Набerveудувајте, експериментирајте, мерете и проценувајте ги ритамите во организмите - PDF бесплатно преземање
Набудување, експериментирање, мерење и проценка на ритмите во организмите Волфганг Енгелман Институт за ботаника Физиолошка екологија на растенија Универзитет во Тибинген Ауф дер Моргенстеле 1 Д72076 Тубинген (ФРГ) Во спомен на моите наставници Ервин Бининг, Колин С. Питендриг и Јирген Ашхоф Тибинген 2004
Објавено од Тобијас-либ, Универзитетска библиотека Тибинген: URL: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3790/ Лиценца: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de /doku/licenses/xx.html 5-то издание 2009 година Првото издание се појави во 1998 година на http://www.uni.tuebingen.de/plantphys/bioclox, второто ревидирано издание во 2002 година, третото ревидирано издание во 2004 година 4-то издание Во 2007 година, текстот и сликите беа ревидирани. Англиска верзија е објавена во Тобијас-либ, Библиотека на универзитетот Тибинген на http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3791/, француска верзија во Тобијас-либ, Библиотека на универзитетот Тибинген на http://tobias-lib.ub.unituebingen.de/volltexte/2009/3792/ (превод на Пјер Диеумегард). Библиотека на универзитетот Тибинген. Волфганг Енгелман 2009 Оваа книга е напишана со LYX, професионален систем за креирање документи (http://www.lyx.org). Го користи системот за набивање LATEX. Векторските графички слики се создадени со xfig под Linux. За дијаграмите се користеше PyxPlot. Благодарение на Дирк Енгелман (помош при работа со компјутер), Johnон Дитами (корекции) и Петра Рајнхард (лекторирање), илустрации на Шнајдер-Ул) и студенти (повратна информација)
Наб Obsудувај. Прием на моите внуци од Дирк Енгелман 3
Содржина Предговор 15 Вовед 17 I Методи и ресурси 19 1 Научна работа 21 1.1 Како да се спроведат студии. 21 1.1.1 Вовед. 21 1.1.2 Метод на создавање повеќе хипотези. 22 1.1.3 Тестирање хипотези, анализа и толкување на податоците. 24 1.1.3.1 Формулирање хипотези: пиење патка. 24 1.1.3.2 Анализа и интерпретација на податоците. 25 1.1.3.3 Планирање, спроведување и евалуација. 27 1.1.3.4 Пример за решавање проблем. 29 1.1.4 Тест протокол. 29 1.2 Научна комуникација. 32 1.2.1 Вовед. 32 1.2.2 Како научниците ги пријавуваат своите резултати? 32 1.2.3 Научна публикација: пример. 35 1.2.4 Пишување на свој научен напис. 35 1.2.5 Пребарување литература. 36 1.3 Контроверзии во науката. 39 1.4 Нерешени проблеми. 40 2 Методи на регистрација 43 2.1 Регистрација на видео и проценка на ритмовите. 43 2.1.1 Вовед. 43 2.1.2 Принцип на регистрација. 43 2.1.3 Регистрација. 43 2.2 Регистрација на движење на животни со лесни бариери. 44 2.2.1 Вовед. 44 2.2.2 Принцип на регистрација. 44 3 Прикажување и анализа на временските серии 47 3.1 Вовед. 47 5
Содржина 3.2 Основни термини. 47 3.3 Графички приказ на временски серии. 48 3.4 Измазнување. 49 3.5 Прилагодување на трендовите. 50 3.6 Метод на анализа на временски серии. 50 3.6.1 РЕС тест. 50 3.6.2 Преклопување на фреквенцијата. 51 3.6.3 Дигитални филтри. 51 3.6.4 Максимална спектрална анализа на ентропија. 53 3.6.5 Просечен сигнал. 53 3.6.6 Екран на актограм. 53 3.6.7 ТИМЕСДИЈА. 53 3.6.8 MATLAB. 54 4 Работа со модели 55 4.1 Вовед. 55 4.2 Моделирање и симулација со MODUS. 55 4.3 Моделирање и симулација со други програми. 56 4.4 Модел примери ритми. 56 4.4.1 Модел на повратна информација за биолошки ритми. 56 4.4.2 Модел предатор-плен. 57 4.4.3 Моделирање, симулација со модел. 58 II Примери на набудувања и експерименти 61 5 Ултрадијански ритми 63 5.1 Вовед. 63 5.2 Хемиски осцилатор. 63 5.2.1 Основи. 63 5.2.2 Демонстрација. 65 5.2.2.1 Имплементација. 65 5.2.2.2 Бран на хемиска активност. 65 5.2.3 Зависност од температурата на периодот на осцилација. 66 5.2.3.1 Тешкотии и можни грешки. 67 5.3 Гравитропски нишало. 67 5.3.1 Основи. 67 5.3.2 Материјал. 68 5.3.3 Индукција на движењето на гравитропското нишало. 68 5.3.4 Регистрирање на движењето на нишалото, графика и евалуација. 68 5.3.5 Предлози за тестирање. 69 5.4 Ритми на перспирација. 69 5.4.1 Основи. 69 5.4.2 Материјал и методи на мерење. 72 6
Содржина 11.1 Воведна литература. 123 11.2 Хронобиолошки теми за училиштата. 123 12 Курсеви на универзитети, истражувачки проекти 127 13 Дидактички размислувања и концепти 131 13.1 Помагала за настава. 131 13.1.1 Програми и нивни опис, поврзани дискови. 132 13.1.2 Филмови, видео-филмови, слајдови. 133 13.1.3 Опрема, упатства, лабораториски материјал, извори на набавка. 134 13.1.4 Одгледување тест организми, извори на снабдување. 136 Индекс 146 Речник 147 Библиографија 161 9
Список на слики 6.1 Цвеќе на Каланхое. 78 6,2 ph ритам на клеточен сок од CAM растение. 78 6.3 Кивета „Оксалис“. 79 6.4 Регистрација на движењето на листот Оксалис. 80 6.5 Анатомија на зглобот на Оксалис. 80 6.6 Анатомија на цветот Каланхое. 81 6.7 Движење на ливчиња на Каланхое и вшмукување. 81 6,8 Кувета со цвеќиња од Каланхое. 82 6.9 Движење на ливчињата Каланхое: крива. 82 7.1 Таласомикса ритам. 87 7.2 Синхронизирана култура на Таласомикса. 87 8.2 Актограм на мува. 90 8.1 Примери за дневни и ноќни животни. 91 8.3 Housefly. 92 8.5 Летечки кафез. 93 8.4 Систем за регистрација. 94 8.6 Регистрирање активност на Дрософила. 95 8.7 Специјални пинцети. 96 8.8 Систем на регистрација за ритамот на ведење на Дрософила. 97 8.10 Метод на саѓи за ритамот на ведење на Дрософила: Пример. 97 8.9 Метод на саѓи за ритамот на ведење на Дрософила. 98 8.11 Време на спиење и будење на дете. 99 8.13 Просечен ден на ректалната температура на испитното лице. 101 8.12 Кривина на температурата и спиење/будење на испитно лице. 102 8.14 Тип на дневен ритам и хронобиолошка фаза. 103 9.1 Цветна пупка и вегетативна пупка од Фарбитис нула. 108 9.2 Критичен темен период на фарбитис. 109 9.3 Издувувач за пренесување мушички Дрософила. 110 10.1 Ритам на таложење на хитин. 120 12
Список на табели 1.1 Поени на времето за време на движењето на летоци Дезмодиум. 26 1.2 Поени на времето и стандардни грешки во страничното движење на летоци. 28 1.3 Измерени вредности на движењето на страничните летоци на Desmodium. 30 1.4 Покана за предавање. 33 8.1 Евалуација на типот на хронобиолошка фаза. 100 8.2 Тип на хронобиолошка фаза на различни лица за тестирање. 102 13
Дел I Методи и ресурси 19
1 Научна работа Слика 1.3: Сириските хрчаци се активни ноќе (лево) и преку ден одмараат (десно) а потоа може да се тестира во експерименти: Хипотеза на проблемот со феноменот Експериментален тест 1.1.2 Метод на формирање на повеќе хипотези и насочен заклучок Според Чембрлен (1965) и Плат (1964), научната работа е фаворизирана доколку се користи методот на формирање на повеќе хипотези и строг заклучок (силен заклучок) доследно се применува. Методот се состои од следниве чекори: 1 0 0 4 8 12 16 20 24 време од денот [часови] Слика 1.2: Проценка на интензитетот на мирисот на цвеќето на Exacum афин како функција на времето од денот од страна на три различни луѓе. Најјак мирис во раните попладневни часови. Средни вредности 22
1 Научна работа Странично движење на летоци 80 60 40 20 690 700 710 720 730 740 750 Време [мин] Слика 1.6: Временски тек на движењето на страничните летоци на Desmodium motorium Табела 1.1: Времиња на максимумот, минимумот и точките на вртење на движењето на страничниот леток Десмодиум не Максимална минимална точка на вртење нагоре точка на вртење по дното 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 26
1 Научна работа Табела 1.3: Табела за внесување на измерените вредности на движењето на страничните летоци Дезмодиум Време (сек) 15 25 35 Време (сек) 15 25 35 0 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 165 165 180 180 180 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 300 315 315 330 330 345 345 360 360 375 375 395 390 400 405 405 420 420 435 435 435 450 450 465 465 465 480 480 495 495 510 510 510 525 525 30
1.2 Научна комуникација СЕРИЈА НА КОЛОКВИЈА НА СПЕЦИЈАЛНАТА ИСТРАУВАЕ 45 Образлагач: Тема: Локација: Проф. Др. C. S. Pittendrigh Stanford Univ., САД Деноноќна ритмичност: Еволуционистички поглед Zoologisches Institut Frankfurt Siesmayerstr. 70 Мала сала за предавања Време: четврток, 17 декември 1987 година 18:30 часот Гостите се многу добредојдени потпишани проф. Д-р. G. Fleissner Ве молиме, забележете го и семинарот со проф. Питендриг следното утро за фотопериодизам: Говорник: проф. Д-р. C. S. Pittendrigh Тема: Еволутивно прилагодување на критичната дневна должина за промена на географската ширина Време: петок, 18 декември 1987 година, 09:30 часот Локација: Зоолошки институт Франкфурт, сала за состаноци (2 кат) Сисмајерстр. 70 Франкфурт, 1 декември 1987 година Табела 1.4: Покана за предавање 33
1 Научна работа Слика 1.9: Примери од експериментален протокол: Табели на содржина Слика 1.10: Примери од експериментален протокол: Влез страница 34
1.2 Научна комуникација Слика 1.13: Прва страница на Тековни содржини (лево), страница од индексот (горе десно) и пример на страница со содржина на списанието (долу десно). Под деноноќните ритми горниот десен агол е 127 41. На страна 127 (долу десно) е прикажана страницата со содржината на списанието Journal of Interdisciplinary Cycle Research. На страница 41 има дело за деноноќниот ритам на Квеироз-Крет и Квеироз 37
1 Научна работа Слика 1.12: Насловни страници на четирите списанија специјализирани за хронобиолошка работа: Весник за биолошки ритми, Истражување на биолошки ритам (претходно: Весник за интердисциплинарен циклус Слика 1.11: Пример од научно истражување), Chronobiology International, Citation Index Делото на Ј. Ашоф Хронобиологија (повеќе не се појавува) во Zeitschrift für Tierpsychologie 49, страница 225 од 1979 година, беше објавено од М. Ферер во Комп. Биок. A. 107, 81 (1994) и од Р.В. Питерс, Brain Res. 639: 217 (1994) цитиран 38
1 научна работа 42
3 Претставување и анализа на временските серии ) беа поделени на парчиња на вистинската слика, така што активноста на животните помеѓу 7 и 24 период е приближно една под друга. X-оската веќе не одговара на 24 часа, туку на должината на периодот во овој дел (околу 24,2 часа). Според Ралф и сор. (1996) 15 20 дена 25 30 35 0 6 12 18 24 време од денот (часови) Слика 3.5: Одредување на периодот со помош на наклонот на најдобрата линија. Должината на периодот е 24,6 часа (како што може да се види и кога се споредува положбата на најдобрата линија на 25-тиот ден (12 часот) и на 35-от ден (6 часот попладне): Разликата е 6 часа поделена на 10 (35-25) дава 0,6 (24 + 0,6 = 24,6) 52
4.4 Примери на модели Симулирани се ритми и однесување на комор кај стаорци (Диез-Ногуера (1994)) и муви (Хелфрих-Ферстер и Диез-Ногуера (1993)). Се базира на споени осцилатори, чии својства се разликуваат малку едни од други. Оваа состојба е честа кај организмите. 59
4 Работа со модели 60
Дел II Примери на набудувања и експерименти 61
5 ултрадијански ритми Агол [степени] 40 20 0 20 40 0 4 8 12 16 Време [часови] Слика 5.5: Тек на гравитропското движење на нишалото на хипокотил на империјален ветер по 30 минути гравитропна иритација Епидермална клетка Средна клетка Чувар на клетка Респираторна празнина Слика 5.6: Апарат за отворање на пукнатина во листот на овесно растение. Лево: пресек, десно: горен поглед. Заштитените клетки во форма на гира (десно) се проследени со секундарна клетка, која пак е во непосредна близина на епидермалните клетки. Респираторна празнина како дел од меѓуклеточниот систем 70
5.4 Ритми на перспирација 1800 Перспирација 1600 1400 1200 50 0 50 100 150 200 250 Време [мин] Слика 5.7: Ритмички тек на потење во лист од овес. Во времето 0, растението претходно чувано во темница било озрачено со бело светло. Резултатот е осцилации на транспирација (релативни единици) нормален статус на вода + _ содржина на вода во содржината на вода на секундарната ќелија во заштитната ќелија _ + отворање на апсорпција на вода во стомати акутно потење на статусот на вода Слика 5.8: Како се појавуваат осцилации на потењето кај листот од овес: Шема на колото за повратни информации Тековниот статус на водоснабдувањето се споредува со зададената точка (во горниот круг со знаци + и -). Ако има разлика, ова се користи како сигнал за грешка за да се влијае на ширината на стомата (затворете ги стоматите ако нивото на водата е прениско, отворете го ако е премногу високо). Времените одложувања се важни за вибрациите да се појават 71
5.5 Регистрација на движења со Дезмодиум 5.5.3 Експеримент Литиумските јони ја забавуваат осцилацијата во многу деноноќни ритми. Треба да се провери дали ова важи и за ултрадијанскиот ритам на моторот Дезмодиум. Размислете како би го спровеле експериментот. Кои концентрации би ги користеле, колку долго би ги пуштале мерењата, како изгледаат контролните тестови? 75
6 Дневни ритмички процеси кај растенијата Видео камера Зелена флуоресцентна ламба Екран Цветна кивета Дигитајзер Плексиглас диск 0,2 М раствор на шеќер Слика 1110000 1111 000000000000 111111111111000 1110000 1111 Компјутер 000000000000 11111111111111 0000 1111 000000000000 111111111111 0000 1111 цветни дупки со полиуретински дупки за цвеќиња на полиуретанот . Осветлување со две зелени флуоресцентни цевки, дополнително завиткани со зелена фолија. Регистрација со видео камера и дигитализација на сликата со помош на грабач на рамки и компјутер. Цветовите се прикажани на мониторот Слика 6.9: Оригинална крива и дигитално филтрирана крива на движење на ливчиња Каланхое 82
6 Дневни ритмички процеси кај растенијата ger (1988), Overland (1960)). Причината за ова често е прилагодување кон опрашување од инсекти. Испитајте различни цветни растенија и размислете како да го тестирате ритамот на чувствителност на носот. 84
8 Дневни ритмички процеси кај животни и луѓе 01-07 11-39 дена 5 10 15 20 25 30 35 0 6 12 18 24 Време на денот (двапати на ден) Слика 8.2: Пример на актограм (вид на тахограф) на домашна мува, нејзина локомоторна активност беше регистриран во првите 7 дена во 12:12 часа светло-темна промена и потоа 30 дена под постојани услови со слабо црвено светло на 22 0 С. Активности последователни денови еден под друг, време од денот се црта хоризонтално (скала од 0 до 24 часот, но секој ден се црташе двапати (двојно заговор). Податоците се добиени со методот на снимање на анализа на слика опишан и прикажан со графичка програма. Права линија преку соодветната активност -Почетоци може да се користат за одредување на периодот 90 година
8.3 Човечки дневни ритми Видео камера Дигитализатор на екранот Компјутерска слика 'рѓосана стаклена плоча Кутија Стаклена плоча Најлонска мрежа Мртва мува Црвена флуоресцентна ламба Бела хартиена лист Кукла за саѓи Слика 8.8: Систем за снимање за мерење на изведување на мушички Дрософила од попариум со видео камера, дигитализатор и компјутер со помош на Метод на саѓи. Светлината од две црвени флуоресцентни цевки се рефлектира со бела хартија на долната страна на држачите за кукли, од кои едната е прикажана подетално на долниот десен дел на сликата: Метална плоча со 10 * 10 дупки, секоја со кукла. Бела фино разделена мрежа спречува паѓање на куклите. Извесените мушички ја бришат саѓјата од долната страна на стаклените плочи. Црвеното светло може да се види од камерата на овие точки (види екран и слика 8.9). Податоците се зачувуваат и цртаат во функција на времето (види Слика 8.10) Хечтинг 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Време [денови] Слика 8.10: Пример за крива на ритамот на ведење на Drosophila pseudoobscura. Податоците се добиени со регистрација на саѓи и опишаната дигитализација на видеото и прикажани се со програмата OXALDIFI 97
8 Дневни ритмички процеси кај животни и луѓе Температура на телото [C] 38 37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 дена Слика 8.12: Тек на ректалната температура и периоди на спиење-будење на испитано лице. Спиење: темно, период на будење: светлосни ленти Табела 8.2: Тип на хронобиолошка фаза на различни лица за тестирање Презиме Име Име M/F тип на возраст temp.min. 102
8 Дневни ритмички процеси кај животни и луѓе 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 Ве молиме наведете го времето кога обично станувате. 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Наведете дали сте активна личност утре или вечер. 5 Екстремно активен утре. 4 Умерено активни наутро. 3 Ниту едното ниту другото. 2 Умерено активни навечер. 1 Екстремно активен навечер. За евалуација на прашалникот, видете Табела 8.1 106
9 Значење на деноноќните ритмови: фотопериодизам Слика 9.3: Издувувач за пренесување на мувите Дрософила По (2-) 3 недели, проверете ги женските животни за развој на јајцата (машките лесно се препознаваат по црвените тестиси). За да го направите ова, фатете го стомакот со две пинцети пинцети на часовничарот пред и зад, искинете го и прегледајте ја жолчката од јајце во вода со зголемување од 25x. Развиените јајници се многу поголеми. За 100 муви ви требаат околу 15 минути за преглед. Испитајте приближно 200 муви од различни култури за секое читање. Подгответе табела со вредностите и прикажете ги вредностите графички (% дијапауза во зависност од должината на периодот на светло). 110
Дел III Ритми во класа 111
9 Значење на деноноќните ритми: фотопериодизам 114