Геометрия, которая убивает: форма влияет на эффективность ловушки хищных растений-кувшинов

Исследователи из Ботанического сада и Математического института Оксфордского университета показали, что форма, размер и геометрия хищных растений-кувшинов определяют тип добычи, которую они ловят. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Растения-кувшины (род Nepenthes) — это хищные растения из тропиков, особенно Юго-Восточной Азии. Их название отсылает к полым чашевидным структурам для ловли добычи (обычно насекомых). Эти «кувшины» бывают самой разной формы и размера — от трубок до бокалов, некоторые даже со «зубцами». Причина такого разнообразия оставалась загадкой.

Механизм ловли известен: скользкий ободок (перистом) наверху кувшина покрыт бороздками, удерживающими плёнку воды. Это заставляет жертву поскользнуться и упасть в пул пищеварительных соков. Однако форма ободка варьируется от простых цилиндров до сложных, гофрированных или зубчатых структур. Создание сложного ободка требует больше энергии, поэтому возникает вопрос об эволюционном преимуществе.

Чтобы ответить на него, команда применила математические модели к растениям из Ботанического сада, чтобы оценить влияние формы ободка на эффективность ловли. Формы были классифицированы в четыре группы, существующие в природе. Гипотетическая эффективность захвата для каждой формы измерялась с помощью «точечной массы» — эквивалента соскальзывающего насекомого. Энергетическая стоимость производства ободка рассчитывалась на основе относительной площади и крутизны разных структур.

Ключевые выводы моделирования:

• Компромисс между стоимостью и выгодой: Крупные, расклешённые ободки дороги в производстве. Моделирование показало, что в оптимальной структуре эти затраты могут компенсироваться увеличением количества пойманной добычи.
• Влияние размера: Размер ободка, вероятно, коррелирует с наиболее доступной добычей в конкретной среде обитания (например, муравьями или жуками).
• Специализация формы: Вариации геометрии перистома (ширина, степень расклешённости, ориентация) сильно влияют на то, что может поймать растение. Например, геометрия сильно расклешённых ободков оказалась особенно приспособленной для поимки ползающих насекомых, таких как муравьи.

Растения-кувшины растут в бедных азотом средах (горные склоны, болота, тропические леса). Способность получать азот из насекомых даёт им преимущество. Поскольку в каждой среде обитания свой набор потенциальной добычи, разнообразие ловушек могло эволюционировать для использования разных типов доступных насекомых.

Изучение этих растений в дикой природе часто затруднено из-за их произрастания в удалённых и негостеприимных местах. Математическое моделирование становится мощным инструментом для проверки гипотез об эволюции таких организмов. Команда планирует продолжить работу над растениями-кувшинами и другими растениями из Ботанического сада.