The phylogeography of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids is consistent with the geological history of South American river basins and the transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene

Abstract Background Little is known about the diversity, phylogenetic relationships, and biogeography of trypanosomes infecting non-mammalian hosts. In this study, we investigated the influence of host species and biogeography on shaping the genetic diversity, phylogenetic relationship, and distribution of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids. Methods Small Subunit rRNA (SSU rRNA) and glycosomal Glyceraldehyde Phosphate Dehydrogenase (gGAPDH) genes were employed for phylogenetic inferences. Trypanosomes from crocodilians were obtained by haemoculturing. Growth behaviour, morphology, and ultrastructural features complement the molecular description of two new species strongly supported by phylogenetic analyses. Results The inferred phylogenies disclosed a strongly supported crocodilian-restricted clade comprising three subclades. The subclade T. grayi comprised the African Trypanosoma grayi from Crocodylus niloticus and tsetse flies. The subclade T. ralphi comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma ralphi n. sp. from Melanosuchus niger, Caiman crocodilus and Caiman yacare from Brazilian river basins. T. grayi and T. ralphi were sister subclades. The basal subclade T. terena comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma terena n. sp. from Ca. yacare sharing hosts and basins with the distantly genetic related T. ralphi. This subclade also included the trypanosome from Ca. crocodilus from the Orinoco basin in Venezuela and, unexpectedly, a trypanosome from the African crocodilian Osteolaemus tetraspis. Conclusion The close relationship between South American and African trypanosomes is consistent with paleontological evidence of recent transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene/Pliocene boundaries (4–5 mya), and host-switching of trypanosomes throughout the geological configuration of South American hydrographical basins shaping the evolutionary histories of the crocodilians and their trypanosomes.

The phylogeography of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids is consistent with the geological history of South American river basins and the transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene

Background: Little is known about the diversity, phylogenetic relationships, and biogeography of trypanosomes infecting non-mammalian hosts. In this study, we investigated the influence of host species and biogeography on shaping the genetic diversity, phylogenetic relationship, and distribution of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids. Methods: Small Subunit rRNA (SSU rRNA) and glycosomal Glyceraldehyde Phosphate Dehydrogenase (gGAPDH) genes were employed for phylogenetic inferences. Trypanosomes from crocodilians were obtained by haemoculturing. Growth behaviour, morphology, and ultrastructural features complement the molecular description of two new species strongly supported by phylogenetic analyses. Results: The inferred phylogenies disclosed a strongly supported crocodilian-restricted clade comprising three subclades. The subclade T. grayi comprised the African Trypanosoma grayi from Crocodylus niloticus and tsetse flies. The subclade T. ralphi comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma ralphi n. sp. From Melanosuchus niger, Caiman crocodilus and Caiman yacare from Brazilian river basins. T. grayi and T. ralphi were sister subclades. The basal subclade T. terena comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma terena n. sp. from Ca. yacare sharing hosts and basins with the distantly genetic related T. ralphi. This subclade also included the trypanosome from Ca. crocodilus from the Orinoco basin in Venezuela and, unexpectedly, a trypanosome from the African crocodilian Osteolaemus tetraspis. Conclusion: The close relationship between South American and African trypanosomes is consistent with paleontological evidence of recent transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene/Pliocene boundaries (4–5 mya), and host-switching of trypanosomes throughout the geological configuration of South American hydrographical basins shaping the evolutionary histories of the crocodilians and their trypanosomes.

Dispersal in free-living, marine, benthic nematodes : passive or active processes?

Meiofauna, and especially marine nematodes are common in sediments around the world. Despite very wide ranging distributions in many nematode species, little is presently known about their dispersal mechanisms shaping these patterns. Rafting, and perhaps ballast water transport has been suggested as viable means for nematode long-range transport. On a much smaller scale other processes have been suggested for their dispersal. They generally include some form of passive suspension into the water column and later on a passive, haphazard settling back towards the bottom. Small-scale phenomena in nematode dispersal were studied by conducting a series of studies at Askö field station, Trosa Archipelago, Baltic proper. Studied aspects were one case of macrofaunal influence on nematode dispersal rate, using an amphipod, Monoporeia affinis as disturbing agent, and three different studies on mechanisms related to settling. The experiments were conducted both in laboratory and field settings. The amphipod Monoporeia affinis did not exert any influence on the dispersal rate in the nematodes. The nematode dispersal was only an effect of time, in the aspect that the more time that past, the more nematodes dispersed from their place of origin. The settling experiments revealed that nematodes do have an active component in their settling behaviour, as they were able to exert influence on the spot where they were to settle. They were able to choose settling spot in response to the food quality of the sediment. It also became evident that contrary to common belief, nematodes are able to extend their presence in the water column far beyond the times that would be predicted considering settling velocities and hydrodynamic conditions alone.

Colonization of gastropods on subtidal reefs depends on density in adjacent habitats, not on disturbance regime

[EN] Habitats dominated by algal canopies are often altered by physical disturbances of varying severity, changing environmental conditions and biological processes. We used Artificial Seaweed Units (ASUs) to test whether severity of physical disturbances on algal canopies affects the post-disturbance colonization of gastropods on subtidal reefs. Specifically, we examined patterns of assemblage structure of gastropods to test the hypothesis that the extent and intensity of canopy removal affects the post-disturbance colonization of ASUs, testing the consistency of these effects among four regions encompassing a 68 latitudinal gradient in southwestern Australia. Because adjacent habitats can act as a source of new colonists (either as drifting migrants or as a source of propagules) from the perimeter surrounding perturbed areas, we also predicted that patterns of colonization (types and total abundances of colonizers) were influenced by the available pool of individuals at the scale of reefs. Three reefs were selected within each region. On each reef, ASUs were placed in the centre of circular canopy clearings of different size (0, 3, 13 and 50 m2) and intensity (50% vs 100%), and retrieved after 3 months. Resulting assemblages occupying the ASUs were quantitatively representative of the adjacent (undisturbed), algal-associated, assemblages at the scale of reef. Within reefs, recruited assemblages largely mimicked those associated with erect red algae. However, neither disturbance size nor intensity affected the colonization patterns across reefs and regions. These results suggest that algal-associated gastropods, regardless of the prevalent mode of dispersion, are resilient to physical disturbances to canopies across broad geographical regions as long as the pool of potential colonists is maintained. A high dispersal ability of gastropods likely ensures a quick colonization of recovering algal habitats.

Genetic divergence of tanaidaceans (Crustacea: Peracarida) with low dispersal ability

[EN] In this study, the phylogeographic patterns of nuclear, ribosomal and mtDNA gene fragments of five tanaidacean species (Zeuxo, Tanaidae) from the Atlantic, Pacific and Mediterranean Sea were investigated.

Biomass Gasification - Process analysis and dimensioning aspects for downdraft units and gas cleaning lines

In such territories where food production is mostly scattered in several small / medium size or even domestic farms, a lot of heterogeneous residues are produced yearly, since farmers usually carry out different activities in their properties. The amount and composition of farm residues, therefore, widely change during year, according to the single production process periodically achieved. Coupling high efficiency micro-cogeneration energy units with easy handling biomass conversion equipments, suitable to treat different materials, would provide many important advantages to the farmers and to the community as well, so that the increase in feedstock flexibility of gasification units is nowadays seen as a further paramount step towards their wide spreading in rural areas and as a real necessity for their utilization at small scale. Two main research topics were thought to be of main concern at this purpose, and they were therefore discussed in this work: the investigation of fuels properties impact on gasification process development and the technical feasibility of small scale gasification units integration with cogeneration systems. According to these two main aspects, the present work was thus divided in two main parts. The first one is focused on the biomass gasification process, that was investigated in its theoretical aspects and then analytically modelled in order to simulate thermo-chemical conversion of different biomass fuels, such as wood (park waste wood and softwood), wheat straw, sewage sludge and refuse derived fuels. The main idea is to correlate the results of reactor design procedures with the physical properties of biomasses and the corresponding working conditions of gasifiers (temperature profile, above all), in order to point out the main differences which prevent the use of the same conversion unit for different materials. At this scope, a gasification kinetic free model was initially developed in Excel sheets, considering different values of air to biomass ratio and the downdraft gasification technology as particular examined application. The differences in syngas production and working conditions (process temperatures, above all) among the considered fuels were tried to be connected to some biomass properties, such elementary composition, ash and water contents. The novelty of this analytical approach was the use of kinetic constants ratio in order to determine oxygen distribution among the different oxidation reactions (regarding volatile matter only) while equilibrium of water gas shift reaction was considered in gasification zone, by which the energy and mass balances involved in the process algorithm were linked together, as well. Moreover, the main advantage of this analytical tool is the easiness by which the input data corresponding to the particular biomass materials can be inserted into the model, so that a rapid evaluation on their own thermo-chemical conversion properties is possible to be obtained, mainly based on their chemical composition A good conformity of the model results with the other literature and experimental data was detected for almost all the considered materials (except for refuse derived fuels, because of their unfitting chemical composition with the model assumptions). Successively, a dimensioning procedure for open core downdraft gasifiers was set up, by the analysis on the fundamental thermo-physical and thermo-chemical mechanisms which are supposed to regulate the main solid conversion steps involved in the gasification process. Gasification units were schematically subdivided in four reaction zones, respectively corresponding to biomass heating, solids drying, pyrolysis and char gasification processes, and the time required for the full development of each of these steps was correlated to the kinetics rates (for pyrolysis and char gasification processes only) and to the heat and mass transfer phenomena from gas to solid phase. On the basis of this analysis and according to the kinetic free model results and biomass physical properties (particles size, above all) it was achieved that for all the considered materials char gasification step is kinetically limited and therefore temperature is the main working parameter controlling this step. Solids drying is mainly regulated by heat transfer from bulk gas to the inner layers of particles and the corresponding time especially depends on particle size. Biomass heating is almost totally achieved by the radiative heat transfer from the hot walls of reactor to the bed of material. For pyrolysis, instead, working temperature, particles size and the same nature of biomass (through its own pyrolysis heat) have all comparable weights on the process development, so that the corresponding time can be differently depending on one of these factors according to the particular fuel is gasified and the particular conditions are established inside the gasifier. The same analysis also led to the estimation of reaction zone volumes for each biomass fuel, so as a comparison among the dimensions of the differently fed gasification units was finally accomplished. Each biomass material showed a different volumes distribution, so that any dimensioned gasification unit does not seem to be suitable for more than one biomass species. Nevertheless, since reactors diameters were found out quite similar for all the examined materials, it could be envisaged to design a single units for all of them by adopting the largest diameter and by combining together the maximum heights of each reaction zone, as they were calculated for the different biomasses. A total height of gasifier as around 2400mm would be obtained in this case. Besides, by arranging air injecting nozzles at different levels along the reactor, gasification zone could be properly set up according to the particular material is in turn gasified. Finally, since gasification and pyrolysis times were found to considerably change according to even short temperature variations, it could be also envisaged to regulate air feeding rate for each gasified material (which process temperatures depend on), so as the available reactor volumes would be suitable for the complete development of solid conversion in each case, without even changing fluid dynamics behaviour of the unit as well as air/biomass ratio in noticeable measure. The second part of this work dealt with the gas cleaning systems to be adopted downstream the gasifiers in order to run high efficiency CHP units (i.e. internal engines and micro-turbines). Especially in the case multi–fuel gasifiers are assumed to be used, weightier gas cleaning lines need to be envisaged in order to reach the standard gas quality degree required to fuel cogeneration units. Indeed, as the more heterogeneous feed to the gasification unit, several contaminant species can simultaneously be present in the exit gas stream and, as a consequence, suitable gas cleaning systems have to be designed. In this work, an overall study on gas cleaning lines assessment is carried out. Differently from the other research efforts carried out in the same field, the main scope is to define general arrangements for gas cleaning lines suitable to remove several contaminants from the gas stream, independently on the feedstock material and the energy plant size The gas contaminant species taken into account in this analysis were: particulate, tars, sulphur (in H2S form), alkali metals, nitrogen (in NH3 form) and acid gases (in HCl form). For each of these species, alternative cleaning devices were designed according to three different plant sizes, respectively corresponding with 8Nm3/h, 125Nm3/h and 350Nm3/h gas flows. Their performances were examined on the basis of their optimal working conditions (efficiency, temperature and pressure drops, above all) and their own consumption of energy and materials. Successively, the designed units were combined together in different overall gas cleaning line arrangements, paths, by following some technical constraints which were mainly determined from the same performance analysis on the cleaning units and from the presumable synergic effects by contaminants on the right working of some of them (filters clogging, catalysts deactivation, etc.). One of the main issues to be stated in paths design accomplishment was the tars removal from the gas stream, preventing filters plugging and/or line pipes clogging At this scope, a catalytic tars cracking unit was envisaged as the only solution to be adopted, and, therefore, a catalytic material which is able to work at relatively low temperatures was chosen. Nevertheless, a rapid drop in tars cracking efficiency was also estimated for this same material, so that an high frequency of catalysts regeneration and a consequent relevant air consumption for this operation were calculated in all of the cases. Other difficulties had to be overcome in the abatement of alkali metals, which condense at temperatures lower than tars, but they also need to be removed in the first sections of gas cleaning line in order to avoid corrosion of materials. In this case a dry scrubber technology was envisaged, by using the same fine particles filter units and by choosing for them corrosion resistant materials, like ceramic ones. Besides these two solutions which seem to be unavoidable in gas cleaning line design, high temperature gas cleaning lines were not possible to be achieved for the two larger plant sizes, as well. Indeed, as the use of temperature control devices was precluded in the adopted design procedure, ammonia partial oxidation units (as the only considered methods for the abatement of ammonia at high temperature) were not suitable for the large scale units, because of the high increase of reactors temperature by the exothermic reactions involved in the process. In spite of these limitations, yet, overall arrangements for each considered plant size were finally designed, so that the possibility to clean the gas up to the required standard degree was technically demonstrated, even in the case several contaminants are simultaneously present in the gas stream. Moreover, all the possible paths defined for the different plant sizes were compared each others on the basis of some defined operational parameters, among which total pressure drops, total energy losses, number of units and secondary materials consumption. On the basis of this analysis, dry gas cleaning methods proved preferable to the ones including water scrubber technology in al of the cases, especially because of the high water consumption provided by water scrubber units in ammonia adsorption process. This result is yet connected to the possibility to use activated carbon units for ammonia removal and Nahcolite adsorber for chloride acid. The very high efficiency of this latter material is also remarkable. Finally, as an estimation of the overall energy loss pertaining the gas cleaning process, the total enthalpy losses estimated for the three plant sizes were compared with the respective gas streams energy contents, these latter obtained on the basis of low heating value of gas only. This overall study on gas cleaning systems is thus proposed as an analytical tool by which different gas cleaning line configurations can be evaluated, according to the particular practical application they are adopted for and the size of cogeneration unit they are connected to.

Influence of pollination and seed dispersal on the genetic population structure of two Commiphora species in Madagascar and South Africa

Pollination and seed dispersal are important ecological processes for the regeneration of plant populations and both vectors for gene exchange between plant populations. For my thesis, I studied the pollination ecology of the South African tree Commiphora harveyi (Burseraceae) and compared it with C. guillauminii from Madagascar. Both species have low visitation rates and a low number of pollinating insect species, resulting in a low fruit set. While their pollination ecology is very similar, they differ in their seed dispersal with a low seed dispersal rate in the Malagasy and a high seed dispersal rate in the South African species. This should be reflected in a stronger genetic differentiation among populations in the Malagasy than in the South African species. My results, based on AFLP markers, contradict these expectations, the overall differentiation was lower in the Malagasy (FST = 0.05) than in the South African species (FST = 0.16). However, at a smaller spatial scale (below 3 km), the Malagasy species was genetically more strongly differentiated than the South African species, which was reflected by the high inter-population variance within the sample site (C. guillauminii: 72.2 - 85.5 %; C. harveyi: 8.4 - 14.5 %). This strong differentiation could arise from limited gene flow, which was confirmed by spatial autocorrelation analyses. The shape of the autocorrelogram suggested that gene exchange between individuals occurred only up to 3 km in the Malagasy species, whereas up to 30 km in the South African species. These results on the genetic structure correspond to the expectations based on seed dispersal data. Thus, seed dispersal seems to be a key factor for the genetic structure in plant populations on a local scale.

Isotope geochemical and geochronologic studies of basement units in the Central Western Carpathians (Slovakia)

In dieser Arbeit werden geochronologische und isotopen-geochemische Daten zur Entwicklung der Zentralen Westlichen Karpathen präsentiert. Die Karpathen bilden die östliche Fortsetzung der Alpen und können in drei Alpine Grundgebirgsdecken unterteilt werden, von denen zwei, die Veporische und die Gemerische, bearbeitet wurden. In der Veporischen Einheit wurden polymetamorphe Grundgebirgseinheiten untersucht, um deren genaue Altersstellung zu definieren und sie isotopengeochemisch zu klassifizieren. Dagegen wurde in der der Gemerischen Einheit, welche die Veporische Einheit überlagert, ein spezialisierter S-Typ Granit im Detail untersucht, um die petrogenetischen Prozesse, die zur magmatischen Entwicklung dieses Granits geführt haben, zu identifizieren. U-Pb Datierungen an Zirkonen der Veporischen Grundgebirgseinheiten zeigen für die gesamte Veporische Einheit ordovizische Entsehungsalter an (440-470 Ma). Diese Datierungen revidieren publizierte kambrische Entstehungsalter dieses Grundgebirges. Die Isotopensignatur (epsilon Nd und 87Sr/86Sr) der ordovizischen Grundgebirgseinheiten, bestehend aus stark überprägten Amphiboliten und Gneissen, ist von der Signatur der sich im Norden anschliessenden Tatrischen Einheit gut unterscheidbar. Die Bleiisotopenzusammensetzung dieser Gesteine ist stark krustal geprägt und überschneidet sich mit der der Tatrischen Einheit. Zusammen mit den T-DM Altern sind diese Einheiten vergleichbar mit prävariskischen Einheiten der Alpen. Somit kann das ordovizische Grundgebirge zu den peri-Gondwana Terranen gezählt werden, die an einem aktiven Kontinentalrand im Norden von Gondwana gebildet wurden. In den Gesteinen der Veporischen Einheit wurde im Weiteren eine starke metamorphe überprägung und intensiver felsischer Magmatismus karbonischen Alters erkannt (320-350 Ma). Dieses Ereignis ist zeitgleich mit dem Magmatismus, welcher hauptsächlich in der sich im Norden anschliessenden Tatrischen Einheit beobachtet wird. Dieser gehört der variskischen Orogenese an. Intensive alpine Deformation und Metamorphose konnte in der südlichen Veporischen Einheit anhand der Einzelzirkondatierungen und der Isotopendaten der ordovizischen Einheiten nachgewiesen werden. Am Dlha Dolina Granit in der Gemerischen Einheit können starke Fraktionierungs- und Auto-Metasomatose-Effekte beobachtet werden. Durch die magmatische Fraktionierung wird eine Anreicherung der SEE erzeugt, wogegen die Metasomatose die SEE stark verarmt. Es kommt sogar zur Ausbildung eines Tetraden Effektes im SEE Muster, welche den starken Einfluss von Fluiden während der spät-magmatischen Phase belegt. Gesamtgesteins Pb-Pb Daten beschränken das minimale Intrusionsalter dieses Granites auf 240 Ma. Dieses Alter ist in guter übereinstimmung mit den Sr-Isotopendaten der magmatisch dominierten Gesteine, wohingegen die stark metasomatisch geprägten Gesteine ein zu radiogenes 87Sr/86Sri aufweisen. Während dieser Arbeit wurde intensiv mit der Blei-Isotopenzusammensetzung von Gesamtgesteinsproben gearbeitet. Um die Auswertung dieser Daten optimieren zu können wurde ein Computerscript für das GPL Programm Octave erstellt. Die Hauptaufgabe dieses Scripts besteht darin, Regressionen für geochronologische Anwendungen gemäss York (1969) zu berechnen. Ausserdem können mu und kappa-Werte für diese Regressionen berechnet und eine Hauptkomponentenanalyse, welche hilfreich für den Vergleich von zwei Datensätzen ist, durchgeführt werden. Am Ende der vorliegenden Arbeit wird die analytische Methode für einen Mikrowellen beschleunigten Säureaufschluss von granitoidem Material zur Bestimmung der Sr- und Nd-Isotopenzusammensetzung und der Elementkonzentrationen vorgestellt. Diese kombinierte Methode nutzt ein TIMS für die Sr und Nd Isotopenmessungen und eine Einzelkollektor-ICPMS zur Bestimmung der SEE, Rb und Sr Konzentrationen, welche mithilfe von relativen Sensitivitätsfaktoren gegenüber einem internen Standard quantifiziert werden. Diese Methode wird durch Messungen von internationalen Referenzmaterialien bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine Reproduzierbarkeit von <10% für die Elementkonzentrationen und von <5% für Elementverhältnisse.

Frugivores, seed dispersal and tree regeneration along a human disturbance gradient in East African tropical rainforests

Samenausbreitung und Regeneration von Bäumen sind wichtig für den langfristigen Bestand von Baum- und Frugivorengemeinschaften in tropischen Regenwäldern. Zunehmende Rohdung und Degradation gefährden den Ablauf dieser mutualistischen Prozesse in diesem Ökosystem. Um den Einfluss von kleinräumiger menschlicher Störung auf die Frugivorengemeinschaft und die zentralen Ökosystemprozesse Samenausbreitung und Regeneration zu erforschen, habe ich 1) die Frugivorengemeinschaft und die Samenausbreitungsrate von Celtis durandii (Ulmaceae) und 2) den Zusammenhang zwischen Baumarten mit fleischigen Früchten, Frugivoren und der Etablierung von Keimlingen dieser Baumarten in unterschiedlich stark gestörten Flächen dreier ostafrikanischer tropischer Regenwälder untersucht. Insgesamt konnte ich 40 frugivore Vogel- und Primatenarten in den drei untersuchten Waldgebieten nachweisen. Auf gering gestörten Flächen wurden mehr Frugivore als auf stark gestörten Flächen aufgenommen. Auch die Beobachtungen an C. durandii ergaben mehr frugivore Besucher in Bäumen auf gering gestörten als auf stark gestörten Flächen. Dies führte zu einer marginal signifikant höheren Samenausbreitungsrate auf den gering gestörten Flächen. Diese Ergebnisse waren auf regionaler Ebene in allen drei untersuchten Wäldern konsistent. Dies zeigt, dass kleinräumige Störung einen umfassenderen negativen Einfluss auf Frugivore und ihre Funktion als Samenausbreiter hat als zuvor angenommen. Bei der Vegetationserfassung nahm ich 131 verschiedene Baumarten mit fleischigen Früchten in den drei Regenwäldern auf. Kleinräumige menschliche Störung erhöhte den Artenreichtum dieser Baumarten marginal signifikant, hatte jedoch keinen direkten Einfluss auf die Frugivorendichte und den Artenreichtum von Keimlingen dieser Baumarten. Der Artenreichtum von Baumarten mit fleischigen Früchten zeigte einen marginal signifikant positiven Einfluss auf die Frugivorendichte, allerdings nicht auf die Keimlinge. Allerdings führte die Dichte der Frugivoren zu signifikant erhöhtem Artenreichtum der Keimlinge. Folglich scheint kleinräumige Störung die Keimlingsetablierung indirekt durch erhöhten Baumartenreichtum und erhöhte Frugivorendichte zu beeinflussen. Die Frugivorendichte hatte einen größeren Einfluss auf die Waldregeneration als kleinräumige Störung und Baumartenreichtum. Demnach scheint kleinräumige menschliche Störung sowohl positive als auch negative Effekte auf Samenausbreitung und Regeneration zu haben. Somit sind weitere Studien notwendig, die den Einfluss von kleinräumiger menschlicher Störung auf Mutualismen tropischer Regenwälder aufklären.

Entstehung und Diversifizierung der mittel- und westeuropäischen Salicornia-Arten

HintergrundrnDie hygrohalophytische Gattung Salicornia ist in Mittel- und Westeuropa durch vier nah verwandte, sympatrisch vorkommende Arten vertreten. Es handelt sich um die zwei tetraploiden Arten S. procumbens und S. stricta und die diploiden Arten S. europaea und S. ramosissima. Morphologisch lassen sich die Arten zwar nur schwer voneinander unterscheiden, die morphologische Variation ist aber wiederum so hoch, dass mehrere distinkte Arten/Morphotypen unterschieden werden können. Bezüglich ihrer Verteilung im hochdynamischen Lebensraum Salzwiese findet man die verschiedenen Arten/Morphotypen in überlappenden Bereichen des Habitats. Ihr relativ vorhersagbares Auftreten entlang eines ökologischen Gradienten innerhalb ihres Lebensraumes scheint jedoch für eine ökologische Differenzierung der verschiedenen Arten/Morphotypen zu sprechen. Aufgrund des sympatrischen Vorkommens der scheinbar ökologisch und morphologisch differenzierten Morphotypen stellt sich die Frage, durch welche Prozesse diese entstanden sein könnten (genetische und ökologische Differenzierung) aber auch welche Prozesse die dauerhafte Koexistenz der Arten (reproduktive Isolationsmechanismen) aufrechterhalten.rnZielsetzungrnZiel dieser Arbeit war es, die Entstehung und Diversifizierung der mittel- und westeuropäischen Salicornia-Arten anhand von molekulargenetischen, ökologischen und reproduktionsbiologischen Methoden zu untersuchen.rnMethodenrnAnhand einer AFLP-Fragmentanalyse mit 89 Herkünften aus Großbritannien, Frankreich und Deutschland wurden molekulare Phylogenien erstellt sowie eine Hauptkomponenten- und Clusteranalyse durchgeführt. Um die ökologische Differenzierung und phänotypische Plastizität der vier Arten/Morphotypen zu untersuchen wurde ein reziprokes Transplantationsexperiment durchgeführt. Um die reproduktiven Isolationsmechanismen der Arten/Morphotypen zu untersuchen, wurden verschiedene Beobachtungen und Experimente durchgeführt.rnErgebnissernDie molekularen Analysen konnten zwar die beiden Artengruppen (Ploidiestufen) trennen, lieferten aber innerhalb dieser weder ein taxonomisches noch ein geographisches Signal. Akzessionen mit identischer Morphologie aus der gleichen Population verteilten sich in den Analysen in verschiedene genetische Cluster. Identische Morphotypen aus verschiedenen geographischen Regionen gruppieren teilweise zusammen. Das Transplantationsexperiment zeigte für die beiden tetraploiden Arten S. procumbens und S. stricta eine deutliche ökologische Differenzierung, bei S. procumbens in Form von verminderter Fitness und einer beschleunigten Phänologie, bei S. stricta nur in Form einer veränderten Phänologie. Bezüglich der Plastizität zeigten beide tetraploiden Arten eine konstante Morphologie. Die beiden diploiden Taxa S. europaea und S. ramosissima zeigten weder eine klare ökologische Differenzierung noch eine konstante Morphologie. Bezüglich der Reproduktionsbiologie konnte bestätigt werden, dass Selbstung bei allen Taxa der hauptsächliche Reproduktionsmodus ist. Bei den tetraploiden Taxa zeigte sich zwar ein geringes Maß an Fremdbefruchtung, bei den diploiden Taxa führen dagegen morphologische Besonderheiten zu hochgradiger Selbstung.rnRésumérnDie in Mittel- und Westeuropa vorkommenden Salicornia-Arten stellen keine evolutionären Einheiten dar. Die beiden tetraploiden Taxa sollten auf Grund ihrer parallelen Entstehung und ökologischen Differenzierung als Ökotypen angesprochen werden. Beide Ökotypen weisen ein hohes Ausbreitungspotential aus und persistieren als Inzuchtlinien mit geringem Anteil an Fremdbestäubung. Die diploiden Taxa sind weder ökologisch differenziert noch morphologisch stabil und sollten deshalb als nur ein morphologisch sehr variables, aus zahlreichen weitverbreiteten Inzuchtlinien bestehendes Taxon angesehen werden.

Comparative phylogeography of two co-distributed arctic-alpine freshwater insect species in Europe

The distribution pattern of European arctic-alpine disjunct species is of growing interest among biogeographers due to the arising variety of inferred demographic histories. In this thesis I used the co-distributed mayfly Ameletus inopinatus and the stonefly Arcynopteryx compacta as model species to investigate the European Pleistocene and Holocene history of stream-inhabiting arctic-alpine aquatic insects. I used last glacial maximum (LGM) species distribution models (SDM) to derive hypotheses on the glacial survival during the LGM and the recolonization of Fennoscandia: 1) both species potentially survived glacial cycles in periglacial, extra Mediterranean refugia, and 2) postglacial recolonization of Fennoscandia originated from these refugia. I tested these hypotheses using mitochondrial sequence (mtCOI) and species specific microsatellite data. Additionally, I used future SDM to predict the impact of climate change induced range shifts and habitat loss on the overall genetic diversity of the endangered mayfly A. inopinatus.rnI observed old lineages, deep splits, and almost complete lineage sorting of mtCOI sequences between mountain ranges. These results support the hypothesis that both species persisted in multiple periglacial extra-Mediterranean refugia in Central Europe during the LGM. However, the recolonization of Fennoscandia was very different between the two study species. For the mayfly A. inopinatus I found strong differentiation between the Fennoscandian and all other populations in sequence and microsatellite data, indicating that Fennoscandia was recolonized from an extra European refugium. High mtCOI genetic structure within Fennoscandia supports a recolonization of multiple lineages from independent refugia. However, this structure was not apparent in the microsatellite data, consistent with secondary contact without sexual incompability. In contrast, the stonefly A. compacta exhibited low genetic structure and shared mtCOI haplotypes among Fennoscandia and the Black Forest, suggesting a shared Pleistocene refugium in the periglacial tundrabelt. Again, there is incongruence with the microsatellite data, which could be explained with ancestral polymorphism or female-biased dispersal. Future SDM projects major regional habitat loss for the mayfly A. inopinatus, particularly in Central European mountain ranges. By relating these range shifts to my population genetic results, I identified conservation units primarily in Eastern Europe, that if preserved would maintain high levels of the present-day genetic diversity of A. inopinatus and continue to provide long-term suitable habitat under future climate warming scenarios.rnIn this thesis I show that despite similar present day distributions the underlying demographic histories of the study species are vastly different, which might be due to differing dispersal capabilities and niche plasticity. I present genetic, climatic, and ecological data that can be used to prioritize conservation efforts for cold-adapted freshwater insects in light of future climate change. Overall, this thesis provides a next step in filling the knowledge gap regarding molecular studies of the arctic-alpine invertebrate fauna. However, there is continued need to explore the phenomenon of arctic-alpine disjunctions to help understand the processes of range expansion, regression, and lineage diversification in Europe’s high latitude and high altitude biota.

Identification of stock units of Mullus barbatus (Linnaeus, 1758) in the Italian seas: development of genomic 2b-RAD markers and biological variation analysis.

This thesis is settled within the STOCKMAPPING project, which represents one of the studies that were developed in the framework of RITMARE Flagship project. The main goals of STOCKMAPPING were the creation of a genomic mapping for stocks of demersal target species and the assembling of a database of population genomic, in order to identify stocks and stocks boundaries. The thesis focuses on three main objectives representing the core for the initial assessment of the methodologies and structure that would be applied to the entire STOCKMAPPING project: individuation of an analytical design to identify and locate stocks and stocks boundaries of Mullus barbatus, application of a multidisciplinary approach to validate biological methods and an initial assessment and improvement for the genotyping by sequencing technique utilized (2b-RAD). The first step is the individuation of an analytical design that has to take in to account the biological characteristics of red mullet and being representative for STOCKMAPPING commitments. In this framework a reduction and selection steps was needed due to budget reduction. Sampling areas were ranked according the individuation of four priorities. To guarantee a multidisciplinary approach the biological data associated to the collected samples were used to investigate differences between sampling areas and GSAs. Genomic techniques were applied to red mullet for the first time so an initial assessment of molecular protocols for DNA extraction and 2b-RAD processing were needed. At the end 192 good quality DNAs have been extracted and eight samples have been processed with 2b-RAD. Utilizing the software Stacks for sequences analyses a great number of SNPs markers among the eight samples have been identified. Several tests have been performed changing the main parameter of the Stacks pipeline in order to identify the most explicative and functional sets of parameters.

Nucleation studies on graphics processing units

Ein System in einem metastabilen Zustand muss eine bestimmte Barriere in derrnfreien Energie überwinden um einen Tropfen der stabilen Phase zu formen.rnHerkömmliche Untersuchungen nehmen hierbei kugelförmige Tropfen an. Inrnanisotropen Systemen (wie z.B. Kristallen) ist diese Annahme aber nicht ange-rnbracht. Bei tiefen Temperaturen wirkt sich die Anisotropie des Systems starkrnauf die freie Energie ihrer Oberfläche aus. Diese Wirkung wird oberhalb derrnAufrauungstemperatur T R schwächer. Das Ising-Modell ist ein einfaches Mo-rndell, welches eine solche Anisotropie aufweist. Wir führen großangelegte Sim-rnulationen durch, um die Effekte, die mit einer endlichen Simulationsbox ein-rnhergehen, sowie statistische Ungenauigkeiten möglichst klein zu halten. DasrnAusmaß der Simulationen die benötigt werden um sinnvolle Ergebnisse zu pro-rnduzieren, erfordert die Entwicklung eines skalierbaren Simulationsprogrammsrnfür das Ising-Modell, welcher auf verschiedenen parallelen Architekturen (z.B.rnGrafikkarten) verwendet werden kann. Plattformunabhängigkeit wird durch ab-rnstrakte Schnittstellen erreicht, welche plattformspezifische Implementierungs-rndetails verstecken. Wir benutzen eine Systemgeometrie die es erlaubt eine Ober-rnfläche mit einem variablen Winkel zur Kristallebene zu untersuchen. Die Ober-rnfläche ist in Kontakt mit einer harten Wand, wobei der Kontaktwinkel Θ durchrnein Oberflächenfeld eingestellt werden kann. Wir leiten eine Differenzialglei-rnchung ab, welche das Verhalten der freien Energie der Oberfläche in einemrnanisotropen System beschreibt. Kombiniert mit thermodynamischer Integrationrnkann die Gleichung benutzt werden, um die anisotrope Oberflächenspannungrnüber einen großen Winkelbereich zu integrieren. Vergleiche mit früheren Mes-rnsungen in anderen Geometrien und anderen Methoden zeigen hohe Überein-rnstimung und Genauigkeit, welche vor allem durch die im Vergleich zu früherenrnMessungen wesentlich größeren Simulationsdomänen erreicht wird. Die Temper-rnaturabhängigkeit der Oberflächensteifheit κ wird oberhalb von T R durch diernKrümmung der freien Energie der Oberfläche für kleine Winkel gemessen. DiesernMessung lässt sich mit Simulationsergebnissen in der Literatur vergleichen undrnhat bessere Übereinstimmung mit theoretischen Voraussagen über das Skalen-rnverhalten von κ. Darüber hinaus entwickeln wir ein Tieftemperatur-Modell fürrndas Verhalten um Θ = 90 Grad weit unterhalb von T R. Der Winkel bleibt bis zu einemrnkritischen Feld H C quasi null; oberhalb des kritischen Feldes steigt der Winkelrnrapide an. H C wird mit der freien Energie einer Stufe in Verbindung gebracht,rnwas es ermöglicht, das kritische Verhalten dieser Größe zu analysieren. Die harternWand muss in die Analyse einbezogen werden. Durch den Vergleich freier En-rnergien bei geschickt gewählten Systemgrößen ist es möglich, den Beitrag derrnKontaktlinie zur freien Energie in Abhängigkeit von Θ zu messen. Diese Anal-rnyse wird bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Im letzten Kapitel wirdrneine 2D Fluiddynamik Simulation für Grafikkarten parallelisiert, welche u. a.rnbenutzt werden kann um die Dynamik der Atmosphäre zu simulieren. Wir im-rnplementieren einen parallelen Evolution Galerkin Operator und erreichen

Tailored epoxide monomers as building units for multifunctional poly(ethylene glycol)

Poly(ethylenglykol) (PEG) ist eines der wichtigsten Polymere für pharmazeutische und biomedizinische Zwecke. Dies lässt sich vor allen Dingen auf seine ausgezeichnete Biokompatibilität, seine hohe chemische Stabilität sowie seine sehr gute Wasserlöslichkeit zurückführen. Neben seiner Anwendung in Produkten wie Lebensmitteln und Kosmetika ist PEG vor allem im pharmazeutischen Bereich unersetzlich geworden. Hier dient PEG als Grundlage für Salben, es kommt aber auch in der sogenannten „PEGylierung“ zum Einsatz. Unter PEGylierung versteht man die kovalente Verknüpfung von PEG mit Wirkstoffmolekülen, beispielsweise Proteinen oder niedermolekularen Medikamenten. In der akademischen Forschung sind aber auch PEGylierte Nanopartikel oder durch PEG stablisierte Liposomen für die Applikation im Bereich der Medizin von hohem Interesse. Trotz seiner breiten Verwendung hat PEG zwei entscheidende Nachteile: Zum einen benötigt man gerade im Hinblick auf PEGylierungen viele funktionelle Gruppe, jedoch trägt PEG maximal zwei Hydroxyl-Gruppen (die Endgruppen), die für kovalente Verknüpfungen genutzt werden können. Zum anderen ist PEG nicht in physiologischer Umgebung abbaubar und kann daher in vivo oberhalb eines Molekulargewichts von 40 000 g/mol nicht eingesetzt werden, da sonst eine Ausscheidung über die Niere nicht möglich ist und eine ungewollte Anreicherung im Körper stattfindet.rnDie durch die geringe Anzahl an Endgruppen limitierte Beladungsdichte kann durch das Design neuer Epoxid-Derivate und deren statistischen Einbau in das PEG Rückgrat deutlich verbessert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden drei neuartige funktionelle Oxirane vorgestellt, die systematisch mit Ethylenoxid copolymerisiert wurden, was die selektive Einführung verschiedener funktioneller Gruppen am Polymerrückgrat ermöglicht. Im Vordergrund der Betrachtungen standen die Eigenschaften der neuartigen multifunktionellen (mf)-PEG Copolymere im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten sowie die Verteilung der funktionellen Gruppen (Mikrostruktur) innerhalb des PEG-Rückgrats. Die gezielte Adressierbarkeit der funktionellen Gruppen konnte durch verschiedene Modellreaktionen bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich mit der vorgestellten Synthesestrategie komplexe Hybridmaterialien, beispielsweise metallhaltige Polyether, darstellen lassen. Mit Hinblick auf die biomedizinischen Anwendungen und die Konkurrenz zu etablierten PEG-Hompolymeren, standen die Wasserlöslichkeit und die Toxizität der synthetisierten Materialien im Zentrum weiterer Untersuchungen. Alle dargestellten Polymere zeigten einen Trübungspunkt in Wasser, der sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung und Hydrophobizität der Comonomere über ein weites Temperaturspektrum variieren und somit systematisch einstellen ließ. Die Toxizität der statistischen mf-PEGs lag im Bereich von PEG, was die mf-PEGs interessant für biomedizinische Anwendung macht.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Copolymerisationen verwendet, um über erstmals hergestellte Epoxid-Inimere sauer spaltbare Einheiten in das Polyetherrückgrat einzuführen. Die neuen, verzweigten Strukturen wurden auf die Zersetzung in physiologisch relevantem Milieu untersucht. Die erzielte pH-abhängige Spaltbarkeit, kann für potenzielle Anwendungen beispielsweise in der Krebstherapie, von Vorteil sein.rn

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn