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dc.contributor.advisor Heinrich, Ralf Prof. Dr. de
dc.contributor.author Farca Luna, Abud Jose de
dc.date.accessioned 2012-04-16T14:52:01Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:48Z de
dc.date.issued 2009-01-15 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AD27-5 de
dc.description.abstract Krebse sind bevorzugte Präparationen für neuroethologische Studien zur Verhaltenskontrolle und zur Untersuchung circadianer physiologischer Rhythmen. Ob das in verschiedenen Krebsarten beschriebene stereotype agonistische Verhalten durch circadiane Schrittmacher kontrolliert wird, habe ich Gruppen von parthenogenetisch reproduzierenden Marmorkrebsen (Procambarus spec.) unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen beobachtet. Wie andere Krebse auch, zeigten isolierte Marmorkrebse rhythmische Lokomotionsaktivität unter regelmäßigen Licht-Dunkel-Wechseln (LD12:12), die über neun Tage im Dauerdunkel (DD) aufrechterhalten wurde. Dies deutete auf die Präsenz endogener circadianer Schrittmacherzentren hin, welche die rhythmische Aktivität unter konstanten Bedingungen aufrechterhielten. Isogenetische Marmorkrebsweibchen führten alle typischen Elemente des bei anderen dekapoden Krebsen beschriebenen agonistischen Verhaltens durch und etablierten stabile, weitgehend lineare Hierarchien. Gruppen von jeweils sechs zuvor isolierten Marmorkrebsen führten zunächst hohe Anzahlen agonistischer Interaktionen mit vergleichsweise hoher Intensität durch, in denen der relative Dominanzstatus der Tiere untereinander festgestellt wurde. Mit Etablierung der Hierarchien sanken Anzahl und Intensität agonistischer Interaktionen, da rangniedere Tiere zunehmend Kämpfen mit der ranghöheren Tieren auswichen. Eine individuelle Analyse der agonistischen Aktivität innerhalb der Krebsgruppen zeigte, dass das absolut dominante Individuum an etwa der Hälfte aller Kämpfe beteiligt war und die meisten dieser Konfrontationen selbst initierte. Unter LD12:12 Bedingungen war die agonistische Aktivität der Gruppe genau mit dem 24 Stunden Rhythmus des Lichtwechsels synchronisiert, wobei der Beginn der Perioden mit erhöhter agonistischer Aktivität dem Licht-an Stimulus folgte und dem Licht-aus Stimulus antizipatorisch vorausging. Nach Wechseln zu konstanter Dunkelheit (DD) trat eine erhöhte agonistische Aktivität nur noch zum Zeitpunkt des vorherigen Beginns der Dunkelphase auf. Ein circadianer Rhythmus dieser Aktivität wurde über die gesamte Beobachtungsdauer von vier Tagen in DD mit einer durchschnittlichen Periodendauer von 24,83 ± 1.22 Stunden aufrechterhalten. Im Gegensatz zur rhythmischen Aktivität der untersuchten Gruppen zeigte nur der absolut dominante Flusskrebs einen signifikanten endogenen Rhythmus seiner agonistischen Aktivität. Subordinate Krebse beteiligten sich, je nach Rang in der Hierarchie nur an 19,4 bis 0,03% der gesamten agonistischen Interaktionen und zeigten dabei keinen statistisch signifikanten Rhythmus. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass neben der Lokomotion isolierter Krebse auch das von mindestens zwei Individuen abhängende agonistische Verhalten von Marmorkrebsen durch endogene circadiane Schrittmacher kontrolliert wird, die durch den exogenen Lichtwechsel synchronisiert werden. Krebse und Insekten sind zwar phylogenetisch verwandte Gruppen, zeigen aber Unterschiede in der funktionellen Organisation ihrer zirkadianen Systeme. Bei Krebsen scheinen mehrere, miteinander wechselwirkende lokale Schrittmacher vorzuliegen, die zumindest teilweise in den optischen Loben lokalisiert sind. Insekten scheinen dagegen ein zentralisierteres circadianes System zu haben, deren Hauptkomponenten in einem spezialisierten Neuropil in den optischen Loben zusammengefasst sind, der Akzessorischen Medulla (AMe). Die AMe der Insekten ist durch Neurone innerviert, die das Neuropeptid Pigment Dispersing Factor (PDF) exprimieren und deshalb PDFMe genannt werden. PDF ist dem Crustacean Pigment Dispersing Hormone (PDH), homologe das bei Krebsen in verschiedene Neuronen exprimiert wird. Mit Hilfe der Immunohistochemie und Backfill Technik konnte ich im Hirn des Marmorkrebses Strukturen identifizieren, die möglicherweise ähnlich zu Schrittmachern den optischen Lobus der Insekten sind. In diese Arbeit wurde das gesamte PDH Neuronensystem im Augenstiel und Hirn des Marmorkrebsens identifiziert, wobei die Ergebnisse auf dreifach PDH-immunoreaktive Gruppen hinweisen, die aufgrund Homologie Kriteriums der ähnlichen Position und spezifischen Qualität homolog zum den Insekten PDFMe homologe zu sein scheinen. Trotzdem wurde keine ähnlich Struktur zu den Insekten AMe gefunden, was darauf hinweist dass die Insekten AMe eine neue Struktur der optische Lobe ist, die nicht in den gemeinsamen Vorfahren der Insekten und Krebsen präsent war. Diese Arbeit öffnet eine neue Sicht auf die Evolution des zirkadianischen Systems der Arthopoda und liefert neue Information über den möglichen Sitz der zirkadianischen Schrittmacher in Krebsen. Melatonin, der klassische Zeitsignal Botenstoff der Saugetiere, ist in den meisten aller untersuchten Organismen präsent. Der Biosynthese Weg des Melatonins umfasst als Zwischenstufen die Indolamine Serotonin (5-HT) und N-acetylserotonin (NAS), welche aus 5-Hydroxytryptophan synthetisiert werden. Serotonin spielt eine wichtige Rolle in verschiedene Funktionen bei Vertebraten und Wirbellosen. Trotzdem, sind die Kenntnisse über Invertebraten N-acetylserotonin relative begrenzt, und auch für Melatonin werden weitere Analyse benötigt um genauere Aussagen über seine Funktionen treffen zu konnen. In dieser Arbeit wurde ein ELISA Protokoll adaptiert um rund um die Uhr (in LD12:12) Melatonin, N-acetylserotonin und Serotonin aus Hirn und Augenstiel des Marmorkrebses Procambarus spec. zu messen. Serotonin wurde durchschnittliche Konzentrationen von 21,05 ± 0,93 ng/ml im Hirn und 6,75 ± 0.36 (mean ± SEM) ng/ml im Augenstiel gefunden. Die NAS Konzentrationen waren, mit 5,65 ± 0,29 ng/ml im Hirn und 3,12 ± 0,23 ng/ml im Augenstiel etwas kleiner als die von Serotonin. Auffälliger weise wurde Melatonin in einer 1000 mal niedrigeren Konzentrationen als NAS detektiert, im Hirn 30.82 ± 1,61 und in Augenstiel 21,66 ± 1,54 pg/ml. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Minima und den Maxima des Melatonins und Serotonins in einem Tages Zyklus wurden in beide Strukturen gefunden. Die NAS Konzentrations-unterschiede waren in beiden Strukturen nicht Signifikant gefunden. Mittels Cosinor Analyse wurde keine signifikante (p ≤ 0.05) Abweichung von einer Sinuskurve mit 24 Stunden Periodenlänge gefunden, wenngleich einige Werte nahe der Signifikanzschwellelagen. Diese Ergebnisse fordern zu den Annahmen nach der Biosynthese Weg des Melatonins im Nervensystem der Arthropoda, bzw. der Flusskrebs Procambarus spec. Die vorliegende Arbeit misst zum ersten mal NAS in Arthropoden und liefert neue Erkenntnis über den metabolische Wege der Melatonin Synthese in Wirbellosen. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/ de
dc.title Possible Influences of Circadian Melatonin on the Function of Neurosecretory Neurons and Serotonin-Modulated Behavior on Crayfish. de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Mögliche Wirkungen von zirkadianische Melatonin in der Funktion der neurosekretorische Neuronen und Serotonin modulierte Verhaltens in Flusskrebse de
dc.contributor.referee Hardeland, Rüdiger Prof. Dr. de
dc.date.examination 2008-10-17 de
dc.subject.dnb 570 Biowissenschaften, Biologie de
dc.description.abstracteng Crustaceans have frequently been used to study the neuroethology of diverse function as agonistic behavior and circadian rhythms. Whether the highly stereotyped and quantifiable agonistic activity in crustaceans is controlled by circadian pacemakers has so far not been investigated. In order to address this question, I introduce the marbled crayfish (Procambarus spec.), an easy to breed parthenogenetic decapod crustacean of unknown regional origin, as a new preparation for neuroethological studies. Isolated marbled crayfish displayed rhythmic locomotor activity under 12 hours light-12 hours darkness (LD12:12) and rhythmicity persisted after switching to constant darkness (DD) for nine days, suggesting the presence of endogenous circadian pacemakers. Isogenetic females of parthenogenetic marbled crayfish displayed all behavioral elements known from agonistic interactions of previously studied decapod species including the formation of hierarchies. Previously isolated marbled crayfish initially displayed high numbers of agonistic encounters during the first hour of their co-habitation in groups of six animals. With the formation of hierarchies, the frequency of agonistic encounters was reduced to low levels. Group agonistic activity was entrained to periods of exactly 24 hours under LD12:12 and peaks of agonistic activity coincided with light-to-dark and dark-to-light transitions. After switching to DD, enhanced agonistic activity was only observed at times corresponding with light to dark transitions during the preceding three days in LD 12:12. During four days under DD, agonistic activity remained rhythmic with an average circadian period of 24.83 ± 1.22 h in all crayfish groups tested. Analysis of individual agonistic activities revealed that the most dominant crayfish participated in more than half of all agonistic encounters within the group and initiated most of them. Only the most dominant crayfish revealed clear endogenous rhythmicity in their agonistic behavior. Subordinate individuals, depending on their social rank, initiated only between 19.4 and 0.03 % of all encounters in constant darkness and displayed no statistically significant rhythmicity. The results indicate that both, locomotion and agonistic social interactions are rhythmic behaviors of marbled crayfish, which are controlled by light-entrained endogenous pacemakers. The availability of isogenetic populations of marbled crayfish may foster the future analysis of these pacemakers in crustaceans. Crustaceans and insects appear to be sister groups, but their circadian systems seem to differ in degrees of centralization of pacemaker centers in their brains. However, also in Crustacea at least part of the circadian control resides in the optic lobes. In insects, optic lobe pacemaker neurons reside in a specialized neuropil, the accessory medulla (AMe). The insect AMe is innervated by neurons expressing the neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF), and because of that it is known as PDFMe. PDF is homologous to the crustacean pigment-dispersing hormone (PDH), which in crustacea is expressed in a variety of brain neurons. With combined immunocytochemical and backfill studies, I identified neural structures in the marbled crayfish that probably correspond to the insect optic lobe circadian pacemaker. In this work, the PDH-expressing neuron system of the crayfish was studied in eyestalks and brain, and results show a tripartite PDH-ir neuron cluster that appeared to be homologous to the insect PDFMe according to the homology criteria of similar position and neurochemical quality. However, I did not find a structure comparable to the insect AMe, thus leading to the assumption, that the insect AMe is a newly attained structure in the evolution of the insect optic lobe, which was not present in the common ancestor of crustaceans and insects. This work opens first insights into the evolution of the arthropod circadian system and presents new valuable information about the location of circadian pacemakers in crustaceans. Melatonin, the classical time messenger of vertebrates, is present in most organisms studied so far. In the melatonin biosynthetic pathway, the indoleamines serotonin (5-HT) and N-acetylserotonin (NAS) are formed from 5-hydroxytryptophan. Serotonin is important for a variety of functions, in both vertebrate and invertebrate animals. In contrast, the knowledge about potential functions of N-acetylserotonin and melatonin in invertebrates is relatively limited. In this work, I adapted an ELISA procedure for the analyses of crustacean tissues, in order to measure serotonin, N-acetylserotonin and melatonin in the brain and eyestalks of the marbled crayfish Procambarus spec. over a complete daily cycle (LD12:12). Serotonin showed mean levels in the range of 21.05 ± 0.93 ng/ml in brains and 6.75 ± 0.36 (mean ± SEM) ng/ml in eyestalks. NAS concentrations were slightly lower than those of serotonin with 5.65 ± 0.29 ng/ml in brains, and 3.12 ± 0.23 ng/ml in eyestalks. Strikingly, melatonin showed levels 1000 times lower than NAS, in brains 30.82 ± 1,61 and in eyestalks 21.66 ± 1.54 pg/ml. Significant changes between minima and maxima over one day cycle were found for serotonin and melatonin levels in both central nervous structures. NAS differences were not significant in both structures, but in eyestalks they were very close to significance. Cosinor analysis did not show a significant (p ≤ 0.05) fit to a sinusoid with a period of 24 h, but significance was close to be reached in some cases. These results enable some assumptions about the biosynthesis of melatonin in the nervous system of arthropods, specifically in the crayfish Procambarus espec. This is the first time that NAS is measured in arthropods and provides new insights into metabolic pathways that form melatonin in invertebrates. de
dc.contributor.coReferee Reischig, Thomas Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger Tagesrrhytmus de
dc.subject.ger schrittmacher de
dc.subject.ger serotonin de
dc.subject.ger melatonin PDF de
dc.subject.ger Marmorkrebs de
dc.subject.ger agonistisch de
dc.subject.eng circadian de
dc.subject.eng pacemaker de
dc.subject.eng serotonin de
dc.subject.eng melatonin PDH de
dc.subject.eng crayfish de
dc.subject.eng agonistic de
dc.subject.bk 42.15 42.17 42.18 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2000-4 de
dc.identifier.purl webdoc-2000 de
dc.affiliation.institute Biologische Fakultät inkl. Psychologie de
dc.subject.gokfull WE 000: Biologische Rhythmen, Chronobiologie {Biologie} de
dc.identifier.ppn 59929664X de

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