Trapping efficiency

肉食植物のトラップの機能原理に関する研究の多くでは、それぞれの実験や運動学的解析は、人工的に仕掛けられたトラップを使って行われていた10,11,13,14。 また、餌と食虫植物トラップの動きの相互関係については、（場合によっては表面的にしか）触れていない報告も少ない15,16,17,18。 最近、水生食虫植物Utricularia australis (Lentibulariaceae) の超高速水中吸引トラップとそのミジンコ餌料Ceriodaphnia dubiaに関する詳細な報告が発表された12。 この研究は、方法論的には今回と同様であり、獲物による機械的なトラップのトリガー、トラップドアの開口、水と獲物の吸引、トラップドアの閉鎖の過程を高い時間分解能で記録している。 ユスリカの吸引トラップが行う一連の高速運動（一部はミリ秒以下の領域）、その結果生じる吸引された餌の高加速、トラップ内での突然の減速、そして餌を保持するためのトラップ扉の微調整は、C. dubiaが一旦トラップを作動させたらそこから逃げるチャンスがないことを強く示唆している。 少なくとも、このUtriculariaの研究で記録された14回の餌の捕獲はすべて成功した。

A.vesiculosaとD. longicephalaの今回の研究でも14回の餌の捕獲が分析され、捕獲率は低かった (~64%). A. vesiculosaのトラップ閉鎖時間は通常16-30msであり（多くの糸状藻類が付着しているトラップではより長い時間）、一般的に以前のスナップ持続時間の測定8,11と一致し、Utriculariaの吸引時間（平均9 ms、最小： 5.2 ms、最大： 14.9 ms、n = 14）12を超えていた。 本研究で観察されたように，数頭の動物が逃げ出すことから，A. vesiculosaのスナップトラップはU. australisの吸引トラップよりも獲物が逃げやすいことが示唆される。 しかし、この仮定には注意が必要である。なぜなら、2つの異なる餌動物種が、類似の実験室条件下で実験されたが、同一ではなかったからである。 さらに、サンプルサイズが小さい（それぞれn = 14）。 しかし，野外調査において，調査したトラップの5-11.5％しか餌を含んでいないという事実に基づき，他の著者もA. vesiculosaの捕獲効率が低いとしている6,19。 このような野外での観察が、実際にどの程度、スナップトラップ機構の効率や餌の誘引効率を反映しているかはまだ明らかではなく、今後の研究の有望な課題である。 興味深いことに、A. vesiculosaの陸上の姉妹であるVenus flytrap (D. muscipula) でも、いくつかの野外および実験室ベースの研究において低い捕獲効率が報告されている20,21,22。

Trap irritability

trigger hairs are located in the central trap lobe parts below the enclosure boundary.このトラップは、トラップに巻き込まれた獲物を捕獲するための毛である。 また，PCA14では餌の移動による水の変位がトラップの引き金になるという観察結果から，A. vesiculosaの感覚系が高感度であることが示唆された． 一方では、非常に感度の高いトリガー機構は、わずかな機械的な摂動も検出できるため、トラップの効率を高めると推定される。 しかし一方で、生息域で発生する水流などによって、エネルギーを消費し、不要なトラップ閉鎖を回避するための「安全対策」も必要である。 この文脈では、トラップ基部でのトリガーヘアの発生は、ヘアが水流や残骸から保護されているため、不要なトラップ閉鎖を避けるための構造的な予防措置である可能性があります。 また、トリガーヘアーが刺激されたときに潜在的な（小さな）獲物がトラップ内にいるため、捕獲効率が向上することも考えられる。 しかし、第二触角や尾棘などの比較的長い付属肢を持つD. longicephalaを用いた本研究では、獲物の体が必ずしもトラップ内に完全に収まっていなくても、これらの構造物がトラップのトリガーとなることが多いことが観察された。 今後、餌の「適性」と罠の刺激性23,24をより詳細に分析することが可能である。 最近、ミズアブの姉妹種であるビーナス・フライトラップ（D. muscipula）のスナップトラップについて、非常に敏感な感覚系が報告された25,26。 D. muscipulaでは、トラップが閉じるために必要な1本または異なるトリガー毛への刺激が、一定時間内に少なくとも2回連続するのに対し、A. vesiculosaのトラップはこの点でより変化に富んでいる。 1回の刺激で閉じるもの、2回の刺激で閉じるもの、さらに機械的な刺激を必要とするもの、全く反応しないものなどがある1,2,8。 このようにトラップの刺激性にばらつきがある理由はまだわかっていない。

考えられる獲物誘引のメカニズム

アオドウガネのトラップの横にある葉状の剛毛（図1b）は、動物を休ませて保護する場所を提供することで誘引しているのではないかと仮説が立てられている27。 また、スナップトラップ内部の多数のトリガーヘア（参考文献11の図3c参照）は、糸状藻類を模倣して、かすめる甲殻類をスナップトラップに誘い込むためと議論されたが28、今のところ明確な研究はなされていない。 また，ヨーロッパツメガエルは餌に特異性がなく，餌の種類，大きさ，移動様式，移動速度に関係なく，日和見的に捕獲することから，化学的あるいは擬態的な特殊な誘引機構によって捕獲が促進されるとは考えにくい7. D. longicephalaの不規則な遊泳行動から、トラップへの誘引を示す行動を識別して観察することはできなかった。 D. longicephalaは平均遊泳速度が8mm/sと活発な遊泳をするため、A. vesiculosaのトラップに遭遇する確率はおそらく高い29,30と思われる。 そのため，自然のPCAが偶然に起こる可能性もあり，おそらく餌を探す際に罠に近づくためと考えられる． しかし、A. vesiculosaのトラップの葉は渦状に配列されており（文献11の図1b参照）、そのため、自然な向きは変化する。 このため，D. longicephala のような自由遊泳性の餌生物の誘引・捕獲には，トラップの向きは重要な役割を果た していないと思われる。 この文脈では、基質に縛られた餌や放牧された餌に対するトラップの向きの影響を調べることは興味深いかもしれない。

General aspects of prey movement and behavior

その広い散乱により、tDZとtTIについて得られた結果は異なるトラップゾーン内の典型的な滞在時間を明らかにしない。 また、移動の種類と量は異なるPCA間で大きく異なる。 獲物がトリガー前に危険地帯やトラップ内部にどれくらいの時間滞在するかは、純粋に偶然の産物であるように思われる。 また、吸引トラップを用いたミナミキイロアザミウマでは、餌であるミジンコの体の向きや移動行動がトリガー前とトリガー中に変化した12。

この研究では12例（～86％）で、動物は第2触角の動きで直接A. vesiculosaトラップをトリガーさせた。 この第二触角は動物の頭部から突出した比較的長い構造で、推力を発生させることで遊泳運動を担っている。 また、トラップ作動時の餌生物の方向や位置に関わらず（表2参照）、第2触角はトラップ内のトリガーヘアと接触し（PCA1〜10、12、13）、あるいは作動に十分な強い水流を発生させていた（PCA14）。 同様の観察は、すでに述べたUtricularia prey capture研究12でも報告されており、Ceriodaphnia dubiaの7匹（14匹中）が第2触角で、6匹が頭で、1匹が甲羅でトリガーヘアと接触していることがわかった。 このことから、ミジンコ類が水生食虫植物のトラップのトリガーヘアと接触するのは主に第2触角であると考えられる。

PCA中のD. longicephalaの動きのプロファイル（図2、3）から、ほとんどの場合、獲物の捕獲成功に伴い、閉鎖トラップの中で獲物がほとんど移動しないことが示された。 A. vesiculosaでは，2つのトラップ葉が獲物を包み込むが，水中運動による誘導などで獲物が大きく移動することはない。 A. vesiculosaがどのようにして、ユスリカの蛹やノットネクタイの幼虫など、実際のトラップよりも大きな動物を捕獲し、保持することができるのかについては、まだ解明されていない。 このような大型の動物を捕獲し、囲い込むためには、おそらく折り畳まれた縁の歯（図1a,c）および／または進行中の緩慢なトラップ変形過程、すなわち胃の形成8が有効であると考えられる。 どうやら、トリガーヘアもあるユトリキュラリアトラップの入り口は、強い吸引力がすぐに発生するため、「逃げられないポイント」であるようだ（少なくとも、獲物が入り口からトラップに入る限りはそうであろう）。 一方、A. vesiculosaを用いた本研究では、5回のPCAの失敗が観察され（10-14）、トリガー領域（囲いの境界より下のトラップ中央下部）に位置する餌動物にはまだ脱出するチャンスがあることが示された。 獲物が逃げるには、捕獲された体（または体の一部）がすでに閉じたトラップから無理やり引き出されること（PCA 10, 12）、またはトラップの縁に折り畳まれた歯（図1a、c）があるトラップ葉がトラップ閉塞中にそれぞれの甲羅から滑り落ちること（PCA 13）が原因であることが観察された。 また、トリガー時にすでにトラップから泳ぎだしていた獲物は、有利な「スタート位置」を得て、同様に脱出することができた（PCA11, 14）。 このことから、少なくとも3つの異なるトラップ作動・移動状況が存在し、獲物が逃げ出す可能性があることがわかった。 しかし、完全に密閉された獲物動物が逃げることはなかった。 また，この研究では，真の飛翔反応，すなわち，閉じた罠の動きに対する反応として，動物が積極的に泳いで外に出ることは観察されていない． ミジンコ類は一般的に、トラップのトリガーから閉じるまでの間に必要な時間スケールで反応できる可能性は低いと考えています。 これは、本研究の著者の一部 (SK, MH, RT) が、ファントム・ミジンコ (Diptera: Chaoborus) の幼虫に捕獲されたミジンコの飛行反応を観察できなかったという事実にも基づいており、捕食者の実際の攻撃は ~30 ms で、捕獲プロセス全体は 300 ms 以下31 であるとされています。

クランプされた餌の2つの脱出イベント（PCAs 10 & 12）は、D. longicephalaがA. vesiculosaの閉じるトラップ葉の力に機械的に抵抗し、アンテナストロークで自由になることができることを示している。 決定要因として、罠の年齢や状態、環境条件の他に、誘因刺激の強さが増すと閉じる力が大きくなることが示されている8。 また、捕獲された獲物がトラップによってどのように「処理」されるかは、動物の位置や体調に影響される場合がある。 例えば，PCA7では，最初，獲物は葉の間に斜めにクランプされた（PCA12と同様）． その後、獲物は2つのトラップローブが作用する力によって、おそらく純粋に受動的に向きを変えた。 その後、湾曲したローブがさらに閉じ、罠が完全に閉じるまで獲物を罠の奥に押し込んだ。 このことから、ローブが二重に湾曲した形状は、トラップが閉じる際に変化しないため10、ローブの一重の領域の間に挟まれた獲物の「処理」に役立つと推測される。 また、PCA5で観察されたように、くぼんだトゲのあるトラップの縁は、獲物の保持に役立っている可能性がある。 しかし、PCA13で述べたように、捕獲動作中にトラップの縁が滑り落ちてしまうこともあり得る。 近縁種のビーナスハエトリ (D. muscipula) では、A. vesiculosa と比較して、トラップ全体の寸法に対して歯が非常に長く、当初は仮説として考えられていたが32、後に野外および研究室ベースの研究22で、歯が「刑務所」を形成して中型の餌の捕獲成功を増加させることが判明している。 しかし、より大きな獲物に対しては利益が減少することも判明し、スナップトラップシステムの適応的なランドスケープの複雑さが増している。

Critical evaluation of applied methods

A. vesiculosa trapの古いものは若いものと異なる生理的特性を持っている8。 実験に使用するトラップはすべて同程度の年齢であることを確認するため、第7渦巻きのトラップのみを選択した。 A. vesiculosaのオーストラリアンレッドエコタイプは1日に0.26-0.65枚のトラップ葉を展開するので33、それに応じてそれぞれのトラップの年齢も11-27日の間でばらつくと推測される。 しかし，トラップの大きさや付着藻類の量などの個体差は，（小さな）年齢差よりも，トラップのスナップ行動（刺激性，運動性，スナップ速度など）に大きく影響している可能性があると推測される。 例えば、本研究では、多くの藻類が付着したトラップにおいて、104msという最も高いスナップ時間が測定された（PCA14）。

人工照明下の恒温室における実験条件は、明らかにオーストラリアのA. vesiculosa and D. longicephalaの自然生息地の条件から逸脱している。 例えば、キュベットの容積が小さいため、餌や水の移動が制限された。 照明によりキュベット内の水柱が温まったと思われる（未測定）。 照明がミジンコの餌を刺激したと思われる。 さらに、植物からトラップを切り離すと、例えばストレス反応によって引き起こされる不要な（そして気づかない）副作用が生じ、最終的にトラップの行動が変化し、トラップ効率の評価に偏りが生じる可能性も排除できない。 デリケートで繊細な構造物（捕獲準備の整ったオープントラップなど）の取り扱いを含む高速分析は、困難で時間のかかる作業であり、この研究のサンプルサイズが小さいことの理由でもある。 しかし、このような実験手法に内在する欠点にかかわらず、本研究は、食虫植物A. vesiculosaとその餌であるD. longicephalaの間の捕食者-被食者相互作用を明らかにする最初の試みである。

結論と展望

本研究は、肉食のミズアオイがミジンコの餌を捕らえる様子を詳細に示した初めてのものである。 水中のスナップトラップの動作シーケンス、トラップの外側と内側のミジンコの行動と運動について、定性的かつ定量的に記述した。 さらに、動きの相互関係(例えば、獲物の逃亡、罠にかかった獲物の処理)を初めて記述し、議論した。

(1)獲物密度と捕獲成功、(2)獲物の年齢と捕獲成功、(3)nprey_movementと捕獲成功の相関は見出せず、また獲物の密度とtrigger、獲物の年齢と nprey_movementは相関しないことが判明した。 また、今回観察された捕食者と被食者の相互作用は決して一様ではないことが分析から明らかになった。 捕食者の行動の個人差やトラップ間の差が支配的であるらしい。 古いトラップと若いトラップの間の運動学的な差異がさらに大きいと仮定すると、餌の捕獲順序に関してさらに非一様な状況が現れるかもしれない。 今後の実験では，異なる自然の餌動物，たとえばクラドセラ，コペポーダ，オストラコダ，エフェメラ，ネマトセラ，ヒドロ虫，パルモナータのメンバーでPCAを補完的に分析することができるだろう7． このような分析は，A. vesiculosaトラップの捕獲効率をさらに評価するのに役立つと思われる。このトラップは，分類学，サイズ，移動行動に関して非常に多様な餌動物を捕食している。 したがって，A. vesiculosaトラップ（運動）の幅広い特性は，おそらく選択的な利点となり得る。 また，ビーナスハエトリの成虫トラップにおいても，同様の非選択的な捕獲行動が報告されている32,34． 興味深いことに、D. muscipula の苗のトラップは、成虫のトラップを作動させるには小さすぎるようで、異なる獲物を捕獲している35。 A. vesiculosaでは、このような成長段階における潜在的な餌の特異性はまだ報告されていない。 4845>

また，A. vesiculosaによる捕獲に対して被食者が取りうる対抗手段の発達的・構造的・生物力学的特性についても，今後の研究の対象となりうる。 例えば、いくつかのミジンコ類は捕食者特異的な誘導性防御を持つことが知られており、それは形態、行動、生活史の変化から構成されていると考えられる37,38,39。 これらの防御策により、被食者は捕食者を妨害し、捕食圧を減少させることができる。 したがって、A. vesiculosa の典型的なミジンコ類の餌である植物捕食者-動物被食者の関係において、このような誘導性防御が存在するかどうかを検証することは興味深いことである。 特に、甲羅の曲率を分析することは、別のミジンコ種で捕食者にさらされた後に変化することが見出されたように、半捕獲された動物が閉鎖後にいかに「容易に」トラップ内または外に押し出されるかに影響を与えることが観察されており、有望である可能性があります40。 さらに、フライブルク植物園の屋外池で A. vesiculosa とランダムな餌を使った最初のテスト録画では、トリガー式トラップからカイアシが非常に素早く能動的に脱出する様子が撮影されました（動画 S15）。 この動物の反応速度は5msであった。 16msの間に閉じられたトラップから泳いで出て行った（総閉鎖時間：57ms）。 トラップの長さを3mm程度とし（一般的な長さの下限である3）、動物がその半分を移動すると仮定すると、飛行反応速度は0.09375m/sとなる。 この速度は、橈脚類が達成できるとされる速度に比べると、まだ比較的低速である41。 また、この橈脚類が生息する池にはA. vesiculosaが栽培されていないため、前述のようにこの急速な逃亡を誘導防衛としてカウントすることはできない。 しかし、このトラップは他のトラップと比べてそれほど速くはないものの、ある種の動物（群）には水車植物の高速スナップトラップから逃れる能力が本来備わっているらしい。 しかし、瞬時に素早く脱出するための神経機械的な基盤を解明することは、今後の研究の有望な一面である

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