Morfologia și dezvoltarea omului de război portughez, Physalia physalis

Istoric, nu a existat o terminologie coerentă pentru a descrie axele coloniilor sifonofore mature. A fost elaborată o schemă standardizată pentru a descrie coloniile de sifonofori planctonici maturi, în care capătul anterior al coloniei este cel cu pneumatoforul sau cu nectoforii, iar capătul posterior al coloniei este cel cu cei mai vechi zooizi (zooizii sunt purtați spre capătul posterior de tulpina care se alungește)36 (Fig. 2A). Axa dorso-ventrală este perpendiculară pe această axă, cu zooidele sifosomale atașate la partea ventrală a tulpinii. Stânga și dreapta sunt determinate ca fiind perpendiculare pe planul antero-posterior și dorsal-ventral. Capătul oral al larvei corespunde părții posterioare a coloniei mature36. Deoarece Physalia physalis este o specie pleustonică, cu o morfologie și un aranjament distinctiv al coloniilor, este important să se omologheze axele cu alte sifonofore. Totton nu utilizează termenii anterior-posterior și definește o axă oral-aborală care corespunde direct axei larvare, cu protozooidul, primul zooid de hrănire (Fig. 2B), la capătul oral și porul apical (porul este locul de invaginare care formează pneumatoforul) al pneumatoforului la capătul aboral26. Capătul oral al coloniei corespunde astfel capătului posterior36. Acest lucru corespunde direct cu axa antero-posterioară definită de alți autori25,35, porul apical fiind definit ca fiind partea anterioară a coloniei. Pentru ca terminologia să fie consecventă pentru toți sifonoforii, vom urma această convenție, cu partea anterioară corespunzând porului apical și partea posterioară corespunzând protozoarului (Fig. 2B). Axa dorso-ventrală este perpendiculară pe acest plan, partea dorsală fiind orientată spre creasta plutitorului, iar atașarea zooidului pe partea ventrală (Fig. 2C). Vom urma aceleași convenții privind axele stânga-dreapta și proximal-distal. Deși atașarea zooizilor este pe partea ventrală, există asimetrii stânga-dreapta foarte clare în ceea ce privește plasarea și creșterea zooizilor la această specie, iar coloniile sunt fie stângace, fie drepte.

Cormidele sunt definite în mod obișnuit ca un grup de zooizi care sunt reiterate de-a lungul tulpinii sifosomale la multe specii de sifonofori27 (Fig. 2A). Mulți autori se referă la „cormidii” la Physalia physalis. Cystonectae, clada din care face parte P. physalis, este soră cu Codonophora6,8. Cystonectele produc toate zooizii din muguri unici care apar de-a lungul tulpinii, în timp ce subdiviziunea probudului (toate zooizii dintr-un cormidiu apar dintr-un singur mugure) este o sinapomorfie a Codonophora28. Subdiviziunea probud este asociată cu originea cormidelor de-a lungul ramurii care duce la Codonophora28. Din această cauză și datorită faptului că P. physalis are o dezvoltare și o morfologie foarte distincte, nu vom aplica termenul „cormidia” pentru a descrie organizarea P. physalis.

Dezvoltarea și morfologia larvelor

Dezvoltarea larvelor nu a fost observată direct, iar dezvoltarea a fost descrisă prin compararea morfologiei exemplarelor fixate23,24,26. Cea mai mică larvă descrisă are 2 mm și era formată dintr-un pneumatofor și un protozooid în curs de dezvoltare cu un tentacul26. Pneumatoforul se formează într-un mod similar altor sifonofori, cu o invaginare a capătului aboral al planulei care formează pneumatosaccusul24,29,37 (Fig. 7). Okada sugerează că porul apical care este format de această invaginare este complet închis la larvele Physalia (lungimea flotei de 2 mm) și că eliberarea controlată a gazului din pneumatofor, ca la alte specii de sifonofori, nu mai este posibilă23. Cu toate acestea, Mackie sugerează că porul nu este complet închis nici măcar în coloniile mature, dar porul este atât de strâns constrâns încât este puțin probabil ca eliberarea de gaz să se producă în mod natural22. Alte rapoarte sugerează că tinerii Physalia ar putea fi capabili să elibereze gaz din pori38. În cele mai timpurii stadii, nu există o separare între cavitatea gastrică a protozoarului și cavitatea gastrică principală24. Pneumatosaccusul, care se formează prin invaginare, face proeminență în cavitatea gastrică principală și este conectat la locul de invaginare24. Pe măsură ce protozooidul se diferențiază, un sept separă cavitatea gastrică a protozooidului de cavitatea gastrică principală23.

Anterior protozoarului, trei muguri apar pe partea ventrală sub forma a trei pliuri transversale26. Pe baza observațiilor noastre privind ordinea de înmugurire și dimensiunea relativă a zooizilor, cel mai posterior dintre acești trei muguri este un gastrozooid G1, urmat de un al doilea gastrozooid G2 și de un palpon tentacular (etichetat Tp1) (Figurile 3A,B, 4). Observarea celor trei pliuri transversale sugerează că G1, G2 și Tp1 apar toate în același timp26. Cel de-al treilea gastrozooid (G3) apare ulterior anterior gastrozooidelor G1, G2 și palponului tentacular Tp1. Totton numerotează mugurii în funcție de ipoteza „cormidelor” de care aparțin în colonia matură, dar nu în funcție de ordinea apariției lor26. Okada numerotează mugurii pe baza ordinii ipotetice de apariție, care diferă de a noastră doar prin faptul că G2 este considerat primul mugure, probabil pe baza dimensiunii, iar G1 este considerat al doilea23,24 (Fig. 3A,B). Gastrozooidul etichetat aici G2 este mai mare la exemplarele mai vechi (Fig. 3C,D, 4), dar nu și la cel mai tânăr exemplar în curs de dezvoltare (Fig. 3A).

Coloniile de Physalia physalis pot fi stângace sau drepte, iar localizarea primului palpon tentacular (Tp1) și a punctului de atașare al tentaculului este primul indicator al asimetriei stânga-dreapta24,26. Tentaclul palponului tentacular este plasat fie pe partea stângă, fie pe partea dreaptă, în funcție de caracterul de mână al coloniei (figurile 3, 4; video suplimentar 1). Seria secundară de muguri apare întotdeauna pe aceeași parte ca și tentaculul palponului tentacular. Punctul de atașare a tentaculului protozoarului poate fi chiar un indiciu mai timpuriu al asimetriei stânga-dreapta (figurile 3, 4; video suplimentar 1). Deoarece nu sunt disponibili embrioni vii, rămâne o întrebare deschisă dacă asimetriile stânga-dreapta se stabilesc prin mecanisme moleculare similare cu cele care stau la baza asimetriei stânga-dreapta la bilaterieni39.

Pe măsură ce organismul crește și pneumatosaccusul se extinde anterior, noi palpi tentaculari cresc la baza gastrozooidelor originale (Figurile 3B2 și 4). La exemplarele mai mari, noi muguri de gastrozooizi și palpi tentaculari se formează anterior și posterior față de cei trei gastrozooizi (G1, G2, G3) și palpi tentaculari (Tp1) (Fig. 3C1,D). O serie secundară de muguri se formează, de asemenea, la baza gastrozooizilor, în linie cu primul palpon tentacular (fie la stânga, fie la dreapta, în funcție de mâna coloniei)23 (Fig. 3D2, 4). În plus, în spațiul în expansiune dintre protozooid și seria primară de gastrozooizi, se formează o serie de muguri (Fig. 3D, etichetată „G”; Fig. 4, gastrozooizi (în verde) cei mai apropiați de protozooid). Această regiune de creștere direct anterioară protozooidului (Fig. 3D, etichetată „G”) este distinsă de regiunea originală de către Totton ca fiind „zona orală”, în timp ce seria originală de muguri (inclusiv G1, G2, G3, G4, Tp1, Tp2 și mugurii secundari) reprezintă „zona principală „26. Pentru a păstra coerența denumirii cu axele, propunem ca zona orală să fie numită „zona posterioară”. La larvele mai bătrâne, protozooidul și zona de creștere posterioară sunt separate fizic de zona principală, datorită alungării tulpinii/flotei care transportă zona de creștere posterioară departe de zona de creștere principală (Fig. 3E).

Pe măsură ce Physalia physalis continuă să crească, noul spațiu de-a lungul laturii ventrale în zona principală este ocupat de noi muguri în linie cu seria inițială de gastrozooide (G1, G2, G3 etc.) și palpon tentacular. De asemenea, continuă să apară grupuri de muguri secundari suplimentari atât în zona posterioară, cât și în zona principală, fie la stânga, fie la dreapta, în funcție de mâna coloniei (Fig. 4). O creastă devine vizibilă (Fig. 3D,E), iar floarea se extinde. Odată ce flotorul este complet extins, iar colonia plutește la suprafața oceanului, încep să apară ramificarea și creșterea în plan dorsal-ventral (Fig. 2C). La exemplarele complet mature, zooizii ocupă spațiul dintre zona posterioară și cea principală, iar spațiul (numit internod bazal) dintre cele două zone de creștere nu este vizibil.

Superficial, seria de muguri din zona posterioară seamănă cu zona de creștere a altor sifonofori, cum ar fi Nanomia bijuga40,41. Nu cunoaștem ordinea de apariție a mugurilor, însă, pe baza dimensiunii relative a gastrozooizilor (Fig. 4), noii muguri din zona posterioară par să apară posterior-anterior de-a lungul laturii ventrale, într-o direcție inversă față de alte specii de sifonofori (Fig. 2B). Acest lucru nu se potrivește cu definiția axelor, așa cum a fost definită de Haddock et al., cu muguri care apar în partea anterioară și sunt purtați prin alungirea tulpinii spre partea posterioară36. Modelele de creștere sunt foarte diferite la Physalia physalis, însă acest lucru poate sugera că, în timpul dezvoltării timpurii, modelele de creștere sunt inversate la această specie. Conform sistemului nostru de numerotare, seria inițială de muguri (G1, G2, Tp1) apare, de asemenea, posterior-anterior, deși mugurii ulteriori din zona principală apar atât anterior, cât și posterior față de acești zooizi.

Programele de creștere care pot fi observate la specimenele Physalia physalis aflate în dezvoltare fixă sugerează că, deși există multe asemănări între această specie și alte sifonofori, există multe diferențe care sunt unice pentru această specie. La alte specii de sifonofori, seriile ontogenetice de zooizi sunt dispuse liniar de-a lungul unei tulpini, cu cei mai vechi în partea posterioară și cei mai tineri în partea anterioară28,41, deși la unele specii se observă că noi zooizi apar de-a lungul tulpinii42. La P. physalis există trei axe majore de creștere – de-a lungul laturii ventrale, posterior-anterior în zona de creștere posterioară (Fig. Suplimentară S5A), precum și anterior și posterior de zona principală; muguri secundari la stânga sau la dreapta seriei inițiale de muguri de-a lungul laturii ventrale, în funcție de orientarea în sens invers a coloniei; și, în cele din urmă, la exemplarele mature, creșterea se desfășoară proximal-distal de partea ventrală (Fig. Suplimentară S5A). S5B).

Morfologia și dispunerea zooizilor la Physalia physalis matură

Primii (imaturi din punct de vedere sexual) și maturii Physalia physalis plutesc la suprafața oceanului cu pneumatoforul, sau flotorul, deasupra și la suprafața apei, iar toți zooizii se află sub suprafața apei. La P. physalis juvenilă, pneumatoforul va continua să crească în dimensiune, dar seamănă cu forma complet matură. Ca și la alți sifonofori, pneumatoforul este o structură cu mai multe straturi, formată dintr-un codru exterior, un pneumatosaccus și o glandă de gaz22 (Fig. 7). Codrul exterior este format din ectoderm, mezoglea și endoderm22. În interiorul codrului se află pneumatosaccusul, format prin invaginare, alcătuit din endoderm, mezoglea, ectoderm, un strat chitinos secretat de ectoderm și spațiul gazos22. La un capăt al pneumatosaccusului se află un strat extins de celule ectodermice care formează glanda gazoasă11,22. Celulele aeriforme din cadrul glandei gazoase produc monoxid de carbon pentru a umple plutitorul, însă procentul de monoxid de carbon din interiorul plutitorului este mai mic decât în cazul altor sifonofori datorită difuziei și schimbului de gaze14,17,43. Spre deosebire de alți sifonofori, pneumatoforul este foarte extins, iar pneumatosacculul este liber în interiorul cavității gastrice și atașat doar la locul de invaginare din partea anterioară a coloniei22. Procesele dorsale ale pneumatosacului se potrivesc în buzunarele din creasta codrului, iar contracțiile musculare ale codrului permit pneumatosacului să se extindă în acest spațiu și să ridice vela – acest „schelet pneumatic” este comparat cu un schelet hidrostatic22. Zoidele sunt toate atașate pe partea ventrală (deplasate fie spre stânga, fie spre dreapta) și împart această cavitate gastrică comună – această regiune este probabil omologă cu tulpina altor sifonofori44.

La Physalia physalis juvenilă, proiecțiile se extind din „tulpina” ventrală, transportând zoidele distal, departe de plutitor. Aranjamentul coloniei de P. physalis pare aglomerat și lipsit de structură, în special la exemplarele complet mature, însă există un model distinct de creștere. Cele mai bune descrieri ale aranjamentului coloniei la exemplarele mature sunt oferite de Totton, care a sugerat că creșterea are loc prin formarea de grupuri tripartite26 (figurile 5, 6; video suplimentar 2). Grupurile tripartite constau dintr-un palpon tentacular cu un tentacul asociat, un gastrozooid și un gonodendron la baza gastrozooidului26. Morfologia lui P. physalis este cea mai clară în cazul exemplarelor tinere, unde gonodendronul nu este complet dezvoltat, iar grupurile tripartite în curs de dezvoltare sunt ușor de identificat (figurile 5, 6B). Gonodendronul este o structură care constă dintr-un număr de zooizi diferiți, inclusiv gastrozoizi, gonocoizi masculi sau femele (coloniile sunt dioice și, ca atare, coloniile sunt fie masculi, fie femele), nectofori, polipi gelatinoși și, de asemenea, palpezi.

Grupurile tripartite sunt purtate în jos de proiecțiile alungite ale tulpinii, cu grupuri tripartite succesive care se formează la baza grupurilor mai vechi. În coloniile mature, cei mai vechi zooizi sunt localizați distal, cu zooizi în dezvoltare în grupuri tripartite care se formează proximal față de plutitor (Fig. Suplimentară S5B). Excepția pare a fi reprezentată de cei mai vechi zooizi care se formează în timpul dezvoltării timpurii (figurile 3, 4), care rămân atașați proximal de tulpină prin intermediul unor pedunculi lungi. Există diferențe în ceea ce privește rata de creștere și apariția zooizilor în grupurile tripartite: atât palponul tentacular, cât și gastrozooizii se dezvoltă precoce, în timp ce gonodendronul se dezvoltă și se maturizează mai târziu26. Tentaculele în curs de dezvoltare și cele mature ar putea fi diferențiate nu numai după mărime și lungime, ci și după culoare – tentaculele palponilor tentaculari maturi sunt de un albastru turcoaz, în timp ce butonii tentaculelor în curs de dezvoltare au o culoare violet/roz. Se sugerează că pigmentul albastru al P. physalis este un complex de bilină-proteină, iar colorația verde, violet și roz din alte țesuturi este cauzată de pigmenții biliari neconjugați, care provin probabil din dieta lor12.

Gonodendrele sunt structuri ramificate foarte complexe. Nu suntem în măsură să ne bazăm prea mult pe descrierea făcută de Totton26 cu privire la structura gonodendrei, dar încercăm să simplificăm aici aspecte ale descrierii sale, pe baza observațiilor noastre. La exemplarele tinere, am putut observa gonodendra în curs de dezvoltare cu gastrozooizi maturi (ceea ce Totton numește „gonozooizi” sau gastrozooizi secundari) și grupuri de muguri la baza lor, care se vor subdiviza și vor da naștere tuturor celorlalte zooizi din cadrul gonodendronului26 (Fig. 5B). Pedunculii de la baza gastrozooizilor formează ramurile principale din cadrul gonodendronului26. Ramificarea poate fi observată la două niveluri: ramurile majore formate de pedunculul gastrozooidului (Fig. 5B); și structurile de ramificare de la baza gastrozooidelor, care sunt formate de probuds (Fig. 5B „muguri în curs de dezvoltare”) care se subdivizează, se ramifică și se reîmprăștie și formează o serie de ramificații de-a lungul cărora se formează nectoforii, polipii gelatinoși, palpele și gonocoforii (Fig. 5E,F). Ramificațiile gonodendrei constau, de obicei, dintr-o serie (de la proximal la distal) de un polip gelatinos și un palpon mai dezvoltat, urmat de un nectofor și un palpon, cu ~ 10 sau mai mulți gonocofori masculi sau femele (în funcție de sexul coloniei) care se formează de-a lungul ramificației (Fig. 5E,F). Totton se referă la secțiunea cu polipul gelatinos și palponul ca fiind secțiunea terminală a ramificației26, în timp ce porțiunea subterminală a ramificației poate deveni un palpon și un nectofor (Fig. 5E,F), sau poate continua să se dividă într-o nouă porțiune terminală și subterminală. În regiunea direct opusă locației polipilor gelatinoși se formează noi probuds, care dau naștere la noi ramificații, care la rândul lor se ramifică din nou în partea opusă locației polipilor gelatinoși26. Uneori, o ramificație poate fi formată doar dintr-un palpon și un polip gelatinos26.

Ecologie și ciclu de viață

Physalia physalis este o specie cosmopolită, întâlnită în regiunile tropicale și subtropicale ale oceanului, precum și, ocazional, în regiunile temperate26. Din punct de vedere istoric, un număr mare de specii de Physalia au fost descrise pe baza mărimii, culorii și locației26,35,44,45,46, însă, în prezent, există o singură specie recunoscută de Physalia – P. physalis27,46. Se sugerează că diferitele specii care au fost identificate sunt în diferite stadii de dezvoltare23,26,27. Cu toate acestea, nu se știe nimic despre diversitatea genetică dintre populațiile de P. physalis din Oceanul Atlantic sau din Oceanul Pacific/Indian. A fost realizat un studiu local, folosind doi markeri genetici, care a arătat o diversitate genetică substanțială între Physalia în largul coastelor Noii Zeelande47, însă studiile globale care folosesc mai mulți markeri ar ajuta să se clarifice dacă acest lucru reflectă diversitatea genetică intraspecifică sau dacă există o diversitate criptică.

Deoarece dezvoltarea larvară nu a fost observată în mod direct, tot ceea ce se știe despre stadiile timpurii ale acestei specii este cunoscut din specimene fixe colectate în eșantioane de traul23,24,26. Se crede că gonodendrele sunt detașate de colonie odată ce sunt complet mature, iar nectoforii pot fi folosiți pentru a propulsa gonodendrele prin coloana de apă25,26. Gonodendrele mature eliberate nu au fost observate și nu este clar care este intervalul de adâncime pe care îl ocupă25,26. De asemenea, nu se cunoaște modul în care gonodendrele din diferite colonii ocupă un spațiu similar pentru fertilizare sau dacă există vreo sezonalitate sau periodicitate a reproducerii sexuale. Dezvoltarea embrionară și larvară are loc, de asemenea, la o adâncime necunoscută sub suprafața oceanului26 (Fig. 8). După ce plutitorul atinge o dimensiune suficientă, juvenilul de P. physalis este capabil să plutească la suprafața oceanului.

Fisalia physalis matură folosește o pânză pentru a prinde vânturile dominante. Contracțiile musculare ale codrului exterior al pneumatoforului forțează creșterea presiunii în interiorul pneumatosacului și permit ridicarea creasta22. Aceasta este singura contribuție activă cunoscută la locomoție – se crede că nectoforii din cadrul gonocoforului nu joacă niciun rol în propulsia activă a coloniei (deși este posibil ca aceștia să joace un rol odată ce gonodendronul este eliberat)26. Alinierea pânzei în raport cu vântul (stânga-dreapta) se stabilește în timpul dezvoltării timpurii și, deși s-a sugerat că coloniile stângace sunt dominante în emisfera nordică, ca urmare a vânturilor predominante, iar coloniile drepte sunt mai răspândite în emisfera sudică19,48, nu există dovezi care să susțină acest lucru15,26. Este probabil ca fluctuațiile vântului să ducă la o distribuție aleatorie a ambelor forme, indiferent de emisferă, deși vânturile puternice și susținute din aceeași direcție par să ducă la eșuarea unui anumit tip15,49. Totton sugerează că asimetria stânga-dreapta este stabilită de vântul dominant în prima zi cu vânt26, însă acest lucru este puțin probabil, deoarece asimetria este prezentă încă de la începutul dezvoltării exemplarelor.

Tentaculele omului de război portughez pot ajunge până la 30 m în coloniile mature și sunt târâte prin apă din cauza vântului, aderând la peștii și larvele de pește pe care le întâlnesc. Peștii și larvele de pește reprezintă 70-90% din dieta lor, iar bateriile de nematociste de pe tentaculele lui Physalia physalis conțin un singur tip de nematocist care este capabil să pătrundă doar în prada cu corpuri moi50,51. Nematocistul eliberează o toxină care duce la paralizia peștilor22. Injectarea unui extract brut de toxină în mușchiul peștilor duce la paralizie generală, afectând sistemul nervos și centrii respiratori, și duce la moarte la doze mari52. Odată ce un tentacul intră în contact cu prada sa, aceasta este transportată în sus, spre gastrozooizii de la baza plutitorului. Gastrozooizii reacționează imediat la capturarea prăzii și încep să se contorsioneze și să își deschidă gurile53. Multe gastrozooide se atașează de pradă – s-a observat că până la 50 de gastrozooide acoperă complet un pește de 10 cm cu gurile lor răspândite pe suprafața peștelui16. Gastrozooizii eliberează enzime proteolitice pentru a digera peștele pe cale extracelulară și sunt, de asemenea, responsabili de digestia intracelulară a materiei sub formă de particule22,54. Produsele alimentare digerate sunt eliberate în cavitatea gastrică principală pentru a fi asimilate de restul coloniei22,54. Deși P. physalis este un prădător vorace de pești, este prădat de broaștele țestoase de mare55,56, precum și de Glaucus atlanticus și Glaucus marginatus, specii de nudibranhii care stochează nematocistele Physalia intacte și le redistribuie pentru propria apărare57,58,59. În plus, s-a constatat că octopodele imature Tremoctopus violaceus transportă tentacule de P. physalis de-a lungul rândurilor de ventuze de pe brațele lor dorsale, iar tentaculele ar trebui să joace un rol atât în apărare, cât și în capturarea prăzii60. O serie de pești juvenili trăiesc în comun cu Physalia și se găsesc în apropierea gastrozooidelor și a gonodendrei, însă s-a observat că o specie, Nomeus gronovii, înoată printre tentacule și se hrănește cu ele30,61. Nomeus gronovii este semnificativ mai tolerant la veninul Physalia decât alte specii, dar poate fi totuși ucis de P. physalis26,62.

.