Wydajność odłowu

W większości badań nad funkcjonalnymi zasadami działania pułapek na rośliny mięsożerne, odpowiednie eksperymenty i analizy kinematyczne były wykonywane z użyciem pułapek sztucznie wyzwalanych10,11,13,14. Dostępnych jest tylko kilka raportów, które (w niektórych przypadkach tylko powierzchownie) zajmują się wzajemnym powiązaniem ruchów ofiar i pułapek na rośliny mięsożerne15,16,17,18. Ostatnio opublikowano szczegółowe sprawozdanie na temat ultraszybkich podwodnych pułapek ssących na wodną roślinę mięsożerną Utricularia australis (Lentibulariaceae) i jej ofiarę rozwielitkę Ceriodaphnia dubia12. W pracy tej, metodycznie podobnej do niniejszej, z dużą rozdzielczością czasową rejestrowano procesy mechanicznego wyzwalania pułapki przez ofiarę, otwierania klapy, zasysania wody i ofiary oraz zamykania klapy. Sekwencja szybkich ruchów (częściowo w reżimie submilisekundowym) wykonywanych przez pułapkę ssącą Utricularia i wynikające z tego duże przyspieszenie zasysanej ofiary, jej nagłe i gwałtowne wyhamowanie wewnątrz pułapki, jak również precyzyjnie dostrojone zamknięcie klapy w celu zatrzymania ofiary, silnie sugerują, że C. dubia nie ma szans na ucieczkę z pułapki po jej uruchomieniu. Przynajmniej wszystkie 14 prób schwytania ofiary odnotowanych w tym badaniu nad Utricularia zakończyło się sukcesem.

W obecnym badaniu nad A. vesiculosa i D. longicephala, również przeanalizowano 14 prób schwytania ofiary, z niższym wynikiem (~64%). Zmierzone czasy zamykania pułapek na A. vesiculosa wynosiły zwykle 16-30 ms (dłuższe czasy występowały także w pułapkach z wieloma przyczepionymi glonami nitkowatymi), ogólnie rzecz biorąc potwierdzając wcześniejsze pomiary czasu trwania zatrzaskiwania8,11 i przekraczając czas zasysania u Utricularia (średnio 9 ms, min: 5,2 ms; maks: 14,9 ms, n = 14)12. W połączeniu z ucieczką kilku zwierząt, jak zaobserwowano w tym badaniu, można sugerować, że prawdopodobieństwo ucieczki ofiary z pułapki zatrzaskowej A. vesiculosa jest większe niż z pułapki ssącej U. australis. Jednakże, założenie to należy traktować z ostrożnością, ponieważ dwa różne gatunki zwierząt drapieżnych były badane w podobnych, ale nie identycznych warunkach laboratoryjnych. Ponadto, liczebność próby jest niewielka (n = 14 sztuk). Jednak niska skuteczność chwytania została przypisana A. vesiculosa również przez innych autorów, na podstawie faktu, że podczas badań terenowych tylko 5-11,5% badanych pułapek zawierało ofiarę6,19. W jakim stopniu te obserwacje terenowe rzeczywiście odzwierciedlają skuteczność mechanizmu pułapek zatrzaskowych i/lub skuteczność przyciągania ofiar, nie jest jeszcze jasne i pozostaje obiecującym tematem przyszłych badań. Co ciekawe, w kilku badaniach terenowych i laboratoryjnych20,21,22 odnotowano również niską skuteczność chwytania dla muchołówki Wenus (D. muscipula), naziemnej siostry A. vesiculosa.

Drażliwość pułapki

Włoski spustowe znajdują się w centralnej części płata pułapki poniżej granicy obudowy. Obserwacja w PCA 14, że przemieszczanie się ofiary wywołane ruchem wody wyzwala pułapkę, wskazuje na dużą wrażliwość systemu sensorycznego A. vesiculosa. Bardzo czuły mechanizm wyzwalający z jednej strony przypuszczalnie zwiększa efektywność pułapki, umożliwiając jej wykrywanie również niewielkich perturbacji mechanicznych. Z drugiej jednak strony, wymaga on również „środków ostrożności”, aby uniknąć energochłonnego i niepotrzebnego zamykania pułapki, np. przez strumienie wody występujące w siedlisku. W tym kontekście, występowanie włosów spustowych u podstawy pułapki może być strukturalnym środkiem ostrożności dla uniknięcia niepotrzebnych zamknięć pułapki, ponieważ włosy są chronione przed strumieniami wody i detrytusem. Można również przypuszczać, że zwiększa to efektywność odłowu, ponieważ potencjalna (mała) ofiara znajdzie się wewnątrz pułapki w momencie pobudzenia włosów spustowych. Jednakże w niniejszych badaniach z D. longicephala, który posiada stosunkowo długie wyrostki, takie jak drugie czułki i grzbiet ogona, zaobserwowaliśmy, że struktury te były często odpowiedzialne za wyzwalanie pułapki, bez konieczności całkowitego umieszczenia ciała ofiary w pułapce. Przyszłe badania mogłyby bardziej szczegółowo przeanalizować „przydatność” ofiary i drażliwość pułapki23,24. Wysoce wrażliwy system sensoryczny został niedawno opisany dla pułapki zatrzaskowej siostry koła wodnego, muchołówki Wenus (D. muscipula)25,26. Podczas gdy u D. muscipula zawsze występują co najmniej dwa następujące po sobie bodźce na jednym lub różnych włoskach spustowych, niezbędne w określonym czasie do zamknięcia pułapki, pułapki A. vesiculosa są pod tym względem bardziej zmienne. W tym przypadku niektóre pułapki zamykają się po otrzymaniu jednego bodźca, niektóre po dwóch bodźcach, niektóre wymagają jeszcze większej ilości perturbacji mechanicznych, a niektóre w ogóle nie reagują1,2,8. Przyczyny tej zmienności w drażliwości pułapek są wciąż nieznane.

Prawdopodobne mechanizmy przyciągania ofiar

Postawiono hipotezę, że szczecinki liściowe znajdujące się obok pułapki A. vesiculosa (Ryc. 1b) mogą przyciągać zwierzęta, zapewniając im miejsce do odpoczynku i ochrony27. Dyskutowano, że liczne włoski spustowe wewnątrz pułapki zatrzaskowej (por. ryc. 3c w oddz. 11) mają imitować glony nitkowate, aby zwabić pasące się skorupiaki do pułapki zatrzaskowej28, ale jak dotąd brak jest dokładniejszych badań na ten temat. Ponadto, ponieważ środkowoeuropejska A. vesiculosa nie wykazuje żadnej specyficzności w stosunku do ofiar, lecz łowi oportunistycznie, niezależnie od gatunku ofiary, jej wielkości, sposobu poruszania się i prędkości ruchu, jest mało prawdopodobne, że chwytanie jest wzmocnione przez wyspecjalizowane mechanizmy przyciągania oparte na chemii lub mimikrze7. Z nieregularnego zachowania pływackiego D. longicephala nie mogliśmy wyodrębnić i zaobserwować żadnego zachowania wskazującego na przyciąganie w kierunku pułapki. Ponieważ D. longicephala jest dobrym i aktywnym pływakiem, ze średnią prędkością pływania 8 mm/s, prawdopodobieństwo spotkania z pułapką na A. vesiculosa jest prawdopodobnie wysokie29,30. Dlatego można sobie wyobrazić, że naturalne PCA zdarzają się raczej przypadkowo, prawdopodobnie np. dlatego, że zwierzęta zbliżają się do pułapki podczas poszukiwania pokarmu.

Większość pułapek w zarejestrowanych PCA 1-14 była skierowana w dół ze względów metodycznych/obsługowych (Ryc. 1 i 2). Jednak liście pułapek A. vesiculosa ułożone są w okółkach (por. Ryc. 1b w pracy 11) i dlatego ich naturalna orientacja jest zmienna. Hipotezujemy, że orientacja pułapek nie odgrywa kluczowej roli w ewentualnym przyciąganiu i chwytaniu swobodnie pływających ofiar, takich jak D. longicephala. W tym kontekście, interesujące mogłoby być zbadanie wpływu orientacji pułapek na ofiary związane z podłożem lub pasące się.

Ogólne aspekty ruchu i zachowania ofiar

Dzięki dużemu rozproszeniu, wyniki uzyskane dla tDZ i tTI nie ujawniają typowych czasów przebywania w różnych strefach pułapek. Ponadto, rodzaje i ilość przemieszczeń różnią się znacznie pomiędzy poszczególnymi PCA. Wydaje się, że jest to czysto przypadkowe, jak długo ofiara pozostaje w strefie zagrożenia i/lub we wnętrzu pułapki przed uruchomieniem. Również w przypadku Southern bladderwort (U. australis) z pułapkami ssącymi, orientacja ciała i zachowanie ruchowe ofiary – dafniida C. dubia były zmienne przed i podczas wyzwalania12.

W 12 przypadkach w tym badaniu (~86%), zwierzęta wyzwalały pułapki A. vesiculosa bezpośrednio za pomocą ruchów swoich drugich czułków. Te stosunkowo długie struktury wystają z głowy zwierzęcia i są odpowiedzialne za ruchy pływackie poprzez generowanie siły ciągu. Niezależnie od większości obserwowanych orientacji i pozycji ofiar w momencie uruchamiania pułapek (por. Tabela 2), drugie czułki stykały się z włoskami spustowymi wewnątrz pułapek (PCA 1-10, 12,13), lub generowały wystarczająco silne prądy wodne do uruchomienia pułapki (PCA 14). Podobne obserwacje odnotowano we wspomnianym już badaniu nad chwytaniem ofiar Utricularia12, gdzie siedem (z 14) osobników Ceriodaphnia dubia dotykało włosków spustowych drugimi czułkami, sześć – głową, a jedno – pancerzem. Można spekulować, że drugie czułki są głównymi strukturami, za pomocą których ofiary rozwielitek wchodzą w kontakt z włoskami spustowymi pułapek na wodne rośliny mięsożerne.

Profile ruchów D. longicephala podczas PCA (Rys. 2 i 3) pokazują, że w większości przypadków udanemu schwytaniu ofiary towarzyszy bardzo niewielki jej ruch wewnątrz zamykającej się pułapki. Jest to kontrast w stosunku do U. australis, gdzie ofiara jest często pasywnie obracana, a nawet może się zapętlać podczas chwytania z powodu sił napływu wody12. U A. vesiculosa dwa płaty pułapki zaciskają się wokół ofiary bez dalszego przemieszczania jej w dużym stopniu, np. poprzez indukowany ruch wody. Pozostaje do zbadania, w jaki sposób A. vesiculosa jest w stanie chwytać i zatrzymywać zwierzęta większe niż rzeczywiste pułapki, jak np. poczwarki ochotkowatych lub nimfy notonektoidów6,7. Prawdopodobnie w zatrzymywaniu i zamykaniu tak dużych obiektów pomagają zęby na zagiętym brzegu (Ryc. 1a,c) i/lub trwające powolne procesy deformacji pułapki, tj. formowanie żołądka8.

Ucieczka ofiar podczas nieudanych PCA

Nie ma dostępnych doniesień na temat prób ucieczki ofiar z uruchomionych pułapek Utricularia. Najwyraźniej wejście do pułapki Utricularia, gdzie również znajdują się włoski spustowe, jest „punktem bez ucieczki” ze względu na szybki początek silnego ssania (przynajmniej tak długo, jak ofiara mieści się przez wejście i do pułapki). Przeciwnie, w niniejszych badaniach z A. vesiculosa zaobserwowaliśmy pięć nieudanych PCA (10-14), co wskazuje na to, że ofiary znajdujące się w rejonie spustu (centralna dolna część pułapki poniżej granicy pomieszczenia) nadal mają szansę ucieczki. Zaobserwowano, że ofiara może uciec albo w wyniku siłowego wyciągnięcia zaciśniętego ciała (lub jego części) z już zamkniętych pułapek (PCA 10, 12), albo w wyniku tego, że płaty pułapki z zębami na wywiniętych brzegach (ryc. 1a,c) mogą zsunąć się z danego pancerza podczas zamykania pułapki (PCA 13). Ofiara, która już wypływała z pułapki w trakcie jej uruchamiania, miała korzystną „pozycję startową” i również mogła uciec (PCAs 11, 14). Pokazuje to, że istnieją co najmniej trzy różne sytuacje wyzwalania/ruchu pułapki, w których ofiary mogą potencjalnie uciec. Jednakże, całkowicie zamknięte zwierzęta nigdy nie uciekły. Prawdziwa reakcja ucieczki, tj. aktywne wypłynięcie zwierzęcia z zamykającej się pułapki w odpowiedzi na wywołany ruch, nie została zaobserwowana w tym badaniu z D. longicephala. Uważamy za mało prawdopodobne, że w ogóle rozwielitki są w stanie reagować w wymaganej skali czasowej pomiędzy uruchomieniem pułapki a jej zamknięciem. Opiera się to również na fakcie, że część autorów niniejszej pracy (SK, MH, RT) nie mogła również zaobserwować żadnej reakcji lotniczej rozwielitki pulex, która została schwytana przez larwalne fantomowe muszki (Diptera: Chaoborus), gdzie rzeczywiste uderzenie drapieżnika trwa ~30 ms, a cały proces schwytania mniej niż 300 ms31.

Dwa zdarzenia ucieczki zaciśniętej ofiary (PCAs 10 & 12) wskazują, że D. longicephala jest w stanie mechanicznie oprzeć się sile zamykających się płatów pułapki A. vesiculosa i uwolnić się za pomocą uderzeń anteny. Oprócz wieku i stanu pułapki, jak również warunków środowiskowych jako czynników determinujących, wykazano, że siła zamykania zwiększa się wraz ze wzrostem siły bodźca wyzwalającego8. Na to, jak zaciśnięta ofiara jest dalej „przetwarzana” przez pułapkę, może również wpływać pozycja zwierzęcia i jego kondycja fizyczna. W PCA 7, na przykład, ofiara została początkowo zaciśnięta ukośnie pomiędzy płatami (podobnie jak w PCA 12). Następnie ofiara obróciła się, przypuszczalnie czysto pasywnie, w wyniku działania na nią siły dwóch płatów pułapki. Następnie zakrzywione płaty zamykały się jeszcze bardziej i wpychały ofiarę głębiej w pułapkę, aż do jej całkowitego zamknięcia. Można zatem spekulować, że podwójnie zakrzywiona geometria płatów, która nie zmienia się podczas zamykania pułapki10 , pomaga w „przenoszeniu” ofiar zaciśniętych pomiędzy jednowarstwowymi regionami płatów. Dodatkowo, jak zaobserwowano w PCA 5, zawinięty brzeg kolczastej pułapki może pomagać w zatrzymywaniu ofiar. Jednakże, jak to omówiono dla PCA 13, może się również zdarzyć, że obręcz pułapki zsunie się podczas ruchu chwytania. U blisko spokrewnionej muchołówki wenusjańskiej (D. muscipula), u której zęby są znacznie dłuższe w stosunku do całkowitego wymiaru pułapki w porównaniu z A. vesiculosa, początkowo postawiono hipotezę32 , a następnie stwierdzono w badaniach terenowych i laboratoryjnych22 , że zęby tworzą „więzienie”, które zwiększa sukces schwytania ofiary w przypadku ofiar o umiarkowanych rozmiarach. Jednak w przypadku większych ofiar stwierdzono również zmniejszającą się korzyść, co dodatkowo zwiększa złożoność krajobrazu adaptacyjnego systemu pułapki zatrzaskowej.

Krytyczna ocena stosowanych metod

Starsze pułapki na A. vesiculosa mają inne cechy fizjologiczne niż młodsze8. W celu zapewnienia, że wszystkie pułapki używane w eksperymentach są w podobnym wieku, wybrano tylko pułapki z siódmego okółka. Ponieważ australijski czerwony ekotyp A. vesiculosa rozwija 0,26-0,65 okółków liściowych dziennie33 , wiek odpowiednich pułapek prawdopodobnie mieści się odpowiednio w przedziale 11-27 dni. Można jednak spekulować, że różnice indywidualne między pułapkami, takie jak ich rozmiary lub ilość przytwierdzonych glonów, mogą wpływać na ich zachowanie (np. drażliwość, kinematykę, szybkość pstrykania) w większym stopniu niż (niewielkie) różnice wiekowe. Na przykład, w naszym badaniu najwyższy czas trwania kłapania wynoszący 104 ms został zmierzony w pułapce z wieloma przyczepionymi glonami (PCA 14).

Warunki eksperymentalne w pomieszczeniu o stałym klimacie i przy sztucznym świetle w oczywisty sposób odbiegały od naturalnych warunków siedliskowych australijskich A. vesiculosa i D. longicephala. Na przykład, małe objętości kuwet ograniczały ruch ofiar i wody. Ze względu na oświetlenie słup wody w kuwetach prawdopodobnie ogrzał się (nie zmierzono). Oświetlenie prawdopodobnie podrażniło ofiary dafniidów. Ponadto, nie możemy wykluczyć, że odcięcie pułapek od odpowiednich roślin prowadzi do niepożądanych (i niezauważalnych) efektów ubocznych, wywołanych np. przez reakcje stresowe i ostatecznie prowadzących do zmienionego zachowania pułapek i nieobiektywnej oceny wydajności odławiania. Szybkie analizy, w tym obsługa delikatnych i wrażliwych struktur (takich jak otwarte, gotowe do złapania pułapki na A. vesiculosa) są wymagającymi i czasochłonnymi zadaniami i wyjaśniają małą wielkość próby w tym badaniu. Jednakże, niezależnie od tych wad naszego podejścia eksperymentalnego, nasze badanie jest pierwszą próbą rzucenia światła na interakcję drapieżnik-prezydent pomiędzy mięsożerną rośliną A. vesiculosa i jej ofiarą D. longicephala. Takie szybkie analizy szybkich organizmów i struktur wodnych byłyby w przeciwnym razie bardzo trudne (lub wręcz niemożliwe) do wykonania w terenie w warunkach naturalnych.

Wnioski i perspektywy

Nasze badania są pierwszymi, które pokazują szczegółowo, jak mięsożerna roślina wodna (A. vesiculosa) chwyta swoją ofiarę dafniida. Jakościowo i ilościowo opisano sekwencje ruchów podwodnych pułapek zatrzaskowych oraz zachowania i ruchy D. longicephala na zewnątrz i wewnątrz pułapek. Dodatkowo, po raz pierwszy opisano i przedyskutowano przypadki wzajemnych powiązań ruchowych (np. ucieczki ofiar, manipulowanie przez pułapkę zaciśniętymi ofiarami).

Nie udało nam się wykryć korelacji (1) między zagęszczeniem ofiar a sukcesem schwytania, (2) między wiekiem ofiar a sukcesem schwytania, (3) między nprey_movement a sukcesem schwytania, (4) między zagęszczeniem ofiar a ttrigger oraz (5) między wiekiem ofiar a nprey_movement. Nasze analizy pokazują również, że obserwowana tu interakcja drapieżnik – ofiara nie jest bynajmniej jednolita. Indywidualne różnice w zachowaniu ofiar, jak również pomiędzy poszczególnymi pułapkami najwyraźniej dominują. Zakładając jeszcze większe różnice kinematyczne pomiędzy starszymi i młodszymi pułapkami, może dojść do jeszcze bardziej niejednorodnych sytuacji dotyczących sekwencji chwytania ofiar. Przyszłe eksperymenty mogłyby uzupełniająco analizować PCA z różnymi naturalnymi zwierzętami ofiarnymi, np. należącymi do Cladocera, Copepoda, Ostracoda, Ephemeroptera, Nematocera, Hydrachnidia i Pulmonata7 . Takie analizy byłyby pomocne w dalszej ocenie skuteczności odłowu w pułapki A. vesiculosa, która żywi się bardzo dużą różnorodnością zwierząt ofiarnych pod względem taksonomicznym, wielkości i zachowań ruchowych. Dlatego też szerokie spektrum cech (ruchu) pułapek na A. vesiculosa może stanowić selektywną zaletę. Podobne nieselektywne zachowania związane z chwytaniem ofiar odnotowano w pułapkach na dorosłe osobniki muchołówki wenusjańskiej (D. muscipula)32,34. Co ciekawe, pułapki na siewki D. muscipula wychwytują różne ofiary, które najwyraźniej są zbyt małe, aby uruchomić pułapki na osobniki dorosłe35. Taka potencjalna specyficzność ofiar w różnych stadiach wzrostu nie została jeszcze opisana w przypadku A. vesiculosa. Przyszłe badania kinematyczne nad chwytaniem ofiar powinny również obejmować rozbudowane trójwymiarowe analizy ruchu30,36.

Inne możliwe tematy przyszłych badań to charakterystyka rozwojowa i strukturalno-biomechaniczna możliwych środków zaradczych stosowanych przez ofiary przeciwko chwytaniu przez A. vesiculosa. Wiadomo na przykład, że kilka rozwielitek posiada specyficzne dla drapieżnika indukowalne mechanizmy obronne, które mogą obejmować zmiany w morfologii, zachowaniu i historii życia37,38,39. Dzięki tym środkom ofiara jest w stanie udaremnić drapieżnika i zmniejszyć presję drapieżniczą. Dlatego interesujące byłoby sprawdzenie na typowych ofiarach dafniidów A. vesiculosa, czy takie indukowalne mechanizmy obronne istnieją również w opisanej tu relacji drapieżnik roślinny – ofiara zwierzęca. Szczególnie obiecująca mogłaby być analiza krzywizny pancerza, która, jak zaobserwowaliśmy, wpływa na to, jak „łatwo” na wpół złapane zwierzę jest wypychane do środka lub na zewnątrz pułapki po jej zamknięciu, ponieważ stwierdzono jej zmiany po ekspozycji na drapieżnika u innego gatunku rozwielitki40. Dodatkowo, podczas wstępnych nagrań testowych z A. vesiculosa i przypadkowymi ofiarami z zewnętrznego stawu w Ogrodzie Botanicznym we Freiburgu, sfilmowaliśmy bardzo szybką i udaną aktywną ucieczkę widłonoga z uruchomionej pułapki (Movie S15). Czas reakcji zwierzęcia wynosił 5 ms. W ciągu 16 ms wypłynęło ono z zamykającej się pułapki (całkowity czas zamknięcia: 57 ms). Szacując całkowitą długość pułapki na ~3 mm (co stanowi dolną granicę typowego zakresu długości3) i zakładając, że zwierzę pokonuje połowę długości, otrzymujemy prędkość reakcji lotniczej równą 0,09375 m/s. Prędkość ta jest nadal porównywalna z prędkością lotu. Prędkość ta jest nadal stosunkowo niewielka w porównaniu z prędkościami, jakie podobno mogą osiągać widłonogi41. Ponieważ w stawie, z którego pochodzi widłonóg, nie ma uprawianych roślin A. vesiculosa, jego gwałtowna ucieczka nie może być traktowana jako obrona indukowana, jak opisano wcześniej. Najwyraźniej niektóre (grupy) zwierząt są wewnętrznie zdolne do ucieczki z szybkich pułapek zatrzaskowych rośliny koła wodnego, chociaż, co prawda, film z pułapki nie był zbyt szybki w porównaniu z innymi. Jednakże, wyjaśnienie neuro-mechanicznych podstaw natychmiastowej i szybkiej ucieczki również stanowi obiecujący aspekt dla przyszłych badań.