Estratégias anti-predadoras de pupas: como evitar a predação numa fase imóvel da vida?

Introdução

‘Eu passei o meu tempo a investigar insectos. No início, comecei com os vermes da seda na minha cidade natal, Frankfurt. Percebi que outras lagartas produziam lindas borboletas ou mariposas, e que os bichos-da-seda faziam o mesmo. Isto levou-me a recolher todas as lagartas que encontrei para ver como elas mudaram”. Isto é citado do prefácio de Maria Sibylla Merian em seu ‘Metamorphosis insectorum Surinamensium’ publicado em 1705 . A idéia da metamorfose completa foi desenvolvida por Aristóteles 2000 anos antes, mas Merian foi a primeira entomologista que descreveu a metamorfose de insetos em detalhes, incluindo a pupa, o que a torna uma das contribuidoras mais significativas para o campo da entomologia. É intrigante que mais de 300 anos após as observações fundamentais de Merian sobre a metamorfose de insetos e a descoberta de pupas, este é o estágio de vida, juntamente com o estágio de ovo, sobre o qual ainda não sabemos quase nada em comparação com os estágios adulto e larval em insetos.

Merian’s butterflies, juntamente com os outros insetos holometabolous, têm estágios morfologicamente distintos de vida imatura, larva e pupa, que precisam viver para chegar ao estágio adulto reprodutivo final. Pensa-se que os insectos holometabolos evoluíram de insectos hemimetabolos que têm apenas duas fases de vida: a ninfa e a adulta. As formas ancestrais de pupas ‘compactas’ imóveis eram muito provavelmente pupas móveis que se assemelhavam a pupas de ninfas, por exemplo, das moscas cobras. A vulnerabilidade aos inimigos naturais em cada uma destas fases da vida resultou na evolução de uma grande diversidade de adaptações que protegem os indivíduos contra diferentes tipos de predadores e parasitóides . Essas adaptações podem variar drasticamente em cada estágio da vida, dependendo do estilo de vida do indivíduo (por exemplo, estágios de vida sésseis versus móveis), estágio reprodutivo (estágio larval versus estágio adulto) e mudanças ontogenéticas no uso de recursos .

Tradicionalmente, a evolução dos mecanismos de defesa antipredadores é considerada em uma escala de um estágio da vida, focalizando, por exemplo, os instantes larvares ou estágios adultos . A investigação tem-se centrado tradicionalmente muito menos nas estratégias anti-predadoras dos estádios de ovo ou de pupa. Contudo, embora o ambiente selectivo possa mudar drasticamente entre cada fase da vida, a aptidão do indivíduo (por exemplo, sucesso reprodutivo e capacidade de sobreviver até e para além de uma determinada fase reprodutiva) é a soma das condições experimentadas durante as fases anteriores da vida. Para prever como diferentes condições moldam a aptidão individual ou a dinâmica populacional dos insectos, não basta, portanto, conhecer os factores que contribuem para a sobrevivência na fase larvar ou o que afecta o sucesso reprodutivo na fase adulta. Também precisamos de compreender o que acontece entre estas duas fases: que tipo de defesas antipredadoras os indivíduos têm durante a fase de pupa, como é afectada pelas condições experimentadas durante as fases iniciais da vida ou como o comportamento durante a fase larvar afecta o risco de predação da pupa. Este tipo de informação ajuda-nos a compreender a evolução dos traços defensivos em geral, mas também pode ter aplicado importância na previsão de factores que moldam a dinâmica populacional em espécies de pragas potenciais ou em espécies em risco de extinção. Atualmente, temos surpreendentemente poucos dados abordando estas questões e a pesquisa comportamental e evolutiva sobre o tema é escassa.

Aqui, primeiramente revisamos a literatura sobre predação na fase de pupa para descobrir o que ataca as pupas de insetos, quão alto é o risco de predação para elas e que diferentes tipos de mecanismos de defesa antipredadores evoluíram para pupas de insetos como resultado da seleção por predação. Reconhecemos que o parasitismo também é uma importante fonte de mortalidade na fase de pupa, e é provável que muitos mecanismos de defesa contra predadores (por exemplo, toxinas defensivas, camuflagem, protecção obtida de outras espécies) possam ter dupla função contra predadores e parasitóides. Portanto, levaremos em conta o parasitismo onde for relevante. No entanto, o foco principal da nossa revisão será nas estratégias de defesa anti-predadores. Finalmente, discutiremos as lacunas em nosso conhecimento e esboçaremos algumas direções promissoras para pesquisas futuras.

O risco de predação é freqüentemente alto durante a fase de pupa

O risco de predação durante a fase de pupa tem recebido a maior atenção em espécies que têm algum valor econômico, como muitos insetos de pragas florestais. Devido à sua dinâmica de surtos, as pupas de insetos de pragas florestais podem formar uma fonte abundante de alimento durante os picos de alta densidade populacional para pequenos mamíferos como voles, ratos e musaranhos, juntamente com predadores invertebrados como escaravelhos terrestres, formigas e bichas-cadelas. Por exemplo, em mariposas ciganas (Lymantria dispar), pequenos mamíferos predadores como o rato de pés brancos na América do Norte, predadores invertebrados como os besouros terrestres Carabídeos e formigas têm sido sugeridos para estarem entre os predadores mais importantes durante a fase de pupa. Do mesmo modo, em pupas terrestres de mariposas de Inverno (Operophtera brumata) e mariposas outonais (Epirrita autumnata), foi sugerido que as toupeiras, ratos, voles e musaranhos juntamente com os predadores invertebrados (larvas de Carabidae, Elateridae e escaravelhos Saphylinidae que se alimentam de pupas no solo) são fontes importantes de mortalidade na Europa. Também tem sido relatado que as aves se alimentam de pupas, mas dependendo da espécie de insecto, a sua importância varia de moderada a elevada .

Predadores generalistas de casulos de insectos podem ter um grande impacto em muitas populações de insectos, por exemplo, na estabilização dos ciclos populacionais . Com base nas taxas de mortalidade relatadas na literatura, a magnitude do risco de predação na fase de pupa pode ser surpreendentemente alta: estimativas de estudos com mariposas ciganas relatam taxas de predação tão altas quanto 90-100% . Estudos sobre as mariposas do inverno e as mariposas do outono relatam taxas de predação pupal que variam de 20 a 72% . No Neodiprion sertifer sertifer, os pequenos mamíferos causaram 70% de mortalidade no solo e a predação de aves causou 70-85% de mortalidade . Em outra espécie de peste florestal, as lagartas processionárias de pinheiro (Thaumetopea pityocampa), a predação por Hoopoes (Upupa epops) pode resultar em até 68,3-74,1% de mortalidade na fase de pupa . Muito menos informação do risco de predação da pupa existe para as espécies que não têm dinâmica populacional cíclica e valor económico. Em duas espécies de traças da família Limacodidae (lagartas), a predação por casulo resultou em mortalidade intermediária variando de 22 a 29% dependendo da espécie de traça .

Baseado nestas estimativas, o risco de predação pode variar consideravelmente de moderada a muito alta, fazendo com que a sobrevivência através do estágio de pupa seja um passo crítico para a maioria das espécies de insetos. De um ponto de vista evolutivo, a força da seleção sobre os mecanismos que aumentam a sobrevivência nesta fase deve, portanto, ser extremamente forte. É, no entanto, importante notar que estas estimativas de risco de mortalidade são específicas das espécies, talvez sobrestimando até certo ponto o risco de predação. Por exemplo, como as pupas ‘naturalmente’ estão localizadas nas parcelas experimentais varia entre os estudos e, portanto, o risco de predação pode, às vezes, ser superestimado.

A segunda característica comum decorrente da literatura é que os predadores que predam pupas de insetos são muito diversos, incluindo predadores visuais e não-visuais com, talvez, a ênfase sobre estes últimos . Isto é diferente da fase larval, onde predadores visuais como as aves insectívoras são frequentemente considerados como o grupo de predadores mais importante. As estratégias físicas e químicas anti-predadores desempenham um papel importante na defesa contra os predadores não visuais e, portanto, pode ser assumido que são seleccionados na fase de pupa .

Anular a detecção por predadores visuais

A estratégia mais comum para evitar ataques é através da coloração críptica que torna a presa difícil de detectar (por exemplo, camuflagem). Isto também é verdade para as pupas de insectos. A coloração críptica da pupa é adaptativa, pois aumenta a sobrevivência contra predadores caçadores visuais quando a cor combina com o fundo visual (figura 1). Em alguns grupos taxonómicos, a variação do fundo visual tem favorecido a variação plástica ambiental da coloração da pupa, como por exemplo, o polifenismo das cores. O polifenismo na coloração críptica da pupa evoluiu independentemente pelo menos em Papilionidae, Pierinae, Satyrinae e Nymphalinae . Em muitos destes casos, existem dois tipos de pupas onde uma forma é verde-amarelo e outra marrom-preto.

Variação da cor da pupa tem demonstrado ser principalmente uma característica plástica ambiental, embora a sensibilidade individual aos sinais ambientais que provocam a mudança da cor da pupa também possa variar geneticamente. Por exemplo, sinais tácteis como a rugosidade do fundo podem ter impacto sobre se as pupas desenvolvem verde (superfícies lisas) ou castanho (texturas rugosas) no Papilio xuthus . Para além da textura do substrato, várias condições ambientais demonstraram afectar a cor da pupa (revista em ), tais como a cor do fundo, humidade relativa, duração do fotoperíodo, temperatura, comprimento de onda de luz e qualidade da dieta. O polifenismo da cor pupal também pode ser influenciado pelo percurso de desenvolvimento do indivíduo. Nas espécies bivoltina ou multivoltina cujo comprimento do estágio pupilar varia consideravelmente, dependendo se o indivíduo passa de uma diapausa pupilar (o estágio pupilar leva vários meses) ou se desenvolve diretamente (o estágio pupilar tem apenas uma semana ou duas), o estado hormonal das pupas tem um forte efeito sobre a sua coloração. Por exemplo, as pupas em desenvolvimento directo no Verão têm uma maior tendência para se tornarem verdes, enquanto as pupas em período de Inverno têm uma maior tendência para se tornarem castanhas. Muitas vezes, vários dos fatores listados acima podem afetar a coloração das pupas simultaneamente .

Interessantemente, a função adaptativa da coloração críptica das pupas também pode ser ligada aos traços da história de vida nos estágios adulto e larvar. Na borboleta de madeira salpicada Pararge aegeria, os indivíduos que se fecham das pupas de cor verde são maiores quando adultos e têm uma massa torácica maior, o que é relevante para o comportamento de voo, em comparação com os indivíduos que se fecham das pupas castanhas. Isto sugere que existe um trade-off entre a protecção contra predadores durante a fase de pupa e a fase adulta, mantendo a variação tanto nos traços de pupa como de adulto .

O risco de ataque também pode diminuir se os organismos enganarem os predadores visuais imitando algo desinteressante para o predador potencial, como paus ou excrementos das aves . A mascarada é um mecanismo de defesa relativamente comum no estágio larval em muitos grupos de insetos, mas às vezes também evoluiu no estágio de pupa (figura 1). Por exemplo, as larvas dos besouros foliares de Neochlamisus constroem uma “caixa fecal” sob a qual se escondem durante o estádio de larva e de pupa. Além das fezes, eles também adicionam tricomas da planta hospedeira na superfície da caixa e, mais perto da pupa, constroem uma câmara cheia de tricomas sob a camada exterior das fezes. A sobrevivência contra os predadores invertebrados é significativamente melhorada devido a estas estruturas. Estas caixas fecais cobertas com tricomas derivados de plantas podem ajudar a disfarçar as pupas nas plantas. As caixas com tricomas também podem oferecer proteção física contra predadores, pois, por exemplo, os insetos da solda não foram capazes de penetrar na caixa com suas partes da boca. Fezes e tricomas de plantas também podem conter compostos dissuasores e, portanto, têm uma função adicional como defesa química secundária. As traças do saco (Psychidae) constroem caixas que as protegem durante as fases larvares e de pupa . Estes casos frequentemente contêm material do seu ambiente (areia, galhos, rochas) que potencialmente as torna objectos desinteressantes ou crípticas para os predadores de aves e insectos.

Além das características morfológicas e físicas, os insectos têm diferentes tipos de adaptações comportamentais que diminuem a sua detectabilidade aos predadores e parasitas durante a fase de pupa. Por exemplo, muitas espécies enterram-se no solo para passarem a pupas, o que oferece um refúgio contra os predadores que se alimentam acima do solo, como as aves. Antes dos indivíduos entrarem na fase pré-pupal e começarem a girar o casulo, muitas vezes dispersam-se da sua planta hospedeira larval ou fonte de alimento . Ficar perto da planta hospedeira pode aumentar o risco de ser detectado por inimigos naturais que muitas vezes usam a planta hospedeira como taco para localizar a sua presa potencial. Estas adaptações comportamentais antes de entrar na fase de pupa também podem variar dentro da espécie, dependendo da estratégia da história de vida de um indivíduo. Por exemplo, a maioria das larvas de Lepidópteros têm uma fase de errante antes da pupa quando as larvas se afastam da sua planta hospedeira enquanto procuram um substrato adequado para a pupa. Na borboleta europeia, Papilio machaon, esta fase errante é mais longa na geração invernal, que tem uma fase de pupa mais longa, em comparação com as larvas que estão em desenvolvimento directo (larvas não invernantes), que têm uma fase de pupa de apenas uma a duas semanas. Devido ao aumento da mobilidade e das distâncias movimentadas, a fase de vagueio é arriscada para uma larva e isto pode sugerir que os indivíduos se desviem do risco de predação relacionado com o hospedeiro, vagando menos quando a fase de pupa é mais curta .

Anular a detecção por predadores não visuais

Os indivíduos nem sempre precisam de imitar os componentes visuais no seu ambiente. Em vez disso, se os predadores mais importantes são não-visuais, pode ser mais eficaz para uma presa usar ‘camuflagem’ química. A maior parte da literatura sobre o uso de compostos químicos para confundir a detecção de presas por predadores vem de espécies que vivem em estreita associação com formigas . Por exemplo, as larvas das borboletas mirmofílicas Lycaeides argyrognomon têm órgãos que utilizam para produzir néctar para atender formigas. Em troca, as formigas protegem-nas contra diferentes tipos de inimigos naturais. Os indivíduos perdem este órgão durante a fase de pupa, mas em vez disso começam a produzir compostos cuticulares que suprimem os ataques das formigas e tornam as pupas menos propensas à predação de formigas. Desta forma, as borboletas de L. argyrognomon podem passar a pupa em ninhos de formigas onde estão protegidas dos inimigos naturais. Como os predadores não-visuais são um grupo predador importante durante a fase de pupa, este tipo de táticas que dependem da comunicação química para proteção contra predadores pode ser mais comum do que se pensava anteriormente.

Alto custo de detectabilidade como um constrangimento para a evolução da coloração de alerta na fase de pupa?

A estratégia oposta para se esconder dos sentidos dos predadores é o aposematismo. Indivíduos aposemáticos podem anunciar sua inutilidade como presa (por exemplo, toxicidade) aos predadores com sinais conspícuos (ou seja, aposematismo), o que pode incluir cores, sons ou odores. Os predadores aprendem a associar o sinal com a inutilidade da presa e evitam atacar indivíduos que partilham uma aparência semelhante em encontros futuros. Intrigantemente, a estratégia de defesa aposemática parece ser rara durante a fase de pupa (figura 1). Por exemplo, nas borboletas de cauda de andorinha (família Papilionidae), todas as espécies têm uma fase de pupa de cor críptica mesmo que as suas estratégias de defesa larvares e adultas variem de críptico e mascarado a aposematismo .

A evolução das estratégias de defesa aposemática pode ser limitada na fase de pupa devido a algumas características fisiológicas ou de desenvolvimento. No entanto, restrições de desenvolvimento pelo menos são improváveis; estudos sobre a coloração pupal das espécies de Papilio mostraram que a coloração pupal castanha ou verde é baseada numa mistura de pigmentos de cor brilhante (vermelho, amarelo, preto, azul) , o que exclui a possibilidade de que a falta de pigmentos brilhantes restrinja o desenvolvimento de pupas coloridas. No entanto, a correspondência de fundo na fase de pupa combinada com defesas químicas pode ser favorecida em condições onde o risco de detectabilidade de presas aposemáticas de cor visível é elevado. No seu modelo matemático, Endler & Mappes mostrou que a baixa conspicuidade pode evoluir para uma presa quimicamente defendida se houver variação na capacidade cognitiva e perceptiva entre os predadores ou na sua sensibilidade às defesas secundárias da presa. Isto aumenta os custos de detectabilidade de uma presa, favorecendo uma menor conspicuidade. Isto também pode ser verdade para pupas de insectos que são vulneráveis durante longos períodos de tempo a uma comunidade de predadores diversificada que contém predadores visuais e não visuais. Além disso, uma aparência visível pode também convidar ataques de parasitóides especializados que evoluíram para tolerar, ou mesmo beneficiar, das toxinas defensivas da fase de pupa .

Coloração críptica ou mascarada pode também garantir a maior sobrevivência durante uma fase de vida imóvel : o aposematismo pode ser favorecido se facilitar a mobilidade dos organismos entre diferentes ambientes visuais e fundos. Isto porque os indivíduos com camuflagem estão sempre dependentes do seu fundo visual para os esconder dos olhos do predador, mas espera-se que o apazematismo funcione independentemente do fundo. Isto permite que os indivíduos com aposematismo adquiram recursos de forma mais eficaz. Por exemplo, na Acronicta alni, a mobilidade larvar aumenta para os instantes posteriores quando as larvas crescem mais e precisam de se mover mais para se alimentarem. Este duplo benefício em termos de prevenção de predadores e recolha de recursos pode ser um factor que explica porque muitas larvas Lepidopteranas mudam de estratégia de crypsis ou mascaradas para aposematismo quando crescem maiores ou porque as pupas imóveis dependem da coloração críptica .

Defesa química

Defesa química é um dos mecanismos defensivos mais difundidos contra predadores . Entre os insetos, as defesas químicas podem ser secreções defensivas que são ativamente liberadas na presença de um predador, diminuindo a probabilidade de que o predador precise saborear (e potencialmente matar) a presa antes de achá-la desagradável. As defesas químicas também podem ser armazenadas em partes do corpo, como asas em muitas borboletas tóxicas. Em ambos os casos, a eficácia das defesas químicas é baseada nos custos de educação dos predadores, onde os predadores aprendem a evitar que as presas quimicamente defendidas partilhem uma aparência semelhante. Se as espécies de presas oferecem sinais evidentes (aposematismo) associados a uma defesa química, esta taxa de aprendizagem de evitação torna-se ainda mais eficaz .

No presente, o foco da investigação tem sido a defesa química nos estádios larval e adulto e muito menos se sabe sobre o papel das defesas químicas na protecção contra os predadores durante a fase de pupa. Em espécies cujas larvas e adultos contêm compostos defensivos, os estádios de pupa também são frequentemente defendidos quimicamente. Por exemplo, tanto as larvas como as pupas em Delphastus catalinae joaninhas têm pêlos secretos minúsculos que produzem secreções defensivas que dissuadem os seus predadores . O líquido de eclosão em pupas também pode ser amargo e desempenhar um papel na defesa química (J.M. 2017, observação pessoal) mesmo que a sua função na defesa química não tenha sido testada.

Desde que o ambiente selectivo e o estilo de vida são susceptíveis de mudar durante os estádios larvar, pupal e adulto, podemos esperar mudanças qualitativas e quantitativas na química defensiva durante o desenvolvimento . Nos escaravelhos foliares (Oreina gloriosa), os indivíduos contêm compostos defensivos (cardenólidos) durante todas as fases da vida . No entanto, a composição do coquetel químico muda do estágio larval para o estágio pupal e pupal para o estágio adulto. Os autores sugerem que estas diferenças podem ser parcialmente explicadas por mudanças no estilo de vida e nas respectivas estruturas das comunidades de predadores e parasitas. Estudar esta hipótese experimentalmente ofereceria um caminho promissor para testar como as mudanças na forma da estrutura da comunidade predadora e manter a diversidade na proteção química .

A qualidade e quantidade de compostos defensivos no estágio de pupa também pode depender do ambiente de desenvolvimento durante o estágio larval. Por exemplo, as larvas de Junonia coenia (Nymphalidae) seqüestram glicósidos iridóides de sua planta hospedeira (Plantago lanceolata) . Estes compostos mostraram ser dissuasores contra diferentes tipos de predadores invertebrados, como as formigas . Tanto o genótipo da planta hospedeira como o tipo de predador presente demonstraram afectar a qualidade e quantidade do conteúdo químico defensivo na fase de pupa . O conteúdo de Catalpol foi maior durante a fase de pupa em indivíduos que cresceram na presença de insectos fedorentos em comparação com indivíduos que tinham sofrido predação por vespas. Assim, os indivíduos de J. coenia podem alterar sua proteção química na fase de pupa para corresponder ao risco de predação das espécies predadoras mais importantes (defesa específica do alvo; ver também ).

Por vezes a posse de compostos defensivos na fase de pupa pode aumentar o risco de predação a partir de conspecíficos. Os alcalóides das pirrolizidinas são compostos derivados de plantas que são amplamente utilizados na defesa e comunicação química, especialmente entre as espécies áridas. As larvas de Utetheisa ornatrix derivam alcalóides de pirrolizidinas (PAs) de suas plantas hospedeiras Crotalaria spp. e retêm alcalóides através de estágios de vida e metamorfose. Estes compostos também ocorrem durante a fase de pupa, oferecendo uma potencial protecção contra inimigos naturais. No entanto, estes mesmos compostos podem tornar a fase de pupa vulnerável ao canibalismo. Antes da pupa, as larvas tendem a vaguear mais longe da planta hospedeira como larvas U. ornatrix canibalizam pupas com alto conteúdo de PA para adquirir PA para si próprias. Para além da protecção contra predadores como as aranhas ou aves, as AP desempenham um papel importante na selecção sexual em U. ornatrix, oferecendo uma explicação para o comportamento canibalista no estádio larval .

Defesas físicas e comportamentais

Pupae também podem oferecer defesa física contra potenciais predadores (figura 2). Os pêlos e espinhas têm demonstrado ser mecanismos de defesa especialmente eficazes contra os predadores invertebrados durante o estágio larval e podem desempenhar um papel potencialmente importante na defesa das pupas. Por exemplo, as lagartas processionárias de pinheiro são cobertas por pêlos urticantes que podem causar fortes reacções alérgicas em humanos. Assim, é possível que também sejam pouco rentáveis para outros predadores. Além disso, os seus casulos contêm exuvia da última muda larvar, com pêlos urticantes enrolados nas paredes do casulo. Espécies de Gonometa-traça como a mariposa selvagem africana (Gonometa postica) têm pêlos urticantes que incorporam nas paredes dos casulos das pupas. As paredes do casulo também podem ser reforçadas com outras estruturas que as tornam menos susceptíveis de se quebrarem quando atacadas: Veldtman et al. sugerem que, em G. postica, os casulos parecem evidentes contra os seus antecedentes. Eles também sofrem um risco muito menor de predação de aves (2%) em comparação com Gonometa rufobrunnea (50%), cujos casulos são similares, mas parecem mais crípticos para o olho humano. Em vez de uma defesa aposemática, os autores sugerem que o menor risco de predação em G. postica é provavelmente devido à diferença na estrutura do casulo. Os casulos Gonometa postica são cobertos por pequenos cristais de cálcio que tornam o casulo mais difícil de quebrar, além das diferenças na cor do casulo. A função e origem destes diferentes tipos de mecanismos físicos de protecção em defesa contra os predadores na fase de pupa não foram, no entanto, testados experimentalmente. Por exemplo, as larvas podem precisar de se livrar dos pêlos antes da pupa ser bem sucedida. A incorporação de pêlos nas paredes do casulo pode, portanto, ser uma necessidade fisiológica que oferece benefícios adicionais em defesa contra predadores ou parasitóides.

Muitos insetos holometabólicos giram seu casulo antes da metamorfose. O casulo de seda pode protegê-los contra predadores e parasitóides, mas também proteger contra dessecação ou microparasitas. A seda que é o constituinte primário dos casulos de Lepidopteran também é considerada como defensiva para as pupas. Embora a maioria da seda seja constituída por proteínas que se combinam para manter as propriedades estruturais da seda, existem várias outras proteínas presentes na seda de diferentes espécies. Estas funções alternativas são pensadas para contribuir para a anti-palatabilidade dos casulos e defender o seu conteúdo contra os micróbios . A maioria dos estudos sobre estas proteínas não-estruturais tem se concentrado na seda da seda, Bombyx mori; no entanto, os componentes da seda das traças de diferentes famílias têm se mostrado muito semelhantes entre si . A seda dos casulos de seda contém inibidores de protease que podem agir contra uma série de proteases derivadas de bactérias e fungos. No entanto, Kaur et al. argumentaram que muitas das supostas propriedades antibióticas da seda eram devidas a experiências com seda contaminada. Estes contaminantes tiveram origem nos processos de quebra de componentes da seda antes dos experimentos em que foram utilizados. Assim, a medida em que a seda dos casulos de seda defende as pupas contra infecções bacterianas ou fúngicas ou as torna pouco palatáveis para os predadores está longe de ter um corte claro e requer mais estudos experimentais.

Pupae também pode exibir movimentos defensivos que podem potencialmente ter uma função deimatica contra os predadores ou, eles podem dificultar fisicamente os ataques de predadores e parasitoides. Por exemplo, pupas de Tenebrio molitor e Zophobas atratus rodam seus segmentos abdominais em resposta à estimulação táctil e este comportamento tem demonstrado diminuir o risco de canibalismo pelas larvas da mesma espécie . As pupas da pequena casca de tartaruga (Aglais urticae) começam a se mexer muito intensamente quando o parasitoide tenta pousar sobre ela, muitas vezes impedindo que o parasitoide deposite seu ovo na pupa . No mesmo artigo, Cole relatou maior sucesso na oviposição de parasitoides com espécies de Ledidopteran P. aegeria e Pieris brassicae, cujas pupas não são capazes de se mexer tão intensamente como A. urticae pupae.

Interações intra-específicas e sobrevivência durante todo o estágio de pupa

O risco de predação é frequentemente citado como uma força seletiva importante favorecendo a socialidade , incluindo a proteção cooperativa da prole durante o estágio de pupa. Em muitos insectos de comportamento social, tais como os himenópteros eusociais, diferentes tipos de estratégias cooperativas de criação evoluíram onde os adultos cuidam dos estádios imaturos, incluindo as pupas, e os defendem contra diferentes tipos de inimigos naturais . No entanto, em espécies eusociais como as formigas, também acontece que as pupas não estão a salvo dos predadores: por exemplo, os ursos negros asiáticos são mais propensos a forragem em ninhos de formigas que têm pupas abundantes (mas veja ).

Em algumas espécies, os indivíduos podem formar agregações na fase de pupa que diminuem o risco de mortalidade. Estas agregações podem ser passivas: por exemplo, devido a características na paisagem (se os habitats adequados para a pupa estiverem dispersos) que levam ao aglomerado de indivíduos. Alternativamente, as agregações podem ser activas quando os indivíduos mantêm activamente contacto uns com os outros. A agregação na fase de pupa (ou em qualquer fase da vida) pode funcionar de três maneiras: primeiro, minimiza os encontros com predadores de busca aleatória, mas pode aumentar a vulnerabilidade a, por exemplo, predadores visuais que são bons em detectar grupos de presas. Segundo, dilui o efeito do predador após ter sido encontrado (segurança em números devido à saciedade do predador e tempos de manuseio) . Por exemplo, em um trichopteran, Rhyacophila vao, as agregações de pupas eram desvantajosas em termos de risco de encontro com os predadores. No entanto, o agrupamento foi benéfico em termos de diluição do risco de predação. Quando avaliados em conjunto (efeito ataque-abatement), o agrupamento na fase de pupa ofereceu maiores benefícios líquidos contra o risco de predação.

A terceira maneira pela qual a agregação pode diminuir o risco de predação é melhorando a aprendizagem de evitar predadores se a presa não for rentável . Os predadores têm demonstrado que aprendem a evitar mais eficazmente os itens de presas artificiais e reais defendidos quimicamente (imóveis) quando estes itens de presas estão em grupos em comparação com as presas solitárias . Este mecanismo não tem sido testado experimentalmente na fase de pupa, mas pode desempenhar um papel importante em espécies cujas pupas possuem defesas químicas e são frequentemente agregadas espacial e temporalmente. Por exemplo, nas espécies gregárias de pinheiro larvófilo quimicamente defendidas, as pupas são frequentemente agregadas nas proximidades das árvores hospedeiras onde as larvas se alimentam gregárias em grupos mantidos activamente. No Neodiprion, os indivíduos mudam do comportamento gregário para o comportamento solitário no instar final sem alimentação, onde as larvas se dispersam para girar os casulos no solo. No entanto, os casulos são frequentemente aglomerados no espaço sob as árvores hospedeiras e podem formar locais atraentes de alimentação para os mamíferos predadores, tais como musaranhos e voles ou aves. Os cachorros de pinho incluem produtos químicos defensivos, uma vez que as glândulas defensivas das larvas são eliminadas no cachorro durante a metamorfose. No entanto, durante a fase pré-adulto, os indivíduos giram activamente dentro do casulo se a parede do casulo for perfurada e deslocam os sacos defensivos das glândulas descartadas para o potencial atacante . Se este mecanismo químico de defesa da pupa tem algum efeito no comportamento dos predadores não foi directamente testado e o seu papel pode ser mais importante na defesa contra os macroparasitas . Estas interações podem variar de mutualista (ambos os parceiros se beneficiam disso) a parasitário (caro para o outro parceiro sem nenhum benefício ganho). Por vezes, a relação também pode ser comensalista: por exemplo, as lagartas Platyperpia virginalis (Arctiidae) deslocam a planta hospedeira e o habitat durante a fase de pupa. Os indivíduos preferem passar a pupa dentro de uma espécie de planta espinhosa, que se encontram num habitat diferente e não na planta hospedeira de que se alimentam durante a fase larvar. Além disso, a sobrevivência individual durante a fase de pupa foi maior nestas plantas fisicamente defendidas. Isto foi confirmado experimentalmente: nas plantas onde as estruturas de defesa física foram removidas, a sobrevivência das pupas diminuiu. Similarmente, em papilionidae Battus polydamas archidamas, as pupas têm uma maior probabilidade de sobrevivência quando estão em cactos em comparação com os arbustos, rochas ou o solo .

Algumas espécies podem até manipular outras espécies para obterem protecção contra elas . As famílias Lycaenidae e Riodinidae são famosas pelas suas relações com formigas, que variam de mutualistas a parasitas (revisto em ). Em geral, as larvas de várias espécies deste grupo obtêm proteção das formigas contra parasitas e predadores. Em troca, as formigas recebem uma secreção nutritiva das larvas. O quão dependentes estas espécies são das formigas varia de espécie para espécie. Algumas das espécies são mirmecófilos obrigatórios, como Jalmenus evagoras, que são praticamente incapazes de sobreviver sem formigas. Algumas outras espécies são mirmecófilos facultativos.

Interessantemente, não só as larvas mas também as pupas deste grupo de borboletas têm desenvolvido mecanismos para manipular o comportamento das formigas. Todas as pupas Lycaenid produzem som através da estridulação (órgãos produtores de som) independentemente de serem ou não associadas a formigas. Estes sons pupais podem ser considerados como tendo uma função deimatica , uma vez que estes sons são produzidos quando as pupas são perturbadas . No entanto, em algumas espécies, os sons de pupas estão envolvidos no recrutamento de formigas. Por exemplo, em J. evagoras pupas, a produção de sons pode atrair formigas e manter a guarda das formigas. Estes exemplos mostram que a fase de pupa não é uma fase de vida ‘passiva e inactiva’, mas as pupas podem comunicar activamente com o seu ambiente. Talvez o exemplo mais fascinante disto venha da parasita Maculinea rebeli borboletas (Lycaenidae). Tanto as suas larvas como as pupas produzem um som que imita exactamente o som do seu hospedeiro, as formigas rainhas de Myrmica schenki. O som produzido pelas pupas é na verdade mais preciso do que o som produzido pelas larvas. Este som da pupa produz uma resposta semelhante aos sons produzidos pelas rainhas, dando a M. rebeli a capacidade de manipular o seu hospedeiro e ganhar protecção das formigas.

Conclusão e questões futuras

A nossa pesquisa bibliográfica mostra que uma grande diversidade de mecanismos defensivos tem evoluído para aumentar a protecção contra os predadores através da fase de pupa nos insectos. Estas estratégias incluem diferentes tipos de estratégias de coloração protetora, toxinas defensivas, proteção obtida de conspecíficos e manipulação da sensibilidade das espécies hospedeiras a sinais químicos ou auditivos específicos para obter sua proteção. Assim, a fase de pupa não é uma fase ‘inativa’ mas pode proteger contra predadores com uma grande diversidade de mecanismos morfológicos, químicos e comportamentais. No entanto, considerando a literatura disponível da fase larval ou adulta, a compreensão das estratégias defensivas na fase de pupa ainda está na sua fase inicial. Portanto, o risco de predação, e como proteger-se dele na fase de pupa, evidentemente oferecerá um tópico interessante e importante para pesquisas futuras. Determinar estas pressões de selecção ao longo das fases de vida é fundamental para formar uma visão realista da evolução das estratégias da história de vida em espécies com ciclos de vida complexos e para prever os factores que moldam a dinâmica das suas populações. Esta informação pode mesmo fornecer insights sobre os mecanismos por detrás de declínios dramáticos nas populações de insectos e ser benéfica para o planeamento e gestão eficaz da conservação. Com estes aspectos em mente, delineamos várias rotas potencialmente interessantes e importantes para futuras pesquisas a seguir.

(a) Como a variação na composição da comunidade predadora molda a evolução das defesas de presas ao longo do ciclo de vida de um indivíduo?

Variação na estrutura da comunidade predadora pode ser um importante agente seletivo que molda a evolução das defesas de presas. Atualmente, esses efeitos têm sido considerados principalmente dentro da fase de vida do indivíduo (por exemplo, larval ou adulto). No entanto, com base em nossa revisão da literatura, a estrutura da comunidade predadora também é susceptível de mudar em diferentes estágios da vida. Como ela molda a função e diversidade dos mecanismos defensivos entre as fases da vida, incluindo a fase de pupa, não é conhecida . Por exemplo, a variação na composição da estrutura da comunidade de predadores e parasitoides poderia explicar porque às vezes observamos variação na quantidade e qualidade dos compostos defensivos nos estágios larval, pupal e adulto. Para estudar esses aspectos não estudados, podemos nos beneficiar de sistemas modelos representativos para espécies de presas, onde já temos informações acumuladas sobre os múltiplos fatores que moldam as estratégias defensivas individuais em diferentes estágios da vida. Também precisamos nos concentrar nas espécies predadoras relevantes, pois um estudo recente sugere que as defesas químicas podem ser específicas para cada alvo, abordando a importância de escolher a espécie predadora focal correta quando a eficácia das defesas químicas é estudada. Com a acumulação de informação empírica de pesquisa de diferentes espécies, podemos então realizar análises sistemáticas para avaliar quantas defesas através de diferentes estágios da vida estão ligadas ou se evoluem independentemente.

(b) Função das defesas químicas durante o estágio pupal: os predadores não visuais podem aprender a evitar pupas de cor críptica baseadas em sinais químicos, tácticos ou auditivos?

Aposematismo tem evoluído repetidamente nos estágios larvares e adultos, mas muito raramente no estágio pupal. Contudo, uma suposição geral é que os compostos defensivos também ocorrem no estágio de pupa quando os estágios larval e adulto são quimicamente defendidos. Isto também é apoiado por dados empíricos em espécies onde o conteúdo químico defensivo na fase de pupa tem sido analisado. Como os sinais conspícuos devem aumentar a eficiência de aprendizagem do predador, a ocorrência destas espécies de presas defensivas com baixa intensidade de sinal é intrigante; isto é especialmente verdade se as defesas químicas são dispendiosas de produzir e manter e o indivíduo já está bem protegido por camuflagem. Se um predador precisa sempre morder a pupa para achá-la desagradável (ou seja, os predadores não aprendem a evitar pupas quimicamente defendidas), os produtos químicos defensivos na fase de pupa não beneficiam o indivíduo, que morrerá de qualquer forma depois que a casca do casulo for perfurada. Por exemplo, Wiklund & Sillén-Tullberg sugeriu que as pupas podem até ser inatamente mais vulneráveis à manipulação pelos predadores porque a cutícula dura das pupas é mais susceptível de rachar em comparação com as cutículas mais flexíveis das larvas e dos adultos.

Que dicas os predadores poderiam então usar para aprender a evitar as pupas quimicamente defendidas? Primeiro, a conspicuidade pode não ser tão importante, desde que as presas defendidas sejam suficientemente distintas das presas palatáveis. Segundo, a maior parte das pesquisas sobre a coloração de pupas tem se concentrado na conspicuidade para os olhos humanos. Entretanto, sabemos muito pouco sobre a conspicuidade da pupa para predadores com diferentes tipos de sistemas visuais, tais como aves que também percebem comprimentos de onda UV. Algumas espécies têm pupas metálicas douradas ou prateadas brilhantes (figura 1) . Este tipo de coloração brilhante pode funcionar como um sinal de alerta de forma semelhante às cores iridescentes, ou como uma camuflagem reflectindo o ambiente visual . Em terceiro lugar, a nossa revisão da literatura mostra que as pupas têm desenvolvido muitas outras formas de comunicação, tais como movimentos, sons e sinais químicos. Este tipo de sinais pode funcionar como sinais de alerta eficazes de toxinas defensivas, especialmente para predadores não-visuais. Actualmente, faltam-nos estudos experimentais que testem se estes predadores não visuais são capazes de aprender a evitar pupas quimicamente defendidas, com base nas sugestões disponíveis. Finalmente, é possível que os compostos defensivos ocorram na fase de pupa simplesmente porque precisam de ser transportados da fase larval para a fase adulta sem qualquer função adaptativa durante a fase de pupa. Pesquisas futuras poderão tentar mais experiências com presas fictícias, semelhantes às que são amplamente utilizadas para testar o risco de predação durante os estádios larvar e adulto. Isto ofereceria uma forma de testar como diferentes características fenotípicas, tais como tamanho, coloração ou local de pupa estão sob selecção por predação.

(c) Trocas de vida-história através dos estádios de vida e como se ligam ao risco de predação durante o estádio de pupa

Outro aspecto menos estudado é a potencial troca de vida-história entre os estádios de pupa e de adulto . Por exemplo, se a alocação para a pigmentação efetiva de camuflagem durante o estágio de pupa se troca com o tamanho ou capacidade de vôo durante o estágio adulto, a predação seletiva durante o estágio de pupa irá moldar indiretamente a variação fenotípica em adultos. Da mesma forma, se a predação favorecer o tamanho grande ou pequeno durante o estágio de pupa, também é provável que reflita traços como o tamanho em adultos. As características defensivas, tais como a defesa química, também podem ser dispendiosas de produzir e manter durante a fase larvar e condicionar o desempenho durante a fase de pupa e de adulto. Por exemplo, Lindstedt et al. descobriram que quando os custos das defesas químicas eram elevados, os indivíduos de Diprion pini serradura de pinheiro eram menos propensos a atingir a fase de pupa e a crescer mais lentamente. Nas larvas de P. brassicae, uma maior contribuição para a defesa química diminuiu sua probabilidade de alcançar o estágio de pupa e eles eram menores no estágio de pupa. Finalmente, a alocação de recursos para a construção do casulo protetor durante a fase de pupa também pode ser cara e restringir os recursos disponíveis durante a fase adulta .

Como as características pupais estão associadas com as características adultas ou larvares podem ser questões especialmente interessantes para testar com espécies que são polimórficas em algum estágio da vida. Por exemplo, se os traços do adulto e da pupa estiverem correlacionados e o risco de predação variar de acordo com o estágio de vida, a seleção durante o estágio de pupa pode ser um fator importante que explique a variação nas freqüências de morfologia do adulto. Estudos que ligam a variação fenotípica dos traços pupilares com a variação dos traços larvares e adultos são, no entanto, muito escassos e, portanto, seriam importantes na compreensão da evolução das estratégias da história de vida dos insetos.

(d) Os traços defensivos têm múltiplas funções de defesa contra múltiplos inimigos?

Apesar do nosso foco principal nesta pesquisa da literatura ter sido a predação, queremos abordar o fato de que muitos dos mecanismos defensivos listados acima podem ser igualmente críticos na proteção contra parasitoides e patógenos. Atualmente, há evidências acumuladas de que o estudo destas duas pressões de seleção simultaneamente em ‘multienemy-framework’ pode ajudar a entender como os traços defensivos evoluíram inicialmente . Por exemplo, alguns compostos defensivos podem ter uma função dupla e servir múltiplos propósitos na proteção contra predadores e parasitas (mas veja ). Assim, é possível que os mesmos compostos defensivos que desempenham um papel importante na protecção da fase larvar contra predadores possam desempenhar um papel mais importante na protecção contra fungos e agentes patogénicos durante a pupa. Se as toxinas defensivas evoluíram principalmente contra parasitoides ou doenças, isso oferecerá mais uma explicação evolutiva para os sinais visuais fracos das pupas quimicamente defendidas. Da mesma forma, os movimentos defensivos durante a fase de pupa ou camuflagem podem aumentar a sobrevivência tanto contra predadores como contra parasitóides. Novamente, há uma clara necessidade de estudos experimentais onde a importância dos sinais visuais e químicos na proteção contra parasitoides e predadores pode ser testada.

(e) Com que freqüência os indivíduos mudam de habitat ou dependem da proteção de outras espécies durante a fase de pupa?

Nossa revisão mostra que os indivíduos podem mudar de habitat, hospedar plantas ou mesmo evoluir interações parasitárias ou cooperativas com outras espécies para ganhar espaço livre de inimigos durante a fase de pupa. Quantas vezes as pupas dependem realmente da protecção de outras espécies em sua defesa ou quão dependentes as espécies de insectos são de múltiplos habitats durante o seu ciclo de vida ofereceria um tópico interessante para futuras pesquisas a considerar. Isto exigiria dados de história natural e observações comportamentais combinados com manipulações experimentais e estudos filogenéticos . Esta informação poderia também ter aplicado importância no planeamento de áreas de conservação destinadas a proteger certas espécies: muitas vezes os esforços de conservação são atribuídos à protecção de áreas abundantes em plantas hospedeiras larvares. Entretanto, se as espécies de insetos dependem de outras espécies para sobreviver através da fase de pupa, ou mesmo precisam mudar de habitat para pupar com sucesso, a conservação efetiva precisa levar em conta esses requisitos.

Acessibilidade aos dados

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Contribuições dos autores

C.L. liderou a redação do manuscrito. Todos os autores contribuíram criticamente para os rascunhos e deram aprovação final para publicação.

Interesses concorrentes

Não declaramos interesses concorrentes.

Funding

Este estudo foi financiado pela Academia da Finlândia através do Centro de Excelência em Interações Biológicas.

Pés

Uma contribuição de 13 para um número temático ‘A evolução da metamorfose completa’.