Colour vision in pollinatorsconclusions from two species beyond the apis mellifera model

Resumo

Las flores y los sentidos de los polinizadores interactúan. Las plantas representan fuentes de nutrición - polen y néctar ¿ para los insectos, y anuncian las recompensas por medio de distintas señales, representadas en las flores. Para explotar una flor, el visitante floral requiere de capacidades sensoriales específicas para detectar las señales florales, y asociarlas con la recompensa ofrecida. Una de las modalidades sensoriales más importantes y exploradas en el contexto planta-visitante floral es la visión. Al igual que las flores diversifican sus colores, muchos polinizadores poseen el sistema visual adecuado para detectarlas. A parte de la abeja de la miel (Apis mellifera), el conocimiento sobre el sistema visual y capacidades cognitivas de otros visitantes florales es escaso. Para entender correctamente la relación entre el sistema visual de los visitantes florales y las propiedades espectrales de las flores, debemos primero entender qué significa un color para un animal, y cómo funciona su sistema visual. En la presente tesis, constituida de cuatro capítulos, hemos estudiado diferentes aspectos del sistema visual de dos especies de polinizadores: Bombus terrestris (abejorro) y Macroglossum stellatarum (esfinge colibrí). Algunos estudios han investigado el sistema visual, el comportamiento y la cognición de ambas especies en diferentes niveles. Sin embargo, aún existen muchas cuestiones por resolver. En los cuatro capítulos de la tesis, estudiamos las respuestas comportamentales de ambas especies, con variaciones cuando al sistema sensorial y la metodología aplicada. En los dos primeros capítulos investigamos el comportamiento de Bombus terrestris frente a tareas de discriminación y detección, utilizando flores artificiales. Mientras que en los dos últimos capítulos estudiamos aspectos básicos y fundamentales del sistema visual de Macroglossum stellatarum: la sensibilidad espectral y la capacidad de discriminar colores. A pesar de que los abejorros (Bombus terrestris) y la abeja de la miel (Apis mellifera) son especies cercanas, estudios comparativos indican diferencias en muchos aspectos de su comportamiento relacionados con el uso de la información visual. Así como las flores son diversas, también lo es el comportamiento de forrajeo de los polinizadores. Éstos pueden emplear estrategias complejas, y modular su comportamiento, para seleccionar, detectar y discriminar las flores más gratificantes. Macroglossum stellatarum es considerada un importante polinizador de muchas especies de plantas en Europa, aun así, la información básica sobre el sistema visual de esta especie se desconocía hasta el desarrollo de esta tesis. Los visitantes florales a menudo tienen que hacer comparaciones entre flores basándose en diferencias entre ellas, principalmente visuales. Los modelos de visión en color intentan predecir la facilidad con la que los visitantes florales pueden discriminar entre colores con diferentes propiedades espectrales. Las predicciones de los modelos se basan en la distancia perceptual entre dos colores, donde distancias perceptuales pequeñas indican que la discriminación será difícil, mientras que distancias perceptuales grandes indican que la discriminación será fácil. En principio, no hay ninguna razón obvia para usar un modelo u otro, sin embargo debido a la formulación y asunciones de los modelos, las predicciones pueden divergir. En el primer capítulo de esta tesis, estudiamos las predicciones de diferentes modelos de visión del color, testando cómo se acercan las predicciones de los modelos al comportamiento del abejorro durante una tarea de discriminación de flores artificiales. Para ello, seleccionamos cuatro pares de flores artificiales para que las distancias perceptuales (información cromática) entre las flores de cada par fuesen distintas según dos de estos modelos, y similares según un tercer modelo de visión. También medimos e incorporamos a los análisis los contrastes acromáticos (brillo y el contraste producido en el fotorreceptor verde) entre las flores de un par. Los abejorros fueron divididos entre los pares de flores artificiales y entrenados a discriminar entre los dos colores del par seleccionado. Uno de los colores llevaba la recompensa azucarada, mientras que el otro una solución amarga (quinina). Medimos el tiempo que los abejorros tardaron en encontrar las flores con recompensa, así como la precisión de las elecciones (medida como la proporción de respuestas correctas). El tiempo que las abejas necesitaron para seleccionar una flor y la proporción de aciertos difirió entre los pares de colores: los tiempos de decisión disminuyeron con el aumento del contraste acromático (brillo y contraste en el fotorreceptor verde), y la proporción de aciertos aumentó con el aumento del contraste acromático y la distancia perceptual. Los resultados de este capítulo ponen de manifiesto, en primer lugar, que tanto los contrastes cromáticos como los acromáticos afectaron la discriminabilidad de los pares de colores y en segundo lugar, que las predicciones de los modelos no siempre están de acuerdo con el comportamiento de los visitantes florales. El color de las flores afecta a las elecciones de las abejas durante la actividad de forrajeo y las elecciones durante el forrajeo afectan el éxito reproductivo de las plantas, por ello, una mejor comprensión de qué modelo es el más exacto es necesario para predecir el comportamiento de las abejas y las implicaciones ecológicas de la elección de flores y color. Así como el color, el tamaño de las flores afecta el comportamiento de los abejorros durante la actividad de forrajeo cuando las flores están presentes en fondos homogéneos. Si las flores son grandes, el tiempo de búsqueda se correlaciona con el contraste cromático entre éstas y el fondo donde están. Mientras que si el contraste cromático es pequeño o las flores son pequeñas, las abejas tardan más tiempo para detectarlas en un fondo verde homogéneo, ajustando su comportamiento de varias maneras. Además de la visión, el olfato es otra modalidad sensorial importante que las abejas utilizan durante la actividad de forrajeo. Por lo tanto, en el segundo capítulo hemos estudiado el efecto del color, el tamaño, el entrenamiento y la presencia o ausencia de una segunda señal (olor) sobre el comportamiento del abejorro durante la detección y discriminación de flores presentadas contra un fondo complejo. Los abejorros buscando flores azules fueron más precisos, volaron más rápido, siguieron rutas más directas entre las flores (viajando menores distancias) y necesitaron menos tiempo para encontrarlas, en comparación con los abejorros que buscaban flores rojas. Al explotar flores rojas, los abejorros se equivocaron más veces en la elección y requirieron más tiempo para encontrarlas, aunque el rendimiento incrementó con la experiencia y con la presencia de olor. El tamaño de las flores por sí solo no afectó el comportamiento de los abejorros, pero sí al interactuar con el color. Los abejorros tardaron más tiempo para encontrar las flores rojas grandes. Estas flores presentaban los menores contrastes en color (cromático) con el fondo, y aunque el contraste acromático excedía aquél de las flores azules, la eficiencia en la detección no es comparable entre ambos canales (cromático y acromático). La percepción de los estímulos fue afectada principalmente por el contraste en color entre el fondo y la flor. La dificultad impuesta por esta combinación pudo ser compensada con la presencia de un segundo estimulo sensorial (olor), o con el entrenamiento. Nuestros resultados difieren de los que se han encontrado en un experimento similar, usando un fondo verde homogéneo, por ello presentamos posibles razones en la discusión del capítulo. En los últimos años, muchos estudios se han realizado sobre el sistema visual de algunos visitantes florales (especialmente abejas y algunas mariposas y sirfídeos), lo que ha generado un aumento en la comprensión sobre los mecanismos y funciones implicados en la percepción visual. Sin embargo, para la mayoría de especies muchos aspectos básicos siguen siendo poco claros o desconocidos. Macroglossum stellatarum es un visitante floral diurno - de la familia de polillas mayoritariamente crepusculares Sphingidae ¿ con demostrada capacidad de aprendizaje. Macroglossum stellatarum puede ser fácilmente criada en el laboratorio, lo que hace que esta polilla sea una excelente candidata para estudios en ambientes bajo condiciones controladas. Experimentos previos han sugerido que M. stellatarum posee visión en color, con fotorreceptores sensibles en las zonas del ultravioleta (UV), azul y verde. La polilla tiene preferencias innatas y una amplia capacidad de discriminación para algunos colores dentro del espectro visible hipotético para esta especie. Sin embargo, la sensibilidad espectral de los fotorreceptores sigue siendo desconocida, así como sus picos de absorbancia. Para entender el comportamiento de un animal mediante la realización de experimentos de visión en color, primero tenemos que comprender cómo la especie en cuestión percibe su entorno y distingue diferentes estímulos visuales. Por lo tanto, en el tercer capítulo, hemos caracterizado la sensibilidad espectral de Macroglossum stellatarum y establecido la absorbancia máxima de sus fotorreceptores, mediante pruebas de comportamiento y electrorretinograma (ERG). Mediante la medición de ERG vimos que M. stellatarum tiene sensibilidades máximas en el ultravioleta (UV-349 nm), azul (440 nm) y verde (521 nm). Para determinar la sensibilidad espectral con base en el comportamiento (espectro de acción), entrenamos a las polillas para que fuesen capaces de asociar un disco iluminado con una recompensa, y un disco oscuro con la ausencia de recompensa. Mientras que las posiciones espectrales de máxima sensibilidad encontradas en pruebas de comportamiento están de acuerdo con las predicciones del modelo basadas en los datos de ERG, la sensibilidad a la luz azul fue 30 veces mayor de lo esperado. Relacionamos esta mayor sensibilidad con la preferencia innata de la polilla por el color azul y presentamos una discusión general sobre los resultados dentro del capítulo. A pesar de la preferencia innata por determinados colores, M. stellatarum se alimenta de una variedad de especies de flores y prefiere el color a la fragancia cuando se le da la oportunidad de elección. Dada la importancia de las propiedades espectrales de las flores para la polilla, y conociendo la sensibilidad espectral de los fotorreceptores, la capacidad de la polilla de discriminar entre longitudes de onda similares resulta interesante. La discriminación entre longitudes de onda se define como la capacidad que presenta un organismo en discriminar entre estímulos monocromáticos perceptualmente parecidos. En el contexto del forrajeo, esta capacidad puede resultar ventajosa, especialmente para insectos que demandan altas cantidades de energía, como M. stellatarum por su comportamiento de revolotear frente a las flores mientras se alimenta. En el cuarto capítulo pusimos a prueba la capacidad de M. stellatarum para discriminar entre longitudes de onda similares. Para tal, entrenamos a las polillas para asociar luces monocromáticas específicas con una recompensa. La selección de las longitudes de onda se basó en los picos de los fotorreceptores y sus respectivas áreas superpuestas, determinados en el capítulo anterior. Una vez que las polillas aprendieron a asociar una luz monocromática con la recompensa, testamos su capacidad de discriminación en una prueba de doble elección. En esta prueba la longitud de onda asociada a la recompensa fue presentada junto con una longitud de onda sin recompensa, inicialmente 20 nanómetros más larga o más corta que la longitud de onda del entrenamiento. Además de los dos mínimos pronunciado que se esperaban (en el área donde los fotorreceptores se superponen), M. stelattarum presentó un tercer mínimo entre el pico del fotorreceptor azul y la curva de inflexión del fotorreceptor verde. Utilizamos un modelo de visión del color para predecir la capacidad de discriminación de la polilla y comparamos las predicciones con los datos de comportamiento. Las distancias mínimas encontradas en el test de comportamiento se asemejaron a las predichas por el modelo, pero el modelo no predijo un tercer mínimo de discriminación encontrado en el test de comportamiento. Los mínimos de discriminación de las longitudes de onda en M. stellatarum fueron menores que aquellos encontrado para la abeja de la miel (Apis mellifera), acercándose a los valores encontrados para una mariposa tetracromática (Papilio xuthus). En este capítulo, discutimos sobre las diferencias en la capacidad de discriminación entre las especies, aparte de incorporar una nueva perspectiva sobre estos análisis: el uso de la información acromática. La capacidad sensorial de los visitantes florales ha ayudado, al menos en parte, a moldear y aumentar la variabilidad de las señales florales. Sin embargo, para muchos de estos visitantes, la capacidad del sistema sensorial así como sus límites no están del todo determinados, y para muchos otros, sigue estando inexplorado y desconocido. Resulta difícil interpretar el comportamiento de un visitante floral en una comunidad de plantas, por ejemplo, si no entendemos adecuadamente los mecanismos que modulan su percepción, lo que en última instancia afecta a la relación planta-polinizador. La presente tesis aumenta la comprensión sobre el sistema visual de dos especies de polinizadores importantes en Europa, el abejorro (Bombus terrestris) y la esfinge colibrí Macroglossum stellatarum. Los experimentos utilizando la abeja de la miel han ayudado a entender parcialmente la visión de insectos a lo largo de los años, pero similar información para la gran mayoría de los visitantes florales permanece desconocida. Esta tesis demuestra que la capacidad visual de cada especie es única. Los procesos evolutivos que han moldeado la capacidad sensorial de los visitantes florales no son claros, pero la importancia de los estudios comportamentales dentro del contexto planta-polinizador es esencial, no sólo por el valor económico del servicio de polinización, pero para entender adecuadamente los mecanismos que gobiernan esta relación.