8/2/2019 Spider Leg Autotomy

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P r o c . N a t L A c a d . S c i . U S AV o l . 8 0 , p p . 3 3 8 2 - 3 3 8 5 , J u n e 1 9 8 3E v o l u t i o n

S p i d e r l e g a u t o t o m y i n d u c e d b y p r e y venom i n j e c t i o n : An a d a p t i v er e s p o n s e t o " p a i n " ? *( c h e m i c a l d e f e n s e / c h e m o r e c e p t i o n / c o e v o l u t i o n / p h a r m a c o l o g y )

T H O M A S E I S N E R AND S C O T T C A M A Z I N ES e c t i o n o f N e u r o b i o l o g y a n d B e h a v i o r , C o r n e l l U n i v e r s i t y , I t h a c a , Ne w Y o r k 1 4 8 5 3C o n t r i b u t e d b y T h o m a s E i s n e r , F e b r u a r y 2 2 , 1 9 8 3A B S T R A C T F i e l d o b s e r v a t i o n s s h o w e d o r b - w e a v i n g s p i d e r s( A r g i o p e s p p . ) t o u n d e r g o l e g a u t o t o m y i f t h e y a r e s t u n g i n a l e gb y v e n o m o u s i n s e c t p r e y ( P h y m a t a f a s c i a t a } . T h e r e s p o n s e o c c u r sw i t h i n s e c o n d s , b e f o r e t h e v e n o m c a n t a k e l e t h a l a c t i o n b y s p r e a dt o t h e b o d y o f t h e s p i d e r s . A u t o t o m y i s i n d u c e d a l s o b y h o n e y b e ev e n o m a nd w a sp v e no m, a s w e l l a s b y s e v e r a l v e n o m c o m p o n e n t s( s e r o t o n i n , h i s t a m i n e , p h o s p h o l i p a s e A 2 , m e l i t t i n ) k n o w n t o b e r e -s p o n s i b l e f o r t h e p a i n c h a r a c t e r i s t i c a l l y e l i c i t e d b y v e n o m i n j e c -t i o n i n h u m a n s . T h e s e n s i n g m e c h a n i s m b y w h i c h s p i d e r s d e t e c ti n j e c t e d h a r m f u l c h e m i c a l s s u c h a s v e n o m s t h e r e f o r e m a y b e f u n -d a m e n t a l l y s i m i l a r t o t h e o n e i n h u m a n s t h a t i s c o u p l e d w i t h t h ep e r c e p t i o n o f p a i n .B e e s t i n g s h u r t . S o d o w a s p s t i n g s , s c o r p i o n s t i n g s , t h e b i t e s o fc e n t i p e d e s , a n d t h e v e n o m i n j e c t i o n s o f m a n y o t h e r a n i m a l s ,i n c l u d i n g s n a k e s . T o i n f l i c t p a i n i s n o t n e c e s s a r i l y t o t h e a d -v a n t a g e o f a n a n i m a l t h a t u s e s i t s v e n o m s t r i c t l y f o r i n c a p a c i -t a t i o n o f p r e y . I n f a c t , i t m a y b e t o i t s d i s a d v a n t a g e b e c a u s e p a i nm a y i n d u c e i n c r e a s e d s t r u g g l i n g o n t h e p a r t o f t h e p r e y . B u tv e n o m s a r e a l s o u s e d ' d e f e n s i v e l y , a n d i t i s i n t h a t c o n t e x t t h a tt h e y m a y d e r i v e t h e i r e f f e c t i v e n e s s l a r g e l y , i f n o t e x c l u s i v e l y ,f r o m t h e i r p a i n - i n d u c i n g q u a l i t i e s . I t i s p r i n c i p a l l y b e c a u s ev e n o m s a r e p a i n f u l t h a t t h e y c a n f u n c t i o n i n d e f e n s e .P a i n , i n t h e s e n s e o f a c o n s c i o u s l y p e r c e i v e d e x p e r i e n c e , r e -m a i n s a s u b j e c t i v e n o t i o n a p p l i c a b l e t o h u m a n s b u t u n t e s t a b l ew i t h a n i m a l s . B u t w h e n d e f i n e d o p e r a t i o n a l l y a s a p h y s i o l o g i c a lp h e n o m e n o n i n d u c e d i n a n a n i m a l b y s t i m u l i t h a t a r e p a i n f u lt o u s a n d r e s u l t i n g i n a p r o t e c t i v e s t i m u l u s - a v o i d a n c e r e s p o n s ei n t h a t a n i m a l , p a i n i s a m e n a b l e t o t e s t i n g w i t h n o n h u m a n s u b -j e c t s . We h e r e r e p o r t t h a t ' c e r t a i n c h e m i c a l v e n o m c o m p o n e n t st h a t a r e p a i n f u l t o h u m a n s a r e a l s o r e s p o n s i b l e f o r e l i c i t i n g an a t u r a l s e l f - p r e s e r v i n g r e s p o n s e i n s p i d e r s : l e g a u t o t o m y .L e g a u t o t o m y h a d p r e v i o u s l y b e e n n o t e d t o o c c u r i n s p i d e r sw h e n a l e g w a s p u l l e d o r i n j u r e d . I t o c c u r s c o n s i s t e n t l y a t t h el e v e l o f t h e c o x a - t r o c h a n t e r j o i n t n e a r t h e b a s e ' o f t h e l e g . As p e c i a l m e c h a n i s m p r o v i d e s f o r m i n i m i z a t i o n o f b l e e d i n g a t t h es i t e o f l e g d e t a c h m e n t , a n d s p i d e r s c a n w i t h s t a n d t h e l o s s o fs e v e r a l l e g s ( 1 , 2 ) . We f o u n d a u t o t o m y t o o c c u r a l s o w h e n a s p i -d e r i s s t u n g i n t h e l e g w h i l e a t t e m p t i n g t o c a p t u r e v e n o m o u si n s e c t p r e y . H e r e w e p r e s e n t e v i d e n c e t h a t , u n d e r s u c h c i r -c u m s t a n c e s , t h e r e s p o n s e i s a d a p t i v e t o s p i d e r s b e c a u s e i t p r e -v e n t s s y t e m i c s p r e a d o f t h e p o i s o n s a n d t h a t i t i s t r i g g e r e d b ya c t i o n o f t h e v e n o m i t s e l f r a t h e r t h a n b y t h e m e c h a n i c s o f c u -t i c l e p e r f o r a t i o n o r f l u i d i n j e c t i o n . M o r e o v e r , w e s h o w t h a t c e r -t a i n w e l l - k n o w n p a i n - i n d u c i n g c o m p o u n d s f o u n d i n v e n o m s a r ec a p a b l e o f i n d u c i n g t h e a u t o t o m y r e s p o n s e .

EXPERIMENTAL PROCEDURES ANDOBSERVATIONSO u r s t u d y w a s p r o m p t e d b y f i e l d o b s e r v a t i o n s m a d e w h i l es t u d y i n g p r e y - c a p t u r e b e h a v i o r i n o r b - w e a v i n g s p i d e r s o f t h eg e n u s A r g i o p e . A s m a l l a m b u s h b u g , P h y m a t a f a s c i a t a , h a d j u s tb e e n s e e n t o f l y i n t o a w e b o f A r g i o p e a u r a n t i a , w h e n t h e s p i -d e r p o u n c e d u p o n i t i n t y p i c a l f a s h i o n , i n a n t i c i p a t i o n o f w r a p -p i n g i t i n s i l k a n d k i l l i n g i t . S u d d e n l y t h e b e h a v i o r c a m e t o ah a l t . T h e p h y m a t i d h a d g r a s p e d t h e t i p o f o n e o f t h e s p i d e r ' sl e g s w i t h i t s p r e h e n s i l e f o r e l e g s , a n d i t w a s h o l d i n g o n w h i l es e e m i n g l y a t t e m p t i n g t o p u n c t u r e t h e l e g w i t h i t s p r o b o s c i s .T h e s p i d e r r e m a i n e d m o t i o n l e s s a t f i r s t , b u t t h e n a b r u p t l y a u -t o t o m i z e d t h e s e i z e d a p p e n d a g e a n d r e t r e a t e d t o t h e h u b o f t h ew e b . T h e r e l i n q u i s h e d l e g r e m a i n e d i n t h e h o l d o f t h e p h y -m a t i d ( F i g . 1 D - F ) .T e s t s w i t h c a p t u r e d p h y m a t i d s t h a t w e r e f l i p p e d i n d i v i d -u a l l y f r o m v i a l s i n t o n a t u r a l w e b s o f A r g i o p e ( A . a u r a n t i a a n dA . t r i f a s c i a t a ) s h o w e d a u t o t o m y t o f o l l o w a l m o s t i n v a r i a b l y w h e na s p i d e r ' s l e g w a s g r a s p e d b y a p h y m a t i d . B u t l e g s e i z u r e o c -c u r r e d o n l y r a r e l y . O f 4 3 p h y m a t i d s t h a t w e r e o f f e r e d , 3 6 f a i l e dt o g a i n a h o l d o n t h e s p i d e r a n d w e r e q u i c k l y s p u n i n a n d k i l l e d .S i x o f t h e r e m a i n i n g s e v e n p h y m a t i d s s e i z e d t h e s p i d e r ' s l e ga n d i n d u c e d a u t o t o m y . T h e s e v e n t h a l s o s e i z e d a l e g , b u t a u -t o t o m y d i d n o t f o l l o w . T h e e n c o u n t e r h a d a n u n e x p e c t e d o u t -c o m e . T h e s p i d e r s e e m e d t o a t t e m p t t o p u l l a w a y f r o m t h e p h y -m a t i d a s s o o n a s i t h a d w r a p p e d t h e i n s e c t , b u t i t w a s u n a b l et o d o s o a n d b e c a m e s t a t i o n a r y a n d , w i t h i n s e c o n d s , e n t i r e l ym o t i o n l e s s . F o r a f u l l 2 0 m i n , d u r i n g w h i c h t h e p h y m a t i d n e v e rr e l e a s e d i t s h o l d a n d t h e s p i d e r r e m a i n e d s t i l l , t h e p a i r w a s k e p tu n d e r o b s e r v a t i o n . W h e n a t t h e e n d o f t h i s p e r i o d t h e s p i d e rw a s p r o d d e d , i t f a i l e d t o r e s p o n d a n d w a s f o u n d t o b e d e a d ( F i g .1 G ) .P h y m a t i d s c a n i n f l i c t a n o t i c e a b l e " s t i n g " w i t h t h e i r p r o -b o s c i s . T h e y d o t h i s w h e n e v e r g i v e n t h e o p p o r t u n i t y ( a s w h e nt h e y a r e h e l d b e t w e e n t h e f i n g e r s ) t o b r i n g t h e t i p ' o f t h e p r o -b o s c i s t o b e a r a g a i n s t t h e s k i n . T h e s t i n g m e c h a n i s m i s e s s e n -t i a l l y s i m i l a r t o w h a t i t i s i n t h e w e l l - k n o w n r e l a t i v e s o f p h y -m a t i d s c a l l e d a s s a s s i n b u g s ( f a m i l y R e d u v i i d a e ) . F o u r n e e d l e -s h a r p s t y l e t s , t i g h t l y a p p o s e d t o f o r m a s l e n d e r b u n d l e , e f f e c tt h e p u n c t u r e , w h i c h o c c u r s w i t h s i m u l t a n e o u s i n j e c t i o n o f v e n -o m o u s s a l i v a ( 3 ) . P r e y i n s e c t s , i n c l u d i n g p o w e r f u l s p e c i e s s u c ha s b u m b l e b e e s , a r e q u i c k l y i m m o b i l i z e d b y p h y m a t i d v e n o m( F i g . 1 A a n d B ) . I n h u m a n s , t h e s t i n g i n d u c e s a n i n s t a n t a n e o u ss h a r p l y l o c a l i z e d p a i n f o l l o w e d b y a m i l d i t c h .L a b o r a t o r y o b s e r v a t i o n s s h o w e d t h a t i t i s t h e s t i n g , r a t h e rt h a n t h e m e r e m e c h a n i c a l g r a s p o f t h e s p i d e r ' s l e g b y t h e p h y -m a t i d , t h a t i n d u c e s t h e a u t o t o m y . S p i d e r s ( A . t r i f a s c i a t a ) w e r e* T h i s i s r e p o r t n o . 7 4 o f t h e s e r i e s " D e f e n s e M e c h a n i s m s o f A r t h r o -p o d s . " R e p o r t n o . 7 3 i s N o w i c k i , S . & E i s n e r , T . , P s y c h e , i n p r e s s .

3 3 8 2

T h e p u b l i c a t i o n c o s t s o f t h i s a r t i c l e w e r e d e f r a y e d i n p a r t b y p a g e c h a r g ep a y m e n t . T h i s a r t i c l e m u s t t h e r e f o r e b e h e r e b y m a r k e d " a d v e r t i s e -m e n t " i n a c c o r d a n c e w i t h 1 8 U . S . C . 1 7 3 4 s o l e l y t o i n d i c a t e t h i s f a c t .

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P r o c . N a t L A c a d . S c i . USA 8 0 ( 1 9 8 3 ) 3 3 8 3

F I G . 1 . ( A - C ) P h y m a t a f a s c i a t a a s p r e d a t o r a n d p r e y ( a r r o w s p o i n t t o d o r s u m o f t h o r a x o f p h y m a t i d ) : ( A ) f e e d i n g o n s y r p h i d f l y ; ( B ) f e e d i n go n a h e s p e r i d b u t t e r f l y w h i c h h a s b e e n c a u g h t b y i t s s l e n d e r p r o b o s c i s ; ( C ) b e i n g e a t e n b y a n a r a n e i d s p i d e r . ( D - F ) S e q u e n c e o f e v e n t s i n a n a t t a c ko f A . a u r a n t i a u p o n P . f a s c i a t a : ( D ) a s s p i d e r i n s p e c t s p h y m a t i d , o n e o f i t s l e g s i s c a u g h t b y t h e l a t t e r ; ( E ) s t u n g i n t h e l e g , t h e s p i d e r a u t o t o m i z e st h a t l e g a n d r e t r e a t s t o t h e h u b ; ( F ) m o m e n t s l a t e r t h e s p i d e r p r e e n s i n i t s n o r m a l u p s i d e - d o w n s t a n c e a t t h e h u b , w h i l e t h e d e t a c h e d l e g r e m a i n si n t h e h o l d o f t h e p h y m a t i d . ( G ) C o m p a r a b l e e n c o u n t e r , o f f a t a l o u t c o m e t o A r g i o p e ; t h e p h y m a t i d , a l r e a d y s p u n i n , h a s g r a s p e d a n d s t u n g a l e go f t h e s p i d e r , b u t t h e l a t t e r f a i l e d t o a u t o t o m i z e a n d d i e d a s a r e s u l t . T h e s p i d e r i s h e r e s h o w n h a n g i n g l i m p l y b y i t s s e i z e d a p p e n d a g e s h o r t l y a f t e rd y i n g . ( H ) C l o s e - u p v i e w o f p h y m a t i d s t i n g i n g a n A r g i o p e l e g ( p h o t o g r a p h o f d e a d s p e c i m e n , k i l l e d b y i m m e r s i o n i n l i q u i d F r e o n a t - 1 9 0 ' C w h i l ei t w a s s t i n g i n g , a n d s u b s e q u e n t l y l y o p h i l i z e d w h i l e f r o z e n ) . B a r s : D , 1 0 m m ; H , 1 m m .f a s t e n e d v e n t r a l s i d e d o w n o n a f l a t s u r f a c e w i t h wax d r o p l e t sa p p l i e d t o t h e v e n t e r o f t h e " a b d o m e n " ( t e c h n i c a l l y t h e s p i d e r ' so p i s t h o s o m a ) a n d t o t h e t i p s o f t h e i r o u t s t r e t c h e d l e g s . I n d i -v i d u a l p h y m a t i d s a t t a c h e d b y t h e i r b a c k s t o t e t h e r s w e r e t h e nb r o u g h t i n t o c o n t a c t w i t h a n a r t i c u l a r j o i n t ( t h e f e m u r / p a t e l l ao r p a t e l l a / t i b i a j o i n t ) o f a s p i d e r ' s l e g . T h e y r e a c h e d o u t w i t h

t h e f o r e l e g s , g r a s p e d t h e l e g , a n d p r o c e e d e d t o p r o b e t h e j o i n tm e m b r a n e w i t h t h e p r o b o s c i s . A u t o t o m y n e v e r o c c u r r e d d u r -i n g s u c h p r e l i m i n a r y p r o b i n g s , b u t i t f o l l o w e d q u i c k l y ( w i t h i n5 s e e i n 1 0 o f 1 0 c a s e s ) o n c e t h e p h y m a t i d b e g a n p r e s s i n g i t sp r o b o s c i s a g a i n s t a g i v e n s i t e o f t h e m e m b r a n e , a moment t h a ti s c o i n c i d e n t w i t h t h e o n s e t o f s t i n g i n g . S t y l e t p e n e t r a t i o n a t

E v o l u t i o n : E i s n e r a n d C a m a z i n e

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3 3 8 4 E v o l u t i o n : E i s n e r a n d C a m a z i n es u c h m o m e n t s c o u l d b e s e e n t h r o u g h t h e t r a n s l u c e n t j o i n tm e m b r a n e b y o b s e r v a t i o n w i t h a s t e r e o m i c r o s c o p e .F u r t h e r t e s t i n g w i t h i m m o b i l i z e d s p i d e r s s h o w e d t h a t m e r em e c h a n i c a l p e r f o r a t i o n o f a l e g w a s n o s u b s t i t u t e f o r t h e s t i n g .A s i n g l e p u n c t u r e w a s m a d e , a t t h e f e m u r / p a t e l l a j o i n t o r a t t h em i d s e c t i o n o f t h e f e m u r o r t i b i a , i n o n e l e g o f e a c h o f e i g h ts p i d e r s ( f o u r A . a u r a n t i a a n d f o u r A . t r i f a s c i a t a ) b y u s i n g a f l a m e -s t e r i l i z e d s t e e l p i n . A u t o t o m y f o l l o w e d i n o n e c a s e o n l y . T h e r ew a s s o m e b l e e d i n g f r o m t h e w o u n d s , b u t t h e s p i d e r s s h o w e dn o l o n g - r a n g e i l l - e f f e c t s .T h a t f a i l u r e t o a u t o t o m i z e f o l l o w i n g a p h y m a t i d s t i n g m a yl e a d t o l e t h a l s y s t e m i c e n v e n o m i z a t i o n i n A r g i o p e w a s a l r e a d ya p p a r e n t f r o m t h e s i n g l e f i e l d e n c o u n t e r o f f a t a l o u t c o m e . A r -g i o p e a r e u n a b l e t o w i t h s t a n d p h y m a t i d s t i n g s t o t h e b o d y . E i g h ts p i d e r s ( t h r e e A . a u r a n t i a a n d f i v e A . t r i f a s c i a t a ) t h a t w e r e c a u s e dt o b e s t u n g o n t h e d o r s a l s u r f a c e o f t h e a b d o m e n b y t e t h e r e dp h y m a t i d s a l l e v e n t u a l l y d i e d . K e p t u n d e r o b s e r v a t i o n i n t e s ta r e n a s i m m e d i a t e l y a f t e r t h e s t i n g , t h e y s h o w e d l o c o m o t o r yi m p a i r m e n t w i t h i n s e c o n d s a n d t o t a l i m m o b i l i t y a n d l a c k o f r e -s p o n s i v e n e s s w i t h i n m i n u t e s .Q u a n t i t a t i v e d a t a o n t h e a u t o t o m y - i n d u c i n g c a p a c i t y o f v e n -o m s a n d v e n o m c o m p o n e n t s w a s o b t a i n e d b y i n j e c t i n g f i x e dv o l u m e s ( 1 . 0 / . l ) o f t e s t s u b s t a n c e i n t o i n d i v i d u a l l e g s o f A . t r i -f a s c i a t a . I n j e c t i o n w a s e f f e c t e d i n t o t h e f e m u r / p a t e l l a o r p a -t e l l a / t i b i a j o i n t o f a l e g w i t h a g l a s s m i c r o p i p e t t e o p e r a t e d b ya m i c r o m e t e r - a d v a n c e d m i c r o s y r i n g e . T h e i n j e c t i o n t o o k a f r a c -t i o n o f a s e c o n d . T h e d e l a y t o a u t o t o m y w a s t i m e d t o t h e n e a r -e s t s e c o n d f r o m t h e m o m e n t o f i n j e c t i o n , b y u s i n g a f o o t - o p -e r a t e d s t o p w a t c h . U p t o f o u r l e g s p e r s p i d e r w e r e i n j e c t e d , e a c hn e v e r m o r e t h a n o n c e ; a t l e a s t 1 m i n t r a n s p i r e d b e t w e e n c o n -s e c u t i v e l e g i n j e c t i o n s . A l l a u t o t o m i e s o c c u r r e d w i t h i n 1 9 s e c( x S D , 4 . 5 + 3 . 7 ; n = 1 0 1 l e g s ) ; f a i l u r e t o a u t o t o m i z e w i t h i n3 0 s e c w a s s c o r e d a s n o r e s p o n s e ( e x p e r i e n c e h a d s h o w n t h a ta u t o t o m y i s n o t u s u a l l y d e l a y e d b e y o n d t h a t p e r i o d ) .B e c a u s e h e m i p t e r a n v e n o m s a r e p o o r l y c h a r a c t e r i z e d c h e m -i c a l l y a n d u n a v a i l a b l e c o m m e r c i a l l y , w e u s e d h o n e y b e e a n d w a s p

1 0 0 -

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( V e s p a m a c u l a t a ) v e n o m f o r o u r t e s t s , a s w e l l a s k n o w n m a j o rc o m p o n e n t s o f h y m e n o p t e r a n v e n o m s . T h e v e n o m c o m p o -n e n t s w e r e i n j e c t e d i n p h y s i o l o g i c a l s a l i n e ( 4 ) , a t c o n c e n t r a t i o n sa p p r o x i m a t i n g t h o s e i n n a t u r a l h o n e y b e e o r w a s p v e n o m s ( 5 , 6 ) ;t h e v e n o m s , a v a i l a b l e i n l y o p h i l i z e d f o r m , w e r e b r o u g h t t o n a t -u r a l c o n c e n t r a t i o n s b y d i l u t i o n w i t h d i s t i l l e d w a t e r . S a l i n e a n dh y p e r t o n i c N a C l ( 7 % ) w e r e i n j e c t e d a s c o n t r o l s .A s i s c l e a r f r o m t h e r e s u l t s ( F i g . 2 ) , t h e v e n o m s t h e m s e l v e sa s w e l l a s f o u r o f t h e v e n o m c o m p o n e n t s ( s e r o t o n i n , h i s t a m i n e ,p h o s p h o l i p a s e A 2 , a n d m e l i t t i n ) w e r e a c t i v e , i n d u c i n g a u t o t o m yi n u p w a r d o f 4 7 % o f c a s e s . O t h e r v e n o m c o m p o n e n t s w e r e i n -a c t i v e ( a c e t y l c h o l i n e , b r a d y k i n i n , h y a l u r o n i d a s e , a d r e n a l i n e ,a n d d o p a m i n e ) . T h e c o n t r o l s w e r e i n a c t i v e o r m i n i m a l l y a c t i v e .

D I S C U S S I O NT h r e e o f t h e f o u r a c t i v e c o m p o n e n t s - s e r o t o n i n , p h o s p h o l i -p a s e A 2 , a n d h i s t a m i n e - a r e k n o w n t o b e p a i n - i n d u c i n g i n h u -m a n s ( 7 - 9 ) . W h a t e v e r t h e n e u r a l b a s i s o f t h e i r d e t e c t i o n i n s p i -d e r s - w h e t h e r i t b e c o m p a r a b l e t o t h e p a i n - c o u p l e d v e n o m -s e n s i n g m e c h a n i s m i n h u m a n s o r n o t - i t i s c l e a r t h a t s p i d e r sa r e h i g h l y s e n s i t i v e t o t h e s e s u b s t a n c e s a n d t h a t t h e y r e s p o n dd e f e n s i v e l y t o t h e m i n a m a n n e r t h a t p r e v e n t s t h e i r s y s t e m i cs p r e a d . A l l t h e s e c o m p o u n d s a r e o f r e l a t i v e l y w i d e s p r e a d o c -c u r r e n c e i n a n i m a l ( a n d e v e n p l a n t ) v e n o m s ( 1 0 - 1 2 ) , a r e f l e c -t i o n p e r h a p s o f t h e i r b r o a d p o t e n t i a l e f f e c t i v e n e s s v i s a v i s e n e -m i e s . A r t h r o p o d s i n p a r t i c u l a r m a y n e e d t o c o p e w i t h v e r t e b r a t ea n d a r t h r o p o d p r e d a t o r s a l i k e , a n d i t i s i n t e r e s t i n g t h a t s e r o -t o n i n , p h o s p h o l i p a s e s , a n d h i s t a m i n e a r e p r e s e n t i n m a n y o ft h e i r v e n o m s ( 1 0 ) . T h e f o u r t h a c t i v e c o m p o n e n t , t h e p o l y p e p -t i d e m e l i t t i n , i s a l s o p a i n - i n d u c i n g i n h u m a n s b u t i t i s o f r e -s t r i c t e d d i s t r i b u t i o n a n d k n o w n f r o m h o n e y b e e v e n o m o n l y ( 1 3 ) .O f t h e i n a c t i v e v e n o m c o m p o n e n t s t e s t e d , t h r e e - h y a l -u r o n i d a s e , d o p a m i n e , a n d a d r e n a l i n e - a r e r e p o r t e d l y p a i n -l e s s , o r a t l e a s t n o t p o t e n t l y p a i n - i n d u c i n g ( 8 , 9 ) , i n h u m a n s . A l -t h o u g h t h e s e c o m p o u n d s c o n t r i b u t e t o t h e o v e r a l l p h a r m a -

2 4F 7/ /

/

1 97-

vrTo wXMX" 'p' , . ~ . t p - "~Com

C o H l o : e . *oo1~ ~ b A0\0p~Q ) d @ a ,I V , ~ r

1 5X 1 0

+ . e . ', - . lbC,

F I G . 2 . I n c i d e n c e o f l e g a u t o t o m y i n A . t r i f a s c i a t a i n r e s p o n s e t o v e n o m o r v e n o m c o m p o n e n t i n j e c t e d . N u m b e r s a b o v e b a r s o r i n p a r e n t h e s i sa f t e r s u b s t a n c e g i v e s a m p l e s i z e ( = n u m b e r o f l e g s i n j e c t e d ) . P e r c e n t a g e s g i v e c o n c e n t r a t i o n ( w t / v o l ) i n p h y s i o l o g i c a l s a l i n e ; h o n e y b e e a n d w a s pv e n o m c o n c e n t r a t i o n s w e r e 1 2 % a n d 7 . 5 % , r e s p e c t i v e l y ( w e i g h t l y o p h i l i z e d v e n o m / v o l u m e d i s t i l l e d w a t e r ) .

P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U S A 8 0 ( 1 9 8 3 )

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P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U S A 8 0 ( 1 9 8 3 ) 3 3 8 5c o l o g i c a l e f f e c t o f v e n o m s a n d m a y e v e n ( a s i n t h e c a s e o f h y -a l u r o n i d a s e ) ( 8 ) a c t t o p o t e n t i a t e t h e a c t i v i t y o f o t h e r v e n o mc o m p o n e n t s , t h e y a r e a p p a r e n t l y n o t p a i n - i n d u c i n g a s s u c h . B u tt w o c o m p o n e n t s , a c e t y l c h o l i n e a n d b r a d y k i n i n , w h i c h p r o v e di n e f f e c t i v e v i s a v i s A r g i o p e ( a t l e a s t a t t h e c o n c e n t r a t i o n s t e s t e d ) ,a r e d e f i n i t e l y p a i n - i n d u c i n g i n h u m a n s ( 8 , 9 ) . T h e r e f o r e , t h e r em a y b e n o a b s o l u t e c o n c o r d a n c e i n t h e c h e m i c a l s e n s i t i v i t i e s o ft h e v e n o m - d e t e c t i n g s y s t e m s o f h u m a n s a n d A r g i o p e . G i v e nt h e p h y l e t i c g a p b e t w e e n a r a c h n i d s a n d v e r t e b r a t e s , t h i s s h o u l dc o m e a s n o s u r p r i s e . W h a t i s r e m a r k a b l e i s t h a t t h e r e s h o u l de v e n b e s u b s t a n t i a l o v e r l a p i n t h e p h a r m a c o l o g i c a l s p e c t r u m o fw h a t i n d u c e s p a i n i n u s a n d w h a t a c t s a s i f i t w e r e p a i n f u l t oA r g i o p e .T h e f i v e i n a c t i v e s u b s t a n c e s t h a t f a i l e d t o i n d u c e a u t o t o m yi n v a r i a b l y p r o v e d n o n l e t h a l t o t h e s p i d e r s . B u t d e a t h d i d n o ta l w a y s f o l l o w i n s p i d e r s t h a t r e t a i n e d t h e i r l e g a f t e r i n j e c t i o no f a c t i v e s a m p l e s . A l t h o u g h h o n e y b e e v e n o m a n d p h o s p h o l i -p a s e A 2 w e r e a l w a y s l e t h a l t o n o n a u t o t o m i z i n g s p i d e r s ( t h r e ea n d s i x s p i d e r s r e s p e c t i v e l y ) , h i s t a m i n e , s e r o t o n i n , a n d m e l i t t i nw e r e c o n s i s t e n t l y n o t ( e i g h t , f o u r , a n d f i v e s p i d e r s ) . A n d , s o m e -w h a t s u r p r i s i n g l y , n e i t h e r w a s w a s p v e n o m ( t h r e e s p i d e r s ) . T h ec h e m o s e n s o r y s y s t e m t h a t " f o r e w a r n s " s p i d e r s a g a i n s t s y s t e m i ct o x i n s i s t h u s n o t a t t u n e d s t r i c t l y t o m o l e c u l e s t h a t a r e l e t h a l .O u r t e s t s w i t h p h y m a t i d s o f f e r e d n o e v i d e n c e t h a t t h e s e i n -s e c t s m i g h t s e c u r e t h e i r r e l e a s e f r o m p r e d a t o r s b y d e f e n s i v eu s e o f t h e i r v e n o m s . T h e y r e m a i n e d t r a p p e d i n t h e A r g i o p ew e b s w h e t h e r t h e y i n d u c e d l e g a u t o t o m y o r n o t , a n d a l l w e r ee v e n t u a l l y e a t e n . B u t t e s t s t h a t w e d i d w i t h a j u m p i n g s p i d e r ,P h i d i p p u s a u d a x , a m o s t l i k e l y n a t u r a l e n e m y o f p h y m a t i d s ,g a v e d i f f e r e n t r e s u l t s . F o u r i n d i v i d u a l P h y m a t a w e r e o f f e r e dt o a n e q u a l n u m b e r o f f e m a l e P h i d i p p u s , h e l d i n s m a l l a r e n a si n w h i c h t h e s p i d e r s h a d b e e n m a i n t a i n e d f o r m o n t h s o n a d i e to f l i v e i n s e c t s . T h r e e o f t h e p h y m a t i d s w e r e p r o m p t l y k i l l e d b yt h e s p i d e r s a n d e a t e n . T h e f o u r t h w a s a l s o p o u n c e d u p o n , b u ti t g r a s p e d a l e g o f t h e s p i d e r , s t u n g i t , a n d c a u s e d t h e a p p e n d -a g e t o b e a u t o t o m i z e d . T h e s p i d e r b a c k e d a w a y , l e a v i n g t h ep h y m a t i d u n e n c u m b e r e d a n d p o t e n t i a l l y f r e e t o m a k e a n i m -m e d i a t e e s c a p e .L e g a u t o t o m y o c c u r s a l s o i n a r t h r o p o d s o t h e r t h a n s p i d e r s .I f s e i z e d b y a l e g , k a t y d i d s o f t e n r e l i n q u i s h t h e a p p e n d a g e , a s

d o m a n y g r a s s h o p p e r s , c r i c k e t s , a n d c o c k r o a c h e s . T e s t s t h a t wed i d w i t h u n i d e n t i f i e d k a t y d i d s s h ow e d t h e m t o a u t o t o m i z e r e a d -i l y i n r e s p o n s e t o P h y m a t a s t i n g s ( n = 5 k a t y d i d s ) , i n d i c a t i n gt h a t t h e y t o o h a v e t h e m e a n s f o r q u i c k - s e n s i n g o f p o t e n t i a l l yh a z a r d o u s t o x i n s . A n d s o d o s p i d e r s o t h e r t h a n A r g i o p e . E a c ho f s e v e n u n i d e n t i f i e d s p i d e r s o f t h r e e f a m i l i e s ( S a l t i c i d a e ,T h o m i s i d a e , a n d A g e l e n i d a e ) a u t o t o m i z e d i n r e s p o n s e t o p h y -m a t i d s t i n g s . B u t o n e s p i d e r - t h e c o m m o n h o u s e s p i d e rA c h a e a r a n e a t e p i d a r i o r u m ( f a m i l y T h e r i d i i d a e ) - p r o v e d e x -c e p t i o n a l i n t h a t i t n e v e r a u t o t o m i z e d ( n = 1 1 s p i d e r s ) d e s p i t ei t s e v i d e n t s u s c e p t i b i l i t y t o e n v e n o m i z a t i o n ( 7 o f 1 1 d i e d ) .W h e t h e r t h i s s p i d e r l a c k s t h e a p p r o p r i a t e v e n o m - s e n s i n gm e c h a n i s m o r i s p h y s i c a l l y u n a b l e t o a u t o t o m i z e a n d w h e t h e ri t s v u l n e r a b i l i t y t o v e n o m s i s c o r r e l a t e d w i t h a l i f e s t y l e t h a tp r o v i d e s f o r m i n i m i z a t i o n o f e x p o s u r e t o v e n o m s r e m a i n s u n -k n o w n .T h e i n i t i a l f i e l d o b s e r v a t i o n s a n d l a b o r a t o r y t e s t s w e r e m a d e a t t h eH u y c k P r e s e r v e , R e n s s e l a e r v i l l e , N Y , i n c o l l a b o r a t i o n w i t h M a r i a E i s -n e r , w h o a l s o h e l p e d w i t h t h e p h o t o g r a p h y . T h i s s t u d y w a s s u p p o r t e db y G r a n t A I - 0 2 9 0 8 f r o m t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e s o f H e a l t h a n d b y a g e n -e r o u s s t i p e n d f r o m C o r n e l l U n i v e r s i t y .

1 . P a r r y , D . A . ( 1 9 5 7 ) Q . J M i c r o s c . S c i . 9 8 , 3 3 1 - 3 4 0 .2 . W o o d , F . D . ( 1 9 2 6 ) J . M o r p h o l P h y s i o l 4 2 , 1 4 3 - 1 9 5 .3 . W e b e r , H . ( 1 9 3 0 ) B i o l o g i e d e r H e m i p t e r e n ( S p r i n g e r , B e r l i n ) .4 . G r i f f i t h s , J . T . & T a u b e r , O . E . ( 1 9 4 3 ) J . G e n . P h y s i o l 2 6 , 5 4 1 -5 5 8 .5 . O ' C o n n o r , R . & P e c k , M . L . ( 1 9 7 8 ) i n A r t h r o p o d V e n o m s , e d .B e t t i n i , S . ( S p r i n g e r , B e r l i n ) , p p . 6 1 3 - 6 5 9 .6 . E d e r y , H . , I s h a y , J . , G i t t e r , S . & J o s h u a , H . ( 1 9 7 8 ) i n A r t h r o p o dV e n o m s , e d . B e t t i n i , S . ( S p r i n g e r , B e r l i n ) , p p . 6 9 1 - 7 7 1 .7 . S c h m i d t , J . 0 . ( 1 9 8 2 ) A n n u . R e v . E n t o m o l 2 7 , 3 3 9 - 3 6 8 .8 . C h a h l , L . A . & K i r k , E . J . ( 1 9 7 5 ) P a i n 1 , 3 - 4 9 .9 . K e e l e , C . A . & A r m s t r o n g , D . ( 1 9 6 4 ) S u b s t a n c e s P r o d u c i n g P a i na n d I t c h ( E d w a r d A r n o l d , L o n d o n ) .1 0 . B e t t i n i , S . ( 1 9 7 8 ) A r t h r o p o d V e n o m s ( S p r i n g e r , B e r l i n ) .1 1 . H a b e r m e h l , G . ( 1 9 7 6 ) G i f t - T i e r e u n d i h r e W a f f e n ( S p r i n g e r , B e r -l i n ) . .1 2 . T h u r s t o n , E . L . & L e r s t e n , N . R . ( 1 9 6 9 ) B o t . R e v . 3 5 , 3 9 3 - 4 1 2 .1 3 . H a b e r m a n n , E . ( 1 9 7 1 ) i n V e n o m o u s A n i m a l s a n d T h e i r V e n o m s ,V e n o m o u s I n v e r t e b r a t e s , e d s . B u c h e r l , W . & B u c k l e y , E . E . ( A c -a d e m i c , Ne w Y o r k ) , V o l . 3 , p p . 6 1 - 9 3 .

E v o l u t i o n : E i s n e r a n d C a m a z i n e