Хабрахабр

Ужасная тюрьма: исследование маргинальных шипов венериной мухоловки

В данной кинокартине растение-убийца это вымышленное создание, но у него есть прародитель в реальном мире — хищные растения, конкретнее, венерина мухоловка. 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». И как для Джейсона характерным является мачете, так для мухоловки характерны ее маргинальные (краевые) шипы. Это растение — Джейсон Вурхиз в мире насекомых. Естественно, важны — скажете вы и будете правы, но результаты исследования не обошлись без сюрпризов. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые решили проверить насколько важны эти шипы в поимке добычи. Поехали. Не будем тянуть комара за хоботок и погрузимся в доклад за разъяснениями.

«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.

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


Библис гигантский

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. Самыми крупными представителями хищных растений являются библис гигантский и непентес. При этом выделяемый растением сок не просто приманка, но и инструмент переваривания. Этот нектар привлекает жертву, которая позарившись на халявную еду сама ею становится, намертво прилипая к волоскам. 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».

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


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

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

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

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

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

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

Он предположил, что шипы важны не только для удержания добычи, но и как своеобразные метод ее «фильтрации». Исследование, о котором пойдет речь, основано на гипотезах Чарльза Дарвина, который первый описал механизм охоты венериной мухоловки, назвав ее ловушку «ужасной тюрьмой». 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. 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. Однако, несмотря на то, что прошло уже более 100 лет с открытий Дарвина, никто не проверял его гипотезы на практике. Соответственно, шипы мухоловки позволяют ей ловить добычу определенного размера. Именно этим и решили заняться ученые в своем исследовании.

Исследователи измерили эффективность захвата добычи, время закрытия ловушки и влияние краевых шипов как в дикой природе, так и в лабораторных условиях. Такого внимания со стороны ученых венерина мухоловка еще не знала. 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».

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

Все насекомые, участвующие в тестах, были здоровы, со всеми шестью лапками на месте. В лабораторном эксперименте принимали участие выращенные растения и купленные сверчки, которые в дикой природе занимают примерно 10% диеты мухоловок. 026 до 0. Длина их варьировалась от 7 до 23 мм, а вес — от 0. 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». 420 грамм. 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 этого растению была дана 1 неделя на восстановление и открытие ловушки. После проведения первого захода ученые удалили краевые шипы с закрытых ловушек (1b).

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. После того, как ловушки заново открылись (уже без шипов), был проведен второй этап тестирования с применением нового сверчка. Таким образом можно было удостовериться в том, что закрытие ловушек происходит исключительно за счет живых сверчков, а не в случайном порядке. Также было проведено два типа контрольных заходов: 5 с мертвым сверчок и 2 без насекомого вообще.

5% успешно поймали насекомое. Среди ловушек растений, которые не подвергались манипуляциям, только 16. 8% из них смогли поймать добычу. Ловушки, которым обрезали шипы, восстановились спустя 4 дня, но лишь 5. Так, скорость закрытия, рост растения и общее состояние не отличались у нетронутых растений и растений с удаленными шипами. Однако процедура удаления шипов, то есть физического повреждения тканей растения, не имела негативного эффекта. 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).

Линейная модель со смешанными эффектами показала, что вес добычи является определяющим факторов в успешности охоты. Однако данные наблюдения уже говорят о том, что при больших размерах добычи выгода от наличия шипов сильно снижается. 1 г вероятность успешного захвата снижается на 73%. Так, при увеличении веса насекомого всего лишь на 0.

При увеличении длины ловушки на 1 см шанс на вкусно покушать для растения увеличивается в 2. Естественно, размеры самих ловушек также очень важны. При этом не имеет значение наличие или отсутствие маргинальных шипов. 9 раза.

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).
Изображение №3: успешность охоты нетронутых растений (слева) и растений с удаленными шипами (справа).

Но при большем весе и большей длине этот показатель сопоставим с растениями, чьи шипы остались на месте. 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.

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). Гибридный эксперимент представлял собой смену локации с лаборатории на ботанический сад северной Каролины, где было высажено 22 мухоловки. 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.

3% у нетронутых ловушек и 9. Растения в ботаническом лесу показали не особо высокие результаты успешного захвата добычи: 13. Однако данные результаты очень похожи на те, что ученые наблюдали в контролируемых лабораторных условиях. 2% у ловушек без шипов. 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.

Во время первого закрытия скорость составила примерно 283±29 мс, во время второго — 383±43 мс и во время третьего — 528±62 мс. Ученые также измерили скорость закрытия ловушек во время первого, второго и третьего заходов. Как мы уже знаем, ловушки мухоловок не могут закрываться/открываться бесконечно много раз. Те немногие ловушки, которые дожили до четвертого закрытия, показали значительное снижение скорости до 772±374 мс. 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 залазят 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.

Таким образом ловушка откроется снова, не потратив энергию на переваривание малопитательной пищи. С мелкой добычей все понятно: если она и спровоцирует закрытие ловушки, то выберется через проемы между шипами. Поймал большого тарантула и переваривай себе спокойно, не думая о поисках пропитания, так сказать. В случае большой добычи может показаться, что мухоловки будут только рады полакомиться кем-то крупным и сочным. 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. Однако на практике все выглядит иначе — большая добыча использует шипы, чтобы выбраться.

Мир флоры и фауны полон тайн и загадок, которые нам еще предстоит разгадать. 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.

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.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. 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? Хотите видеть больше интересных материалов? (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.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? 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.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть