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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95339
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9533/


Amphibians in a changing world : an ecophysiological perspective on amphibian metamorphosis

Ruthsatz, Katharina

Originalveröffentlichung: (2018) Journal of Thermal Biology (2018), 74:123-132., Conservation Physiology (2018) , Journal of Applied Toxicology (2018), 38:1416-1425.
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SWD-Schlagwörter: Kaulquappe , Metamorphose , Klimaänderung , Umweltverschmutzung , Umwelttoxikologie , Autökologie , Grasfrosch , Krallenfrosch , Larvalentwicklung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Endokrine Disruption , Umweltstress , Schilddrüsenhormone , Entwicklungsplastizität
Freie Schlagwörter (Englisch): Developmental plasticity , global change , environmental stressor
Basisklassifikation: 43.13 , 43.50 , 38.85 , 42.67 , 42.82
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Tiere (Zoologie)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dausmann, Kathrin H. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.12.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 24.01.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Veränderungen von abiotischen und biotischen Faktoren, die vor allem auf anthropogen induzierte Einflüsse auf die Umwelt zurückzuführen sind, konfrontieren Wildtiere mit einer Vielzahl an zusätzlichen chemischen, physikalischen und biologischen Stressoren. Einige dieser Umweltstressoren können sich auf die endokrine Funktion auswirken und werden somit als endokrine Disruptoren bezeichnet. Ein Großteil dieser endokrinen Disruptoren beeinflusst die Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen-Achse, was zu einer Veränderung des Schilddrüsenhormonspiegels führt. Dieser Einfluss ist vor allem in Amphibienlarven von spezieller Bedeutung, da die Metamorphose der Amphibien das klassische und einzigartige Beispiel für eine schilddrüsenhormonregulierte Entwicklung ist. Es konnte gezeigt werden, dass Amphibienlarven auf stressvolle Umweltbedingungen in ihrem larvalen Habitat durch die Ausbildung phänotypischer Plastizität in Bezug auf Entwicklungsrate und Physiologie reagieren. Die Ausbildung von phänotypischer Plastizität trägt zur Erhöhung der Fitness in späteren Lebensphasen bei.
Nichtsdestotrotz wird die fortschreitende Veränderung der Umwelt durch natürliche, aber vor allem anthropogene Einflüsse dazu führen, dass sich das Auftreten von multiplen, simultanen Umweltstressoren in Habitaten von Amphibienlarven erhöht. Studien, die diese interaktiven Effekte von Umweltstressoren untersuchen, sind dennoch kaum vorhanden. In Anbetracht des weltweiten Rückgangs der Amphibien ist es von großem Interesse zu untersuchen, ob und wie Froschlurchlarven ihre Entwicklung und Physiologie an neue thermische Herausforderungen und veränderte Schilddrüsenhormonspiegel anpassen, welche durch natürliche oder anthropogene Stressoren in ihrem Larvenhabitat verursacht werden.
In meiner Dissertation habe ich die Larven zweier Froschlurcharten, dem Grasfrosch (Rana temporaria) und dem Afrikanischen Krallenfrosch (Xenopus laevis), in Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Ausbildung von phänotypischer Plastizität in Bezug auf Entwicklung und Physiologie zu Beginn der Metamorphose untersucht. Die beiden ausgewählten Arten unterscheiden sich in ihrer allgemeinen Ökologie und ihrer Temperaturanpassung. Im Speziellen habe ich untersucht, ob die Temperatur während der Entwicklung, veränderte Schilddrüsenhormonspiegel und der interaktive Effekt aus beiden einen Einfluss auf Alter, Körpermasse und -größe, physiologische Konstitution, Temperaturtoleranzbereich und Grundumsatz haben. Außerdem habe ich evaluiert, inwieweit der endokrin-disruptive Effekt von Umweltstressoren diese Fähigkeit verändert und die energetischen Kosten und Energiezuweisung während der Metamorphoseklimax beeinflusst. Darüber hinaus habe ich untersucht, ob endokrine Disruption während der Larvalentwicklung zu möglichen Carry-Over-Effekten auf Energetik und Performance in späten Lebensphasen führt. Diese Studie bietet in ihrer Gesamtheit eine umfassende Untersuchung verschiedener fitnessbezogener Merkmale und der Möglichkeiten und Grenzen der Anpassungsfähigkeit an Umweltstress während des Larvenstadiums in zwei ökologisch unterschiedlichen Arten.
Insgesamt betonen die Ergebnisse meiner Dissertation, dass Froschlurchlarven unabhängig von ihrer Ökologie und ihrer Temperaturanpassung von Umweltstressoren jeglicher Herkunft bedroht sind, da diese die Fähigkeit zur Ausbildung phänotypischer Plastizität in Bezug auf Entwicklungsrate und Physiologie vermindern. Dies kann wiederum zu negativen Konsequenzen für den erfolgreichen Abschluss der Metamorphose, die larvalen Energiebudgets und juvenile Bewegungsleistung führen. Diese Arbeit bestätigt zudem, dass tropisch-adaptierte Arten stärker von den negativen Auswirkungen des globalen (Klima-)wandels betroffen sein werden als temperat-adaptierte Arten. Die vorliegende Studie zeigt dies am Beispiel des an das tropische Klima adaptierten X. laevis und den an das temperate Klima adaptierten R. temporaria.
Die Ergebnisse meiner Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen und vielfältigen Auswirkungen der globalen Umweltveränderungen auf die Metamorphose von Amphibienlarven bei und zeigen mögliche Auswirkungen auf spätere Lebensstadien und damit verbundene langfristige Auswirkungen auf Amphibienpopulationen auf. Dieses Wissen kann dazu beitragen, die Anfälligkeit der beiden untersuchten Arten und Froschlurchlarven im Allgemeinen in Bezug auf die Auswirkungen von Umweltveränderungen und Temperaturschwankungen vorherzusagen. Daher liefern die Ergebnisse meiner Studie wichtige Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen dem globalen Rückgang der Amphibien und den multiplen, simultan auftretenden Auswirkungen verschiedener Umweltstressoren.
Kurzfassung auf Englisch: Alterations in abiotic and biotic environmental factors caused by drivers of global change expose wildlife to an array of additional chemical, physical, and biological stressors. Some environmental stressors have the ability to alter endocrine function and are thus, characterized as endocrine disruptors. Many endocrine disruptors impair the hypothalamus-pituitary-thyroid axis resulting in altered thyroid hormone (TH) levels, which is of special concern in larval amphibians since amphibian metamorphosis is the classical and unique example of thyroid hormone-regulated development. Larval amphibians have been shown to respond to stressful conditions in their larval habitat by exhibiting developmental and physiological plasticity which provides a means for increasing fitness in later life stages. Nevertheless, ongoing global change will result in multiple simultaneously occurring environmental stressors in larval habitats, but studies investigating interactive effects of those environmental stressors are still rare. Considering the current worldwide decline of amphibians it is of major interest to investigate whether and how anuran larvae adjust their metamorphic and physiological traits to new thermal challenges and to altered TH levels, which are caused by natural or anthropogenic stressors in their larval habitat.
In my dissertation, I investigated the capacity for developmental and physiological plasticity at the onset of metamorphosis in larvae of two anuran species, the common frog (Rana temporaria) and the African clawed frog (Xenopus laevis), which differ in their ecology and thermal adaptation. In particular, I analyzed whether developmental temperature, altered TH levels, and the interactive effect of both affect survival to and age, size, body condition, thermal tolerance, and standard metabolic rate at the onset of metamorphosis. I further evaluated whether the endocrine-disrupting effect of environmental stressors modifies this capacity and influences energetic costs and energy allocation during the metamorphic climax. Beyond that, I examined possible carry-over effects on energetics and performance in later life stages caused by endocrine disruption experienced during the larval stage. This study provides a comprehensive investigation of several fitness related traits and the potential and limitations of adaptability to environmental stress during the larval stage in two ecologically different species.
Overall, my dissertation emphasizes that anuran larvae independent of their ecology and thermal adaptation are threatened by environmental stressors but to different extent. These stressors impair the capacity for developmental and physiological plasticity with potential ramifications for a successful metamorphosis, energy budgets, and juvenile performance. However, tropical species are predicted to be worstly affected by the negative impacts of global change in contrast to temperate species as demonstrated in the present study for tropical X. laevis and temperate R. temporaria.
The results of my study contribute to a better understanding of the complex and various effects of global change on amphibian metamorphosis and possible impacts in later life stages and thus, long-lasting effects on amphibian populations. This knowledge helps to predict the vulnerability of both study species and anuran larvae in general to the impacts of environmental change and temperature variation, as predicted in global and climate change scenarios. Hence, my study provides a better knowledge on relationships between amphibian declines and the interactions of impacts due to global change and other environmental stressors.

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