Efficienza di cattura

Nella maggior parte degli studi sui principi funzionali delle trappole per piante carnivore, i rispettivi esperimenti e le analisi cinematiche sono stati eseguiti con trappole attivate artificialmente10,11,13,14. Ci sono solo pochi rapporti disponibili, che (in alcuni casi solo superficialmente) trattano l’interrelazione dei movimenti delle prede e delle trappole per piante carnivore15,16,17,18. Un rapporto dettagliato sulle trappole a risucchio subacqueo ultraveloce della pianta carnivora acquatica Utricularia australis (Lentibulariaceae) e la sua preda daphniid Ceriodaphnia dubia è stato pubblicato recentemente12. In questo studio, che è metodicamente simile al presente, i processi di innesco meccanico della trappola da parte della preda, apertura della botola, aspirazione dell’acqua e della preda e chiusura della botola sono stati registrati con alta risoluzione temporale. La sequenza di movimenti rapidi (in parte nel regime di sub-millisecondi) eseguiti dalla trappola a suzione Utricularia e la conseguente elevata accelerazione della preda risucchiata, la sua improvvisa e brusca decelerazione all’interno della trappola, così come la chiusura della botola per la ritenzione della preda, suggeriscono fortemente che C. dubia non ha alcuna possibilità di sfuggire alla trappola una volta attivata. Almeno, tutti i 14 tentativi di cattura delle prede registrati in questo studio Utricularia hanno avuto successo.

Nel presente studio su A. vesiculosa e D. longicephala, sono stati analizzati anche 14 tentativi di cattura delle prede, con un tasso di cattura inferiore (~64%). Le durate misurate di chiusura della trappola A. vesiculosa variavano tipicamente tra 16-30 ms (durate più lunghe si sono verificate anche in trappole con molte alghe filamentose attaccate), in generale confermando le precedenti misure di durata dello schiocco8,11 e superando la durata dell’aspirazione in Utricularia (9 ms in media, min: 5,2 ms; max: 14,9 ms, n = 14)12. Insieme con la fuga di diversi animali, come osservato in questo studio, si può suggerire che la preda è più probabile per sfuggire al A. vesiculosa snap-trap che la trappola di aspirazione U. australis. Tuttavia, questa ipotesi deve essere presa con cautela, poiché due diverse specie di animali da preda sono state testate in condizioni di laboratorio sperimentale simili, ma non identiche. Inoltre, le dimensioni del campione sono piccole (n = 14 ciascuno). Tuttavia, una bassa efficienza di cattura è stata attribuita ad A. vesiculosa anche da altri autori, sulla base del fatto che durante gli studi sul campo solo il 5-11,5% delle trappole studiate conteneva prede6,19. In che misura queste osservazioni sul campo riflettano effettivamente l’efficienza del meccanismo di cattura a scatto e/o l’efficienza dell’attrazione delle prede non è ancora chiaro e rimane un argomento promettente per studi futuri. È interessante notare che una bassa efficienza di cattura è stata riportata anche per Venus flytraps (D. muscipula), la sorella terrestre di A. vesiculosa, in diversi studi sul campo e in laboratorio20,21,22.

Irritabilità della trappola

I peli di scatto sono situati nelle parti centrali del lobo della trappola sotto il confine del recinto. L’osservazione in PCA 14 che lo spostamento d’acqua indotto dal movimento della preda fa scattare la trappola, suggerisce un’alta sensibilità del sistema sensoriale di A. vesiculosa. Un meccanismo di attivazione molto sensibile da un lato aumenta presumibilmente l’efficienza della trappola, consentendole di rilevare anche lievi perturbazioni meccaniche. Ma dall’altro lato, richiede anche “precauzioni di sicurezza” per evitare chiusure della trappola dispendiose in termini di energia e non necessarie, ad esempio a causa di flussi d’acqua che si verificano nell’habitat. In questo contesto, la presenza di peli alla base della trappola potrebbe essere una misura strutturale di precauzione per evitare inutili chiusure della trappola, poiché i peli sono protetti dalle correnti d’acqua e dai detriti. È anche ipotizzabile che aumenti l’efficienza di cattura perché le potenziali (piccole) prede saranno all’interno della trappola quando i peli di attivazione vengono stimolati. Tuttavia, in questo studio con D. longicephala, che possiede appendici relativamente lunghe come le seconde antenne e la spina dorsale della coda, abbiamo osservato che queste strutture erano spesso responsabili dell’innesco della trappola, senza che il corpo dell’animale preda fosse necessariamente completamente dentro la trappola. Studi futuri potrebbero analizzare più in dettaglio l'”idoneità” della preda e l’irritabilità della trappola23,24 . Un sistema sensoriale altamente sensibile è stato recentemente descritto per la trappola a scatto della sorella della ruota idraulica, la Venus flytrap (D. muscipula)25,26. Mentre in D. muscipula ci sono sempre almeno due stimoli consecutivi su uno o su diversi peli di scatto necessari entro un certo periodo per comportare la chiusura della trappola, le trappole di A. vesiculosa sono più variabili in questo senso. Qui, alcune trappole si chiudono dopo la ricezione di uno stimolo, alcune si chiudono dopo due stimoli, alcune richiedono ancora più perturbazioni meccaniche, e alcune non rispondono affatto1,2,8. Le ragioni di questa variabilità nell’irritabilità della trappola sono ancora sconosciute.

Meccanismi possibili di attrazione delle prede

Si è ipotizzato che le setole fogliari situate accanto alla trappola di A. vesiculosa (Fig. 1b) possano attrarre gli animali fornendo loro un luogo di riposo e protezione27. I numerosi peli di innesco all’interno della trappola a scatto (cfr. Fig. 3c in rif. 11) sono stati discussi per imitare le alghe filamentose al fine di attirare i crostacei radenti nella trappola a scatto28, ma mancano finora studi chiarificatori. Inoltre, poiché l’A. vesiculosa dell’Europa centrale non mostra alcuna specificità della preda ma cattura in modo opportunistico, indipendentemente dalla specie della preda, dalle dimensioni, dalla modalità di mobilità e dalla velocità di movimento, è improbabile che la cattura sia potenziata da meccanismi di attrazione specializzati basati sulla chimica o sul mimetismo7. Dal comportamento erratico di nuoto di D. longicephala non abbiamo potuto discriminare e osservare alcun comportamento che indica attrazione verso la trappola. Poiché D. longicephala è un buon nuotatore attivo, con una velocità media di nuoto di 8 mm/s, la probabilità di un incontro con una trappola di A. vesiculosa è probabilmente alta29,30. Pertanto, è ipotizzabile che le PCA naturali avvengano piuttosto casualmente, probabilmente ad esempio perché gli animali si avvicinano alla trappola durante la ricerca del cibo.

La maggior parte delle trappole nelle PCA registrate 1-14 erano orientate verso il basso per motivi metodici/di gestione (Figg. 1 e 2). Tuttavia, le foglie delle trappole di A. vesiculosa sono disposte a spirale (cfr. Fig. 1b in rif. 11) e, pertanto, il loro orientamento naturale è variabile. Noi ipotizziamo che l’orientamento delle trappole non giochi un ruolo cruciale nella possibile attrazione e cattura di prede a nuoto libero come D. longicephala. In questo contesto, potrebbe essere interessante indagare l’effetto dell’orientamento delle trappole su prede legate al substrato o al pascolo.

Aspetti generali del movimento e del comportamento delle prede

A causa della loro ampia dispersione, i risultati ottenuti per tDZ e tTI non rivelano tempi di permanenza tipici all’interno delle diverse zone di trappola. Inoltre, i tipi e la quantità di movimenti variano notevolmente tra le diverse PCA. Sembra essere puramente casuale il tempo di permanenza della preda nella zona di pericolo e/o all’interno della trappola prima dell’innesco. Anche nel Southern bladderwort (U. australis) con trappole ad aspirazione, l’orientamento del corpo e il comportamento di movimento della preda daphniid C. dubia erano variabili prima e durante l’innesco12.

In 12 casi in questo studio (~86%), gli animali hanno attivato le trappole A. vesiculosa direttamente con movimenti delle loro seconde antenne. Queste strutture relativamente lunghe sporgono dalla testa dell’animale e sono responsabili dei movimenti di nuoto generando la spinta. Indipendentemente dalla maggior parte degli orientamenti e dalle posizioni degli animali preda al momento dell’innesco della trappola (cfr. Tabella 2), le seconde antenne sono entrate in contatto con i peli di innesco all’interno delle trappole (PCA 1-10, 12,13), o hanno generato correnti d’acqua abbastanza forti per l’innesco (PCA 14). Osservazioni simili sono riportate nel già citato studio sulla cattura delle prede Utricularia12, dove sette (su 14) Ceriodaphnia dubia hanno toccato i peli di attivazione con le loro seconde antenne, sei con la testa e uno con il carapace. Possiamo ipotizzare che le seconde antenne siano le strutture principali con cui le prede dafnie entrano in contatto con i peli di innesco delle trappole per piante carnivore acquatiche.

I profili dei movimenti di D. longicephala durante le PCA (Figg. 2 e 3) mostrano che nella maggior parte dei casi, la cattura di prede di successo è accompagnata da un movimento molto piccolo della preda all’interno della trappola in chiusura. Questo è in contrasto con U. australis, dove la preda è spesso passivamente girato intorno e può anche loop durante la cattura a causa delle forze dell’afflusso di acqua12. In A. vesiculosa, i due lobi della trappola si stringono intorno alla preda senza ulteriori spostamenti in grande misura, ad esempio dal movimento di acqua indotta. Come A. vesiculosa sia in grado di catturare e trattenere animali più grandi delle trappole attuali, come ad esempio pupe di chironomidi o ninfe di notonectidi6,7, rimane da indagare. Probabilmente, i denti sul bordo ripiegato (Fig. 1a,c) e/o i lenti processi di deformazione della trappola in corso, cioè la formazione dello stomaco8, aiutano a trattenere e racchiudere oggetti così grandi.

Fuga delle prede durante le PCA non riuscite

Non ci sono rapporti disponibili sui tentativi di fuga delle prede dalle trappole Utricularia attivate. Apparentemente, l’ingresso della trappola Utricularia, dove si trovano anche i peli di attivazione, è un “punto di non fuga” a causa del rapido insorgere di una forte aspirazione (almeno fino a quando la preda passa attraverso l’ingresso e nella trappola). Al contrario, in questo studio con A. vesiculosa abbiamo osservato cinque PCA senza successo (10-14), indicando che gli animali preda situati nella regione di innesco (la parte centrale inferiore della trappola sotto il confine del recinto) hanno ancora una possibilità di fuga. Abbiamo osservato che la preda potrebbe fuggire sia a causa della trazione forzata del suo corpo bloccato (o parti del corpo) fuori dalle trappole già chiuse (PCA 10, 12), o a causa del fatto che i lobi della trappola con i denti sui bordi ripiegati (Fig. 1a,c) possono scivolare fuori dal rispettivo carapace durante la chiusura della trappola (PCA 13). La preda, che stava già nuotando fuori dalla trappola durante l’innesco, aveva una “posizione di partenza” favorevole e poteva anche scappare (PCA 11, 14). Questo dimostra che esistono almeno tre diverse situazioni di attivazione/movimento della trappola in cui la preda può potenzialmente fuggire. Tuttavia, gli animali da preda completamente chiusi non sono mai fuggiti. Una vera risposta di fuga, cioè un animale che nuota attivamente fuori da una trappola in chiusura come risposta al movimento innescato, non è stata osservata in questo studio con D. longicephala. Riteniamo infatti improbabile che i dafniidi in generale siano in grado di rispondere nel lasso di tempo richiesto tra l’attivazione della trappola e la chiusura. Questo si basa anche sul fatto che parte degli autori di questo studio (SK, MH, RT) non ha potuto anche osservare alcuna risposta di volo di Daphnia pulex che sono stati catturati da moscerini fantasma larvale (Diptera: Chaoborus), dove il colpo effettivo del predatore dura ~ 30 ms e l’intero processo di cattura meno di 300 ms31.

I due eventi di fuga della preda bloccata (PCA 10 & 12) mostrano che D. longicephala è in grado di resistere meccanicamente alla forza dei lobi di chiusura della trappola di A. vesiculosa e di liberarsi con colpi di antenna. Oltre all’età e alle condizioni della trappola, nonché alle condizioni ambientali come fattori determinanti, è stato dimostrato che la forza di chiusura aumenta con l’aumentare dell’intensità dello stimolo di attivazione8. Come preda bloccato è ulteriormente “elaborato” dalla trappola può anche essere influenzato dalla posizione dell’animale e la sua condizione fisica. In PCA 7, per esempio, la preda era inizialmente bloccato in diagonale tra i lobi (simile a PCA 12). Poi la preda si è girata, presumibilmente in modo puramente passivo a causa della forza dei due lobi della trappola che agiscono su di essa. Successivamente, i lobi curvi si sono chiusi ulteriormente e hanno spinto la preda più in profondità nella trappola fino a quando la trappola è stata completamente chiusa. Di conseguenza, si può ipotizzare che la geometria doppiamente curva dei lobi, che non cambia durante la chiusura della trappola10, aiuta nella “gestione” della preda bloccata tra le regioni a uno strato dei lobi. Inoltre, come osservato in PCA 5, il bordo della trappola spinosa ripiegato può aiutare a trattenere la preda. Tuttavia, come discusso per PCA 13, può anche accadere che il bordo della trappola scivoli via durante il movimento di cattura. Nella Venus flytrap strettamente correlata (D. muscipula), dove i denti sono molto più lunghi in relazione alla dimensione complessiva della trappola rispetto all’A. vesiculosa, è stato inizialmente ipotizzato32 e successivamente trovato in uno studio sul campo e in laboratorio22 che i denti formano una “prigione” che aumenta il successo di cattura della preda per prede di dimensioni moderate. Tuttavia, per le prede più grandi è stato riscontrato anche un beneficio decrescente, il che si aggiunge alla complessità del panorama adattivo del sistema delle trappole a scatto.

Valutazione critica dei metodi applicati

Le trappole A. vesiculosa più vecchie hanno caratteristiche fisiologiche diverse da quelle più giovani8. Al fine di garantire che tutte le trappole utilizzate negli esperimenti siano di età simile, sono state scelte solo trappole del settimo verticillo. Poiché l’ecotipo rosso australiano di A. vesiculosa sviluppa 0,26-0,65 verticilli di foglie di trappola al giorno33, le età delle rispettive trappole presumibilmente si distribuiscono tra 11-27 giorni di conseguenza. Tuttavia, possiamo ipotizzare che le differenze individuali tra le trappole, come le loro dimensioni o la quantità di alghe attaccate, probabilmente influenzano il loro comportamento di scatto (ad esempio irritabilità, cinematica, velocità di scatto) in misura maggiore rispetto alle (piccole) differenze di età. Per esempio, nel nostro studio la più alta durata di scatto di 104 ms è stata misurata in una trappola con molte alghe attaccate (PCA 14).

Le condizioni sperimentali nella stanza a clima costante sotto luce artificiale si discostavano evidentemente dalle condizioni dell’habitat naturale di A. vesiculosa e D. longicephala australiane. Per esempio, i piccoli volumi delle cuvette limitavano il movimento delle prede e dell’acqua. A causa dell’illuminazione, la colonna d’acqua nelle cuvette probabilmente si è riscaldata (non misurata). L’illuminazione ha presumibilmente irritato la preda daphniid. Inoltre, non possiamo escludere che il taglio delle trappole dalle rispettive piante porti a effetti collaterali indesiderati (e inosservati), evocati ad esempio da risposte di stress e che alla fine portino a un comportamento alterato delle trappole e a una valutazione distorta dell’efficienza di cattura. Le analisi ad alta velocità, compresa la manipolazione delle strutture delicate e sensibili (come le trappole aperte e pronte per la cattura di A. vesiculosa) sono compiti impegnativi e che richiedono tempo e spiegano la piccola dimensione del campione in questo studio. Tuttavia, indipendentemente da questi inconvenienti inerenti ai nostri approcci sperimentali, il nostro studio è il primo tentativo di far luce sull’interazione predatore-preda tra la pianta carnivora A. vesiculosa e la sua preda D. longicephala. Tali analisi ad alta velocità di organismi e strutture acquatiche veloci sarebbero altrimenti molto difficili (o addirittura impossibili) da eseguire sul campo in condizioni naturali.

Conclusione e prospettive

Il nostro studio è il primo a mostrare in dettaglio come la pianta carnivora a ruota d’acqua (A. vesiculosa) cattura le sue prede daphniid. Le sequenze di movimento delle sue trappole a scatto subacquee così come il comportamento e i movimenti di D. longicephala fuori e dentro le trappole sono descritti qualitativamente e quantitativamente. Inoltre, vengono descritti e discussi per la prima volta i casi di interrelazione tra i movimenti (per esempio la fuga delle prede, la manipolazione delle prede bloccate dalla trappola).

Non abbiamo potuto rilevare correlazioni (1) tra la densità delle prede e il successo della cattura, (2) tra l’età delle prede e il successo della cattura, (3) tra nprey_movement e il successo della cattura, (4) tra la densità delle prede e ttrigger, e (5) tra l’età delle prede e nprey_movement. Le nostre analisi mostrano anche che l’interazione predatore-preda come osservata qui non è affatto uniforme. Le differenze individuali nel comportamento delle prede e tra le singole trappole apparentemente dominano. Assumendo differenze cinematiche ancora maggiori tra le trappole più vecchie e quelle più giovani, potrebbero emergere situazioni ancora più disomogenee per quanto riguarda le sequenze di cattura delle prede. Gli esperimenti futuri potrebbero analizzare complementarmente le PCA con diversi animali da preda naturali, per esempio membri di Cladocera, Copepoda, Ostracoda, Ephemeroptera, Nematocera, Hydrachnidia e Pulmonata7. Tali analisi sarebbero utili per valutare ulteriormente l’efficienza di cattura delle trappole A. vesiculosa, che si nutrono di una diversità molto elevata di animali preda per quanto riguarda tassonomia, dimensioni e comportamento di movimento. Pertanto, un ampio spettro di caratteristiche della trappola A. vesiculosa (movimento) potrebbe essere un vantaggio selettivo. Un simile comportamento non selettivo di cattura delle prede è stato riportato dalle trappole per adulti della Venus flytrap (D. muscipula)32,34. È interessante notare che le trappole di piantine di D. muscipula catturano diverse prede, che apparentemente sono troppo piccole per attivare le trappole adulte35. Tale potenziale specificità della preda in diversi stadi di crescita non è ancora stata riportata per A. vesiculosa. Future indagini cinematiche sulla cattura delle prede dovrebbero includere anche elaborate analisi del movimento tridimensionale30,36.

Altri possibili argomenti per studi futuri sono le caratteristiche di sviluppo e strutturali-biomeccaniche di possibili contromisure della preda contro la cattura da parte di A. vesiculosa. Per esempio, diversi dafniidi sono noti per possedere difese inducibili specifiche del predatore, che possono comprendere alterazioni della morfologia, del comportamento e della storia della vita37,38,39. Con queste misure, la preda è in grado di contrastare il predatore e di ridurre la pressione di predazione. Pertanto, sarebbe interessante testare con prede daphniid tipiche di A. vesiculosa se tali difese inducibili esistono anche nel rapporto predatore vegetale – preda animale qui descritto. Soprattutto analizzando la curvatura del carapace, che abbiamo osservato per influenzare come ‘facile’ un animale mezzo intrappolato è costretto dentro o fuori la trappola dopo la chiusura, potrebbe essere promettente, come è stato trovato alterato dopo l’esposizione al predatore in un altro Daphnia specie40. Inoltre, durante le registrazioni di prova iniziale con A. vesiculosa e prede casuali da uno stagno all’aperto nel giardino botanico di Friburgo, abbiamo filmato una fuga attiva molto veloce e successo di un copepode fuori una trappola innescata (Movie S15). Il tempo di reazione dell’animale era di 5 ms. In un lasso di tempo di 16 ms ha nuotato fuori dalla trappola in chiusura (durata totale della chiusura: 57 ms). Stimando una lunghezza totale della trappola di ~ 3 mm (che è all’estremità inferiore della gamma di lunghezza tipica3) e assumendo che l’animale viaggia metà della lunghezza dà una velocità di risposta di volo di 0.09375 m/s. Questa velocità è ancora relativamente lenta rispetto alle velocità che i copepodi possono raggiungere41. Poiché non ci sono piante di A. vesiculosa coltivate nello stagno da cui il copepode proviene, la sua rapida fuga non può essere considerata una difesa indotta, come descritto prima. Apparentemente, alcuni (gruppi di) animali sono intrinsecamente in grado di sfuggire alle veloci trappole a scatto della pianta di vesiculosa, anche se, ammettiamolo, la trappola filmata non era molto veloce rispetto ad altre. Tuttavia, chiarire le basi neuro-meccaniche per le fughe istantanee e rapide costituisce anche un aspetto promettente per gli studi futuri.