Tópicos en Ecofisiología de Insectos

DBBE-FCEN-UBA

2016

Contenido de la charla • Breve historia de las medidas metabólicas • Mediciones indirectas de metabolismo • Medición de consumo de O2 y producción de CO2 (ventajas

y desventajas) • Respirometría de flujo cerrado y abierto (ventajas y

desventajas) • Calculo de RQ • Efecto de la temperatura en el metabolismo. Calculo de

Q10. Animales homeotermos y heterotermos. Tasa metabólica estándar o de reposo (SMR). Tasa metabólica basal (BMR).

• Efecto de la actividad en el metabolismo. GCOT, NCOT y MCOT

Leonardo da Vinci (1452-1519)

“Where flame cannot live, no animal that draws breath can live” From Codex Atlanticus.

Breve historia de las medidas metabólicas

Se sabía que la vida dependía del aire, pero ¿Qué era el aire?¿ Cómo mantenía la vida?

Charcoal contained a vital substance that in and of itself supported life.

George Stahl (1660-1734)

phlogiston

Breve historia de las medidas metabólicas

John Mayow (1640-1679)

Robert Boyle (1627-1691)

Antoine Lavoisier (1743-1794)

Marie-Anne Paulze (1758-1836)

Metabolismo

• Anabolismo

– Ensamble de sustancias simples en moléculas mas complejas (requiere energía). Regeneración, crecimiento, etc

• Catabolismo

– Ruptura y desglose de moléculas complejas en simples con liberación de energía. Parte de la energía guardada en forma de ATP.

Medidas metabólicas

• Calorimetría directa

• Calorimetría indirecta

– calculado por tasa de ingestión y excreción

– Radioisótopos

– Calculado por intercambio de gases (respirometría de flujo abierto y cerrado)

Lavoisier primero en medir TM a través de la tasa de formación de agua:

Kleiber, M. 1975. The Fire of Life, Kreiger Publ.

Hielo Aislamiento

Calorimetría directa

Calor Latente de fusión (hielo) = 334 J/gr. hielo a 0ºC.

En 10 horas el cobayo derritió 370 gramos de hielo.

Por lo tanto, el cobayo produce 12358 J de calor por hora o 12.4 kJ/hr.

CALOR PERDIDO = CALOR PRODUCIDO

Radisotopos (agua doble marcada): Oxigeno se pierde como: CO2 y H20

Hidrogeno se pierde como: H2O

La diferencia en las tasas de perdida de O e H esta dada por la emision de CO2

CO2 H2O

H2O

H2O

3H218O

% r

est

ante

(E

scal

a lo

g)

Tiempo

100

0

3H

Pendiente = tasa de 3H perdido solo en H2O 18O

Pendiente = tasa de 18O perdido en H2O y CO2

T1 T2

PREGUNTA: Como calcular la tasa de producción de CO2?

RESPUESTA: Diferencia entre las dos pendientes

Medidas metabólicas

• Calorimetría directa

• Calorimetría indirecta

– calculado por tasa de ingestión y excreción

– Radioisótopos

– Calculado por intercambio de gases (respirometría de flujo abierto y cerrado)

Respirometria

O en aire!

Se puede medir SMR O TM nadando a diferentes velocidades

Se puede medir BMR O TM a diferentes temperaturas

Respirometria con una mascara

BMR y TM vuelo

Temperature Controller

CO2

analyzer

- H2O - CO2

room air

Air pump

Air-flow meter

& controller

Activity detector

A/D Converter

Temperature meter

Medidas metabólicas: deuda de O2

Medidas metabólicas: RQ

Se asume que: 1) Solo se metaboliza carbohidratos, grasas y proteínas. 2) No hay síntesis 3) La cantidad de CO2 exhalado en un tiempo determinado es igual a la cantidad producida por los tejidos

Cambios del metabolismo por:

1. Reproducción

2. Digestión

3. Masa

4. Temperatura

5. Actividad

Metabolismo

• Metabolismo Basal (BMR) – Tasa metabólica estable en aves y mamíferos

adultos no reproductivos, en la fase inactiva de su ritmo circadiano dentro de la zona termoneutral.

• Tasa metabólica de reposo o estándar (SMR) – Metabolismo de reposo y con cierto ayuno de

animales ectotérmicos a cierta temperatura.

• Aerobic metabolic scope – El cociente entre la tasa metabólica máxima y la

BMR o SMR.

1. Efecto de reproducción

Rada (2014) Tesis licenciatura

1. Efecto de reproducción

Rada (2014) Tesis licenciatura

Tiempo

Tas

a M

eta

ból

ica alimentación

Post-absorción absorción Post-absorción

La digestión consume energía!

En una pitón la digestión es la acción energéticamente mas costosa que hacen!

¿Por qué la medición de la BMR es post-absorción de alimento?

2. Efecto de la digestión

2. Efecto de la digestión

Rolandi, Iglesias & Schilman (2014) J. Exp. Biol.

3. Efectos del tamaño (masa)

• Isometría

– Las dimensiones se mantienen proporcionales independientemente del tamaño

• Alometría

– Cambios sistemáticos en las proporciones con un aumento del tamaño

3. Efecto de la masa

Funciones exponenciales

y = a Masa b

constante exponente

Alometría = Y no varia 1:1 con X

isometría alometría

alometría

Logaritmos para linealizar las relaciones exponenciales

y = a • masa b log y = log a + b log masa

Y = M X + B

Log TR

Log masa

Pendiente = exponente

Intercepción = constante

Logs a ambos lados

3. Efecto de la masa

Rolandi (2016) Tesis doctoral

3. Efecto de la masa

Q10 = Sensibilidad a la temperatura de una función biológica usando una diferencia de 10ºC de temperatura. Q10 se calcula usando la ecuación de van’t Hoff, que para tasa metabólica es: Q10 = (MR2/MR1)10/(t2-t1)

4. Efecto de la temperatura (Q10)

4. Efecto de la temperatura (Q10)

Rolandi (2016) Tesis doctoral

4. Efecto de la temperatura

Schilman & Roces (2006) J. Exp. Biol.

5. Efecto de la actividad

Example of a respirometric record for a foraging ant at 1.18 {micro}l

Schilman & Roces (2006) J. Exp. Biol.

Time (minutes)

0 10 20 30 40 50

CO

2 e

mis

sio

n (

µl h

-1)

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Activity (

arb

itra

ry u

nits)

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

VCO2

Activity

Modificado de Schilman (2016) J. Insect Physiol.

5. Efecto de la actividad

Roces & Lighton (1995) Nature

Schilman (2016) J. Insect Physiol.

MR (J/g/s)

Velocidad (m/s)

GCOT

SMR

GCOT 1= MR a / vel. 1 GCOT 4= MR d / vel. 4

1 2 3 4

a

b

c d

MR (J/g/s)

Velocidad (m/s)

NCOT

SMR

AMR

AMR = MR - SMR

NCOT = (MR-SMR)/vel.

NCOT = AMR / vel.

MR (J/g/s)

Velocidad (m/s)

MCOT

SMR

MR = (SMR+a) + MCOT*vel.

a

Otras medidas y cálculos

• Load ratio (LR):

LR = ((Load mass + body mass) / (body mass))

• Cost of Load Carriage (CLC):

CLC = (NCOTladen/NCOTunladen)/LR