Eficiência de captura

Na maioria dos estudos sobre os princípios funcionais das armadilhas para plantas carnívoras, as respectivas experiências e análises cinemáticas foram realizadas com armadilhas accionadas artificialmente10,11,13,14. Existem poucos relatos disponíveis, que (em alguns casos apenas superficialmente) tratam da inter-relação dos movimentos de presas e armadilhas para plantas carnívoras15,16,17,18. Um relatório detalhado sobre as armadilhas de sucção subaquáticas ultra-rápidas da planta carnívora aquática Utricularia australis (Lentibulariaceae) e suas presas Daphniid Ceriodaphnia dubia foi publicado recentemente12. Neste estudo, que é metodicamente semelhante ao atual, foram registrados com alta resolução temporal os processos de acionamento de armadilhas mecânicas pela presa, abertura de alçapões, sucção de água e presa e fechamento de alçapões. A sequência de movimentos rápidos (em parte em regime de sub-milissegundo) realizados pelo alçapão de sucção Utricularia e a resultante alta aceleração da presa aspirada, sua súbita e abrupta desaceleração dentro do alçapão, bem como o fechamento fino do alçapão para retenção da presa, sugerem fortemente que C. dubia não tem nenhuma chance de escapar do alçapão uma vez que ele é acionado. Pelo menos, todas as 14 tentativas de captura de presas registradas neste estudo Utricularia foram bem sucedidas.

No presente estudo sobre A. vesiculosa e D. longicephala, também foram analisadas 14 tentativas de captura de presas, com uma menor taxa de captura resultante (~64%). As durações medidas de fechamento da armadilha A. vesiculosa variaram tipicamente entre 16-30 ms (durações mais longas também ocorreram em armadilhas com muitas algas filamentosas ligadas), em geral corroborando com medidas anteriores de duração de snapping8,11 e excedendo a duração de sucção em Utricularia (9 ms em média, min: 5,2 ms; max: 14,9 ms, n = 14)12. Junto com a fuga de vários animais, como observado neste estudo, pode-se sugerir que a presa tem maior probabilidade de escapar da armadilha de sucção A. vesiculosa do que da armadilha de sucção U. australis. Entretanto, esta suposição deve ser tomada com cautela, pois duas espécies diferentes de animais de presa foram testadas sob condições laboratoriais experimentais semelhantes, mas não idênticas. Além disso, os tamanhos das amostras são pequenos (n = 14 cada). Entretanto, uma baixa eficiência de captura também tem sido atribuída à A. vesiculosa por outros autores, com base no fato de que durante estudos de campo apenas 5-11,5% das armadilhas investigadas continham presas6,19. Até que ponto essas observações de campo refletem de fato a eficiência do mecanismo de captura de presas e/ou a eficiência da atração de presas ainda não é clara e continua sendo um tema promissor para estudos futuros. Curiosamente, uma baixa eficiência de captura também tem sido relatada para armadilhas de Vênus (D. muscipula), a irmã terrestre de A. vesiculosa, em vários estudos de campo e de laboratório20,21,22,

Irritabilidade da armadilha

Os pêlos do gatilho estão situados nas partes do lóbulo central da armadilha abaixo do limite do recinto. A observação no PCA 14 de que o deslocamento de água induzido pelo movimento da presa, desencadeia as pistas do alçapão para uma alta sensibilidade do sistema sensorial A. vesiculosa. Um mecanismo de disparo muito sensível, por um lado, presumivelmente aumenta a eficiência da armadilha, permitindo-lhe detectar também ligeiras perturbações mecânicas. Mas, por outro lado, também requer “precauções de segurança” para evitar o fechamento desnecessário e exigente de armadilhas, por exemplo, por fluxos de água que ocorrem no habitat. Neste contexto, a ocorrência do pêlo do gatilho na base do alçapão pode ser uma medida estrutural de precaução para evitar o fechamento desnecessário do alçapão, uma vez que os pêlos são protegidos das correntes de água e dos detritos. Também é concebível que aumente a eficiência da captura porque as presas potenciais (pequenas) estarão dentro da armadilha quando os pêlos do gatilho forem estimulados. No entanto, neste estudo com D. longicephala, que possui apêndices relativamente longos como a segunda antena e a espinha caudal, observamos que estas estruturas foram frequentemente responsáveis pelo gatilho da armadilha, sem que o corpo do animal presa estivesse necessariamente totalmente dentro da armadilha. Estudos futuros poderiam analisar a “adequação” da presa e a irritabilidade da armadilha23,24 com mais detalhes. Um sistema sensorial altamente sensível foi recentemente descrito para a armadilha de carga da irmã da roda d’água, a armadilha de Vênus (D. muscipula)25,26. Enquanto em D. muscipula há sempre pelo menos dois estímulos consecutivos em um ou em diferentes pêlos de gatilho, necessários dentro de um certo período para que a armadilha se feche, as armadilhas de A. vesiculosa são mais variáveis a esse respeito. Aqui, algumas armadilhas fecham após a recepção de um estímulo, outras fecham após dois estímulos, algumas requerem ainda mais perturbações mecânicas e outras não respondem de todo1,2,8. As razões para esta variabilidade na irritabilidade da armadilha ainda são desconhecidas.

Possíveis mecanismos de atração de presas

Têm sido feitas hipóteses de que as cerdas foliares situadas ao lado da armadilha de A. vesiculosa (Fig. 1b) poderiam atrair os animais, proporcionando-lhes um local de descanso e proteção27. Os numerosos pêlos de gatilho dentro da armadilha (cf. Fig. 3c na ref. 11) foram discutidos para imitar as algas filamentosas a fim de atrair os crustáceos de pastagem para a armadilha28 , mas estudos esclarecedores estão faltando até agora. Além disso, como a A. vesiculosa do Meio Europeu não mostra nenhuma especificidade de presa, mas captura oportunisticamente, independente da espécie de presa, tamanho, modo de mobilidade e velocidade de movimento, é improvável que a captura seja melhorada por mecanismos de atração especializados baseados em química ou mímica7. A partir do comportamento de natação errática de D. longicephala não poderíamos discriminar e observar qualquer comportamento que indique atração em direção à armadilha. Como D. longicephala é um bom nadador e activo, com uma velocidade média de natação de 8 mm/s, a probabilidade de um encontro com uma armadilha A. vesiculosa é provavelmente alta29,30. Portanto, é concebível que os A. vesiculosa naturais aconteçam de forma bastante coincidente, provavelmente porque os animais se aproximam da armadilha durante a busca de alimento.

A maioria das armadilhas nos A. vesiculosa registrados 1-14 foram orientadas para baixo devido a razões metódicas/manuseio (Figs. 1 e 2). No entanto, as folhas da armadilha de A. vesiculosa estão dispostas em forma de espiral (cf. Fig. 1b na ref. 11) e, portanto, a sua orientação natural é variável. Hipotejamos que a orientação das armadilhas não desempenha um papel crucial na possível atração e captura de presas que nadam livremente como D. longicephala. Neste contexto, poderia ser interessante investigar o efeito da orientação das armadilhas sobre as presas de substrato ou de pastoreio.

Aspecto geral do movimento e comportamento das presas

Devem à sua ampla dispersão, os resultados obtidos para tDZ e tTI não revelam tempos de permanência típicos dentro das diferentes zonas de armadilha. Além disso, os tipos e a quantidade de movimentos variam muito entre os diferentes PCAs. Parece ser pura coincidência o tempo que a presa permanece na zona de perigo e/ou no interior da armadilha antes de ser acionada. Também na urticária do sul (U. australis) com armadilhas de sucção, a orientação do corpo e o comportamento de movimento da presa dubia C. dubia foram variáveis antes e durante o acionamento12,

Em 12 casos neste estudo (~86%), os animais acionaram as armadilhas A. vesiculosa diretamente com movimentos de suas segundas antenas. Estas estruturas comparativamente longas sobressaem da cabeça do animal e são responsáveis pelos movimentos de natação, gerando empuxo. Independentemente da maioria das orientações e posições observadas dos animais de presa nos eventos de acionamento da armadilha (cf. Tabela 2), a segunda antena entrou em contato com os pêlos do gatilho dentro das armadilhas (PCAs 1-10, 12,13), ou gerou correntes de água fortes o suficiente para acionar (PCA 14). Observações semelhantes são relatadas no já mencionado estudo de captura de presas Utricularia12, onde sete (de 14) animais Ceriodaphnia dubia tocaram os pêlos de gatilho com suas segundas antenas, seis com suas cabeças, e uma com sua carapaça. Podemos especular que as segundas antenas são as principais estruturas com as quais as presas dafnióides entram em contato com os pêlos de gatilho das armadilhas das plantas carnívoras aquáticas.

Os perfis dos movimentos de D. longicephala durante os PCAs (Fig. 2 e 3) mostram que, na maioria dos casos, a captura de presas bem sucedida é acompanhada de muito pouco movimento de presas dentro da armadilha de fechamento. Em A. vesiculosa, os dois lóbulos da armadilha se prendem ao redor da presa sem deslocá-la em grande parte, por exemplo, através do movimento induzido da água. Como A. vesiculosa é capaz de capturar e reter animais maiores do que as armadilhas reais, como por exemplo, pupas de chironomida ou ninfas notonectídeas6,7, permanece por investigar. Provavelmente, os dentes na borda dobrada (Fig. 1a,c) e/ou processos lentos de deformação da armadilha em andamento, ou seja, a formação do estômago8, ajudam a reter e cercar objetos tão grandes.

Escapa de presas durante PCAs sem sucesso

Não há relatos disponíveis sobre tentativas de fuga de presas de armadilhas Utricularia acionadas. Aparentemente, a entrada da armadilha de Utricularia, onde também se encontram os pêlos do gatilho, é um “ponto de não fuga” devido ao rápido início de forte sucção (pelo menos enquanto a presa encaixar através da entrada e na armadilha). Pelo contrário, neste estudo com A. vesiculosa observamos cinco PCAs (10-14) sem sucesso, indicando que os animais de presa situados na região do gatilho (a parte central da armadilha inferior abaixo do limite do recinto) ainda têm uma chance de escapar. Observamos que a presa pode escapar devido ao arrancamento forçado de seu corpo preso (ou partes do corpo) de armadilhas já fechadas (PCAs 10, 12), ou devido ao fato de que os lóbulos das armadilhas com dentes nas bordas dobradas (Fig. 1a,c) podem deslizar da respectiva carapaça durante o fechamento da armadilha (PCA 13). A presa, que já estava nadando para fora da armadilha durante o acionamento, tinha uma “posição inicial” favorável e podia escapar também (PCAs 11, 14). Isto mostra que existem pelo menos três situações diferentes de disparo/movimento da armadilha, onde a presa pode potencialmente fugir. No entanto, animais de presa totalmente fechados nunca escaparam. Uma verdadeira resposta de vôo, ou seja, um animal nadando ativamente para fora de uma armadilha de fechamento como resposta ao movimento desencadeado, não foi observada neste estudo com D. longicephala. De fato, consideramos improvável que os dafnídeos em geral sejam capazes de responder na escala de tempo necessária entre o acionamento da armadilha e o fechamento. Isto também se baseia no fato de que parte dos autores deste estudo (SK, MH, RT) também não puderam observar nenhuma resposta de voo de Daphnia pulex que foram capturadas por mosquitos fantasmas larvais (Diptera: Chaoborus), onde o ataque real do predador dura ~30 ms e todo o processo de captura menos de 300 ms31.

Os dois eventos de fuga das presas braçadas (PCAs 10 & 12) mostram que D. longicephala é capaz de resistir mecanicamente à força dos lóbulos da armadilha de fechamento de A. vesiculosa e de se libertar através de golpes de antena. Além da idade e condição da armadilha, bem como das condições ambientais como fatores determinantes, a força de fechamento tem mostrado aumentar com o aumento da força do estímulo de ativação8. A forma como a presa é “processada” pela armadilha também pode ser influenciada pela posição do animal e sua condição física. No PCA 7, por exemplo, a presa foi inicialmente pinçada diagonalmente entre os lobos (semelhante ao PCA 12). Então a presa se virou, presumivelmente puramente passivamente devido à força dos dois lóbulos da armadilha agindo sobre ela. Posteriormente, os lóbulos curvos fecharam-se mais e empurraram a presa mais profundamente para dentro da armadilha até que a armadilha estivesse completamente fechada. Assim, pode-se especular que a geometria duplamente curva dos lóbulos, que não muda durante o fechamento do alçapão10 , ajuda no “manuseio” da presa presa fixada entre as regiões de uma camada dos lóbulos. Além disso, como observado no PCA 5, a borda do alçapão com espinhos pode ajudar na retenção da presa. Contudo, como discutido para o PCA 13, também pode acontecer que a borda da armadilha deslize para fora durante o movimento de captura. Na armadilha de Vênus (D. muscipula), que está intimamente relacionada, onde os dentes são muito mais longos em relação à dimensão total da armadilha, em comparação com A. vesiculosa, inicialmente foi feita a hipótese32 e, mais tarde, em um estudo de campo e em laboratório22, foi constatado que os dentes formam uma “prisão” que aumenta o sucesso da captura de presas de tamanho moderado. Entretanto, para presas maiores, também foi encontrado um benefício decrescente, o que aumenta a complexidade da paisagem adaptativa do sistema de armadilhas.

Avaliação crítica dos métodos aplicados

As armadilhas A. vesiculosa mais velha têm características fisiológicas diferentes das mais jovens8. A fim de garantir que todas as armadilhas utilizadas nas experiências sejam de idade semelhante, apenas foram escolhidas armadilhas do sétimo whorl. Como o ecótipo vermelho australiano de A. vesiculosa desenvolve 0,26-0,65 whorls de folhas de armadilha por dia33, as idades das respectivas armadilhas presumivelmente espalham-se entre 11-27 dias em conformidade. No entanto, podemos especular que as diferenças individuais entre as armadilhas, tais como o seu tamanho ou a quantidade de algas presas, possivelmente influenciam o seu comportamento de snapping (por exemplo, irritabilidade, cinemática, velocidade de snapping) em maior medida do que as (pequenas) diferenças de idade. Por exemplo, em nosso estudo, a maior duração de snapping de 104 ms foi medida em uma armadilha com muitas algas presas (PCA 14).

As condições experimentais na sala de clima-constante sob luz artificial se desviaram claramente das condições naturais do habitat australiano A. vesiculosa e D. longicephala. Por exemplo, os pequenos volumes das cuvetes restringiram o movimento das presas e da água. Devido à iluminação, a coluna de água nas cuvetes provavelmente aqueceu (não medida). A iluminação presumivelmente irritou as presas de dafnio. Além disso, não podemos excluir que cortar as armadilhas das respectivas plantas conduza a efeitos secundários indesejados (e despercebidos), evocados, por exemplo, por respostas ao stress e que, em última análise, conduzam a um comportamento alterado da armadilha e a uma avaliação tendenciosa da eficiência da armadilhagem. As análises de alta velocidade, incluindo o manuseio das estruturas delicadas e sensíveis (como as armadilhas abertas e prontas para captura de A. vesiculosa) são tarefas desafiadoras e demoradas e explicam o tamanho da pequena amostra neste estudo. No entanto, independentemente destes inconvenientes inerentes às nossas abordagens experimentais, o nosso estudo é a primeira tentativa de esclarecer a interacção predador-presa entre a planta carnívora A. vesiculosa e a sua presa D. longicephala. Tais análises de alta velocidade de organismos e estruturas aquáticas rápidas seriam de outra forma muito difíceis (ou mesmo impossíveis) de realizar no campo em condições naturais.

Conclusão e perspectivas

O nosso estudo é o primeiro a mostrar em detalhe como a planta carnívora de roda d’água (A. vesiculosa) capta as suas presas naftálidas. As sequências de movimento das suas armadilhas subaquáticas, bem como o comportamento D. longicephala e os movimentos fora e dentro das armadilhas são descritos qualitativa e quantitativamente. Além disso, casos de inter-relações de movimento (por exemplo, fuga de presas, manipulação de presas presas presas presas pela armadilha) são descritos e discutidos pela primeira vez.

Não conseguimos detectar correlações (1) entre a densidade de presas e o sucesso da captura, (2) entre a idade da presa e o sucesso da captura, (3) entre o movimento_da_preia e o sucesso da captura, (4) entre a densidade de presas e o movimento_da_preia, e (5) entre a idade da presa e o movimento_da_preia. Nossas análises também mostram que a interação predador-presa como aqui observada não é de forma alguma uniforme. Diferenças individuais no comportamento das presas, bem como entre as armadilhas individuais aparentemente dominam. Assumindo diferenças cinemáticas ainda maiores entre armadilhas mais antigas e mais jovens, podem surgir situações ainda mais não homogêneas em relação às sequências de captura das presas. Experiências futuras poderiam complementarmente analisar PCAs com diferentes animais de presa naturais, por exemplo, membros de Cladocera, Copepoda, Ostracoda, Ephemeroptera, Nematocera, Hydrachnidia, e Pulmonata7. Tais análises seriam úteis para avaliar melhor a eficiência de captura das armadilhas A. vesiculosa, que se alimentam de uma diversidade muito alta de animais de presa no que diz respeito à taxonomia, tamanho e comportamento de movimento. Portanto, um amplo espectro de características da armadilha A. vesiculosa (movimento) poderia ser possivelmente uma vantagem seletiva. Um comportamento não seletivo similar de captura de presas tem sido relatado a partir de armadilhas para adultos da armadilha de Vênus (D. muscipula)32,34. Curiosamente, as armadilhas de D. muscipula capturam diferentes presas, que aparentemente são muito pequenas para acionar as armadilhas para adultos35. Tal especificidade potencial de presas em diferentes estágios de crescimento ainda não foi relatada para A. vesiculosa. As futuras investigações cinemáticas da captura de presas também devem incluir análises elaboradas do movimento tridimensional30,36.

Outros possíveis tópicos para estudos futuros são as características desenvolvimentais e estrutural-biomecânicas de possíveis contra-medidas pela presa contra a captura por A. vesiculosa. Por exemplo, sabe-se que vários dafnídeos possuem defesas induzíveis específicas a predadores, que podem compreender alterações na morfologia, comportamento e história de vida37,38,39. Com essas medidas, a presa é capaz de impedir o predador e reduzir a pressão de predação. Portanto, seria interessante testar com as típicas presas de A. vesiculosa, se tais defesas induzíveis também existem na relação planta predador – presa animal. Especialmente analisando a curvatura da carapaça, que observamos para influenciar o quão “fácil” um animal meio preso é forçado dentro ou fora da armadilha após o fechamento, poderia ser promissor, pois foi encontrado alterado após a exposição do predador em outra espécie de Daphnia40. Adicionalmente, durante as gravações iniciais dos testes com A. vesiculosa e presas aleatórias de um lago ao ar livre no Jardim Botânico de Freiburg, filmámos uma fuga activa muito rápida e bem sucedida de um copépode para fora de uma armadilha activada (Filme S15). O tempo de reacção do animal foi de 5 ms. Num espaço de tempo de 16 ms nadou para fora da armadilha de fecho (duração total do fecho: 57 ms). Estimando um comprimento total de armadilha de ~3 mm (que está na extremidade inferior do intervalo de comprimento típico3) e assumindo que o animal viaja metade do comprimento dá uma velocidade de resposta de voo de 0,09375 m/s. Esta velocidade ainda é comparativamente lenta em relação às velocidades que os copépodes podem atingir41. Como não existem plantas A. vesiculosa cultivadas no tanque de onde provém o copépode, a sua fuga rápida não pode ser considerada como uma defesa induzida, como descrito anteriormente. Aparentemente, alguns (grupos de) animais são intrinsecamente capazes de escapar às armadilhas rápidas da planta da roda d’água, embora, reconhecidamente, a armadilha filmada não tenha sido muito rápida em comparação com outras. Entretanto, elucidar a base neuro-mecânica para fugas instantâneas e rápidas também constitui um aspecto promissor para estudos futuros.