Účinnost odchytu

Ve většině studií zabývajících se funkčními principy pastí masožravých rostlin byly příslušné experimenty a kinematické analýzy prováděny s uměle spuštěnými pastmi10,11,13,14 . K dispozici je jen několik málo zpráv, které se (v některých případech jen povrchně) zabývají vzájemným vztahem pohybu kořisti a pastí na masožravé rostliny15,16,17,18 . Nedávno byla publikována podrobná zpráva o ultrarychlých podvodních sacích pastech vodní masožravé rostliny Utricularia australis (Lentibulariaceae) a její dafniidní kořisti Ceriodaphnia dubia12. V této studii, která je metodicky podobná této, byly s vysokým časovým rozlišením zaznamenány procesy mechanického spuštění pasti kořistí, otevření padacích dvířek, sání vody a kořisti a uzavření padacích dvířek. Sled rychlých pohybů (zčásti v submilisekundovém režimu) prováděných sací pastí Utricularia a z toho plynoucí vysoké zrychlení nasáté kořisti, její náhlé a prudké zpomalení uvnitř pasti, jakož i jemně vyladěné uzavření dvířek pasti pro zadržení kořisti, jednoznačně naznačují, že C. dubia nemá po spuštění pasti šanci z ní uniknout. Přinejmenším všech 14 pokusů o zachycení kořisti zaznamenaných v této studii Utricularia bylo úspěšných.

V současné studii na A. vesiculosa a D. longicephala bylo analyzováno rovněž 14 pokusů o zachycení kořisti, přičemž výsledná míra zachycení byla nižší (~64 %). Naměřená doba trvání uzavření pasti A. vesiculosa se obvykle pohybovala v rozmezí 16-30 ms (delší doba trvání se vyskytla i u pastí s mnoha přichycenými vláknitými řasami), což v zásadě potvrzuje dřívější měření doby trvání lapání8,11 a překračuje dobu trvání sání u Utricularia (průměrně 9 ms, min: 5,2 ms; max: 14,9 ms, n = 14)12 . Spolu s únikem několika živočichů, jak bylo pozorováno v této studii, lze předpokládat, že kořist s větší pravděpodobností unikne z lapací pasti A. vesiculosa než ze sací pasti U. australis. Tento předpoklad je však třeba brát s rezervou, protože byly testovány dva různé druhy kořistních živočichů v podobných, nikoli však identických experimentálních laboratorních podmínkách. Vzorky jsou navíc malé (n = 14 u každého z nich). Nízkou účinnost odchytu však A. vesiculosa přisuzují i jiní autoři, a to na základě skutečnosti, že během terénních studií obsahovalo kořist pouze 5-11,5 % zkoumaných pastí6,19 . Do jaké míry tato terénní pozorování skutečně odrážejí účinnost lapacího mechanismu a/nebo účinnost přitahování kořisti, není zatím jasné a zůstává to slibným námětem pro budoucí studie. Zajímavé je, že nízká účinnost odchytu byla v několika terénních i laboratorních studiích20,21,22 zaznamenána také u mucholapky Venušiny (D. muscipula), suchozemské sestry A. vesiculosa.

Dráždivost pasti

Spouštěcí chloupky se nacházejí v centrální části laloku pasti pod hranicí ohrady. Pozorování u PCA 14, že pohyb kořisti vyvolaný posunem vody spouští past, naznačuje směrem k vysoké citlivosti smyslového systému A. vesiculosa. Velmi citlivý spouštěcí mechanismus na jedné straně pravděpodobně zvyšuje účinnost pasti tím, že jí umožňuje detekovat i nepatrné mechanické poruchy. Na druhé straně však také vyžaduje „bezpečnostní opatření“, aby nedocházelo k energeticky náročnému a zbytečnému uzavírání pasti např. vodními toky vyskytujícími se v biotopu. V této souvislosti může být výskyt spouštěcích chlupů u základny pasti konstrukčním opatřením, které zabrání zbytečnému zavírání pasti, protože chlupy jsou chráněny před vodními proudy a detritem. Je také možné, že zvyšuje účinnost odchytu, protože potenciální (malá) kořist bude uvnitř pasti, když dojde ke stimulaci spouštěcích chloupků. V této studii s D. longicephala, který má poměrně dlouhé přívěsky, jako jsou druhá tykadla a ocasní hřbet, jsme však pozorovali, že tyto struktury byly často zodpovědné za spuštění pasti, aniž by tělo kořisti bylo nutně zcela uvnitř pasti. Budoucí studie by mohly podrobněji analyzovat „vhodnost“ kořisti a dráždivost pasti23,24 . Vysoce citlivý smyslový systém byl nedávno popsán u sklapovací pasti sesterského druhu vodomila, mucholapky venušiné (D. muscipula)25,26 . Zatímco u D. muscipula jsou vždy nutné alespoň dva po sobě jdoucí podněty na jednom nebo na různých spouštěcích chloupcích během určité doby, aby došlo k uzavření pasti, pasti A. vesiculosa jsou v tomto ohledu variabilnější. Některé pasti se zde zavřou po přijetí jednoho podnětu, jiné po dvou podnětech, některé vyžadují ještě více mechanických rozrušení a některé nereagují vůbec1,2,8. Důvody této variability v dráždivosti pastí nejsou dosud známy.

Možné mechanismy lákání kořisti

Byla vyslovena hypotéza, že listové štětiny umístěné vedle pasti A. vesiculosa (obr. 1b) by mohly přitahovat živočichy tím, že jim poskytují místo k odpočinku a ochranu27. Diskutovalo se o tom, že četné spouštěcí chloupky uvnitř sklapovací pasti (srov. obr. 3c v cit.11 ) napodobují vláknité řasy, aby nalákaly pasoucí se korýše do sklapovací pasti28 , ale objasňující studie zatím chybí. Navíc vzhledem k tomu, že středoevropská A. vesiculosa nevykazuje žádnou kořistní specifičnost, ale chytá oportunisticky, nezávisle na druhu kořisti, její velikosti, způsobu pohybu a rychlosti pohybu, je nepravděpodobné, že by odchyt zvyšovaly specializované mechanismy lákání založené na chemických látkách nebo mimikry7. Z nepravidelného plaveckého chování D. longicephala jsme nemohli rozlišit a pozorovat žádné chování naznačující přitahování k pasti. Vzhledem k tomu, že D. longicephala je dobrý a aktivní plavec s průměrnou rychlostí plavání 8 mm/s, je pravděpodobnost setkání s pastí A. vesiculosa pravděpodobně vysoká29,30 . Lze proto předpokládat, že k přirozeným PCA dochází spíše náhodně, pravděpodobně např. proto, že se zvířata k pasti přiblíží při hledání potravy.

Většina pastí v zaznamenaných PCA 1-14 byla z metodických/manipulačních důvodů orientována směrem dolů (obr. 1 a 2). Listy pasti A. vesiculosa jsou však uspořádány jako vrkoče (srov. obr. 1b v cit. 11), a proto je jejich přirozená orientace proměnlivá. Předpokládáme, že orientace pastí nehraje rozhodující roli při případném lákání a odchytu volně plovoucí kořisti, jako je D. longicephala. V této souvislosti by mohlo být zajímavé prozkoumat vliv orientace pastí na kořist vázanou na substrát nebo pasoucí se kořist.

Obecné aspekty pohybu a chování kořisti

Vzhledem k jejich velkému rozptylu výsledky získané pro tDZ a tTI neodhalují typické doby pobytu v různých zónách pastí. Kromě toho se typy a množství pohybů mezi jednotlivými ZPZ značně liší. Zdá se, že je čistě náhodné, jak dlouho se kořist zdržuje v nebezpečné zóně a/nebo uvnitř pasti před spuštěním. Také u měchýřovky jižní (U. australis) s přísavnými pastmi byla orientace těla a pohybové chování kořisti dafnidy C. dubia před spuštěním a během něj proměnlivé12.

V 12 případech v této studii (~86 %) zvířata spouštěla pasti na A. vesiculosa přímo pohyby svých druhých tykadel. Tyto poměrně dlouhé struktury vyčnívají z hlavy zvířete a jsou zodpovědné za plavecké pohyby generováním tahu. Bez ohledu na většinu pozorovaných orientací a poloh kořistních živočichů při událostech spuštění pastí (viz tabulka 2) se druhá tykadla dostala do kontaktu se spouštěcími chlupy uvnitř pastí (PCA 1-10, 12,13) nebo vytvářela dostatečně silné vodní proudy pro spuštění (PCA 14). Podobná pozorování jsou uvedena v již zmíněné studii odchytu kořisti Utricularia12 , kde se sedm (ze 14) jedinců Ceriodaphnia dubia dotklo spouštěcích chloupků druhými tykadly, šest hlavou a jeden karapaxem. Můžeme se domnívat, že druhá tykadla jsou hlavními strukturami, kterými se kořist dafnií dostává do kontaktu se spouštěcími chloupky pastí vodních masožravých rostlin.

Profily pohybů D. longicephala během PCA (obr. 2 a 3) ukazují, že ve většině případů je úspěšný odchyt kořisti doprovázen velmi malým pohybem kořisti uvnitř uzavírající se pasti. To je v kontrastu s U. australis, kde se kořist často pasivně otáčí a může se během odchytu vlivem sil přítoku vody dokonce smyčkovat12. U A. vesiculosa se oba laloky pasti sevřou kolem kořisti, aniž by ji dále ve větší míře přemisťovaly, např. vyvolaným pohybem vody. Jak je A. vesiculosa schopna zachytit a udržet živočichy větší než vlastní pasti, jako např. kukly chironomidů nebo nymfy notonektid6,7, je třeba ještě prozkoumat. Pravděpodobně k zadržení a uzavření takto velkých objektů napomáhají zuby na nafouklém okraji (obr. 1a,c) a/nebo probíhající pomalé procesy deformace pasti, tj. tvorba žaludku8.

Útěk kořisti během neúspěšných PCA

Nejsou k dispozici žádné zprávy o pokusech kořisti uniknout ze spuštěných pastí Utricularia. Vstup do pasti Utricularia, kde se nacházejí i spouštěcí chloupky, je zřejmě „místem bez úniku“ vzhledem k rychlému nástupu silného sání (přinejmenším dokud se kořist vejde vstupem a do pasti). Naopak v této studii s A. vesiculosa jsme pozorovali pět neúspěšných PCA (10-14), což naznačuje, že kořistní zvířata nacházející se v oblasti spouštěče (střední spodní část pasti pod hranicí ohrady) mají stále šanci uniknout. Pozorovali jsme, že kořist může uniknout buď v důsledku násilného vytažení jejího sevřeného těla (nebo částí těla) z již uzavřených pastí (PCA 10, 12), nebo díky tomu, že laloky pastí se zuby na nafouklých okrajích (obr. 1a,c) mohou při uzavírání pasti sklouznout z příslušného karapaxu (PCA 13). Kořist, která při spuštění pasti již vyplula, měla výhodnou „startovní pozici“ a mohla rovněž uniknout (PCA 11, 14). To ukazuje, že existují nejméně tři různé situace spuštění pasti/pohybu, kdy kořist může potenciálně uprchnout. Zcela uzavřená kořist však nikdy neutekla. Skutečná úniková reakce, tj. aktivní vyplavání zvířete ze zavírající se pasti jako reakce na spuštěný pohyb, nebyla v této studii u D. longicephala pozorována. Považujeme skutečně za nepravděpodobné, že by dafnidy obecně byly schopny reagovat v požadovaném časovém rozmezí mezi spuštěním pasti a jejím uzavřením. To vychází i ze skutečnosti, že část autorů této studie (SK, MH, RT) rovněž nemohla pozorovat žádnou letovou reakci u Daphnia pulex, které byly zachyceny larválními fantomovými pakomáry (Diptera: Chaoborus), kde vlastní úder predátora trvá ~30 ms a celý proces zachycení méně než 300 ms31.

Dva úniky sevřené kořisti (PCA 10 & 12) ukazují, že D. longicephala je schopna mechanicky odolat síle uzavírajících se laloků pasti A. vesiculosa a uvolnit se údery tykadel. Kromě stáří a stavu pasti a podmínek prostředí jako určujících faktorů bylo prokázáno, že síla zavírání se zvyšuje se zvyšující se silou spouštěcího podnětu8. To, jak je sevřená kořist dále „zpracovávána“ pastí, může být ovlivněno také polohou zvířete a jeho fyzickou kondicí. Například u PCA 7 byla kořist zpočátku sevřena diagonálně mezi laloky (podobně jako u PCA 12). Poté se kořist otočila, pravděpodobně čistě pasivně v důsledku síly, kterou na ni působily oba laloky pasti. Následně se zakřivené laloky dále uzavíraly a tlačily kořist hlouběji do pasti, až byla past zcela uzavřena. V souladu s tím lze spekulovat, že dvojnásobně zakřivená geometrie laloků, která se během uzavírání pasti nemění10 , pomáhá při „manipulaci“ s kořistí sevřenou mezi jednovrstvými oblastmi laloků. Kromě toho, jak bylo pozorováno u PCA 5, může přeložený ostnitý okraj pasti pomáhat při zadržování kořisti. Jak však bylo uvedeno v případě PCA 13, může se také stát, že okraj pasti během odchytu sklouzne. U blízce příbuzné mucholapky venušinské (D. muscipula), kde jsou zuby v poměru k celkovému rozměru pasti mnohem delší než u A. vesiculosa, byla původně vyslovena hypotéza32 a později v terénní a laboratorní studii22 zjištěno, že zuby tvoří „vězení“, které zvyšuje úspěšnost odchytu kořisti střední velikosti. U větší kořisti však byl zjištěn i klesající přínos, což přispívá ke složitosti adaptačního prostředí systému sklapovacích pastí.

Kritické zhodnocení použitých metod

Starší pasti A. vesiculosa mají jiné fyziologické vlastnosti než mladší8. Aby bylo zajištěno, že všechny pasti použité v pokusech jsou podobného stáří, byly vybrány pouze pasti sedmého kmene. Vzhledem k tomu, že u australského červeného ekotypu A. vesiculosa se za den vyvine 0,26-0,65 listového víčka pasti33 , stáří příslušných pastí se pravděpodobně pohybuje v odpovídajícím rozmezí 11-27 dnů. Můžeme však spekulovat, že individuální rozdíly mezi lapáky, jako je jejich velikost nebo množství přichycených řas, možná ovlivňují jejich lapací chování (např. dráždivost, kinematiku, rychlost lapání) ve větší míře než (malé) věkové rozdíly. Například v naší studii byla nejvyšší doba trvání lapání 104 ms naměřena v pasti s mnoha přichycenými řasami (PCA 14).

Experimentální podmínky v klimaticky konstantní místnosti při umělém osvětlení se samozřejmě lišily od podmínek přirozeného prostředí australských A. vesiculosa a D. longicephala. Například malé objemy kyvet omezovaly pohyb kořisti a vody. Vlivem osvětlení se vodní sloupec v kyvetách pravděpodobně zahříval (nebylo měřeno). Osvětlení pravděpodobně dráždilo kořist dafniidů. Dále nelze vyloučit, že odříznutí pastí od příslušných rostlin vede k nežádoucím (a nepozorovaným) vedlejším účinkům, vyvolaným např. stresovými reakcemi a v konečném důsledku vedoucím ke změně chování pastí a zkreslenému hodnocení účinnosti odchytu. Vysokorychlostní analýzy včetně manipulace s jemnými a citlivými konstrukcemi (jako jsou otevřené pasti připravené k odchytu A. vesiculosa) jsou náročné a časově náročné úkoly a vysvětlují malou velikost vzorku v této studii. Bez ohledu na tyto nedostatky, které jsou vlastní našim experimentálním přístupům, je však naše studie prvním pokusem o objasnění interakce predátor-kořist mezi masožravou rostlinou A. vesiculosa a její kořistí D. longicephala. Takové vysokorychlostní analýzy rychlých vodních organismů a struktur by jinak bylo velmi obtížné (nebo dokonce nemožné) provádět v terénu v přirozených podmínkách.

Závěr a výhled

Naše studie je první, která podrobně ukazuje, jak masožravá vodní rostlina (A. vesiculosa) chytá svou dafniidní kořist. Kvalitativně a kvantitativně jsou popsány sekvence pohybu jejích podvodních padacích pastí i chování a pohyby D. longicephala vně a uvnitř pastí. Navíc jsou poprvé popsány a diskutovány případy vzájemných vztahů pohybů (např. úniky kořisti, manipulace se sevřenou kořistí u pasti).

Nepodařilo se nám zjistit korelace (1) mezi hustotou kořisti a úspěšností odchytu, (2) mezi věkem kořisti a úspěšností odchytu, (3) mezi nprey_movement a úspěšností odchytu, (4) mezi hustotou kořisti a ttrigger a (5) mezi věkem kořisti a nprey_movement. Naše analýzy také ukazují, že zde pozorovaná interakce mezi predátorem a kořistí není v žádném případě jednotná. Dominují zřejmě individuální rozdíly v chování kořisti i mezi jednotlivými pastmi. Za předpokladu ještě větších kinematických rozdílů mezi staršími a mladšími pastmi mohou vznikat ještě nehomogennější situace týkající se sekvencí odchytu kořisti. Budoucí experimenty by mohly doplňkově analyzovat PCA s různými přirozenými kořistními živočichy, např. zástupci Cladocera, Copepoda, Ostracoda, Ephemeroptera, Nematocera, Hydrachnidia a Pulmonata7. Takové analýzy by byly užitečné pro další hodnocení účinnosti odchytu pastí A. vesiculosa, které se živí velmi rozmanitou kořistí z hlediska taxonomie, velikosti a pohybového chování. Široké spektrum charakteristik (pohybu) pastí A. vesiculosa by proto možná mohlo být selektivní výhodou. Podobné neselektivní chování při chytání kořisti bylo zaznamenáno u dospělců pastí mucholapky venušinské (D. muscipula)32,34 . Zajímavé je, že pasti semenáčků D. muscipula zachycují jinou kořist, která je zřejmě příliš malá na to, aby spustila pasti dospělců35. Taková potenciální specifičnost kořisti v různých růstových stadiích nebyla dosud u A. vesiculosa zaznamenána. Budoucí kinematické výzkumy chytání kořisti by měly zahrnovat také propracované trojrozměrné analýzy pohybu30,36.

Dalšími možnými tématy pro budoucí studie jsou vývojové a strukturálně-biomechanické charakteristiky možných protiopatření kořisti proti chycení A. vesiculosa. Například je známo, že některé dafnidy mají indukovatelnou obranu specifickou pro predátora, která může zahrnovat změny v morfologii, chování a životním stylu37,38,39 . Díky těmto opatřením je kořist schopna predátora zmařit a snížit predační tlak. Proto by bylo zajímavé otestovat u typické dafniidní kořisti A. vesiculosa, zda takové indukovatelné obranné mechanismy existují i ve zde popsaném vztahu rostlinný predátor – živočišná kořist. Slibná by mohla být zejména analýza zakřivení karapaxu, u něhož jsme pozorovali vliv na to, jak „snadno“ je napůl chycený živočich po uzavření pasti vytlačen dovnitř nebo vně pasti, neboť u jiného druhu rodu Daphnia40 byla zjištěna jeho změna po působení predátora. Kromě toho jsme během prvních testovacích nahrávek s A. vesiculosa a náhodnou kořistí z venkovního jezírka v botanické zahradě ve Freiburgu natočili velmi rychlý a úspěšný aktivní únik kopepoda ze spuštěné pasti (film S15). Reakční doba zvířete byla 5 ms. Během 16 ms vyplaval ze zavírající se pasti (celková doba trvání zavírání: 57 ms). Odhadneme-li celkovou délku pasti ~3 mm (což je na spodní hranici typického rozmezí délek3) a předpokládáme-li, že živočich urazí polovinu této délky, dostaneme rychlost letové reakce 0,09375 m/s. Tato rychlost je stále poměrně nízká v porovnání s rychlostmi, kterých kopepodi údajně dosahují41. Protože v rybníce, odkud kopinatec pochází, nejsou pěstovány žádné rostliny A. vesiculosa, nelze jeho rychlý únik počítat jako vyvolanou obranu, jak bylo popsáno dříve. Někteří (skupiny) živočichů jsou zřejmě vnitřně schopni uniknout rychlým sklapovacím pastem rostliny vodního kola, i když, pravda, natočená past nebyla ve srovnání s jinými příliš rychlá. Nicméně objasnění neuromechanické podstaty okamžitých a rychlých úniků představuje rovněž slibný aspekt pro budoucí studie.