Abstract With a great variety of shapes and sizes, compound eye morphologies give insight into visual ecology, development, and evolution, and inspire novel engineering. In contrast to our own camera-type eyes, compound eyes reveal their resolution, sensitivity, and field of view externally, provided they have spherical curvature and orthogonal ommatidia. Non-spherical compound eyes with skewed ommatidia require measuring internal structures, such as with MicroCT (μCT). Thus far, there is no efficient tool to characterize compound eye optics, from either 2D or 3D data, automatically. Here we present two open-source programs: (1) the ommatidia detecting algorithm (ODA), which measures ommatidia count and diameter in 2D images, and (2) a μCT pipeline (ODA-3D), which calculates anatomical acuity, sensitivity, and field of view across the eye by applying the ODA to 3D data. We validate these algorithms on images, images of replicas, and μCT eye scans from ants, fruit flies, moths, and a bee.

Abstract For millennia, humans have watched nocturnal insects flying erratically around fires and lamps. Explanations have included theories of “lunar navigation” and “escape to light”. However, without three-dimensional flight data to test them rigorously, this odd behaviour has remained unexplained. We employed high-resolution motion capture in the laboratory and stereo-videography in the field to reconstruct the 3D kinematics of insect flights around artificial lights. Contrary to the expectation of attraction, insects do not steer directly toward the light. Instead, insects turn their dorsum toward the light, generating flight bouts perpendicular to the source. Under natural sky light, tilting the dorsum towards the brightest visual hemisphere helps maintain proper flight attitude and control. Near artificial sources, however, this highly conserved dorsal-light-response can produce continuous steering around the light and trap an insect. Our guidance model demonstrates that this dorsal tilting is sufficient to create the seemingly erratic flight paths of insects near lights and is the most plausible model for why flying insects gather at artificial lights.

Abstract Animals shift activity periods to reduce predation, minimize competition, or exploit new resources, and this can drive sensory system evolution. But adaptive mechanisms underlying niche- shifts are poorly understood, and model organisms are often too distantly related to reveal the genetic drivers. To address this, we examined expression patterns between two closely related silk moths that have undergone temporal niche divergence. We found 200-700 differentially expressed genes, including day upregulation in eye development and visual processing genes, and night upregulation of antennal and olfactory brain development genes. Further, clusters of circadian, sensory, and brain development genes co-expressed with diel-activity. In both species, eight genes showed expression significantly correlated to diel activity, and are involved in vision, olfaction, brain development, neural plasticity, energy utilization, and cellular maintenance. We repeatedly recovered disco , a zinc- finger transcription factor involved in antennal development, circadian activity, and optic lobe brain development in flies. While disco mutants have circadian arrhythmia, most studies attribute this to improper clock neuron development, not adult circadian maintenance. Comparing predicted 3D protein structure across moth and fly genetic models revealed disco likely retained developmental function with a conserved zinc finger domain, but gained functional zinc finger domains absent in D. melanogaster. These regions have several mutations between nocturnal and diurnal species that co- occur with higher levels of predicted phosphorylation sites. With robust circadian expression, functional nocturnal and diurnal mutations, and structural and sequence conservation, we hypothesize that disco may be a master regulator contributing to diel-activity diversification in adult moths. Significance Insect diel-activity patterns are diverse, yet the underlying evolutionary processes are poorly understood. Light environment powerfully entrains circadian rhythms and drives diel-niche and sensory evolution. To investigate its impact, we compared gene expression in closely related day- and night-active wild silk moths, with otherwise similar ecologies. Expression patterns that varied with diel activity included genes linked to eye development, neural plasticity and cellular maintenance. Notably, disco , which encodes a zinc-finger transcription factor involved in pupal Drosophila optic lobe and antennal development, shows robust adult circadian mRNA cycling in moth heads, is highly conserved in moths, and has additional zinc-finger domains with specific nocturnal and diurnal mutations. We hypothesize that disco may contribute to diversification of adult diel-activity patterns in moths.

Opsins are the primary light-sensing molecules in animals. Opsins have peak sensitivities to specific wavelengths which allows for color discrimination. The opsin protein family has undergone duplications and losses, dynamically expanding and contracting the number of opsins, throughout invertebrate evolution, but it is unclear what drives this diversity. Light availability, however, appears to play a significant role. Dim environments are associated with low opsin diversity in deep-sea fishes and cave-dwelling animals. Correlations between high opsin diversity and bright environments, however, are tenuous. Insects are a good system to test whether opsin expansion is associated with greater light availability because they are enormously diverse and consequently display large variation in diel activity. To test this, we used 200 insect transcriptomes and examined the patterns of opsin diversity associated with diel-niche. We focused on the butterflies and moths (Lepidoptera) because this group has significant variation in diel-niche, substantial opsin recovery (n=100), and particularly well-curated transcriptomes. We identified opsin duplications using ancestral state reconstruction and examined rates of opsin evolution, and compared them across diel-niches. We find Lepidoptera species active in high light environments have independently expanded their opsins at least 10 times. Opsins from diurnal taxa also evolve faster; 13 amino acids were identified across different opsins that were under diversifying selection. Structural models reveal that four of these amino acids overlap with opsin color-tuning regions. By parsing nocturnal and diurnal switches, we show that light environment can influence gene diversity, selection, and protein structure of opsins in Lepidoptera.

Abstract Advances in computer vision and deep learning have automated animal behaviour studies that previously required tedious manual input. However, tracking activity of small and fast flying animals remains a hurdle, especially in a field setting with variable light conditions. Commercial locomotor activity monitors (LAMs) can be expensive, closed source, and generally limited to laboratory settings. Here, we present a portable locomotion activity monitor (pLAM), a mobile activity detector to quantify small animal circadian activity. Our setup uses inexpensive components, is based on open-source motion tracking software, and is easy to assemble and use in the field. It runs off-grid, supports low-light tracking with infrared lights, and can implement arbitrary light cycle colours and brightnesses with programmable LEDs. We provide a user-friendly guide to assembling pLAM hardware and accessing its pre-configured software and guidelines for using it in other systems. We benchmarked pLAM for insects under various lab and field conditions, then compared results to a commercial activity detector. They offer broadly similar activity measures, but our setup captures flight and bouts of motion that are often missed by beam-breaking activity detection. pLAM will enable high-throughput quantification of small animal location and activity in a low-cost and accessible manner, crucial to studying behaviour that can help inform conservation and management decisions.