Evolutionary ecology of the colour-dimorphic rewardless orchid "Dactylorhiza sambucina"

Abstract Phenotypic polymorphism is an ideal system to study natural selection in wild populations, because it allows tracking population genetic changes by means of phenotypic changes. A wide variety of polymorphic traits have been studied in numerous animals and plants, as for example colour patterns in moths, snails and birds, human laterality, male reproductive strategies, plant morphology or mating systems. This thesis focused on Dactylorhiza sarnbucina, a rewardless European orchid species, showing a striking flower colour polymorphism, with either yellow or red flowered individuals co-occurring in natural populations. Several studies have investigated its evolutionary ecology since Nilsson's seminal paper in 1980, with a particular emphasis in the evolution and maintenance of its colour polymorphism. One of the main selective forces proposed to maintain this colour polymorphism was pollinator driven negative frequency-dependent selection (NFDS), when each morph is advantaged when rare, and comparatively disadvantaged when common. However, other investigators have recently questioned the occurrence of NFDS, and proposed alternatively that fluctuating selection may maintain this colour polymorphism. In this thesis, we aimed at reviewing and synthesizing these different studies, and also brought our contribution on D. sambucina reproductive ecology. Because numerous hypotheses have still to be tested, we concluded by saying that we are a long way from understanding the evolution and dynamics of colour polymorphism in natural D. sambucina populations. Beside the debated question of colour polymorphism maintenance, one question remained to be tested: what are the consequences of polymorphism per se. We experimentally addressed this question using artificial populations of D. sambucina, and found no relationship between population phenotypic diversity and orchid pollination success. This finding suggest that polymorphism itself was not an advantage for deceptive species such D sambucina, contrarily to the expectations. Finally, we suggest potential research perspectives that could allow a better understanding of the evolutionary ecology of this species. Résumé Le polymorphisme phénotypique est un système biologique idéal pour étudier l'action de la sélection en populations naturelles, grâce à la possibilité de suivre les changements génétiques de la population en étudiant les phénotypes des individus. De très nombreuses études ont montré du polymorphisme phénotypique chez les animaux, par exemple la latéralité chez l'Homme, la coloration des escargots ou des oiseaux. Dans le règne végétal, le polymorphisme est souvent associé à des traits du système de reproduction. Cette thèse est centrée sur une espèce d'orchidée Européenne qui ne produit pas de nectar, Dactylorhiza sambucina. Cette espèce présente des individus à fleurs jaunes et des individus à fleurs rouge, généralement présents en mélange dans les populations naturelles. Plusieurs études ont investigué l'écologie évolutive de cette espèce depuis 25 ans, avec comme thème central l'évolution et le maintien de ce polymorphisme. La principale force sélective proposée pour maintenir ce polymorphisme de couleur est la sélection fréquence-dépendante, exercée par le comportement des pollinisateurs. Chacun des deux variants de couleur est favorisé quand il est rare, et défavorisé quand il devient commun. Bien que ce mécanisme semble agir, certains auteurs doutent de son importance, et ont proposé que les variations temporelles ou spatiales des forces de sélection puisse maintenir le polymorphisme de couleur chez D. sambucina. Dans cette thèse, nous avons voulu résumer et synthétiser les résultats de ces différentes études, et aussi présenter des données nouvelles concernant la reproduction de cette espèce. À la vue de ces résultats, il apparait que de nombreux points nécessitent des expériences complémentaires, et que la compréhension de ce système biologique est encore fragmentaire. Nous nous sommes également intéressés à une question laissée en suspens dans la littérature: le polymorphisme de couleur en soit confère-t-il un avantage à l'espèce, comme proposé par certains auteurs? En construisant des populations artificielles de D. sambucina, nous avons pu montrer que le polymorphisme de couleur n'augmente pas le succès reproducteur de l'espèce. Nous terminons ce travail de recherche en proposant plusieurs axes de recherche pouvant conduire à une meilleure compréhension de l'écologie et de l'évolution de cette espèce.

Evolutionary aspects of population structure for molecular and quantitative traits in the freshwater snail Radix balthica.

Detecting the action of selection in natural populations can be achieved using the QST-FST comparison that relies on the estimation of FST with neutral markers, and QST using quantitative traits potentially under selection. QST higher than FST suggests the action of directional selection and thus potential local adaptation. In this article, we apply the QST-FST comparison to four populations of the hermaphroditic freshwater snail Radix balthica located in a floodplain habitat. In contrast to most studies published so far, we did not detect evidence of directional selection for local optima for any of the traits we measured: QST calculated using three different methods was never higher than FST. A strong inbreeding depression was also detected, indicating that outcrossing is probably predominant over selfing in the studied populations. Our results suggest that in this floodplain habitat, local adaptation of R. balthica populations may be hindered by genetic drift, and possibly altered by uneven gene flow linked to flood frequency.

Els cargols cibernètics es preparen per fer d'espies

Aprofitant el líquid que circula pel seu cos, com si fos sang, generen prou energia per fer funcionar les antenes amb què transmetrien informació

FOOD PREFERENCE AND CONSUMPTION OF AQUATIC MACROPHYTES SUBMERGED BY SNAIL Pomacea canaliculata

ABSTRACTThe objective of this study was to evaluate the consumption potential, food preference and use of snail Pomacea canaliculata as a biocontrol agent of four submerged aquatic macrophytes (Ceratophyllumdemersum, Egeriadensa, Egerianajas and Hydrilla verticillata). Two experiments were performed. In the first experiment, the introduction of a snail took place and 10 grams of each macrophyte in plastic containers with 1 liter of water. The assessments of consumption by the snail were performed at each 48 hours, during 12 days. The second experiment was performed in 600 liters microcosms containing five snails in each experimental unit. Fifty grams of each macrophyte were offered the snails at the same time, adding the same amounts after seven, 14, 21 and 30 days. On both trials, the most consumed macrophyte by the P.canaliculata was H.verticillata (7.64 ± 1.0 g 48 h and 50 ± 0.18 g) respectively, significantly differing from the others. However, in the absence of H.verticilata, E.najas and E.densa were consumed. The preference of P.canaliculata for H.verticillata is very interesting, because this plant is exotic and problematic in Brazil, and the snail is one more tool for biological management of submerged aquatic macrophyte H.verticillata.

Molluscicidal activity of Nerium indicum bark

The molluscicidal activity of Nerium indicum bark against Lymnaea acuminata snails was studied. The toxicity of different bark preparations was both time and dose dependent. The 24-h LC50 of the lyophilized aqueous extract of bark was 34.5 mg/l whereas that of lyophilized boiled water extract was 42.5 mg/l. Low concentrations of vacuum-dried ethanolic extract (24-h LC50: 4.9 mg/l) and purified bark (24-h LC50: 0.87 mg/l) were effective in killing the test snails.

Molluscicidal activity of Punica granatum bark and Canna indica root

The molluscicidal activity of Punica granatum Linn. (Punicaceae) and Canna indica Linn. (Cannaceae) against the snail Lymnaea acuminata was studied. The molluscicidal activity of P. granatum bark and C. indica root was found to be both time and dose dependent. The toxicity of P. granatum bark was more pronounced than that of C. indica. The 24 h LC50 of the column-purified root of C. indica was 6.54 mg/l whereas that of the column-purified bark of P. granatum was 4.39 mg/l. The ethanol extract of P. granatum (24 h LC50: 22.42 mg/l) was more effective than the ethanol extract of C. indica (24 h LC50: 55.65 mg/l) in killing the test animals. P. granatum and C. indica may be used as potent molluscicides since the concentrations used to kill the snails were not toxic for the fish Colisa fasciatus, which shares the same habitat with the snail L. acuminata.

Heart rate and body weight alterations in juvenile specimens of the tropical land snail Megalobulimus sanctipauli during dormancy

The time course of heart rate and body weight alterations during the natural period of dormancy were determined in active feeding and dormant juvenile specimens of Megalobulimus sanctipauli. In both groups, heart rate markedly decreased during the first 40 days of dormancy, tending to stabilize thereafter. This time period coincided with the decrease in environmental temperature during autumn-winter. At the end of the dormancy period, surviving active feeding and dormant snails showed a significant decrease in heart rate which, however, was significantly greater in the latter group. Total body weight decreased concomitantly with heart rate in dormant snails but remained constant in active feeding snails. Body hydration induced significant increases in weight and heart rate in surviving dormant snails. Feeding following hydration promoted a new significant increase in heart rate but not in weight. These results indicate that the decrease in heart rate observed in juvenile specimens of M. sanctipauli during dormancy may be due to at least three factors: 1) decrease in environmental temperature during autumn-winter, 2) starvation which leads to the depletion of endogenous fuel reserves and to a probable decrease in hemolymph nutrient levels, and 3) dehydration which leads to a probable decrease in hemolymph volume and venous return and/or to an increase in hemolymph osmolarity.

Attraction to amino acids by Lymnaea acuminata, the snail host of Fasciola species

Adult Lymnaea acuminata (average length 20-22 mm) were collected locally from lakes and low-lying submerged fields from Gorakhpur. The chemoattraction studies were made in round glass aquaria measuring 30 cm in diameter and filled to a depth of 10 mm with 500 ml dechlorinated tap water. Each aquarium was divided into four concentric zones. At the starting time of the assay 10 snails were placed on the circumference of outermost zone 0. Snail attractant pellets (SAP) were added simultaneously in the center of central zone 3. SAP of different amino acids were prepared at concentrations of 10, 20, 50, 80 and 100 mM/2% agar solution and, subsequently, spread to a uniform thickness of 5 mm. After cooling, SAP were cut in small pieces of 5 mm in diameter. Lymnaea acuminata's attraction to amino acids was studied using different amino acid concentrations in SAP. Pellets containing amino acids with non-polar R groups (proline and tryptophan), a charged polar group (arginine) and uncharged polar R groups (serine, citrulline and asparagine) were tested. The snails were more attracted to the uncharged polar R group amino acid serine than to other groups of amino acids. The preferred amino acid concentration was 80 mM. The attraction of snails to different amino acids was concentration dependent. Snails could discriminate amongst the different amino acids at > or = 50 mM.

Monoamines in the pedal plexus of the land snail Megalobulimus oblongus (Gastropoda, Pulmonata)

In molluscs, the number of peripheral neurons far exceeds those found in the central nervous system. Although previous studies on the morphology of the peripheral nervous system exist, details of its organization remain unknown. Moreover, the foot of the terrestrial species has been studied less than that of the aquatic species. As this knowledge is essential for our experimental model, the pulmonate gastropod Megalobulimus oblongus, the aim of the present study was to investigate monoamines in the pedal plexus of this snail using two procedures: glyoxylic acid histofluorescence to identify monoaminergic structures, and the unlabeled antibody peroxidase anti-peroxidase method using antiserum to detect the serotonergic component of the plexus. Adult land snails weighing 48-80 g, obtained from the counties of Barra do Ribeiro and Charqueadas (RS, Brazil), were utilized. Monoaminergic fibers were detected throughout the pedal musculature. Blue fluorescence (catecholamines, probably dopamine) was observed in nerve branches, pedal and subepithelial plexuses, and in the pedal muscle cells. Yellow fluorescence (serotonin) was only observed in thick nerves and in muscle cells. However, when immunohistochemical methods were used, serotonergic fibers were detected in the pedal nerve branches, the pedal and subepithelial plexuses, the basal and lateral zones of the ventral integument epithelial cells, in the pedal ganglion neurons and beneath the ventral epithelium. These findings suggest catecholaminergic and serotonergic involvement in locomotion and modulation of both the pedal ganglion interneurons and sensory information. Knowledge of monoaminergic distribution in this snail´s foot is important for understanding the pharmacological control of reflexive responses and locomotive behavior.

The terrestrial Gastropoda Megalobulimus abbreviatus as a useful model for nociceptive experiments: effects of morphine and naloxone on thermal avoidance behavior

We describe the behavior of the snail Megalobulimus abbreviatus upon receiving thermal stimuli and the effects of pretreatment with morphine and naloxone on behavior after a thermal stimulus, in order to establish a useful model for nociceptive experiments. Snails submitted to non-functional (22ºC) and non-thermal hot-plate stress (30ºC) only displayed exploratory behavior. However, the animals submitted to a thermal stimulus (50ºC) displayed biphasic avoidance behavior. Latency was measured from the time the animal was placed on the hot plate to the time when the animal lifted the head-foot complex 1 cm from the substrate, indicating aversive thermal behavior. Other animals were pretreated with morphine (5, 10, 20 mg/kg) or naloxone (2.5, 5.0, 7.5 mg/kg) 15 min prior to receiving a thermal stimulus (50ºC; N = 9 in each group). The results (means ± SD) showed an extremely significant difference in response latency between the group treated with 20 mg/kg morphine (63.18 ± 14.47 s) and the other experimental groups (P < 0.001). With 2.5 mg/kg (16.26 ± 3.19 s), 5.0 mg/kg (11.53 ± 1.64 s) and 7.5 mg/kg naloxone (7.38 ± 1.6 s), there was a significant, not dose-dependent decrease in latency compared to the control (33.44 ± 8.53 s) and saline groups (29.1 ± 9.91 s). No statistically significant difference was found between the naloxone-treated groups. With naloxone plus morphine, there was a significant decrease in latency when compared to all other groups (minimum 64% in the saline group and maximum 83.2% decrease in the morphine group). These results provide evidence of the involvement of endogenous opioid peptides in the control of thermal withdrawal behavior in this snail, and reveal a stereotyped and reproducible avoidance behavior for this snail species, which could be studied in other pharmacological and neurophysiological studies.

Antiprotozoal and molluscicidal activities of five Brazilian plants

Leishmaniasis, Chagas' disease and schistosomiasis (bilharzia) are parasitic diseases with wide distribution on the American continent, affecting millions of people. In the present study, biological assays for antiprotozoal and molluscicidal activities were carried out with ethanolic extracts of plant species from the Brazilian part of the Upper Paraná River. Crude extracts were obtained by percolation with absolute ethanol from the leaves of Cayaponia podantha Cogn., Nectandra falcifolia (Nees) Castiglioni and Paullinia elegans Cambess., as well as from the aerial parts of Helicteres gardneriana St. Hil. & Naud. and Melochia arenosa Benth., all belonging to genera used in folk medicine. Trypanocidal activity of plants was assayed on epimastigote cultures in liver infusion tryptose. Anti-leishmanial activity was determined over cultures of promastigote forms of the parasite in Schneider's Drosophila medium. Microscopic countings of parasites, after their incubation in the presence of different concentrations of the crude extracts, were made in order to determine the percentage of growth inhibition. C. podantha and M. arenosa, at a concentration of 10 µg/mL, showed 90.4 ± 11.52 and 88.9 ± 2.20% growth inhibition, respectively, of epimastigote forms of Trypanosoma cruzi, whereas N. falcifolia demonstrated an LD50 of 138.5 µg/mL against promastigote forms of Leishmania (Viannia) braziliensis. Regarding molluscicidal activity, the acute toxicity of the extracts on Biomphalaria glabrata was evaluated by a rapid screening procedure. M. arenosa was 100% lethal to snails at 200 µg/mL and showed an LD50 of 143 µg/mL. Screening of plant extracts represents a continuous effort to find new antiparasitic drugs.

Role of the cardiac nerve in the effect of a novel innocuous stimulus on the heart rate of Megalobulimus mogianensis

The effects of a brief jet of water delivered to the anterior portion of body-head on the heart rate of Megalobulimus mogianensis were determined in a group of intact snails (N = 8), previously prepared for electrocardiogram recording. The heart rate was significantly increased following stimulation. Nevertheless, with repetition of the stimulus there was a significant decrease in the magnitude of the heart rate variation and in the time for the basal heart rate to recover (first stimulus, 7.4 ± 1.2 bpm and 15.5 ± 1.8 min; second stimulus, 4.8 ± 1.0 bpm and 10.6 ± 1.5 min; third stimulus, 5.0 ± 0.3 bpm and 11.1 ± 1.8 min), indicating that this behavioral response undergoes early habituation. To determine the role of the cardiac nerve in mediating the heart rate alterations induced by the jet of water two other groups were tested: denervated animals (N = 8) and sham-operated control animals (N = 8). Although the innocuous stimulus caused the heart rate to increase significantly in both experimental groups, the mean increase in heart rate in denervated animals (3.2 ± 0.4 bpm) was 41% of the value obtained in sham-operated animals (7.8 ± 1.5 bpm), indicating that the cardiac nerve is responsible for 59% of the cardioacceleration induced by the innocuous stimulus. The increase in heart rate observed in denervated animals may be due to an increase in venous return promoted by the intense muscular activity associated with the retraction-protraction of the anterior part of the body induced by the jet of water.

Role of the cardiac nerve in the adaptive changes of heart rate in response to an aversive stimulus in Megalobulimus mogianensis

The effect of an aversive stimulus represented by contact with a hot plate on the heart rate of Megalobulimus mogianensis was evaluated with electrocardiogram recording in intact snails (N = 8). All stimulated animals showed an increase in heart rate, with mean values ranging from 35.6 ± 1.2 (basal heart rate) to 43.8 ± 0.9 bpm (post-stimulation heart rate). The cardioacceleration was followed by gradual recovery of the basal heart rate, with mean recovery times varying from 4.3 ± 0.3 to 5.8 ± 0.6 min. Repetition of the stimulus did not affect the magnitude of variation nor did it influence the basal heart rate recovery time. To investigate the role of the cardiac nerve in mediating the heart rate alterations induced by the aversive stimulus, denervated (N = 8) and sham-operated (N = 8) animals were also tested. Although the aversive stimulus caused the heart rate to increase significantly in both experimental groups, the mean increase in heart rate in denervated animals (4.4 ± 0.4 bpm) was 57% of the value obtained in sham-operated animals (7.7 ± 1.3 bpm), indicating that the cardiac nerve is responsible for 43% of the cardioacceleration induced by the aversive stimulus. The cardioacceleration observed in denervated snails may be due to an increase in venous return promoted by the intense muscular activity associated with the withdrawal response. Humoral factors may also be involved. A probable delaying inhibitory effect of the cardiac nerve on the recuperation of the basal heart rate is suggested.

STUDIES ON HAEMOLYMPH CONSTITUENTS OF INDOPLANORBIS EXUSTUS (DESHAYES) AND LYMNAEA ACUMINATA (LAMARCK) F.RUFESCENS (GRAY) AND THE EFFECTS OF COPPER ON THE ACTIVITY PATTERN OF SELECTED TRANSAMINASES AND PHOSPHATASES

The problem investigated is on the haematological aspects of two freshwater pulmonate snails, Indoplanorbis exustus (Deshayes),and Lymnaea acuminata f.rufescens (Gray). An important aspect of the present investigation is to emphasize the utilization of freshwater organisms as models for research directed at understanding the basic biomedical problems that remain unresolved. Another aspect is to demonstrate how haemolymph can be treated as a tissue because of late, it has been shown that several parameters of blood can be taken as reliable indicators for diagnostic purposes, and also to monitor environmental pollution. The various haematological parameters studied are total haemocyte number,packed cell volume, haemoglobin, and inorganic as well organic constituents in three size groups of both the snail species. The effect of copper toxicity was measured in terms of total haemocyte count, and the activity pattern of selected phosphatases and transaminases.The study concluded that enzyme activity levels can be taken as reliable indicators to monitor pollution. Age is a factor that determines several of the physiological, biochemical and metabolic activities. This study also indicates that haemolymph can be taken as an organ system to study the various changes taking place at organ systems levels.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.