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Background
Pycnogonida (sea spiders) is the sister group of all other extant chelicerates (spiders, scorpions and relatives) and thus represents an important taxon to inform early chelicerate evolution. Notably, phylogenetic analyses have challenged traditional hypotheses on the relationships of the major pycnogonid lineages (families), indicating external morphological traits previously used to deduce inter-familial affinities to be highly homoplastic. This erodes some of the support for phylogenetic information content in external morphology and calls for the study of additional data classes to test and underpin in-group relationships advocated in molecular analyses. In this regard, pycnogonid internal anatomy remains largely unexplored and taxon coverage in the studies available is limited.
Results
Based on micro-computed X-ray tomography and 3D reconstruction, we created a comprehensive atlas of in-situ representations of the central nervous system and midgut layout in all pycnogonid families. Beyond that, immunolabeling for tubulin and synapsin was used to reveal selected details of ganglionic architecture. The ventral nerve cord consistently features an array of separate ganglia, but some lineages exhibit extended composite ganglia, due to neuromere fusion. Further, inter-ganglionic distances and ganglion positions relative to segment borders vary, with an anterior shift in several families. Intersegmental nerves target longitudinal muscles and are lacking if the latter are reduced. Across families, the midgut displays linear leg diverticula. In Pycnogonidae, however, complex multi-branching diverticula occur, which may be evolutionarily correlated with a reduction of the heart.
Conclusions
Several gross neuroanatomical features are linked to external morphology, including intersegmental nerve reduction in concert with trunk segment fusion, or antero-posterior ganglion shifts in partial correlation to trunk elongation/compaction. Mapping on a recent phylogenomic phylogeny shows disjunct distributions of these traits. Other characters show no such dependency and help to underpin closer affinities in sub-branches of the pycnogonid tree, as exemplified by the tripartite subesophageal ganglion of Pycnogonidae and Rhynchothoracidae. Building on this gross anatomical atlas, future studies should now aim to leverage the full potential of neuroanatomy for phylogenetic interrogation by deciphering pycnogonid nervous system architecture in more detail, given that pioneering work on neuron subsets revealed complex character sets with unequivocal homologies across some families.
Background
Phylogenomic studies over the past two decades have consolidated the major branches of the arthropod tree of life. However, especially within the Chelicerata (spiders, scorpions, and kin), interrelationships of the constituent taxa remain controversial. While sea spiders (Pycnogonida) are firmly established as sister group of all other extant representatives (Euchelicerata), euchelicerate phylogeny itself is still contested. One key issue concerns the marine horseshoe crabs (Xiphosura), which recent studies recover either as sister group of terrestrial Arachnida or nested within the latter, with significant impact on postulated terrestrialization scenarios and long-standing paradigms of ancestral chelicerate traits. In potential support of a nested placement, previous neuroanatomical studies highlighted similarities in the visual pathway of xiphosurans and some arachnopulmonates (scorpions, whip scorpions, whip spiders). However, contradictory descriptions of the pycnogonid visual system hamper outgroup comparison and thus character polarization.
Results
To advance the understanding of the pycnogonid brain and its sense organs with the aim of elucidating chelicerate visual system evolution, a wide range of families were studied using a combination of micro-computed X-ray tomography, histology, dye tracing, and immunolabeling of tubulin, the neuropil marker synapsin, and several neuroactive substances (including histamine, serotonin, tyrosine hydroxylase, and orcokinin). Contrary to previous descriptions, the visual system displays a serial layout with only one first-order visual neuropil connected to a bilayered arcuate body by catecholaminergic interneurons. Fluorescent dye tracing reveals a previously reported second visual neuropil as the target of axons from the lateral sense organ instead of the eyes.
Conclusions
Ground pattern reconstruction reveals remarkable neuroanatomical stasis in the pycnogonid visual system since the Ordovician or even earlier. Its conserved layout exhibits similarities to the median eye pathway in euchelicerates, especially in xiphosurans, with which pycnogonids share two median eye pairs that differentiate consecutively during development and target one visual neuropil upstream of the arcuate body. Given multiple losses of median and/or lateral eyes in chelicerates, and the tightly linked reduction of visual processing centers, interconnections between median and lateral visual neuropils in xiphosurans and arachnopulmonates are critically discussed, representing a plausible ancestral condition of taxa that have retained both eye types.
Heutige Vertreter der Insekten haben vielfältige Lebensweisen und Verhaltensstrategien entwickelt, wie beispielsweise zur Ernährung, zum Schutz gegen Fressfeinde, zu Reproduktionsstrategien und die Investition in Nachkommen. Um die Evolution dieser Strategien besser zu verstehen, kann die Einbeziehung von Fossilien wertvolle Hinweise liefern. So können fossile Überreste von Organismen oder Strukturen, welche von ihnen zu Lebzeiten verursacht wurden, für eine Rekonstruktion über das erstmalig zeitgeschichtliche Auftreten und der Entwicklung einer Strategie genutzt werden. Da jedoch die Untersuchung des Verhaltens von heute nicht mehr lebenden Organismen nicht möglich ist, können Hinweise dazu nur indirekt geschlussfolgert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher folgende Aspekte näher beleuchtet und für Rekonstruktionen genutzt: (1) Die phylogenetische Position von fossilen Vertreten, (2) Spurenfossilien, (3) Gemeinsame Fossilisation mehrerer Individuen, (4) “Frozen Behaviour“, (5) Fossilisierte Eier und Ei-assoziierte Strukturen, sowie (6) Morphologische Anpassungen als Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Anwendbarkeit und Limitationen der jeweiligen Ansätze wurden im Rahmen von Rekonstruktionen zu Aspekten von Raubverhalten und Reproduktionsstrategien (im Zusammenhang mit der Investition in die Nachkommen) von verschiedenen Vertretern der Arthropoden diskutiert.
Die Insektengruppe Dictyoptera, welche die Gruppen Mantodea und Blattodea umfasst, hat sich als besonders geeignet für die Rekonstruktion von Verhaltensaspekten unter den genannten Aspekten und Ansätzen gezeigt. Heutige Dictyopteren zeigen eine enorme Spannbreite von verschiedenen Lebensweisen, von räuberisch und solitär lebend bei Mantiden, über verschiedene Abstufungen von Sozialverhalten bei Schaben, bis hin zur Eusozialität der Termiten (als Innengruppe der Blattodea). Des Weiteren ist diese Gruppe durch eine bemerkenswerte Autapomorphie gekennzeichnet, die Ablage von Eiern in einer Art kompakten Paket (Oothek). Die Ootheken von Dictyopteren sind sehr robust und wurden, wenn auch selten, fossil gefunden. Die Rekonstruktion des Ursprungs der Fähigkeit,
Ootheken zu bilden, stellt ein Schlüsselmerkmal in der Rekonstruktion der evolutionären Entwicklung der gesamten Gruppe dar. Weitere Betrachtungen im Rahmen dieser Arbeit beleuchten die Entwicklung der Gruppe der Mantiden und deren Spezialisierung auf eine räuberische Lebensweise, wie sie bei heutigen Vertretern zu beobachten ist.
Most animals live solitarily, but for some species the benefits of group living outweigh the costs and social communities have evolved. Truly social societies are characterized by cooperation in tasks like foraging, predator defense and brood care. In the most extreme cases, non-reproducing individuals act as helpers and provision offspring of reproducing individuals at the cost of their own reproductive success. This alloparental care is attributed to kin selection that provides the helpers with inclusive fitness benefits. However, how reproductive role is determined and in which ways virgin helpers in a group benefit the community is not always well understood.
Spiders are known to be generalist hunters, which in many cases do not shy away from cannibalism. Thus, most spiders live solitarily. However, in a few species a permanently social lifestyle has evolved in which individuals live together throughout their life, providing an intriguing case of social evolution. These spider communities are characterized by lack of premating dispersal leading to extreme inbreeding, by reproductive skew, in which only a proportion of females reproduce and by cooperative breeding of the reproducing females. It has been assumed that the large proportion of virgin females act as helpers not only in foraging and web maintenance but also during brood care. In the social spider Stegodyphus dumicola brood care involves the intensive task of regurgitation feeding, at which mothers regurgitate their own liquefied body tissue. At the end of brood care, the offspring sucks the mothers dry during matriphagy, leading to the death of brood caring females and a semelparous lifestyle. In the closely related solitarily breeding Stegodyphus lineatus virgin females do not provide brood care. The ability of virgin females in S. dumicola to care for offspring would thus depict an adaptation to sociality and cooperative breeding. I therefore aimed to clarify the role and significance of virgin females in colonies of social spiders and furthermore investigated a possible mechanism of how reproductive role within a colony is determined.
I investigated whether there is differential task participation in a non-reproductive task and the task of brood care among reproducing mothers and virgin females (helpers) in Stegodyphus dumicola. The study provides explicit evidence that brood care – including egg sac care, regurgitation feeding and matriphagy – is performed by mothers as well as by virgin helpers. Virgin females in a colony can thus rightfully be termed allomothers. However, the task participation differed between the reproductive states. While mothers engaged more often in brood care, virgin females were more active in foraging. However, the active provisioning of offspring by the virgin females decreases the motherly workload as is suggested by the extended brood care period in comparison to solitary breeders. The observations on virgin allomaternal care are supported by histological studies on the midgut tissue of brood caring females, which revealed that mothers and virgin helpers undergo comparable morphological changes in preparation of regurgitation feeding. The changes in virgin females correlate to ovarian development that might depict an internal maturation process which sets virgin females in the right state to provide care. The morphological changes in mothers and virgin helpers of S. dumicola are less comprehensive than in the solitarily breeding S. lineatus mothers. This indicates that cooperatively caring females are able to save on their resources, provision offspring for longer and thus are probably able to increase survival of the brood by an extended care period. A surprising consequence of cooperative brood care is the ability of mothers to produce a second viable egg sac, even when the first brood is successful. Mothers of the cooperative breeding S. dumicola can thus depart from the strictly semelparous lifestyle and instead invest part of their resources in a second clutch. This finding identified a new way of how cooperative breeding enhances breeding success of reproducers and thus inclusive fitness for helpers as well, thus adding to the benefits of allomaternal care.
Virgin females did not store significantly lower amounts of lipids in their midgut tissue than mothers, raising the question of how much reproductive role of females is determined by competition for resources during growth, as often assumed. Another possible determinant of female reproductive skew is the characteristic male scarcity in spider colonies, with only about 12 percent of spiders being male. Males are assumed to mature early within a few days and die early, thus leaving late maturing females unmated due to lack of mating partners. However, my studies provided evidence that male maturation is more skewed than expected and males might survive several months. Subadult females did not accelerate molting when an adult male was present, which could further indicate, that male presence is not a limiting factor on reproduction in males. Furthermore, males are able copulate with up to 16 females and did not show e preference for large females during mating trials. Males are thus able to fertilize all females, provided all females mature in time. I therefore suggest, that male scarcity is not major determinant of reproductive skew in females, especially in small and middle-sized colonies in which female maturation might only be moderately skewed.
My studies were able to demonstrate the meaning of the large proportion of unmated females in a colony of the social spider S. dumicola. Virgin helpers support mothers during brood care and thus do not only enhance the brood care period but facilitate mothers to produce multiple clutches. Virgin females are able to care as they undergo similar morphological changes as mothers’ do. This seems to be facilitated by an internal maturation process, indicated by ovarian development and oviposition by virgin females, both of which has never been observed in virgins of the subsocial species. How reproductive role is determined remains unclear, but I was able to exclude male scarcity as a major factor influencing reproductive skew.
Der phylogenetische Ursprung der Hexapoda (Insekten sensu lato) ist kontrovers diskutiert. Einige morphologische Merkmale suggerieren ein Schwestergruppenverhältnis zu den Myriapoda (Tausenfüßer; Tracheatahypothese), während molekulare Sequenzdaten und andere morphologische Merkmale eine nähere Verwandtschaft zu den Crustacea (Krebstiere; Tetraconatahypothese) suggerieren. Ein Organsystem hat in dieser Diskussion eine besonderen Stellenwert, das Nervensystem. Die Neurophylogenie befasst sich mit der Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen basierend auf neuroanatomischen Daten. In der vorliegenden Dissertation wird der phylogenetische Ursprung der Hexapoda, unter besonderer Berücksichtigung basaler Taxa, nähre beleuchtet. Das Sensilleninventar zweier basaler Hexapoda [Eosentomon pinetorum (Protura: Eosentomidae) und Lepisma saccharina (Zygentoma: Lepismatidae)] wird basierend auf rasterelektronen-mikroskopischen Daten dargestellt. Neuroanatomische Daten wurden mit verschiedenen histologischen Techniken (Immunhistochemie, Seriendünnschnitte, Computertomografie, dreidimensionale Rekonstruktionen) gewonnen. In der vorliegenden Dissertation werden Befunde zur Neuroanatomie zweier basaler Hexapoda [E. pinetorum und Thermobia domestica (Zygentoma: Lepismatidae)] und eines Vertreters der Myriapoda [Scutigerella causeyae (Symphyla: Scutigerellidae)] beschrieben. Eigene Befunde werden mit Literaturangaben verglichen und Implikationen für die sensorische Ökologie primär flügelloser Hexapoda und die Neurophylogenie der Mandibulata werden diskutiert. Für die Hexapoda wird das Grundmuster sensorischer Strukturen und assoziierter Nervensystemkompartimente (Neuropile) rekonstruiert. Basierend auf den Befunden zum Grundmuster der Hexapoda werden Konsequenzen für die sensorische Ökologie in frühe Evolution der Hexapoda und eine nähere Verwandtschaft zu den Myriapoda oder Crustacea diskutiert. Abschließend wird eine computergestützte Analyse zur Merkmalsevolution verschiedener Neuropile in 83 rezenten Arthropoden dargestellt. Bis auf die Ultrastruktur der Ommatidien (einzelne Einheiten der Komplexaugen) legt die Morphologie sensorischer Strukturen eine nähere Verwandtschaft zu den Myriapoda vor. Bestimmte Sensillentypen (Sensillum basiconicum, S. trichobothrium) kommen nur bei den Hexapoda und Myriapoda, aber auch den Chelicerata (Chelicerenträger) vor. Neuroanatomische Befunde legen eine nahe Verwandtschaft zwischen Hexapoda und Crustacea nahe. Eine belastbare Hypothese zur Neurophylogenie in den Arthropoda ist aufgrund mangelnder Vergleichbarkeit von Literaturangaben und unsicherer Homologisierungen neuronaler Strukturen nicht möglich. Aus neurophylogenetischer Sicht ist ein Schwestergruppenverhältnis der Hexapoda zu den Crustacea oder einem subspezischem Crustaceataxon am besten begründet.
In einer Welt durchsetzt mit Gerüchen, haben marine Tiere hochentwickelte chemosensorische Systeme entwickelt um den vielfältigen Anforderungen des Lebens und Überlebens gerecht zu werden. Nahrungserwerb, Kommunikation, das Erkennen von Räubern oder potentieller Partner sind in diesem Kontext nur als Rahmen zu nennen. Durch eine Vielzahl an Sensillen, sowie durch spezifische, olfaktorisch geführte Verhaltensweisen, wie dem antennal flicking oder Stimulus-gerichteter Navigation, zeigen viele Vertreter der Malacostraca ein hohes Maß an Präzision und Genauigkeit in der Differenzierung und Lokalisierung von Düften. Die Mehrzahl der detaillierten morphologischen und ethologischen Studien konzentrierte sich bislang jedoch auf decapode Crustaceen. Das außer Acht lassen kleinerer Spezies abseits der klassischen Modellorganismen führte daher zu einer gewissen Einseitigkeit unseres Verständnisses der chemosensorischen Pfade und Nahrungssuchstrategien. Während einige der terrestrischen Asseln (Oniscidea) schon gelegentlich als Vorlage für Studien dienten um die chemosensorischen Pfade in puncto Morphologie, Physiologie und Verhalten zu untersuchen, beruht unser Verständnis der chemischen Ökologie mariner Isopoden lediglich auf vereinzelten Beobachtungen und Annahmen. In der vorliegenden Arbeit sollen verschiedene Aspekte der Morphologie und Phänomenologie der Chemorezeption der baltischen Riesenassel Saduria entomon (Valvifera) LINNAEUS 1758 berücksichtigt werden. Abschließend soll anhand der vorgelegten Ergebnisse ein Rahmen entworfen werden, in welchem die Terrestrialisierung der Oniscidea neu betrachtet werden muss. Gestützt durch 3D Rekonstruktionen, konventionelle Lichtmikroskopie sowie konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie, wurden die generelle Anatomie des Gehirns, sowie das neuronale Substrat der chemosensorischen Pfade untersucht. Während es innerhalb der terrestrischen Isopoden zu einer drastischen Größenreduktion ihrer ersten Antenne und allen mit dieser assoziierten Gehirnareale kam, besitzt S. entomon ein olfaktorisches System, das in Bezug auf die antennale und neuronale Morphologie noch sehr grundmusternah aufgebaut ist. Im Vergleich mit den Decapoda zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede in der strukturellen Diversität und dem Umfang von Nervengewebe das in der Verarbeitung chemischer Informationen beteiligt ist. Gleich ihren terrestrischen Verwandten zeigt S. entomon zudem einige Besonderheiten, die die sensorischen Pfade der zweiten Antenne betreffen. Die mikroglomeruläre Organisation des assoziierten Neuropils deutet auf eine zunehmende Bedeutung dieses Anhangs in der Wahrnehmung und Verarbeitung chemischer Informationen hin. Verhaltensuntersuchungen lassen jedoch Zweifel an dem olfaktorischen Potential dieser Spezies aufkommen. Mittels eines Y-Labyrinthes und einer Reihe an Düften, dem das Tier in seiner natürlichen Umgebung begegnen mag, konnte gezeigt werden, dass S. entomon einen offenkundigen Mangel an Präzision aufweist, Stimuli zu differenzieren, sowie die Quelle eines Stimulus zu lokalisieren. In lediglich vier von 15 Experimenten ließ sich eine statistisch signifikante Verhaltensantwort beobachten. In diesen konnte darüber hinaus nur ein Stimulus als attraktiv identifiziert wurde. Auf Basis von Freilandbeobachtungen, die das Tier mit einer gewissen Zufälligkeit umherwandernd darstellen, wurde ein Experiment entwickelt in welchem S. entomon in einem Mikrokosmos, und nur durch chemosensorische Sinne, einen Köder lokalisieren sollte. Obwohl es zwischen Kontrolle und Stimulusexperimenten deutliche Unterschiede in den aufgenommenen Bewegungsparametern gab, war kein von anderen Malacostraca oder Hexapoda bekanntes Suchmuster zu identifizieren. Eine statistische Auswertung der durch das Tier zurückgelegten Pfade ergab jedoch, dass die Tiere sich einer chemotaktischen Orientierung bedienten. Diese scheint zudem einer positiven rheotaktischen Bewegung überlagert. Um die Bedeutung der chemosensorischen Anhänge für eine erfolgreiche Nahrungssuche zu verdeutlichen, wurden chemische Ablationen der ersten und zweiten Antennen durchgeführt. Einige wenige Tiere waren zwar noch in der Lage den Köder zu lokalisieren, die Deaktivierung der Antennen führte aber zu einer beinahe vollständigen Unfähigkeit den Stimulus ausfindig zu machen. Eine Pfadanalyse konnte daher Chemotaxie als elementaren Orientierungsmechanismus ausschließen. Statt dieser wurde Chemokinesie mit einer ausgeprägten positiven rheotaktischen Komponente identifiziert. Darüber hinaus demonstriert dieses Experiment die Abhängigkeit S. entomon‘s von der komplexen Interaktion der Distanz- und Kontaktchemorezeptoren für einen effizienten Suchlauf. Bislang wurde davon ausgegangen, dass terrestrische Isopoden es nicht geschafft haben ihr olfaktorisches System derart anzupassen, dass es in Luft anstatt von Wasser operiert. Um der Notwendigkeit eines chemosensorischen Systems gerecht zu werden, entwickelte sich daher de novo ein System, in welchem die zweite Antenne sowie ihr neuronales Substrat entsprechend transformiert wurden. Das Vorhandensein eines gleichartig organisierten Systems in einem relativ nah verwandten marinen Vertreter deutet jedoch darauf hin, dass die Tendenz zu dieser Funktionstransformation der zweiten Antenne bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren vorhanden war und somit der Kolonisation des Landes durch die Asseln vorausging. Die zweite Antenne als der maßgebliche chemosensorische Anhang der Oniscidea kann daher als Präadaptation verstanden werden, welche im Laufe ihrer Terrestrialisierung eine antennulare Olfaktion zweitrangig, wenn nicht sogar obsolet machte.
Evolutionäre Morphologie ist nie nur beschreibend, sondern versucht morphologische Vielfalt immer auch zu erklären. Spermien im Allgemeinen und Spinnenspermien im Besonderen sind für ihre enorme morphologische Vielfalt bekannt. Spinnenspermien werden eingerollt und von einer Sekrethülle umschlossen übertragen. Außerdem werden Spinnenspermien sowohl als individuelle Spermien, aber auch als Spermienkonjugate übertragen. Synspermien, wo mehrere Spermien vollständig Sicherung am Ende der Spermiogenese sind charakteristisch für eine bestimmte Spinn Taxon, der sogenannten Synspermiata. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die evolutionäre Morphologie der Spermien der Dysderoidea, einem gut definierten Taxon innerhalb der Synspermiata. Das Taxon Dysderoidea besteht aus vier Familien, den Segestriidae, Dysderidae, Orsolobidae und Oonopidae. Die kleine Familie der Caponiidae ist die vermutete Schwestergruppe der Dysdeoidea. Interessanterweise werden Spermienkonjugate bestimmter Arten der Orsolobidae und Oonopidae, sowie eines Vertreters der Caponiidae, nicht von einer Sekrethülle umgeben. Die Funktion der Sekrethülle ist bislang noch nicht klar. Jedoch muss die Sekrethülle vor der Aktivierung der Spermien innerhalb des weiblichen Genitalsystems zunächst wieder entfernt werden. Dieser Prozess wird vermutlich vom Weibchen gesteuert und kann dem Weibchen unter anderem die gezielte Wahl der zu aktivierenden Spermien ermöglichen. Die nicht von einer Sekrethülle umschlossenen Spermienkonjugate könnten daher eine hoch spezialisierte männliche Paarungsstrategie darstellen, um den Einfluss des Weibchens und damit der gezielten postkopulatorischen Weibchenwahl zu umgehen. Innerhalb der Dysderoidea ist die morphologische Diversität der Spermien der Oonopidae besonders hoch. Hier werden in bestimmten Arten z.B. aflagellate Spermien, oder nicht eingerollte Spermien übertragen. Die Anzahl der fusionieren Spermien, sowie die Größe und Form der Spermienkonjugate ist innerhalb der Dysderoidea sehr variabel. Basierend auf der traditionell angewandten, zweidimensionalen (2D) Mikroskopie allein wird eine detaillierte Analyse der oftmals enorm komplexen Spermienkonjugate jedoch oft erschwert. Für das Verständnis von (ultra)struktureller Komplexität sind dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen oftmals besonders hilfreich. Doch dies unweigerlich erfordert Serienbilder, die durch verschiedene Methoden erreicht werden können. Traditionell werden diese seriellen Bilder durch serielle Ultradünnschnittmikrotomie, gefolgt von der Analyse mittels Transmissionselektronenmikroskopie (ssTEM), erstellt. Allerdings ist ssTEM höchst anspruchsvoll, zeitaufwendig und sehr anfällig für Artefakte, wie zB der Verlust von Einzelschnittbildern, oder Bildverzerrungen. Neuere Methoden, wie Serial-Block-Face Rasterelektronenmikroskopie (SBFSEM) überwinden diese Einschränkungen, aber die Bildqualität, und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis sind stark abhängig von den vorausgehenden Fixier- und Kontrastiereigenschaften. Spinnenspermien sind hoch komplex und daher besonders nützlich, um die Anwendbarkeit der SBFSEM mit der traditionellen ssTEM zu vergleichen. Obwohl SBFSEM in hochwertigen Bilddaten des somatischen Gewebes resultierte, konnten aufgrund der hohen Elektronendichten bestimmter Spermienzellkomponenten keine detaillierten Analysen der Spinnenspermien erfolgen. Somit bleibt ssTEM bislang die einzig Methode für die Generierung der seriellen Schnittbilder für die Rekonstruktion der Spinnenspermien. Serienschnitte und 3D Rekonstruktionen im Allgemeinen sind nicht nur sinnvoll um ultrastrukturelle Details zu visualisieren, sondern auch für das allgemeine Verständnis von komplexen Strukturen besonders hilfreich. Nichtsdestotrotz gehen Informationen über die natürliche Kohärenz durch den Schneidprozess in der Regel verloren. Non-destruktive Methoden, wie die Röntgenstrahlen Mikrocomputertomografie (Mikro-CT) überwinden diese Beschränkungen und haben sich als ein wertvolles Werkzeug für das Verständnis und die Visualisierung inneren Anatomie einer Vielzahl von Taxa, einschließlich Arthropoden, erwiesen. Dennoch ist nur wenig über die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zur Analyse von Weichgewebe bekannt. Um das Potential und auch die Grenzen dieses Verfahrens zu analysieren wurden daher wurden die männlichen Kopulationsorgane von Spinnen, die Pedipalpen, sowie die Anatomie des Gehirns von drei Vertretern der Hexapoda analysiert, und mit den Ergebnissen vorangegangener histologischer und immunhistochemischer Untersuchungen vergleichen. Basierend auf diesen Daten wurde ein Protokoll für die Mikro-CT Analyse von Weichgewebe entwickelt und evaluiert
Ziel meiner Arbeit war es, die evolutionären Beziehungen innerhalb und zwischen den verschiedenen Arten der Möwen (Laridae) genauer zu untersuchen. Der Großteil der Untersuchungen in dieser Arbeit basiert auf DNA-Sequenzen - mitochondriale Regionen sowie nukleare Intronequenzen. Bei einem molekulare n Ansatz wie in meiner Arbeit ist es von enormer Wichtigkeit, einen umfassenden und nicht zu kleinen Datensatz zu behandeln. Dabei wurde auch darauf geachtet, dass die ausgewählten Sequenzen homolog sind und das Alignment robust ist. Meine Arbeit gliedert sich in sechs Schwerpunkte, auf die ich nun näher eingehen möchte. 1. Phylogenie der Möwen Die vorliegende Arbeit erreichte das gesetzte Ziel einer verbesserten Phylogenierekonstruktion in den Laridae und zeigt deutlich die Mängel der bisherigen molekularer Studien (mit zu wenigen Taxa oder zu kleinen und uninformativen Datensätzen). Sicher bestätigt werden kann in dieser Studie die Unterteilung in eine basale Möwengruppe, bestehend aus sieben Gattungen, sowie der Gattung Larus mit sechs voneinander genetisch differenzierten Gruppen. Eine gute Stützung erfahren alle Gruppen der Larus-Gattung. Schwerer ist aber erwartungsgemäß die genauere Erstellung der Verwandtschaftsbeziehungen der jüngsten Taxa. Zu ihrer Abgrenzung werden weitere Marker benötigt. Entdeckt wurde in der Studie ein Signal (Deletion in den LDH - Sequenzen), das entscheidend zur Bestimmung der Gruppenmitglieder der basalen, nicht-Larus Möwengattungen beiträgt. 2. AFLP-Untersuchung in der Gruppe der Großmöwen Bei der von Vos et al. (1995) entwickelten Methode der AFLP (engl. für amplified fragment length polymorphism)-Analyse ist kein Vorwissen der untersuchten Gen(om)sequenz notwendig. Es gelang mit der AFLP-Untersuchung dieser Arbeit die sieben untersuchten Großmöwentaxa voneinander autosomal zu differenzieren und drei mitochondrial biphyletisch auftretenden Taxa (argentatus, hyperboreus und marinus) zu näher zu charakterisieren. Die Eismöwe (hyperboreus) erhielt ihre Clade 1 - Haplotypen von argentatus-Individuen aus Nordeuropa und die Mantelmöwe (marinus) ihre Clade 2 - Haplotypen von nordamerikanischen Arten, vermutlich smithsonianus. Die europäischen Silbermöwen (argentatus) zeigen beide mitochondrialen Clades in allen untersuchten Kolonien mit einem geographischen Gradienten in deren Verteilung. Hier scheinen Vorläufer der Heringsmöwen ihre Clade 2 Mitochondriengenome in die argentatus-Populationen eingebracht zu haben, die anschließend in einer sekundären Ausbreitungswelle über das vollständige Verbreitungsgebiet verteilt wurden. Autosomal erscheinen sogar vier Genlinien, die auf noch mehr Ausbreitungswellen verweisen. 3. Populationsstudien in Dominikanermöwen (L. dominicanus) Nach einer Publikation von Jiguet (2002) werden bei Dominikanermöwen vier Unterarten unterschieden. Die in dieser Arbeit ermittelten Sequenzen der Gene Cyt b, ND 2 und HVR I zeigen eine klare Differenzierung der untersuchten Kolonien. Die Ursprünge der Dominikanermöwen liegen demnach in Südafrika. Von dort erfolgte die Besiedlung von Argentinien, der Kerguelen-Inseln und der Antarktis in mehreren Ausbreitungswellen. In Chile wurde der südamerikanische Kontinent in einem sehr rezenteren Migrationsereignis zum zweiten Mal kolonisiert. Die dort gefundenen Haplotypen sind den südafrikanischen noch sehr ähnlich. Am jüngsten sind die Populationen Neuseelands und der Chatham-Inseln. 4. Populationsstudie in der Sturmmöwe (L. canus) Ganz anders zeigte sich die genetische Differenzierung für dieselben Gene bei der Sturmmöwe (L. canus) und ihren phänotypisch deutlich unterscheidbaren vier Unterarten. Im mitochondrialen Netzwerk bilden die paläarktischen Taxa canus, heinei und kamtschatschensis eine panmiktische Population. Anders das vierte Taxon brachyrhynchus. Dieses nordamerikanische Taxon unterscheidet sich mitochondrial signifikant von den paläarktischen Individuen. 5. und 6. SNP-Analyse in Großmöwen und Ausblick auf geplante weiterführende Untersuchungen Das Detektieren variabler Nukleotidpositionen (Punktmutationen), die SNPs genannt werden, ist von grundlegender Bedeutung für die weitere Untersuchung der molekularen Evolution. In Rahmen dieser Arbeit wurden 32000 Fragmente mittels der CROPS-Analyse untersucht, dabei wurden in 7400 variablen Fragmenten 11000 SNPs gefunden, 24000 Fragmenten ließen keinerlei genetische Variationen erkennen. Somit zeigt sich in eine Rate von einer variablen Position (SNP) in ~500 Nukleotiden, was mit denen in Säugetieren und Menschen vergleichbar ist. Zukünftig mit diesem umfangreichen Basiswissen eine groß angelegte SNP-Typisierung geplant mit dem Ziel autosomale und sexchromosomale SNPs vergleichend zu analysieren. Des Weiteren können die SNP-Daten auch mit mitochondrialen Daten verglichen werden.