No evidence of morphine analgesia to noxious shock in the shore crab, Carcinus maenas

A number of criteria have been suggested for testing if pain occurs in animals, and these include an analgesic effect of opiates (Bateson, 1991). Morphine reduces responses to noxious stimuli in crustaceans but also reduces responsiveness in a non-pain context. Here we use a paradigm in which shore crabs receive a shock in a preferred dark shelter but not if they remain in an unpreferred light area. Analgesia should thus enhance movement to the preferred dark area because they should not experience 'pain'. However, morphine inhibits rather than enhances this movement even when no shock is given. Morphine produces a general effect of non-responsiveness rather than a specific analgesic effect and this could also explain previous studies claiming analgesia. However, we question the utility of this criterion of pain and suggest instead that behavioural criteria be employed. (C) 2011 Published by Elsevier B.V.

Identifying trophic variation in a marine suspension feeder:DNA- and stable isotope-based dietary analysis in Mytilus spp.

Accurate field data on trophic interactions for suspension feeders are lacking, and new approaches to dietary analysis are necessary. Polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) was integrated with stable isotope analysis to examine dietary patterns in suspension-feeding Mytilus spp. from seven spatially discrete locations within a semi-enclosed marine bay (Strangford Lough, Northern Ireland) during June 2009. Results of the two methods were highly correlated, reflecting dietary variation in a similar manner. Variation in PCR-DGGE data was more strongly correlated with the principal environmental gradient (distance from the opening to the Irish Sea), while values of dC and dN became progressively enriched, suggesting a greater dependence on animal tissue and benthic microalgae. Diatoms and crustaceans were the most frequently observed phylotypes identified by sequencing, but specific DNA results provided little support for the trophic trends observed in the stable isotope data. This combined approach offers an increased level of trophic insight for suspension feeders and could be applied to other organisms. © 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Idiosyncratic species effects confound size-based predictions of responses to climate change

Understanding and predicting the consequences of warming for complex ecosystems and indeed individual species remains a major ecological challenge. Here, we investigated the effect of increased seawater temperatures on the metabolic and consumption rates of five distinct marine species. The experimental species reflected different trophic positions within a typical benthic East Atlantic food web, and included a herbivorous gastropod, a scavenging decapod, a predatory echinoderm, a decapod and a benthic-feeding fish. We examined the metabolism-body mass and consumption-body mass scaling for each species, and assessed changes in their consumption efficiencies. Our results indicate that body mass and temperature effects on metabolism were inconsistent across species and that some species were unable to meet metabolic demand at higher temperatures, thus highlighting the vulnerability of individual species to warming. While body size explains a large proportion of the variation in species' physiological responses to warming, it is clear that idiosyncratic species responses, irrespective of body size, complicate predictions of population and ecosystem level response to future scenarios of climate change. © 2012 The Royal Society.

Parasites that change predator or prey behaviour can have keystone effects on community composition

Parasites play pivotal roles in structuring communities, often via indirect interactions with non-host species. These effects can be density-mediated (through mortality) or trait-mediated (behavioural, physiological and developmental), and may be crucial to population interactions, including biological invasions. For instance, parasitism can alter intraguild predation (IGP) between native and invasive crustaceans, reversing invasion outcomes. Here, we use mathematical models to examine how parasite-induced trait changes influence the population dynamics of hosts that interact via IGP. We show that trait-mediated indirect interactions impart keystone effects, promoting or inhibiting host coexistence. Parasites can thus have strong ecological impacts, even if they have negligible virulence, underscoring the need to consider trait-mediated effects when predicting effects of parasites on community structure in general and biological invasions in particular.

Ecological impacts of invasive alien species along temperature gradients: testing the role of environmental matching

Invasive alien species (IAS) can cause substantive ecological impacts, and the role of temperature in mediating these impacts may become increasingly significant in a changing climate. Habitat conditions and physiological optima offer predictive information for IAS impacts in novel environments. Here, using meta-analysis and laboratory experiments, we tested the hypothesis that the impacts of IAS in the field are inversely correlated with the difference in their ambient and optimal temperatures. A meta-analysis of 29 studies of consumptive impacts of IAS in inland waters revealed that the impacts of fishes and crustaceans are higher at temperatures that more closely match their thermal growth optima. In particular, the maximum impact potential was constrained by increased differences between ambient and optimal temperatures, as indicated by the steeper slope of a quantile regression on the upper 25th percentile of impact data compared to that of a weighted linear regression on all data with measured variances. We complemented this study with an experimental analysis of the functional response - the relationship between predation rate and prey supply - of two invasive predators (freshwater mysid shrimp, Hemimysis anomala and Mysis diluviana) across relevant temperature gradients; both of these species have previously been found to exert strong community-level impacts that are corroborated by their functional responses to different prey items. The functional response experiments showed that maximum feeding rates of H. anomala and M. diluviana have distinct peaks near their respective thermal optima. Although variation in impacts may be caused by numerous abiotic or biotic habitat characteristics, both our analyses point to temperature as a key mediator of IAS impact levels in inland waters and suggest that IAS management should prioritize habitats in the invaded range that more closely match the thermal optima of targeted invaders.

Genetic assessment of parentage in the caridean rock shrimp Rhynchocinetes typus based on microsatellite markers

Over the past decade, the common rock shrimp, Rhynchocinetes typus H. Milne Edwards, 1837, has been the focus of extensive investigations on mating behaviour. The species is now perceived as a model system for the study of reproductive strategies and sexual conflict in crustaceans displaying external fertilization. Using molecular markers, the current study assesses whether social mating behaviour in common rock shrimp translates into true genetic parentage. In a large mesocosm tank with >200 individuals of both sexes, the analysis of 15 families (22 eggs per female) for three informative microsatellites unambiguously confirmed multiple paternity in 11 instances (73%) involving, in each case, two to four males. Where more than one male was identified siring a particular brood, reproductive skew was apparent towards a single individual. Results suggest that multiple paternity in this species results from subordinate male coercive behaviour, female solicitation of multiple male matings or a combination of both.

Between-taxon matching of common and rare species richness patterns

Aim: Our primary aim is to understand how assemblages of rare (restricted range) and common (widespread) species are correlated with each other among different taxa. We tested the proposition that marine species richness patterns of rare and common species differ, both within a taxon in their contribution to the richness pattern of the full assemblage and among taxa in the strength of their correlations with each other. Location The UK intertidal zone. Methods: We used high-resolution marine datasets for UK intertidal macroalgae, molluscs and crustaceans each with more than 400 species. We estimated the relative contribution of rare and common species, treating rarity and commonness as a continuous spectrum, to spatial patterns in richness using spatial crosscorrelations. Correlation strength and significance was estimated both within and between taxa. Results: Common species drove richness patterns within taxa, but rare species contributed more when species were placed on an equal footing via scaling by binomial variance. Between taxa, relatively small sub-assemblages (fewer than 60 species) of common species produced the maximum correlation with each other, regardless of taxon pairing. Cross-correlations between rare species were generally weak, with maximum correlation occurring between small sub-assemblages in only one case. Cross-correlations between common and rare species of different taxa were consistently weak or absent. Main conclusions: Common species in the three marine assemblages were congruent in their richness patterns, but rare species were generally not. The contrast between the stronger correlations among common species and the weak or absent correlations among rare species indicates a decoupling of the processes driving common and rare species richness patterns. The internal structure of richness patterns of these marine taxa is similar to that observed for terrestrial taxa.

Embryonic and larval ecology and biochemistry of offshore decapods

Understanding the biology of offshore species is hardened by the difficulties of sampling in the deep-sea environment. Additionally, due to the vastness of the open ocean, knowledge of early life histories of pelagic larvae is still relatively scarce. In decapod species with bentho-pelagic lifestyle, the transition from life in the seafloor to the water column not only is associated with drastic morphological metamorphosis, but also with changes in behavior and feeding ecology. The purpose of the present thesis was to investigate physiological, biochemical and behavioral adaptation occurring during early development of such species. The Norway lobster, Nephrops norvegicus, and the crab Monodaeus couchi were used as a model as these two species are encountered off the NE Atlantic shelf at depth greater than 300 m. Chapter 1 introduces the challenges faced by both adult and larvae inhabiting such remote habitats, including the effect of food availability on development and oceanographic processes on dispersal and recruitment. The thesis follows early life histories, starting with within-brood variability in the fatty acid (FA) profile displayed by developing N. norvegicus embryos. There were no differences in the FA composition of embryos sampled from both sides of the brooding chamber in most females. However, all females exhibited significant differences in the FA profiles of embryos sampled from different pleopods. Potential causes for the variations recorded may be differential female investment during oocyte production or shifts in FA catabolism during the incubation period promoted by embryo’s location within the brooding chamber. Next, feeding rates and digestive enzymes activity of the early stage larvae was investigated in N. norvegicus. Both stages were able to maximize food intake when larvae were scarce and showed increased feeding rate following periods of starvation. Amylase activity indicated that carbohydrates are not the primary energy reserve and that feeding may be required soon after hatching to trigger amylase activity. Protease activity indicated that protein reserves are catabolized under starvation. These results indicate that larvae may maximize prey ingestion in the presence of plankton patches with higher food abundance and minimize the deleterious effects induced by previous periods of intermittent starvation or unsuitable prey densities/types. Additionally, changes in enzymatic activity may allow newly hatched N. norvegicus larvae to metabolize protein reserves to overcome short-term starvation. Vertical migration behavior and the influence of oceanographic properties were studied next. All zoeal stages of M. couchi displayed reverse diel vertical migration. Abundance of early stages was correlated with chlorophyll a levels. An ontogenic shift in vertical distribution explained the results; earlier zoeal stages remain in the food-rich upper water column while later stages migrate to the bottom for settlement. This vertical migration behavior is likely to affect horizontal distribution of larvae. Indeed, global current patterns will result in low inter-annual variations in decapod larvae recruitment, but short term variations such as upwelling events will cause deviation from the expected dispersal pattern. Throughout development, from the embryo to metamorphosis into benthic juvenile, offshore decapods face many challenges. For the developing individual survivorship will depend heavily on food availability but also on the reserves passed on by the mother. Even though vertical migration behavior can allow the larvae to take advantage of depth varying currents for transport, the effect of general circulation pattern will superimpose local current and influence feeding conditions and affect dispersal and recruitment.

Biodiversity and molecular evolution of malacostraca

No actual cenário de perda acelerada de biodiversidade, o nosso conhecimento dos ecossistemas marinhos, apesar da sua extensão e complexidade, continua muito inferior ao dos ecossistemas terrestres. A classe Malacostraca (Arthropoda, Crustacea), um grupo dos mais representativos nos ecossistemas marinhos, apresenta um elevado nível de diversidade morfológica e ecológica, mas difícil sua identificação ao nível de espécie requer frequentemente a ajuda de especialistas em taxonomia. A utilização recente do “barcoding” (código de barras do ADN), revelou ser um método rápido e eficaz para a identificação de espécies em diversos grupos de metazoários, incluindo os Malacostraca. No âmbito desta tese foi construída uma base de dados de código de barras de ADN envolvendo 132 espécies de Malacostraca vários locais de amostragem no Atlântico Nordeste e Mediterrâneo. As sequências de ADN mitocondrial provenientes de 601 espécimes formaram, em 95% dos casos, grupos congruentes com as identificações baseadas em características morfológicas. No entanto, foi detectado polimorfismo em seis casos e a divergência intra-específica foi elevada em exemplares pertencentes a duas espécies morfológicas, sugerindo, neste caso, a ocorrência de especiação críptica. Este estudo confirma a utilidade do código de barras de ADN para a identificação de Malacostraca marinhos. Apesar do sucesso obtido, este método apresenta alguns problemas, como por exemplo a possível amplificação de pseudogenes. A ocorrência de pseudogenes e as possíveisabordagens para a detecção e resolução deste tipo de problemas são discutidas com base em casos de estudo: análises dos códigos de barras ADN na espécie Goneplax rhomboides (Crustacea, Decapoda). A análise dos códigos de barras ADN revelou ainda grupos prioritários de decápodes para estudos taxonómicos e sistemáticos, nomeadamente os decápodes dos géneros Plesionika e Pagurus. Neste âmbito são discutidas as relações filogenéticas entre espécies seleccionadas dos géneros Plesionika e Pagurus. Este trabalho aponta para várias questões no âmbito da biodiversidade e evolução molecular da classe Malacostraca que carecem de um maior esclarecimento, podendo ser considerado como a base para estudo futuros. Análises filogenéticas adicionais integrando dados morfológicos e moleculares de um maior número de espécies e de famílias deverão certamente conduzir a uma melhor avaliação da biodiversidade e da evolução dentro da classe.

Effect of water chemistry on the physiology and toxicity assessment in Daphnia

Todos os sistemas aquáticos estão potencialmente expostos a alterações nos parâmetros da água em consequência de fenómenos ambientais tais como deposição ácida, lixiviação de iões dos solos e alterações climáticas. Dado que os parâmetros químicos da água estão geralmente correlacionados, é pertinente estudar os seus efeitos combinados para o biota aquático. Assim, o principal objetivo desta tese é avaliar a importância ecológica da variação simultânea dos principais parâmetros fisico-químicos da água nos parâmetros de história de vida dos crustáceos tanto na ausência como na presença de metais. Foram estudados os seguintes parâmetros: dureza (0.5 - 3.5 mM), alcalinidade (0.3 - 2.3 mM), pH (5.7 - 9.0) e temperatura (13 - 30ºC). A Daphnia magna foi usada como espécie modelo representando os crustáceos aquáticos. A variação simultânea da dureza e alcalinidade afetou significativamente o crescimento, reprodução e crescimento populacional de Daphnia; no entanto, os efeitos da dureza excederam os efeitos da alcalinidade. Pareceu haver interação entre a dureza e alcalinidade na reprodução dos dafnídeos, o que sugere que os efeitos da variação da dureza para Daphnia e provavelmente outros crustáceos poderão depender do nível de alcalinidade. O pH e dureza da água exerceram efeitos combinados para Daphnia, sendo os efeitos do pH mais pronunciados do que os efeitos da dureza. A diminuição do pH reduziu a sobrevivência, crescimento, reprodução, taxa de ingestão e crescimento populacional dos dafnídeos. No entanto, os efeitos do pH baixo foram mais adversos a baixa dureza, o que sugere uma interação entre estes parâmetros. Assim, a diminuição do pH em lagos de água mole pode ser um estressor determinante para os crustáceos sensíveis à acidez, ameaçando a sua sobrevivência e, consequentemente, afetando a estrutura das cadeias alimentares aquáticas. A temperatura e a química da água (dureza e alcalinidade) interagiram entre si nos parâmetros de história de vida de Daphnia; no entanto, os efeitos da temperatura excederam os efeitos da química da água. De um modo geral, temperaturas extremas reduziram o crescimento, reprodução e, consequentemente, o crescimento populacional de Daphnia. Os efeitos do aumento da temperatura foram mais adversos a baixa dureza e alcalinidade, aumentando a preocupação com os efeitos ecológicos do aquecimento global em águas moles. A dureza e alcalinidade da água também desempenharam um papel importante na toxicidade aguda e subletal (inibição da ingestão) dos metais para Daphnia. A diminuição da dureza aumentou a toxicidade aguda do zinco. Por outro lado, a diminuição da alcalinidade aumentou a toxicidade aguda e subletal do cobre, mas reduziu a toxicidade subletal do zinco, tornando evidente o importante papel da alcalinidade na toxicidade subletal dos metais para Daphnia. Globalmente, os parâmetros fisico-químicos da água parecem interagir entre si, afetando os parâmetros de história de vida e o crescimento populacional de Daphnia e também afetam a toxicidade dos metais. Em particular, a baixa dureza agrava os efeitos adversos da diminuição do pH, aumento da temperatura e toxicidade dos metais, o que aumenta a preocupação com os efeitos ecológicos da sua variação simultânea sobre os crustáceos e, portanto, sobre as cadeias alimentares aquáticas.

Biodiversity and conservation of subterranean fauna of Portuguese karst

As regiões cársicas de Portugal ocupam uma parte considerável do território e albergam mais de 2000 grutas, que são habitadas por animais subterrâneos com características adaptativas únicas. Estes animais estão entre os mais raros, ameaçados e desprotegidos a nível mundial, comummente pelo simples fato de serem desconhecidos, o que associado à relativa inacessibilidade do seu habitat, constitui um desafio para o seu estudo. O presente trabalho centra-se no estudo da biodiversidade subterrânea do carso de Portugal, de forma a contribuir para a sua conservação. Os invertebrados subterrâneos têm sido ignorados no que concerne à sua proteção, sobretudo porque o conhecimento era escasso e desorganizado. Este trabalho começa por apresentar uma revisão de todas as fontes bibliográficas sobre fauna subterrânea em Portugal, incluindo um catálogo de espécies troglóbias e estigóbias, acompanhado das respetivas localizações, para congregar, pela primeira vez, o estado do conhecimento da riqueza específica, biogeografia e conservação das áreas estudadas. Para compreender os padrões de biodiversidade subterrânea, foi realizado um ano de trabalho de campo intenso e padronizado em mais de 40 cavidades de 14 unidades cársicas. Deste esforço resultou a descoberta e descrição de nove novos taxa, compreendendo três novos géneros e seis novas espécies para a ciência. Utilizando sistemas de informação geográfica foram mapeadas as distribuições das espécies subterrâneas do carso de Portugal e a sua riqueza foi comparada com a de outras áreas do mundo. Para explicar a sua riqueza específica subterrânea, foram testados vários fatores ambientais e efetuada a estimativa de espécies subterrâneas, numa escala regional. A evapotranspiração e consequentemente a produtividade primária ao nível da superfície poderão ser fatores importantes na variação da riqueza específica nas diferentes unidades cársicas, mas a profundidade e as características geológicas únicas de cada maciço parecem desempenhar um papel determinante nos padrões de biodiversidade subterrânea. Com o intuito de avaliar a sensibilidade de organismos subterrâneos à contaminação, foram testados os efeitos letais de dois tóxicos em crustáceos estigóbios com diferentes graus de troglomorfismo. Foram igualmente abordados aspectos gerais de ecotoxicologia de águas subterrâneas e perspectivas de futuro. Os principais problemas relacionados com a conservação dos habitats subterrâneos em Portugal estão associados à destruição direta do habitat e à sua contaminação. Estes carecem de proteção específica, o que implica a gestão adequada à superfície e a criação de áreas prioritárias de conservação. Integrando toda a informação gerada, o presente estudo estabelece uma hierarquização de locais prioritários para a conservação da fauna subterrânea em zonas cársicas de Portugal.

The estimation and improvement of the selectivity in crustacean and fish trawls

Tese de dout., Ciências e Tecnologias das Pescas, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Univ. do Algarve, 2003

Electro-olfactograms in response to chromatographic fractions of food-related odorants in the Senegalese sole, Solea senegalensis

The Bohr effect, which can be most generally defined as the influence of pH on the oxygen binding affinity of proteins, is a common feature of respiratory pigments, ranging from the haemocyanins of molluscs and crustaceans to the haemoglobins of vertebrates. Its physiological role is generally seen in the facilitation of oxygen release from respiratory pigments during tissue acidosis. The magnitude of the effect can be influenced by a multitude of factors such as temperature, carbon dioxide, chloride ions, organic phosphates and the investigated pH range. Here we present data on the maximal alkaline Bohr effect in haemoglobins from a large number of species covering all vertebrate classes, obtained at physiological temperatures in the presence of 100 mM chloride ions and the absence of carbon dioxide and organic phosphates.

Biomechanical modeling and simulation of the spider crab (maja brachydactyla)

Uma linha de pesquisa e desenvolvimento na área da robótica, que tem recebido atenção crescente nos últimos anos, é o desenvolvimento de robôs biologicamente inspirados. A ideia é adquirir conhecimento de seres biológicos, cuja evolução ocorreu ao longo de milhões de anos, e aproveitar o conhecimento assim adquirido para implementar a locomoção pelos mesmos métodos (ou pelo menos usar a inspiração biológica) nas máquinas que se constroem. Acredita-se que desta forma é possível desenvolver máquinas com capacidades semelhantes às dos seres biológicos em termos de capacidade e eficiência energética de locomoção. Uma forma de compreender melhor o funcionamento destes sistemas, sem a necessidade de desenvolver protótipos dispendiosos e com longos tempos de desenvolvimento é usar modelos de simulação. Com base nestas ideias, o objectivo deste trabalho passa por efectuar um estudo da biomecânica da santola (Maja brachydactyla), uma espécie de caranguejo comestível pertencente à família Majidae de artrópodes decápodes, usando a biblioteca de ferramentas SimMechanics da aplicação Matlab / Simulink. Esta tese descreve a anatomia e locomoção da santola, a sua modelação biomecânica e a simulação do seu movimento no ambiente Matlab / SimMechanics e SolidWorks.

Biodiversidad marina en la isla Lobos de Tierra, Perú. 2011

Entre el 29 de setiembre y 3 de octubre 2011, se determinó la estructura de las comunidades, en términos de abundancia relativa, riqueza y diversidad y relación con el medio ambiente de la isla Lobos de Tierra (noreste de isla Rata, El Ñopo y La Grama). En los cálculos de diversidad específi ca se usó métodos uni y multivariados para hacer comparaciones en los lugares estudiados. En la zona mesolitoral se registró alta riqueza específi ca asociada a comunidades de fondos duros destacando el noreste de isla Rata con 58 especies. El grupo dominante fue moluscos en todas las zonas de estudio, sobresaliendo Tegula corvus y Acanthopleura echinata con mayores niveles de abundancia (296 a 412 ind.m-2). El índice de diversidad (H’) promedio por estación mostró valores >1,5 bits/ind en todas las zonas, con valores de dominancia y equitatividad <1,0. En el submareal, la riqueza fue de 124 especies. Los crustáceos y poliquetos tuvieron la mayor riqueza de especies y densidad. Los principales representantes fueron Gammarus sp. (26.607 ind.m-2), Spionidae (2.227 ind.m-2) y Diopatra rhizoicola (2.073 ind.m-2). El índice de diversidad promedio fue 2,2 bits, valor considerado de alta diversidad. La fauna íctica submareal estuvo conformada por 16 especies, destacando los géneros Auchenionchus y Labrisomus y en el intermareal se registraron 7 especies destacando Tomicodon chilensis. Se detectaron 24 especies de macroalgas: Rhodophyta (16 especies), Chlorophyta (5 especies) y Phaeophyta (3 especies), predominó Caulerpa fi liformis (submareal) y Gymnogongrus furcellatus (intermareal).