Figyelje meg, kísérletezze meg, mérje és értékelje a ritmusokat az organizmusokban - PDF ingyenes letöltés
Organizmusokban a ritmusok megfigyelése, kísérletezése, mérése és értékelése Wolfgang Engelmann Növénytani Növényélettani Intézet Tübingeni Egyetem Auf der Morgenstelle 1 D72076 Tübingen (NSZK) Tanáraim emlékére Erwin Bünning, Colin S. Pittendrigh és Jürgen Aschoff Tübingen 2004
Kiadja: Tobias-lib, Tübingeni Egyetemi Könyvtár: URL: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3790/ Licenc: http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de /doku/licenses/xx.html 5. kiadás, 2009 Az első kiadás 1998-ban jelent meg a http://www.uni.tuebingen.de/plantphys/bioclox címen, a 2. felülvizsgált kiadás 2002-ben, a 3. felülvizsgált kiadás 2004-ben a 4. kiadás 2007-ben átdolgozták a szöveget és a képeket. Angol nyelvű változat a Tobias-lib, Tübingeni Egyetemi Könyvtárban, a http://tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/volltexte/2009/3791/ címen, francia nyelvű változat pedig a Tobias-lib Tübingeni Egyetemi Könyvtárában található a http:/címen. /tobias-lib.ub.unituebingen.de/volltexte/2009/3792/ (Pierre Dieumegard fordítása). Tübingeni Egyetemi Könyvtár. Wolfgang Engelmann 2009 Ez a könyv a dokumentumok létrehozásának professzionális LYX rendszerével készült (http://www.lyx.org). A LATEX szedési rendszert használja. A vektorgrafikus képeket az xfig segítségével hozták létre Linux alatt. A diagramokhoz PyxPlot-ot használtunk. Köszönet: Dirk Engelmann (segítség a számítógépes munkában), John Dittami (javítások) és Petra Reinhard (korrektúra), Schneider-Uhle illusztrációk és diákok (visszajelzés)
Figyelje meg. Unokáim felvétele Dirk Engelmann által 3
Tartalomjegyzék Előszó 15 Bevezetés 17 I Módszerek és források 19 1 Tudományos munka 21 1.1 Hogyan végezzük el a vizsgálatokat. 21 1.1.1 Bevezetés. 21 1.1.2 Többféle hipotézis létrehozásának módszere. 22 1.1.3 Hipotézisek tesztelése, adatok elemzése és értelmezése. 24 1.1.3.1 Hipotézisek megfogalmazása: kacsa ivása. 24 1.1.3.2. Az adatok elemzése és értelmezése. 25 1.1.3.3 Tervezés, megvalósítás és értékelés. 27 1.1.3.4 Példa egy probléma megoldására. 29 1.1.4 Vizsgálati protokoll. 29 1.2 Tudományos kommunikáció. 32 1.2.1 Bevezetés. 32 1.2.2 Hogyan jelentik a tudósok az eredményeiket? 32 1.2.3 Tudományos publikáció: példa. 35 1.2.4 Saját tudományos cikk megírása. 35 1.2.5 Irodalomkeresés. 36 1.3 Viták a tudományban. 39 1.4 Megoldatlan problémák. 40 2 Regisztrációs módszerek 43 2.1 Videó regisztráció és a ritmusok értékelése. 43 2.1.1 Bevezetés. 43 2.1.2 A regisztráció elve. 43 2.1.3 Regisztráció. 43 2.2 Az állatok mozgásának regisztrálása fénysorompókkal. 44 2.2.1 Bevezetés. 44 2.2.2 A regisztráció elve. 44 3 Idősorok megjelenítése és elemzése 47 3.1 Bevezetés. 47 5
Tartalomjegyzék 3.2 Elemi kifejezések. 47 3.3 Az idősorok grafikus ábrázolása. 48 3.4 Simítás. 49 3.5 A trendek kiigazítása. 50 3.6 Idősor-elemzési módszer. 50 3.6.1 RUN teszt. 50 3.6.2 Frekvencia hajtogatás. 51 3.6.3 Digitális szűrők. 51 3.6.4 Maximális entrópia spektrális elemzés. 53 3.6.5 Jelátlag. 53 3.6.6 Aktogram kijelzése. 53 3.6.7 TIMESDIA. 53 3.6.8 MATLAB. 54 4 Munka a modellekkel 55 4.1 Bevezetés. 55 4.2 Modellezés és szimuláció a MODUS-szal. 55 4.3 Modellezés és szimuláció más programokkal. 56 4.4 Modell példák ritmusokra. 56 4.4.1 Visszajelzési modell a biológiai ritmusokhoz. 56 4.4.2 Ragadozó-zsákmány modell. 57 4.4.3 Modellezés, szimuláció modellel. 58 II Példák megfigyelésekre és kísérletekre 61 5 Ultradián ritmusok 63 5.1 Bevezetés. 63 5.2 Kémiai oszcillátor. 63 5.2.1 Alapok. 63 5.2.2 Bemutató. 65 5.2.2.1. Megvalósítás. 65 5.2.2.2 A kémiai aktivitás hullámmintája. 65 5.2.3 Az oszcillációs periódus hőmérsékletfüggése. 66 5.2.3.1 Nehézségek és lehetséges hibák. 67 5.3 Gravitropikus inga. 67 5.3.1 Alapok. 67 5.3.2 Anyag. 68 5.3.3 A gravitropikus inga mozgásának indukciója. 68 5.3.4 Az inga mozgásának, grafikájának és értékelésének regisztrálása. 68 5.3.5 Tesztjavaslatok. 69 5.4 Izzadásritmusok. 69 5.4.1 Alapok. 69 5.4.2 Anyag és mérési módszerek. 72 6
Tartalomjegyzék 11.1. Bevezető irodalom. 123 11.2 Kronobiológiai témák az iskolák számára. 123 12 Tanfolyamok egyetemeken, kutatási projektek 127 13 Didaktikai szempontok és koncepciók 131 13.1 A tanítás segédeszköze. 131.1.1.1 Programok és azok leírása, a hozzájuk tartozó lemezek. 132 13.1.2 Filmek, videofilmek, diák. 133 13.1.3 Felszerelés, utasítások, laboratóriumi anyagok, beszerzési források. 134 13.1.4. A tesztorganizmusok tenyésztése, táplálékforrások. 136 Tárgymutató 146 Szójegyzék 147 Irodalomjegyzék 161 9
6.1. Ábra: Kalanchoe virágok. 78 A CAM növény sejtnedvének 6.2 ph ritmusa. 78 6.3 Oxalis küvetta. 79 6.4 Az Oxalis levélmozgás regisztrálása. 80 6.5 Az Oxalis ízület anatómiája. 80 6.6 A Kalanchoe virág anatómiája. 81 6.7 Kalanchoe szirommozgása és szívása. 81 6.8 Kalüboe virágú küvetta. 82 6.9 Kalanchoe szirommozgás: görbe. 82 7.1 Thalassomyxa ritmus. 87 7.2 Szinkronizált thalassomyxa tenyészet. 87 8.2 Actogram egy házilégy. 90 8.1 Példák nappali és éjszakai állatokra. 91 8.3 Housefly. 92 8.5 Légy ketrec. 93 8.4 Nyilvántartási rendszer. 94 8.6 A Drosophila-tevékenység regisztrálása. 95 8.7 Speciális csipesz. 96 8.8 Regisztrációs rendszer a Drosophila keltetési ritmusához. 97 8.10 Korom módszer a Drosophila keltetési ritmusához: Példa. 97 8.9 Korom módszer a Drosophila keltetési ritmusához. 98 8.11 Kisgyermek alvási ébrenléti ideje. 99 8.13 A vizsgált személy rektális hőmérsékletének átlagos napja. 101 8.12 Hőmérsékleti görbe és a teszt személy alvása/ébrenléte. 102 8.14 Napi ritmus és kronobiológiai fázistípus. 103 9.1 A Pharbitis virágrügye és vegetatív rügye nulla. 108 9.2 A pharbitis kritikus sötét periódusa. 109 9.3 Kipufogó a Drosophila legyek áthelyezéséhez. 110 10.1 Kitin lerakódási ritmus. 120 12
Táblázatok listája 1.1 Időpontok a Desmodium szórólap mozgatása során. 26 1.2 Időpontok és szokásos hibák az oldalsó szórólap mozgatásában. 28 1.3 A Desmodium oldalsó szórólap mozgásának mért értékei. 30 1.4 Meghívás előadásra. 33 8.1 A kronobiológiai fázistípus értékelése. 100 8.2 Különböző vizsgálati személyek kronobiológiai fázistípusa. 102 13
I. rész Módszerek és források 19
1 Tudományos munka 1.3. Ábra: A szíriai hörcsögök éjszaka aktívak (balra), nappal pedig pihennek (jobbra) 4 3 1.1. Ábra: Lóhere nappali (balra) és éjszakai helyzetre (jobbra), az illaterősség felülnézete 2 azokra a kérdésekre, amelyekre kísérleti úton hipotéziseket adtak majd kísérletekben kipróbálható: Jelenség Probléma hipotézis Kísérleti teszt 1.1.2 Többszörös hipotézisképzés módszere és célzott következtetés Chamberlain (1965) és Platt (1964) szerint a tudományos munka előnyös, ha a többszörös hipotézisképzés és a szigorú következtetés módszerét alkalmazzák (erős következtetés) következetesen érvényes. A módszer a következő lépésekből áll: 1 0 0 4 8 12 16 20 24 napszak [órák] 1.2. Ábra: Az Exacum affin virágainak illatintenzitásának becslése a napszak függvényében három különböző ember által. A legerősebb illat kora délután. Átlagos értékek 22
1 Tudományos munka Oldalirányú szórólapmozgatás 80 60 40 20 690 700 710 720 730 740 750 Idő [perc] 1.6. Ábra: A Desmodium motorium oldalsó szórólap mozgásának időbeli lefolyása 1.1. alul 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 26
1 Tudományos munka 1.3. Táblázat: Táblázat a Desmodium oldalsó szórólap mozgásának mért értékeinek megadásához Idő (sec) 15 25 35 Idő (sec) 15 25 35 0 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 165 165 180 180 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 510 510 525 5 5 5 5 5 5 5 525 30
1.2 Tudományos kommunikáció A KÜLÖNLEGES KUTATÁSI TERÜLET KOLLOKKUSOKSORA 45 Előadó: Téma: Helyszín: Prof. Dr. C. S. Pittendrigh Stanford Univ., USA Cirkadián ritmusosság: Evolucionista nézet Zoologisches Institut Frankfurt Siesmayerstr. 70 Kis előadóterem Időpont: 1987. december 17, csütörtök 18:30 A vendégeket szeretettel várjuk, aláírt Prof. Dr. G. Fleissner Kérjük, vegye figyelembe a másnap reggel Pittendrigh professzorral folytatott szemináriumot a fotoperiodizmusról: Előadó: Prof. Dr. C. S. Pittendrigh Téma: A kritikus naphossz evolúciós beállítása a szélességi fok változásához Idő: 1987. december 18., péntek, 9:30 Helyszín: Frankfurt Állattani Intézet, tárgyaló (2. emelet) Siesmayerstr. 70 Frankfurt, 1987. december 1. 1.4. Táblázat: Meghívás egy előadásra 33
1 Tudományos munka 1.9. Ábra: Példák kísérleti protokollból: Tartalomjegyzék 1.10. Ábra: Példák kísérleti protokollról: 34. oldal
1.2 Tudományos kommunikáció 1.13. Ábra: Az Aktuális tartalom kezdőlapja (bal oldalon), egy oldal a tárgymutatóból (jobb felső sarokban) és egy oldalpélda a magazin tartalomjegyzékével (jobb alsó sarokkal). A cirkadián ritmusok alatt a jobb felső sarokban 127 41. A 127. oldalon (jobb alsó sarokban) a Journal of Interdisciplinary Cycle Research tartalomjegyzékével ellátott oldal látható. A 41. oldalon található Queiroz-Claret és Queiroz 37 cirkadián ritmusokról szóló munkája
1 Tudományos munka 1.12. Ábra: A kronobiológiai munkára szakosodott négy folyóirat fedőlapjai: Journal of Biological Rhythms, Biological Rhythm Research (előtte: Journal of Interdisciplinary Cycle 1.11 ábra: Példa a Science Research-től), Chronobiology International, Citation Index. J. Aschoff Chronobiologia (már nem jelenik meg) műve a Zeitschrift für Tierpsychologie 49-ben, 1979. 225. oldal, M. Ferrer kiadásában jelent meg a Comp. Bioc. A. 107, 81 (1994) és R.V. Peters, Brain Res. 639: 217 (1994) idézi a 38-at
1 Tudományos munka 42
3 Idősorok ábrázolása és elemzése 0 Modulo 24 0 Modulo 24,2 7 7 nap 14 nap 14 21 21 0 6 12 18 24 Napszak 0 0 6,05 12,1 18,15 24,2 A nap időszaka 3.4 ábra: A frekvencia hajtogatásának módja: A 24 órás rácsban ábrázolt aktivitási csíkok (balra) ) a jobb képen darabokra bontották, így az állatok aktivitása a 7. és 24. periódus között nagyjából egymás alatt van. Az x tengely már nem 24 órának felel meg, hanem a szakasz hosszának ebben a szakaszban (kb. 24,2 óra). Ralph és mtsai. (1996) 15 20 nap 25 30 35 0 6 12 18 24 napszak (óra) 3.5. Ábra: Időszakmeghatározás a legjobban illeszkedő vonal meredekségének segítségével. Az időszak hossza 24,6 óra (amint az a legjobban illeszkedő vonal helyzetének összehasonlításakor is látható a 25. napon (12 óra) és a 35. napon (18 óra): A különbség 6 óra osztva 10-vel (35-25) 0,6 (24 + 0,6 = 24,6) 52-et eredményez
4.4 Modellpéldák Ritmusokat és komotor viselkedést patkányokon (Diez-Noguera (1994)) és legyeken (Helfrich-Förster és Diez-Noguera (1993)) szimuláltunk. Csatolt oszcillátorokon alapul, amelyek tulajdonságai kissé eltérnek egymástól. Ez a helyzet gyakori az organizmusokban. 59
4 Munka a 60-as modellekkel
II. Rész Megfigyelések és kísérletek 61
5 Ultradián ritmusok Szög [fok] 40 20 0 20 40 0 4 8 12 16 Idő [óra] 5.5. Ábra: A birodalmi szél hipokotiljának gravitropikus inga mozgásának menete 30 perc gravitropás irritáció után Epidermális sejt Másodlagos sejt Őrzősejt Légzőüreg 5.6. Ábra: Repedésnyitó készülék zabnövény levelében. Bal: keresztmetszet, jobb: felülnézet. A súlyzó alakú őrsejteket (jobbra) egy-egy szekunder sejt követi, amely viszont az epidermális sejtekkel szomszédos. A légzőüreg az intercelluláris rendszer részeként 70
5.4 Izzadási ritmusok 1800 Izzadás 1600 1400 1200 50 0 50 100 150 200 250 Idő [perc] 5.7. Ábra: Ritmikus izzadási folyamat egy zablevélben. 0 időpontban a korábban sötétben tartott növényt fehér fénnyel besugározták. Ennek eredményeként transzpirációs oszcillációk (relatív egységek) normális víztartalom + _ az őrsejt másodlagos cellavíztartalmának víztartalma _ + a sztómák vízfelszívódásának nyitása akut vízállapotú izzadás 5.8. Ábra: Hogyan alakulnak ki az izzadási rezgések egy zablevélben: A visszacsatoló áramkör sémája A vízellátás jelenlegi állapotát összehasonlítjuk az alapértékkel (a felső körben + és - jelekkel). Ha van különbség, akkor ezt hibajelként használják a sztómák szélességének befolyásolására (zárja be a sztómákat, ha a vízszint túl alacsony, nyissa ki, ha túl magas). Az időkésések fontosak a rezgések előfordulásához 71
5.5 Mozgások regisztrálása Desmodium-tal 5.5.3 Kísérlet A lítiumionok sok cirkadián ritmusban lassítják az oszcillációt. Meg kell vizsgálni, hogy ez vonatkozik-e a Desmodium motorium ultradian ritmusára is. Gondoljon arra, hogyan végezné a kísérletet. Milyen koncentrációkat használna, meddig hagyná végezni a méréseket, hogyan néznek ki az ellenőrző tesztek? 75
6 Napi ritmikus folyamatok növényekben Videokamera Zöld fluoreszkáló lámpa Képernyővirág küvetta Digitizer Plexi tárcsa 0,2 M Cukoroldat Kép 1110000 1111 000000000000 111111111111000 1110000 1111 Számítógép 000000000000 111111111111 0000 1111 000000000000 111111111111 0000 1111 virág: a poliur . Világítás két zöld fénycsővel, ráadásul zöld fóliával. Regisztráció videokamerával és a kép digitalizálása keretfogó és számítógép segítségével. A virágokat a monitor mutatja: 6.9. Ábra: Kalanchoe szirommozgás eredeti görbéje és digitálisan szűrt görbéje 82
6 Napi ritmikus folyamatok növényekben ger (1988), Overland (1960)). Ennek oka gyakran a rovarok beporzásához való alkalmazkodás. Vizsgálja meg a különféle virágos növényeket, és gondolkodjon el arról, hogyan lehet tesztelni az orr érzékenységi ritmusát. 84.
8 Napi ritmikus folyamatok állatokban és emberekben 01-07 11-39 nap 5 10 15 20 25 30 35 0 6 12 18 24 Napszak (naponta kétszer) 8.2. Ábra: Példa egy házi légy aktogramjára (egyfajta tachográfjára), mozgásszervi aktivitására az első 7 napban 12:12 órás világos-sötét változásban, majd 30 napig állandó körülmények között, gyenge vörös fény mellett, 22 0 C-on. Az egymást követő napok tevékenységei egymás alatt, a napszak vízszintesen ábrázolva (skála 0 és 24 óra között, de minden nap kétszer ábrázolva (kettős diagram). Az adatokat a képelemzési rögzítési módszerrel nyertük, amelyet egy grafikus program ismertetett -A kezdetekkel meghatározható a 90-es időszak
8.3 Emberi napi ritmusok Videokamera Képernyő-digitalizáló Számítógépes kép Rozsdás üveglemez Doboz Üveglemez Nylon háló Holt légy Piros fénycső Fehér papírlap Korombaba 8.8. Ábra: Rögzítő rendszer a Drosophila legyek kikelésének mérésére a pupariumból videokamerával, digitalizálóval és számítógéppel. Korom módszer. Két piros fluoreszkáló cső fényét fehér papír tükrözi a babatartók alsó oldalán, amelyek közül az egyik részletesebben látható a kép jobb alsó részén: 10 * 10 lyukú fémlemez, egyenként egy babával. Fehér, finom szemű háló megakadályozza a babák kidőlését. A kikelt legyek letörlik az üveglapok alsó részén a koromot. A fényképezőgép ezeken a pontokon vörös fényt láthat (lásd a képernyőt és a 8.9. Ábrát). Az adatok mentése és ábrázolása az idő függvényében történik (lásd 8.10. Ábra) Keltetés 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Idő [napok] 8.10. Ábra: Példa a Drosophila pseudoobscura keltetési ritmusának görbéjére. Az adatokat a korom regisztrálásával és a leírt videó digitalizálással nyertük, és az OXALDIFI programmal 97 jelenítettük meg
8 Napi ritmikus folyamatok állatokban és emberekben Testhőmérséklet [C] 38 37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 nap 8.12. Ábra: A rektális hőmérséklet és az alvás-ébrenlét periódusának alakulása egy teszt személynél. Alvás: sötét, ébrenléti időszak: világos csíkok 8.2. Táblázat: Különböző vizsgálati személyek kronobiológiai fázistípusa Vezetéknév Keresztnév M/F kortípus hőm. 102
8 Napi ritmikus folyamatok állatokban és emberekben Példa: 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 Kérjük, adja meg azt az időpontot, amikor általában felkel. 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Jelezze, hogy holnap vagy este aktív ember-e. 5 Rendkívül aktív holnap. 4 Mérsékelten aktív reggel. 3 Sem az egyik, sem a másik. 2 Mérsékelten aktív este. 1 Rendkívül aktív este. A kérdőív értékeléséhez lásd a 8.1. Táblázatot 106
9 A cirkadián ritmusok jelentése: fotoperiodizmus 9.3. Ábra: A Drosophila legyek transzferjének kimerítője (2-) 3 hét után ellenőrizze a nőstény állatok petesejtjét (a hím állatok vörös heréjükről könnyen felismerhetők). Ehhez fogja meg a hasat két hegyes órás csipesszel elöl és hátul, tépje fel és nézze meg a tojássárgáját a vízben 25-szeres nagyítással. A kifejlett petefészkek sokkal nagyobbak. 100 legyért körülbelül 15 percre van szüksége a vizsgálathoz. Minden olvasáshoz vizsgáljon meg körülbelül 200 legyet a különböző tenyészetekből. Készítsen elő egy táblázatot az értékekről, és jelenítse meg az értékeket grafikusan (% diapause a fényidő hosszától függően). 110
III. Rész A 111. osztály ritmusai
9 A cirkadián ritmusok jelentése: fotoperiodizmus 114