима различни души. Най-силен аромат в ранния следобед. Средни стойности 22
1 Научна работа Странично движение на брошура 80 60 40 20 690 700 710 720 730 740 750 Време [мин] Фигура 1.6: Времево течение на страничното движение на листовка Desmodium motorium Таблица 1.1: Времена на максимумите, минимумите и точките на завъртане на страничното движение на листовка Desmodium Не Максимум Минимална точка на завой нагоре точка на завой след отдолу 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 26
1 Научна работа Таблица 1.3: Таблица за въвеждане на измерените стойности на страничното движение на оперението Desmodium Време (сек) 15 25 35 Време (сек) 15 25 35 0 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 165 165 180 180 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 300 315 315 330 330 345 345 360 360 375 375 390 390 405 405 420 420 435 435 450 450 465 465 480 480 495 495 510 510 525 525 30
1.2 Научна комуникация СЕРИЯ НА КОЛОКВИЯТА НА СПЕЦИАЛНАТА ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКА ОБЛАСТ 45 Лектор: Тема: Местоположение: Проф. Д-р C. S. Pittendrigh Stanford Univ., USA Циркадна ритмичност: възглед на еволюциониста Zoologisches Institut Frankfurt Siesmayerstr. 70 Малка лекционна зала Време: четвъртък, 17 декември 1987 г. 18:30 ч. Гостите са добре дошли подписан проф. Д-р G. Fleissner Моля, обърнете внимание и на семинара с проф. Pittendrigh на следващата сутрин относно фотопериодизма: Лектор: проф. Д-р C. S. Pittendrigh Тема: Еволюционна корекция на критичната дължина на деня за промяна в географската ширина Време: петък, 18 декември 1987 г., 9:30 ч. Местоположение: Зоологически институт Франкфурт, заседателна зала (2-ри етаж) Siesmayerstr. 70 Франкфурт, 1 декември 1987 г. Таблица 1.4: Покана за лекция 33
1 Научна работа Фигура 1.9: Примери от експериментален протокол: Съдържание Фигура 1.10: Примери от експериментален протокол: Входна страница 34
1.2 Научна комуникация Фигура 1.13: Първа страница на Current Contents (вляво), страница от индекса (горе вдясно) и пример за страница със съдържание на списание (долу вдясно). Под циркадните ритми горе вдясно е 127 41. На страница 127 (долу вдясно) е страницата със съдържанието на Journal of Interdisciplinary Cycle Research. На страница 41 има работа за циркадните ритми от Queiroz-Claret и Queiroz 37
1 Научна работа Фигура 1.12: Заглавни страници на четирите списания, специализирани в хронобиологична работа: Journal of Biological Rhythms, Biological Rhythm Research (преди: Journal of Interdisciplinary Cycle Фигура 1.11: Пример от Science Research), Chronobiology International, Citation Index. Работата на J. Aschoff Chronobiologia (вече не се появява) в Zeitschrift für Tierpsychologie 49, стр. 225 от 1979 г. е публикувана от М. Ferrer в Comp. Bioc. A. 107, 81 (1994) и от R.V. Peters, Brain Res. 639: 217 (1994), цитирано 38
1 Научна работа 42
3 Представяне и анализ на времеви редове 0 Modulo 24 0 Modulo 24.2 7 7 дни 14 дни 14 21 21 0 6 12 18 24 Час на деня 0 6.05 12.1 18.15 24.2 Час на деня Фигура 3.4: Метод на честотно сгъване: Лентите за активност, нанесени в 24-часова мрежа (вляво ) бяха разбити на парчета в дясната снимка, така че активността на животните между 7-ми и 24-ти период е приблизително една под друга. Оста x вече не съответства на 24 часа, а на продължителността на периода в този раздел (около 24,2 часа). Според Ralph et al. (1996) 15 20 дни 25 30 35 0 6 12 18 24 време на деня (часове) Фигура 3.5: Определяне на периода с помощта на наклона на най-подходящата линия. Продължителността на периода е 24,6 часа (както може да се види и при сравняване на позицията на най-подходящата линия на 25-ия ден (12 ч.) И на 35-ия ден (18 ч.): Разликата е 6 часа, разделена на 10 (35-25) дава 0.6 (24 + 0.6 = 24.6) 52
4.4 Примери за модели Ритми и поведение на коморите при плъхове (Diez-Noguera (1994)) и мухи (Helfrich-Förster и Diez-Noguera (1993)) са симулирани. Той се основава на свързани осцилатори, чиито свойства се различават леко един от друг. Тази ситуация е често срещана при организмите. 59
4 Работа с модели 60
Част II Примери за наблюдения и експерименти 61
5 Ултрадианови ритми Ъгъл [градуси] 40 20 0 20 40 0 4 8 12 16 Време [часове] Фигура 5.5: Ход на движението на гравитропното махало на хипокотила на императорски вятър след 30 минути гравитропно дразнене Епидермална клетка Вторична клетка Пазителна клетка Дихателна кухина Фигура 5.6: Апарат за отваряне на пукнатини в листата на овесено растение. Вляво: напречно сечение, вдясно: изглед отгоре. Клетките с форма на гира (вдясно) са последвани от вторична клетка, която от своя страна е в съседство с епидермални клетки. Дихателна кухина като част от междуклетъчната система 70
5.4 Ритми на изпотяване 1800 Изпотяване 1600 1400 1200 50 0 50 100 150 200 250 Време [мин] Фигура 5.7: Ритмичен ход на изпотяване в овесени листа. По време на 0, растението, държано преди това на тъмно, беше облъчено с бяла светлина. Резултатът е транспирационни трептения (относителни единици) нормално състояние на водата + _ съдържание на вода във вторичното клетъчно съдържание на водата на защитната клетка _ + отваряне на устицата абсорбция на вода остро остро изпотяване на състоянието на водата Фигура 5.8: Как възникват колебания на изпотяване в овесено листо: Схема на веригата за обратна връзка Текущото състояние на водоснабдяването се сравнява с зададената точка (в горния кръг със знаците + и -). Ако има разлика, това се използва като сигнал за грешка, за да се повлияе на ширината на устиците (затворете устиците, ако нивото на водата е твърде ниско, отворете, ако е твърде високо). Закъсненията във времето са важни за появата на вибрации 71
5.5 Регистрация на движения с десмодий 5.5.3 Експеримент Литиевите йони забавят трептенето в много циркадни ритми. Трябва да се провери дали това се отнася и за ултрадианския ритъм на Desmodium motorium. Помислете как бихте провели експеримента. Какви концентрации бихте използвали, колко време бихте пуснали измерванията, как изглеждат контролните тестове? 75
6 Ежедневни ритмични процеси в растенията Видеокамера Зелена флуоресцентна лампа Екран Blossom кювета Дигитайзер Диск от плексиглас 0,2 M Разтвор на захар Картина 1110000 1111 000000000000 111111111111000 1110000 1111 Компютър 000000000000 111111111111 0000 1111 000000000000 111111111111 0000 1111 Фигура: полиуретановите стъбла на цветната захар . Осветление с две зелени флуоресцентни тръби, допълнително обвити със зелено фолио. Регистрация с видеокамера и дигитализация на изображението с помощта на грайфер на рамка и компютър. Цветята са показани на монитора Фигура 6.9: Оригинална крива и цифрово филтрирана крива на движение на венчелистче от каланхое 82
6 Ежедневни ритмични процеси в растенията ger (1988), Overland (1960)). Причината за това често е адаптация към опрашване от насекоми. Разгледайте различни цъфтящи растения и помислете как да тествате ритъма на чувствителност на носа. 84
8 Ежедневни ритмични процеси при животни и хора 01-07 11-39 дни 5 10 15 20 25 30 35 0 6 12 18 24 Час на деня (два пъти на ден) Фигура 8.2: Пример за актограма (вид тахограф) на домашна муха, нейната двигателна активност през първите 7 дни при 12:12 часа промяна на светлина-тъмнина и след това в продължение на 30 дни при постоянни условия със слаба червена светлина при 22 0 С. Дейности на последователни дни един под друг, време на деня се нанася хоризонтално (скала от 0 до 24 часа, но всеки ден се нанася два пъти (двоен график). Данните са получени с метода за запис на анализ на изображения, описан и показан с графична програма. Права линия през съответната дейност -Начинанията могат да се използват за определяне на периода 90
8.3 Човешки ежедневни ритми Видеокамера Екран Дигитайзер Компютърна картина Ръждана стъклена плоча Кутия Стъклена плоча Найлонова мрежа Мъртва муха Червена флуоресцентна лампа Бял лист хартия Кукла от сажди Фигура 8.8: Записваща система за измерване на излюпването на мухи дрозофили от пупариума с видеокамера, дигитайзер и компютър с помощта на Метод на сажди. Светлината от две червени флуоресцентни тръби се отразява от бяла хартия върху долната страна на държачите за кукли, единият от които е показан по-подробно в долната дясна част на снимката: Метална плоча с 10 * 10 дупки, всяка с кукла. Бяла мрежа с фини мрежи предотвратява падането на куклите. Излюпените мухи изтриват саждите от долната страна на стъклените плочи. Червената светлина може да се види от камерата в тези точки (вижте екрана и фигура 8.9). Данните се записват и нанасят в зависимост от времето (вж. Фигура 8.10) Излюпване 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Време [дни] Фигура 8.10: Пример за крива на ритъма на излюпване на Drosophila pseudoobscura. Данните са получени с регистрация на сажди и описаната видеодигитализация и показани с програмата OXALDIFI 97
8 Ежедневни ритмични процеси при животни и хора Телесна температура [C] 38 37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 дни Фигура 8.12: Ход на ректалната температура и периодите на сън и събуждане на изпитван човек. Сън: тъмен, период на будност: светли ивици Таблица 8.2: Хронобиологичен тип фаза на различни изпитвани лица Фамилия Име М/Ж възрастов тип темп.мин. 102
8 Ежедневни ритмични процеси при животни и хора Пример: 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 Моля, посочете часа, в който обикновено ставате. 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Заявете дали сте активен човек сутрин или вечер. 5 Изключително активен утре. 4 Умерено активен сутрин. 3 Нито едното, нито другото. 2 Умерено активен вечер. 1 Изключително активен вечер. За оценката на въпросника вижте Таблица 8.1 106
9 Значение на циркадните ритми: фотопериодизъм Фигура 9.3: Изпускател за прехвърляне на мухи дрозофили След (2-) 3 седмици проверете женските животни за развитие на яйцата (мъжките животни могат лесно да бъдат разпознати от червените тестиси). За целта хванете корема с две остри пинсети на часовника отпред и отзад, разкъсайте го и разгледайте яйчния жълтък във вода при 25-кратно увеличение. Развитите яйчници са много по-големи. За 100 мухи ви трябват около 15 минути за прегледа. Изследвайте приблизително 200 мухи от различните култури за всяко четене. Подгответе таблица със стойностите и ги представете графично (% диапауза в зависимост от продължителността на светлинния период). 110
Част III Ритми в клас 111
9 Значение на циркадните ритми: фотопериодизъм 114