29 March 2019

Ужасная тюрьма: исследование маргинальных шипов венериной мухоловки

ua-hosting.company corporate blogMathematicsPopular scienceBiotechnologiesEcology


Пятница — прекрасный день, когда серые будни подходят к концу (простите, что сыплю соль на рану тем, кто работает и в субботу/воскресенье), впереди ждут долгожданные выходные, и у нас появляется время заняться чем-то приятным и интересным: почитать книгу, которая уже собрала рекордный слой пыли; навестить родственников, если они вас еще помнят; выспаться, просыпаясь утром не от ужасного будильника, а естественным путем; полить цветок в горшке, который скоро эволюционирует в кактус, перекати-поле или плотоядное чудовище, как в фильме «Маленький магазинчик ужасов». В данной кинокартине растение-убийца это вымышленное создание, но у него есть прародитель в реальном мире — хищные растения, конкретнее, венерина мухоловка. Это растение — Джейсон Вурхиз в мире насекомых. И как для Джейсона характерным является мачете, так для мухоловки характерны ее маргинальные (краевые) шипы. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые решили проверить насколько важны эти шипы в поимке добычи. Естественно, важны — скажете вы и будете правы, но результаты исследования не обошлись без сюрпризов. Не будем тянуть комара за хоботок и погрузимся в доклад за разъяснениями. Поехали.

«Ужасная тюрьма»


Всем нам знакомо понятие фотосинтез, которое обозначает химический процесс преобразования энергии света в энергию химических соединений. Однако далеко не всем растениям по душе солнечная диета, точнее не все могут прокормить себя исключительно этим способом ввиду определенных климатических условий и места произрастания. Хочешь жить — умей вертеться, в данном случае эволюционируй в ночной кошмар всех мух. Другими словами, хищные растения в дополнение к «классическому» питанию получают необходимые вещества (например, азот) еще и переваривая насекомых (или других существ, коим сильно не повезло). Всего насчитывается порядка 630 видов хищных растений, которые произрастают практически во всех регионах планеты и отличаются как по методу охоты, так и по гастрономическим предпочтениям.

По типу ловли добычи хищных растений можно разделить на два основных типа: активные и пассивные. Первые обладают движущимися частями (как наша сегодняшняя героиня мухоловка), а вторые — липкими выделениями на поверхности листьев или ёмкостями, куда жертва сваливается сама.


Библис гигантский

Самыми крупными представителями хищных растений являются библис гигантский и непентес. Библис гигантский напоминает обычный кустарник с очень красивыми цветами, но это растение очень коварно — все его листья и стебли покрыты маленькими волосками (примерно 300 000 штук на 1 листе) и железами, которые выделяют сок. Этот нектар привлекает жертву, которая позарившись на халявную еду сама ею становится, намертво прилипая к волоскам. При этом выделяемый растением сок не просто приманка, но и инструмент переваривания. Жертвами библиса могут быть как насекомые и улитки, так и мелкие амфибии или очень неудачно приземлившиеся птицы.


Симбиотические отношения непентеса и паука, использующего резервуар растения как место для «рыбалки».

Второе название непентеса это кувшиночник, что прямо говорит о методе ловли добычи. У непентеса два вида листьев: обычные и необычные, которые формируют висящий в воздухе кувшин, наполненный нектаром. Края этого кувшина также покрыты нектаром, потому привлеченное его запахом насекомое садится и скатывается внутрь, где и переваривается растением. Но непентес отличается от других растений хищников, он не только серийный убийца, но и хороший друг, если вы тупайя. Этот маленький зверек питается нектаром растения и использует его ловушку-кувшин, как ночной горшок. Продукты жизнедеятельности перевариваются и дают растению необходимые питательные вещества.


Даже в цветении мухоловки присутствует логика: цветы распускаются на длинном стебле подальше от ловушек, дабы уберечь насекомых-опылителей от несчастного случая на производстве.

И, наконец-то, активные хищники. Самым знаменитым среди них является мухоловка. Ее листья на конце тонкого стебля напоминают капкан или раскрытую, голодную и очень зубастую пасть. Внутри капкан покрыт тонкими и очень чувствительными волосками, задев которые жертва активирует захлопывание ловушки. Но такой метод активации не самый эффективный, подумаете вы. А если подул ветер или начался дождь, и волосок был задет случайно? Но не переживайте, ибо механизм этот мухоловка совершенствовала долгие годы эволюции. Чтобы створки сомкнулись необходимо задеть минимум 2 волоска с интервалом не более 20 секунд. При этом процесс переваривания, который протекает внутри капкана, начнется только после повторной стимуляции чувствительных волосков. Таким образом, мухоловка не начнет процесс переваривания, например, упавшего листика, тем самым сохранив энергию для реальной добычи.

Механизм захлопывания ловушки у мухоловок построен на химических и клеточных процессах. Самую важную роль играет тургор тканей, то есть напряженное состояние оболочек живых клеток. Когда жертва стимулирует чувствительные волоски, генерируется потенциал действия за счет ионов калия, который распространяется по долям листа и стимулирует клетки. Когда ловушка открыта, ее доли изогнуты наружу (так жертве будет проще попасть в ловушку), а когда ловушка закрывается, доли изгибаются в обратном направлении. Таким образом формируется внутреннее пространство. Живая жертва не будет стоять на месте, а будет постоянно двигаться, пытаясь выбраться. Но тут как в болоте — чем больше двигаешься, тем быстрее утонешь. Постоянные движения жертвы стимулируют волоски, что приводит к выделению пищеварительного фермента. Если же добыча оказалась умнее и быстрее и смогла сбежать, то закрывшаяся впустую ловушка откроется только через 2-3 дня.

Немаловажный аспект работы ловушек заключается в их недолговечности и деформации. Захлопывание долей листа в холостую приводит к тому, что в последующие разы ловушка будет закрываться медленнее, а угол открытого состояния будет значительно меньше. Как мы с вами понимаем, такие изменения могут сильно отразиться на поимке добычи, а значит и привести к гибели растения ввиду голода. Кроме этого, после нескольких закрытий ловушки достаточно быстро отмирают.


True Facts: Carnivorous Plants (Правдивые факты: хищные растения). Ролик содержит много черного юмора и немного нецензурной лексики.

Важную роль в поимке добычи для мухоловок играют краевые шипы, которые предотвращают побег жертвы из ловушки-желудка. Однако, как и с чувствительными волосками, так и с этими шипами не все так просто.

Исследование, о котором пойдет речь, основано на гипотезах Чарльза Дарвина, который первый описал механизм охоты венериной мухоловки, назвав ее ловушку «ужасной тюрьмой». Он предположил, что шипы важны не только для удержания добычи, но и как своеобразный метод ее «фильтрации». Другими словами, слишком маленькая добыча, питательной пользы от которой будет недостаточно, сможет выбраться между шипами, а слишком крупная добыча просто раскроет доли листа и также сбежит. И в первом, и во втором случае затраты энергии мухоловки на такие виды добычи были бы несопоставимы с полученной в результате энергией от их переваривания. Соответственно, шипы мухоловки позволяют ей ловить добычу определенного размера. Однако, несмотря на то, что прошло уже более 100 лет с открытий Дарвина, никто не проверял его гипотезы на практике. Именно этим и решили заняться ученые в своем исследовании.

Такого внимания со стороны ученых венерина мухоловка еще не знала. Исследователи измерили эффективность захвата добычи, время закрытия ловушки и влияние краевых шипов как в дикой природе, так и в лабораторных условиях. Также ученые проверили работоспособность ловушки без шипов, предварительно удалив их.

Результаты исследования


Наблюдения за растениями проводились в условиях дикой природы (Зеленые болота в Северной Каролине, США), в лабораторных и в гибридных условиях. Зеленые болота являются одной из немногих зон, где до сих пор можно встретить эндемические виды мухоловок. Учеными было выявлено 14 индивидуальных растений, чьи ловушки они разделили на 4 категории: живые и закрытые, мертвые и закрытые, живые и открытые, мертвые и открытые. Всего было насчитано 100 ловушек. С помощью просвечивания было установлено наличие чего-либо (добычи или же мусора) внутри закрытых ловушек: ловушки с чем-то обозначали «1», пустые — «0».

Среди закрытых ловушек диких мухоловок только 24% содержали добычу. Точно удалось установить, что в 8 ловушках из 98 был мусор, а 2 однозначно содержали насекомых (муравей в одной и паук во второй). 55±5% ловушек были открыты и способны к ловле добычи (живые, неповрежденные листья). Процент закрытых ловушек с добычей внутри варьировался от 0 до 50% в зависимости от рассматриваемого индивидуального растения. У 5 растений этот показатель был 0%, еще у пяти — от 0 до 33%, а еще у четверых — 34-50%.

В лабораторном эксперименте принимали участие выращенные растения и купленные сверчки, которые в дикой природе занимают примерно 10% диеты мухоловок. Все насекомые, участвующие в тестах, были здоровы, со всеми шестью лапками на месте. Длина их варьировалась от 7 до 23 мм, а вес — от 0.026 до 0.420 грамм. В лабораторном тесте все ловушки помечались так же, как и в наблюдениях в дикой природе: закрытые, но пустые — «0», закрытые и с добычей внутри — «1». Проверка ловушек проходила через 3 дня и через 1 неделю после начала теста.


Изображение №1: а — ловушка с краевыми шипами, b — ловушка без шипов, с — лабораторный эксперимент (1 растение в емкости с водой, 1 сверчок и трап, чтобы насекомому было проще добраться до растения).

После проведения первого захода ученые удалили краевые шипы с закрытых ловушек (1b). После этого растению была дана 1 неделя на восстановление и открытие ловушки.

После того, как ловушки заново открылись (уже без шипов), был проведен второй этап тестирования с применением нового сверчка. Всего было проведено 51 тестовых заходов с 34 растениями: 17 растений — наблюдения без манипуляций со стороны людей и еще 17 — наблюдения до и после удаления шипов. Также было проведено два типа контрольных заходов: 5 с мертвым сверчком и 2 без насекомого вообще. Таким образом можно было удостовериться в том, что закрытие ловушек происходит исключительно за счет живых сверчков, а не в случайном порядке.

Среди ловушек растений, которые не подвергались манипуляциям, только 16.5% успешно поймали насекомое. Ловушки, которым обрезали шипы, восстановились спустя 4 дня, но лишь 5.8% из них смогли поймать добычу. Однако процедура удаления шипов, то есть физического повреждения тканей растения, не имела негативного эффекта. Так, скорость закрытия, рост растения и общее состояние не отличались у нетронутых растений и растений с удаленными шипами. Кроме того, уже спустя 1 неделю шипы начали отрастать заново.

Вероятность удачной охоты при удаленных шипах снизилась на 90% в сравнении с нетронутыми ловушками.


Изображение №2: результаты охоты мухоловок в дикой природе (верхний график), в лаборатории (второй и третий график) и в гибридном эксперименте (нижний график).

Однако данные наблюдения уже говорят о том, что при больших размерах добычи выгода от наличия шипов сильно снижается. Линейная модель со смешанными эффектами показала, что вес добычи является определяющим факторов в успешности охоты. Так, при увеличении веса насекомого всего лишь на 0.1 г вероятность успешного захвата снижается на 73%.

Естественно, размеры самих ловушек также очень важны. При увеличении длины ловушки на 1 см шанс на вкусно покушать для растения увеличивается в 2.9 раза. При этом не имеет значение наличие или отсутствие маргинальных шипов.


Изображение №3: успешность охоты нетронутых растений (слева) и растений с удаленными шипами (справа). Ось Z — вероятность захвата добычи (цветовая вариация «синий-красный» от минимума к максимуму) в зависимости от веса добычи (ось Х) и длины ловушки (ось Y).

Как мы можем видеть на графике выше, вероятность успешного захвата у ловушки без шипов (график справа) достаточно мала, когда вес добычи и длина ловушки также малы. Но при большем весе и большей длине этот показатель сопоставим с растениями, чьи шипы остались на месте.

Гибридный эксперимент представлял собой смену локации с лаборатории на ботанический сад северной Каролины, где было высажено 22 мухоловки. На каждом растении было 50/50 нетронутых ловушек и ловушек без шипов (удаление было выполнено еще в лаборатории до высадки в саду, после чего растение восстановилось, а ловушки открылись). Наблюдения длились 4 недели, ученые записывали все данные: размер пойманной добычи или упавшего в ловушку мусора, размеры закрытых ловушек, частоту закрытия/открытия и т.д.

Растения в ботаническом лесу показали не особо высокие результаты успешного захвата добычи: 13.3% у нетронутых ловушек и 9.2% у ловушек без шипов. Однако данные результаты очень похожи на те, что ученые наблюдали в контролируемых лабораторных условиях. При этом, как видно из графика на изображении 2, самая большая вероятность успеха наблюдалась именно в случае добычи среднего размера.


Изображение №4: время, необходимое на 1-е, 2-е, 3-е и 4-е закрытие ловушки.

Ученые также измерили скорость закрытия ловушек во время первого, второго и третьего заходов. Во время первого закрытия скорость составила примерно 283±29 мс, во время второго — 383±43 мс и во время третьего — 528±62 мс. Те немногие ловушки, которые дожили до четвертого закрытия, показали значительное снижение скорости до 772±374 мс. Как мы уже знаем, ловушки мухоловок не могут закрываться/открываться бесконечно много раз. Во время исследования лишь 38 из 50 ловушек выживали после уже второго закрытия, 25 из 38 — после третьего и лишь 4 ловушки дожили до конца 4 недели гибридного эксперимента.

Для более детального ознакомления с исследованием рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


Ученые отмечают, что значимость маргинальных шипов на ловушках не такая уж и большая, как казалось ранее. Особенно если речь идет о больших ловушках и/или большой добыче. Наблюдения показали, что сверчки очень часто залезают именно на шипы ловушки (не во внутрь ловушки). Когда ловушка закрывается, сверчок может надавить на шипы и без особых усилий выбраться на свободу. Если же на большой ловушке нет шипов, то не на что и давить, посему сверчок остается в западне. Выходит, что шипы служат инструментом побега для крупных насекомых.

С мелкой добычей все понятно: если она и спровоцирует закрытие ловушки, то выберется через проемы между шипами. Таким образом ловушка откроется снова, не потратив энергию на переваривание малопитательной пищи. В случае большой добычи может показаться, что мухоловки будут только рады полакомиться кем-то крупным и сочным. Поймал большого тарантула и переваривай себе спокойно, не думая о поисках пропитания, так сказать. Однако на практике все выглядит иначе — большая добыча использует шипы, чтобы выбраться. Ученые, в свою очередь, продолжат исследования, дабы полностью понять является ли это недостатком для мухоловок или же это все-таки продуманный эволюционный механизм, обеспечивающий ловлю добычи определенных размеров.

Как бы там ни было, данное исследование позволило нам взглянуть на жизнь хищных растений под призмой математических измерений и расчетов, а также понять, что далеко не все эволюционные приспособления имеют очевидное предназначение. Мир флоры и фауны полон тайн и загадок, которые нам еще предстоит разгадать.

И, конечно же, пятничный офф-топ:

Небольшой ролик из фильма «Маленький магазинчик ужасов» (1986 год). В роли Сеймура Рик Моранис, голос плотоядного внеземного растения — Леви Стаббс.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Tags: растения мухоловка Дарвин эволюция ловушки наблюдения
Hubs: ua-hosting.company corporate blog Mathematics Popular science Biotechnologies Ecology
+48
21.4k 42
Comments 26
Ads
Top of the day