Fångsteffektivitet

I de flesta studier om funktionsprinciperna hos fällor för köttätande växter utfördes respektive experiment och kinematiska analyser med artificiellt utlösta fällor10,11,13,14. Det finns endast ett fåtal rapporter som (i vissa fall endast ytligt) behandlar det ömsesidiga sambandet mellan bytesdjurens och de köttätande växternas rörelser i fällorna15,16,17,18. En detaljerad rapport om de ultrasnabba sugfällorna under vatten för den köttätande vattenväxten Utricularia australis (Lentibulariaceae) och dess daphniida byte Ceriodaphnia dubia publicerades nyligen12. I denna studie, som metodiskt sett liknar den här studien, registrerades processerna med mekanisk utlösning av fällan av bytet, öppnande av luckan, sugning av vatten och byte och stängning av luckan med hög tidsupplösning. Sekvensen av snabba rörelser (delvis under en millisekund) som utförs av sugfällan Utricularia och den därav följande höga accelerationen hos det sugande bytet, dess plötsliga och abrupta inbromsning i fällan samt den finjusterade stängningen av fälldörren för att hålla kvar bytet tyder starkt på att C. dubia inte har någon chans att undkomma fällan när den väl har utlösts. Åtminstone var alla 14 försök att fånga byten som registrerades i denna Utricularia-studie framgångsrika.

I den aktuella studien på A. vesiculosa och D. longicephala analyserades också 14 försök att fånga byten, med en lägre resulterande fångstfrekvens (~64 %). De uppmätta stängningsperioderna i fällan för A. vesiculosa varierade vanligtvis mellan 16-30 ms (längre perioder förekom också i fällor med många fastsatta trådalger), vilket i allmänhet bekräftar tidigare mätningar av stängningsperioderna8,11 och överskrider sugperioderna hos Utricularia (9 ms i genomsnitt, min: 5,2 ms; max: 14,9 ms, n = 14)12 . Tillsammans med att flera djur flydde, vilket observerades i den här studien, kan man anta att det är mer troligt att bytet flyr från A. vesiculosa-snapsfällan än från U. australis-sugfällan. Detta antagande måste dock tas med försiktighet, eftersom två olika arter av bytesdjur testades under liknande, men inte identiska experimentella laboratorieförhållanden. Dessutom är urvalet litet (n = 14 vardera). Andra författare har dock också tillskrivit A. vesiculosa en låg fångsteffektivitet, eftersom endast 5-11,5 % av de undersökta fällorna under fältstudier innehöll bytesdjur6,19 . I vilken utsträckning dessa fältobservationer verkligen återspeglar effektiviteten hos snäppfångstmekanismen och/eller effektiviteten hos bytesattraktionen är ännu inte klarlagt och förblir ett lovande ämne för framtida studier. Intressant nog har en låg fångsteffektivitet också rapporterats för Venusflugfällor (D. muscipula), den terrestriska systern till A. vesiculosa, i flera fält- och laboratoriebaserade studier20,21,22.

Fällans irritation

Den utlösande hårstråna är belägna i den centrala fällans lobben delar under avgränsningen av inhägnaden. Observationen i PCA 14 att den vattenförskjutning som orsakas av bytesrörelse utlöser fällan tyder på att A. vesiculosas sensoriska system är mycket känsligt. En mycket känslig utlösningsmekanism ökar förmodligen fällans effektivitet genom att den kan upptäcka även små mekaniska störningar. Men å andra sidan kräver den också ”säkerhetsåtgärder” för att undvika energikrävande och onödiga stängningar av fällan, t.ex. genom vattenströmmar som förekommer i livsmiljön. I detta sammanhang kan de utlösande håren vid fällans bas vara en strukturell försiktighetsåtgärd för att undvika onödiga stängningar av fällan, eftersom håren är skyddade från vattenströmmar och detritus. Det är också tänkbart att det ökar fångsteffektiviteten eftersom potentiella (små) byten kommer att befinna sig i fällan när utlösande hårstrån stimuleras. I den här studien med D. longicephala, som har relativt långa bihang som de andra antennerna och svansryggen, observerade vi dock att dessa strukturer ofta var ansvariga för att utlösa fällan, utan att bytesdjurets kropp nödvändigtvis var helt inne i fällan. Framtida studier skulle kunna analysera bytesdjurens ”lämplighet” och fällans irritabilitet23,24 mer i detalj. Ett mycket känsligt sensoriskt system har nyligen beskrivits för snäppfällan hos vattenhjulets syster, Venusflugfällan (D. muscipula)25,26 . Medan det hos D. muscipula alltid krävs minst två på varandra följande stimuli på ett eller olika utlösande hårstrån inom en viss tid för att fällan ska stängas, är fällorna hos A. vesiculosa mer varierande i detta avseende. Här stängs vissa fällor efter att ha mottagit ett stimuli, andra stängs efter två stimuli, vissa kräver ännu fler mekaniska störningar och andra reagerar inte alls1,2,8. Orsakerna till denna variabilitet i fällans irritabilitet är fortfarande okända.

Möjliga mekanismer för attraktion av bytesdjur

Det har antagits att bladborstarna som ligger intill fällan hos A. vesiculosa (Fig. 1b) skulle kunna locka till sig djur genom att ge dem en plats att vila och skydda sig på27. De många triggerhåren inne i snäppfällan (jfr fig. 3c i ref. 11) har diskuterats för att efterlikna filamentösa alger för att locka betande kräftdjur in i snäppfällan28 , men klargörande studier saknas hittills. Eftersom den mellaneuropeiska A. vesiculosa inte visar någon bytesspecificitet utan fångar opportunistiskt, oberoende av bytesart, storlek, rörelsemönster och rörelsehastighet, är det dessutom osannolikt att fångsten förstärks av specialiserade kemiska eller mimikbaserade attraktionsmekanismer7. Utifrån D. longicephalas oregelbundna simbeteende kunde vi inte urskilja och observera något beteende som tyder på attraktion mot fällan. Eftersom D. longicephala är en bra och aktiv simmare, med en genomsnittlig simhastighet på 8 mm/s, är sannolikheten för ett möte med en A. vesiculosa-fälla förmodligen hög29,30. Därför är det tänkbart att naturliga PCA sker ganska slumpmässigt, troligen t.ex. för att djuren närmar sig fällan under sökandet efter föda.

De flesta fällor i de registrerade PCA 1-14 var orienterade nedåt av metodiska/hanteringsmässiga skäl (fig. 1 och 2). Fällbladen hos A. vesiculosa är dock ordnade som virvlar (jfr fig. 1b i ref. 11) och därför varierar deras naturliga orientering. Vi antar att fällornas orientering inte spelar någon avgörande roll för att eventuellt attrahera och fånga fritt simmande byten som D. longicephala. I detta sammanhang skulle det kunna vara intressant att undersöka effekten av fällans orientering på substratbundna eller betande bytesdjur.

Allmänna aspekter av bytesdjurens rörelse och beteende

På grund av den stora spridningen avslöjar inte de resultat som erhållits för tDZ och tTI några typiska vistelsetider inom de olika fällzonerna. Dessutom varierar typerna och omfattningen av rörelserna kraftigt mellan de olika PCA:erna. Det verkar vara en ren tillfällighet hur länge bytet stannar i farozonen och/eller i fällans inre innan det utlöses. Även hos den sydliga blåsippan (U. australis) med sugfällor varierade bytesdjuret daphniid C. dubias kroppsorientering och rörelsebeteende före och under utlösningen12.

I 12 fall i den här studien (~86 %) utlöste djuren A. vesiculosa-fällorna direkt med rörelser av sina andra antenner. Dessa jämförelsevis långa strukturer sticker ut från djurets huvud och ansvarar för simrörelser genom att generera dragkraft. Oavsett de flesta av de observerade orienteringarna och positionerna hos bytesdjuren vid utlösningen av fällorna (se tabell 2) kom de andra antennerna i kontakt med utlösningshåren inuti fällorna (PCA 1-10, 12,13) eller genererade tillräckligt starka vattenströmmar för att utlösa fällorna (PCA 14). Liknande observationer rapporteras i den redan nämnda studien om fångst av Utricularia bytesdjur12 , där sju (av 14) Ceriodaphnia dubia-djur rörde utlösningshåren med sina andra antenner, sex med sina huvuden och ett med sitt pansar. Vi kan spekulera i att de andra antennerna är de viktigaste strukturerna med vilka daphniid bytesdjur kommer i kontakt med utlösarhåren i fällorna för köttätande vattenväxter.

Profilerna av D. longicephalas rörelser under PCA:erna (fig. 2 och 3) visar att i de flesta fall åtföljs en lyckad bytesfångst av mycket små bytesrörelser inne i den stängande fällan. Detta står i kontrast till U. australis, där bytet ofta vänds passivt runt och till och med kan slingra sig under fångsten på grund av krafterna från vatteninflödet12. Hos A. vesiculosa sluter de två fångstloberna sig runt bytet utan att ytterligare förflytta det i någon större utsträckning, t.ex. genom inducerad vattenrörelse. Hur A. vesiculosa kan fånga och behålla djur som är större än de egentliga fällorna, som t.ex. puppor av chironomider eller nymfer av notonectid6,7, återstår att utreda. Sannolikt hjälper tänderna på den invikta kanten (fig. 1a,c) och/eller pågående långsamma processer av fällans deformation, dvs. magbildning8, till att hålla kvar och innesluta så stora objekt.

Flykt av bytesdjur under misslyckade PCA:s

Det finns inga rapporter tillgängliga om flyktförsök av bytesdjur från utlösta Utricularia-fällor. Uppenbarligen är Utricularia-fällans ingång, där även utlösarhåren är placerade, en ”point of no escape” på grund av den snabba uppkomsten av ett starkt sug (åtminstone så länge bytet passar genom ingången och in i fällan). I den här studien med A. vesiculosa observerade vi tvärtom fem misslyckade PCA:er (10-14), vilket tyder på att bytesdjur som befinner sig i det område där utlösningen sker (den centrala nedre delen av fällan under gränsen för inhägnaden) fortfarande har en chans att fly. Vi observerade att bytesdjuren kunde fly antingen genom att den fastklämda kroppen (eller kroppsdelar) med våld drogs ut ur redan stängda fällor (PCA 10, 12) eller genom att fällans lober med tänder på de utvikta randen (fig. 1a, c) kan glida av från respektive pansar under stängningen av fällan (PCA 13). Bytet, som redan simmade ut ur fällan vid utlösningen, hade ett gynnsamt ”utgångsläge” och kunde också fly (PCA 11, 14). Detta visar att det finns minst tre olika situationer för utlösning av fällan/rörelse där bytet potentiellt kan fly. De helt inneslutna bytesdjuren flydde dock aldrig. En verklig flyktreaktion, dvs. ett djur som aktivt simmar ut ur en fällan som sluter sig som svar på den utlösta rörelsen, observerades inte i den här studien med D. longicephala. Vi anser att det är osannolikt att daphniider i allmänhet kan reagera på den tid som krävs mellan fällans utlösning och stängning. Detta grundar sig också på det faktum att en del av författarna till denna studie (SK, MH, RT) inte heller kunde observera några flygsvar hos Daphnia pulex som fångades av larver av fantommyggor (Diptera: Chaoborus), där rovdjurets egentliga slag varar ~30 ms och hela fångstprocessen mindre än 300 ms31.

De två flykthändelserna av fastklämda byten (PCA 10 & 12) visar att D. longicephala kan mekaniskt motstå kraften från de stängande fångstloberna hos A. vesiculosa och frigöra sig själv med hjälp av antennslag. Förutom fällans ålder och kondition samt miljöförhållandena som avgörande faktorer har det visat sig att stängningskraften ökar med ökande utlösande stimulusstyrka8. Hur det fastklämda bytet ”bearbetas” vidare av fällan kan också påverkas av djurets position och fysiska tillstånd. I PCA 7, till exempel, klämdes bytet till en början diagonalt mellan loberna (i likhet med PCA 12). Sedan vände sig bytet om, förmodligen helt passivt på grund av kraften från de två fällloberna som verkade på det. Därefter stängdes de böjda loberna ytterligare och tryckte in bytet djupare in i fällan tills fällan var helt stängd. Följaktligen kan man spekulera i att den dubbelt böjda geometrin hos loberna, som inte förändras under stängningen av fällan10 , hjälper till att ”hantera” bytet som kläms fast mellan lobernas ettskiktade områden. Dessutom, som observerats i PCA 5, kan den vikta, taggiga fällkanten hjälpa till att hålla kvar bytet. Som diskuterats för PCA 13 kan det dock också hända att fångstkanten glider av under fångströrelsen. Hos den närbesläktade Venusflugan (D. muscipula), där tänderna är mycket längre i förhållande till den totala fälldimensionen jämfört med A. vesiculosa, har man först antagit32 och senare i en fält- och laboratoriebaserad studie22 funnit att tänderna bildar ett ”fängelse” som ökar fångstframgången för bytesdjur av måttlig storlek. För större byten fann man dock också en minskande fördel, vilket bidrar till komplexiteten i det adaptiva landskapet för snäppfångstsystemet.

Kritisk utvärdering av tillämpade metoder

Äldre A. vesiculosa-fällor har olika fysiologiska egenskaper jämfört med yngre fällor8. För att säkerställa att alla fällor som används i försöken är lika gamla valdes endast fällor från den sjunde virveln ut. Eftersom den australiensiska röda ekotypen av A. vesiculosa utvecklar 0,26-0,65 bladfjärilar per dag33 , är åldern på respektive fällor förmodligen spridd mellan 11-27 dagar. Vi kan dock spekulera i att individuella skillnader mellan fällorna, t.ex. deras storlek eller mängden fastsittande alger, möjligen påverkar deras snappningsbeteende (t.ex. irritabilitet, kinematik, snappningshastighet) i större utsträckning än de (små) åldersskillnaderna. I vår studie uppmättes till exempel den högsta snappvaraktigheten på 104 ms i en fälla med många fastsatta alger (PCA 14).

De experimentella förhållandena i det klimatkonsekventa rummet med artificiellt ljus avvek självklart från de naturliga levnadsförhållandena för australiensiska A. vesiculosa och D. longicephala. De små volymerna i kuvetterna begränsade till exempel bytes- och vattenrörelser. På grund av belysningen värmdes vattenpelaren i kuvetterna troligen upp (ej uppmätt). Belysningen irriterade förmodligen daphniidernas byten. Dessutom kan vi inte utesluta att det kan leda till oönskade (och obemärkta) bieffekter, t.ex. stressreaktioner, som i slutändan leder till ett förändrat beteende hos fällorna och en snedvriden bedömning av fångsteffektiviteten. Höghastighetsanalyserna, inklusive hanteringen av de ömtåliga och känsliga strukturerna (t.ex. de öppna, fångstfärdiga A. vesiculosa-fällorna), är utmanande och tidskrävande uppgifter och förklarar den lilla urvalsstorleken i den här studien. Men oavsett dessa nackdelar med våra experimentella metoder är vår studie det första försöket att belysa samspelet mellan rovdjur och bytesdjur mellan den köttätande växten A. vesiculosa och dess bytesdjur D. longicephala. Sådana höghastighetsanalyser av snabba vattenlevande organismer och strukturer skulle annars vara mycket svåra (eller till och med omöjliga) att utföra i fält under naturliga förhållanden.

Slutsats och utsikter

Vår studie är den första som i detalj visar hur den köttätande vattenhjulsplantan (A. vesiculosa) fångar sina daphniider som byten. Rörelsesekvenserna i dess undervattens snäppfällor samt D. longicephalas beteende och rörelser utanför och inuti fällorna beskrivs kvalitativt och kvantitativt. Dessutom beskrivs och diskuteras för första gången fall av rörelserelationer (t.ex. bytesflykt, hantering av fastklämda byten i fällan).

Vi kunde inte påvisa några korrelationer (1) mellan bytestäthet och fångstframgång, (2) mellan bytesålder och fångstframgång, (3) mellan nprey_movement och fångstframgång, (4) mellan bytestäthet och ttrigger, och (5) mellan bytesålder och nprey_movement. Våra analyser visar också att det samspel mellan rovdjur och bytesdjur som observeras här inte alls är enhetligt. Individuella skillnader i bytesbeteende samt mellan de enskilda fällorna dominerar uppenbarligen. Genom att anta ännu större kinematiska skillnader mellan äldre och yngre fällor kan det uppstå ännu mer inhomogena situationer när det gäller sekvenser för fångst av bytesdjur. Framtida experiment skulle kunna komplettera analysen av PCA med olika naturliga bytesdjur, t.ex. medlemmar av Cladocera, Copepoda, Ostracoda, Ephemeroptera, Nematocera, Hydrachnidia och Pulmonata7. Sådana analyser skulle vara till hjälp för att ytterligare utvärdera fångsteffektiviteten hos A. vesiculosa-fällorna, som livnär sig på en mycket stor mångfald av bytesdjur när det gäller taxonomi, storlek och rörelsebeteende. Därför kan ett brett spektrum av egenskaper hos A. vesiculosa-fällan (rörelse) möjligen vara en selektiv fördel. Ett liknande icke-selektivt beteende vid fångst av bytesdjur har rapporterats från vuxna fällor hos Venusflugan (D. muscipula)32,34 . Intressant nog fångar fällor med D. muscipula-plantor olika byten, som uppenbarligen är för små för att utlösa de vuxna fällorna35. En sådan potentiell bytesspecificitet i olika tillväxtstadier har ännu inte rapporterats för A. vesiculosa. Framtida kinematiska undersökningar av bytesfångst bör också omfatta utarbetade tredimensionella rörelseanalyser30,36.

Andra möjliga ämnen för framtida studier är de utvecklingsmässiga och strukturella-biomekaniska egenskaperna hos eventuella motåtgärder från bytesdjurens sida mot att fångas av A. vesiculosa. Det är till exempel känt att flera daphniider har rovdjursspecifika inducerbara försvarsmekanismer som kan omfatta förändringar i morfologi, beteende och livshistoria37,38,39. Med dessa åtgärder kan bytet motverka rovdjuret och minska predationstrycket. Det skulle därför vara intressant att testa med typiska daphniid bytesdjur till A. vesiculosa om sådana inducerbara försvarsmekanismer också existerar i det här beskrivna förhållandet mellan växtpredatorer och djur som bytesdjur. Särskilt en analys av karapaxens krökning, som vi observerade påverkar hur ”lätt” ett halvt fångat djur tvingas in i eller ut ur fällan efter stängning, skulle kunna vara lovande, eftersom det konstaterades att den förändrades efter rovdjursexponering hos en annan Daphnia-art40. Under inledande testinspelningar med A. vesiculosa och slumpmässiga byten från en utomhusdamm i Botanic Garden Freiburg filmade vi dessutom en mycket snabb och framgångsrik aktiv flykt av en copepod ut ur en utlöst fälla (Movie S15). Djurets reaktionstid var 5 ms. Inom en tidsperiod på 16 ms simmade den ut ur fällan som stängde sig (total varaktighet för stängningen: 57 ms). Om man uppskattar att den totala fällans längd är ~3 mm (vilket är i den nedre delen av det typiska längdintervallet3 ) och antar att djuret färdas halva längden ger det en flyghastighet på 0,09375 m/s. Denna hastighet är fortfarande jämförelsevis långsam jämfört med de hastigheter som copepoder enligt uppgift kan uppnå41. Eftersom det inte finns några A. vesiculosa-plantor som odlas i den damm där copepoden kom ifrån kan dess snabba flykt inte räknas som ett inducerat försvar, som beskrivits tidigare. Uppenbarligen har vissa (grupper av) djur en inneboende förmåga att undkomma vattenhjulväxtens snabba snäppfällor, även om den filmade fällan visserligen inte var särskilt snabb jämfört med andra. Att belysa den neuromekaniska grunden för omedelbar och snabb flykt utgör dock också en lovande aspekt för framtida studier.