TRABAJO PRÁCTICO N° 8 Percepción de la luz polarizada en la abeja Apis mellifera

INTRODUCCIÓN TEÓRICA: Características físicas de la luz polarizada La luz puede comportarse como una onda o como una partícula. Según la teoría electromagnética, la luz en su carácter de onda es transversal, es decir que está restringida al plano del frente de onda, y las magnitudes que vibran son los vectores eléctricos y magnéticos. La luz blanca cambia al azar su ángulo de vibración cada 10-8 seg, de manera que el efecto medio es completamente simétrico alrededor de la dirección de propagación. Mientras que la luz polarizada posee un plano preferido de vibración. Al atravesar la atmósfera terrestre la luz se dispersa, produciendo un patrón de polarización que sufre variaciones en intensidad, grado de polarización y ángulo de polarización (Fig. 1). Las direcciones de polarización (dirección de los vectores E) producen así patrones regulares caracterizados por un plano de simetría formado por el meridiano denominado solar-antisolar. Los vectores E forman círculos concéntricos alrededor del sol, aumentando su grado de polarización al alejarse de él, alcanzando su máximo a lo largo de un círculo situado a 90º del sol. A medida que varía la elevación del sol sobre el horizonte, cambia también el patrón de los vectores E. Sin embargo, la simetría especular se conserva. Figura 1: Patrón de los vectores E de luz polarizada en la bóveda celeste. Las barras negras indican la dirección y el ángulo de polarización de estos vectores. El punto negro representa el sol; Z, el zenit; SM, el meridiano solar; AM, el antisolar. (Wehner 1989).

Animales especializados en la detección de luz polarizada Algunos insectos utilizan como clave espectral al patrón de luz polarizada como “compás celeste” (von Frisch 1967). Así pueden orientarse aún cuando sólo un pequeño parche del cielo es visible. El patrón de luz polarizada presente en el cielo diurno puede ser “reconstruido” en el arreglo bidimensional de los fotorreceptores existentes en el ojo de estos insectos (Wehner 1994). Esto ha

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sido ampliamente estudiado en algunos insectos como la abeja Apis mellifera, la hormiga del desierto Cataglyphis, la langosta Locusta migratoria, entre otros. Los sistemas de detección Los insectos estudiados poseen ojos compuestos del tipo de aposición, en donde cada unidad visual, llamada omatidio, se encuentra ópticamente aislada. Estas unidades se conforman de 8-9 células fotorreceptores, las cuales poseen predominantemente algún tipo de foto-pigmento como el verde, azul o UV (Fig. 2). En el caso de las abejas y las hormigas del desierto sólo la parte dorsal del ojo compuesto es sensible a la percepción de luz polarizada, denominada área POL (Wehner y Strasser 1985). La zona dorsal del ojo de la abeja posee aproximadamente 150 omatidios especializados con un arreglo ortogonal de microvellosidades que convergen centralmente, lo que se denomina rabdoma. En esta zona las microvellosidades que provienen de fotorreceptores UV poseen una distribución tal de los foto-pigmentos, que sólo la luz con un determinado ángulo de polarización pueda atravesar el rabdoma hasta llegar a las neuronas sensoriales, desencadenando un potencial generador. De allí que cada omatidio de la zona POL presente diferentes ángulos preferidos de polarización, conformando una distribución que imita la de los vectores E presentes en la bóveda celeste. De ese modo el insecto posee una representación interna del cielo, que al rotar, alcanza un máximo apareamiento cuando la disposición de los receptores polarizados coincide con el patrón de los vectores E del cielo. A este tipo de estructuras se las denomina “matched filters” (Wehner 1987). Los matched filtres, si bien limitan la cantidad de información que se procesa, evitan la realización de operaciones complicadas y energéticamente costosas. Por otro lado, las microvellosidades en donde se localizan los foto-pigmentos se distribuyen ortogonalmente a lo largo del rabdoma, lo que permite amplificar la respuesta de las interneuronas involucradas, haciéndose máxima cuando los vectores E coinciden con el eje de las mismas, al disponerse perpendicularmente. Esto permite aumentar la especificidad de los rabdomas para detectar la orientación de los vectores E.

Figura 2: A) Anatomía básica de un ojo compuesto de aposición. Vista general presentando un gran número de unidades, los omatidios. B) Un fotorreceptor simple (rabdómero) con las microvellosidades sensibles. C) Microvilli con disposición de los foto-pigmentos al azar (arriba), o alineados a lo largo del eje (abajo). (Esquema de Rossel 1989).

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El uso de la luz polarizada durante la navegación La búsqueda de alimento involucra técnicas de navegación muy sofisticadas que incluyen el reconocimiento de marcas del terreno, la utilización del sol y el patrón de diferentes claves espectrales como la luz polarizada como compás, entre otros. Al regresar a la colmena luego de encontrar una fuente de alimento, las abejas llevan a cabo sobre el panal comportamientos muy estereotipados definidos como “la danza de reclutamiento” (von Frisch 1967). Estas maniobras suelen ser caminatas con trayectorias en forma de círculos, si el alimento encontrado está a corta distancia de la colonia (a menos de 100 mts) o en forma de ocho si se encuentra a mayor distancia. Durante la danza en ocho o también denominada de contoneo la abeja representaría la localización de la fuente de alimento sobre el panal. Durante esta danza la abeja realiza sucesivas trayectorias rectas en el plano vertical del panal, en donde el ángulo que forma el contoneo recto y el eje de la gravedad se correlaciona con el ángulo formado entre el sol y la fuente de alimento, tomando como vértice a la colmena (Fig. 3). Es decir que el animal realiza una transducción del plano horizontal y luminoso del paisaje exterior al plano vertical y oscuro de la colmena. El estudio de las claves espectrales utilizadas para dicha transducción es el objetivo de este trabajo práctico.

A

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Figura 3: A) Luego de regresar de una fuente lejana, la recolectora despliega la danza de contoneo o en ocho . La parte recta (waggle-run) del recorrido conforma un ángulo con el eje gravitacional que coincide con el formado entre la fuente, el sol y la colmena. B) y C) La fuente de alimento ubicado a 0o y a 40º respecto al sol (von Frisch 1967).

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OBJETIVOS Las abejas recolectoras pueden danzar en el plano horizontal, indicando con sus contoneos rectos la dirección de la fuente de alimento explotada. Ya que esa respuesta se basa en la utilización de claves espectrales entre las que se encuentran los componentes polarizados de la luz, se analizará a la danza como un indicador sensible frente a cambios en los componentes polarizados de la luz. Generales - Interiorizarse en aspectos de Fisiología Sensorial a partir de experimentos de comportamiento. Particulares - Demostrar la participación de un sistema sensorial capaz de percibir luz polarizada, tomando como modelo experimental a la abeja doméstica Apis mellifera.

MATERIALES Y METODOS Se utilizará una colonia de abejas domésticas de la especie Apis mellifera. La misma estará ubicada en el interior de un marco de madera que permita alojar un cuadro o panal con alrededor de 2000 individuos. Ambas caras del mismo estarán cubiertas por vidrios traslúcidos, lo que permite observar el interior de la colmena. Durante el trabajo práctico la colmena se ubicará en posición horizontal, siendo cubierto por un domo opaco según el diseño de la Figura 4. En la parte superior del domo se instalará una cámara de video del tipo CCD con emisores infrarrojo que permiten la captación de imágenes a muy baja intensidad de luz. En otro orificio del domo un filtro del tipo polaroid intercederá entre una fuente de luz fría (tubo fluorescente de 6 Watts que emita longitudes de onda tanto del espectro visible como de UV) y la colmena. De esta forma la luz emitida puede polarizarse. Las imágenes serán filmadas para luego ser analizados estadísticamente.

Figura 4. Diseño experimental

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Lugar donde se realizarán los experimentos El presente trabajo práctico se realizará en el Laboratorio del Campo Experimental de la FCEN. Preguntas y experimentos a realizar: 1) ¿Perciben las abejas variaciones en el componente polarizado de la luz? Analizar el comportamiento de danza en abejas que retornan del exterior a una colmena expuesta a distintas situaciones experimentales: - Colmena en posición vertical / Oscuridad. - Colmena en posición horizontal / Oscuridad. - Colmena en posición horizontal / Luz difusa (UV sin componentes de luz polarizada). - Colmena en posición horizontal / Luz polarizada (mediante el uso de un filtro Polaroid). 2) ¿Responden a cambios en el ángulo de polarización? Abejas danzarinas expuestas a un determinado ángulo de polarización (tratamiento Horizontal / Luz polarizada), serán sometidas a un cambio de ángulos de polarización (90°) durante la ejecución de la danza. Desarrollo del Trabajo Práctico Cada situación experimental será mantenida durante 30 min con el fin de poder contar con registros de comportamiento suficientes para su posterior análisis. Los comportamientos desplegados por las abejas danzarinas serán registrados en cintas de video. Luego de ese período una nueva estimulación lumínica será presentada siguiendo un orden aleatorio. Con posterioridad a los tres tratamientos se mantendrá la estimulación con luz polarizada y luego de 2 minutos el ángulo de polarización será variado en 90° (se debe girar el filtro Polaroid en 90°). Esto puede realizarse más de una vez. Se analizarán las cintas de video, midiendo los ángulos de danza consecutivos realizados por cada individuo marcado como se define en el item Variables a registrar. Los datos obtenidos serán incorporados en una planilla de tipo Excel. Luego se procederá a realizar la estadística correspondiente (estadística circular descriptiva, ver item Estadística a utilizar) a través de la utilización del programa “Oriana”. Variables a registrar Al retornar de una fuente de alimento las abejas despliegan habitualmente la denominada danza de reclutamiento (von Frisch 1967). Durante los experimentos se registrará el ángulo de cada tramo recto (wagle-run) respecto de la fuente de alimento en función de diferentes estímulos luminosos utilizando una filmina sobre el monitor, marcando con una flecha la dirección, y luego medir el ángulo con un transportador. Estadística a utilizar Debido a que los datos obtenidos serán ángulos, la estadística más apropiada es la circular. Partiendo de un simple análisis descriptivo a partir del programa “Oriana” se obtendrán el ángulo medio de danza frente a un determinado estímulo luminoso, el

coeficiente de correlación angular µ (1) y la dispersión angular D (2) de los mismos (Batschelet 1965). (1) µx = Σcosα i=1 . N µy = Σsenα i=1 . N µ =  (µx2 + µy2) (2) D =  [2 (1-µ)] donde µ es el módulo del vector resultante y que puede tomar un valor entre 0 y 1, D es la dispersión de µ y µx y µy son las coordenadas del vector resultante. BIBLIOGRAFÍA Batschelet E (1965). Statistical methods for the analysis of problems in animal orientation and certain biological rhythms. AIBS monograph. von Frisch K (1967). The dance language and orientation of the bees. Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts. Rossel S (1989). Polarization sensitivity in compound eyes.En: Facets of vision. Eds.: Staveng, Hardie. Springer, Berlin. 298-316 Wehner R (1987). „Matched filters‟ – neural models of the external world. J Comp Physiol A 161:511-531 Wehner R (1989). Neurobiology of polarization vision. TINS 9:353-359 Wehner R (1994). The polarization-vision project: championing organismic biology. In: Neural basis of behavioral adaptations. Eds: Schildberger K and Elsner N. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart. pp. 103-143. Wehner R, Strasser S (1985). The POL area of the honey bee‟s eye: behavioural evidence. Physiol Entomol 10:337-349

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