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Heiss, E. (2010). Functionality and plasticity of turtle-feeding with special emphasis on oropharyngeal structures. Unpublished thesis , Universität Wien, Wien.
Added by: Admin (29 Jan 2012 12:38:49 UTC) |
| Resource type: Thesis/Dissertation BibTeX citation key: Heiss2010a View all bibliographic details  |
Categories: General Keywords: Cuora, Cuora amboinensis, Cuora flavomarginata, Cuora galbinifrons, Ernährung = nutrition, Geoemydidae, Kinosternidae, Manouria, Manouria emys, Morphologie = morphology, Physiologie = physiology, Schildkröten = turtles + tortoises, Sternotherus, Sternotherus minor, Sternotherus odoratus, Testudinidae Creators: Heiss Publisher: Universität Wien (Wien) |
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| URLs http://othes.univi ... -05-03_9916754.pdf |
| Abstract |
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Feeding plays a critical role in survival, making the contribution of the feeding system to fitness substantial. As turtles show a great diversity in their ecology – they span the range from fully aquatic to fully terrestrial with all possible variations in between – they are especially interesting for studying morphological, kinematic, and behavioural changes that have been taken place during the transition from water to land in tetrapod evolution. Previous studies on aquatic and terrestrial turtles showed a correlation between phylogeny, feeding mode, and oropharyngeal morphology. This means that the oropharyngeal anatomy both enables and constrains the food uptake potential. A purely aquatic turtle is therefore unable to feed on land, and a terrestrial turtle cannot take up food underwater. It is generally accepted that the ancestor of all living turtles was aquatic. Terrestrial feeding biology in extant turtles therefore is derived rather than ancestral. This study compares the oropharyngel morphology, feeding behaviour, and kinematic profiles of five extant turtle species. The five species represent one aquatic (Sternotherus odoratus), three amphibious (Cuora amboinensis, C. flavomarginata, C. galbinifrons) and one terrestrial (Manouria emys) form. Anatomical methods including dissection, histology, scanning electron microscopy (SEM), and computed tomography (CT) revealed that the design of the feeding apparatus differs considerably not only between distantly related species (e.g. S. odoratus vs. M. emys) but also within species of the same genus (Cuora sp.). This interspecific plasticity of the feeding apparatus reflects adaptations to various trophic niches. This also allows us to interpret the micro- and macroanatomical patterns that have been taken place during the transition from an aquatic to a terrestrial lifestyle. Analogous to the differences in morphology, differences were also found in feeding behaviour and kinematics by analysing high-speed recordings. While the aquatic kinosternid S. odoratus can grasp food items on land but is unable to finalise feeding events out of the water, the geoemydid Cuora spp. are trophically well adapted to both environments, even if they show varying tendencies to one or the other medium. The testudinid M. emys by contrast is terrestrial and has lost the ability to take up food underwater, despite all efforts. The results of this study imply that even minor changes in the morphology of the feeding apparatus can lead to significant changes in its function, potentially resulting in ecological shifts. Consequently, a shift from aquatic to terrestrial or partly terrestrial lifestyle has developed at least three times independently amongst turtles. The intermediate character of the species selected for this study allow a theoretical step-by-step reconstruction model of the evolution of terrestrial lifestyle in turtles, based on the evolution of terrestrial feeding biology. Zusammenfassung Ohne Zweifel spielt die Effizienz der Nahrungsaufnahme eine zentrale Rolle im Überlebenspotential einer Tierart. Schildkröten zeichnen sich nicht nur durch ein stammesgeschichtlich extrem hohes Alter, sondern auch durch eine bemerkenswerte ökologische Heterogenität aus. Sie beinhalten von rein wasserlebenden Formen bis hin zu Wüstenbewohnern alle erdenklichen Zwischenstufen. Diese Tatsache macht sie für die Erforschung der Evolution terrestrischer Lebensweisen in Tetrapoden besonders interessant, va. morphologische und kinematische Veränderungen in der Biologie der Nahrungsaufnahme betreffend. Frühere Studien an Tetrapoden – und speziell an Schildkröten – konnten einen Zusammenhang zwischen Phylogenie, Art der Nahrungsaufnahme und oropharyngealer Morphologie aufzeigen. Morphologische Gegebenheiten erlauben bestimmte Arten der Nahrungsaufnahme, bzw. limitieren andere. Eine rein aquatische Schildkröte z.B. kann keine Nahrung an Land aufnehmen, genauso wie eine rein terrestrische Schildkröte nicht mehr unter Wasser fressen kann. Da alle heute lebenden Schildkröten von aquatischen Formen abstammen, muss die terrestrische Lebensweise dieser Ordnung sekundär entstanden sein. In diesem Zusammenhang werden in der vorliegenden Studie die Morphologie des oropharyngealen Systems, genauso wie das Fressverhalten und daraus resultierende kinematische Profile fünf selektierter Schildkrötenarten vergleichend untersucht. Bei den ausgesuchten Arten handelt es sich um die rein aquatische Sternotherus odoratus, drei amphibisch lebenden Cuora-Arten (Cuora amboinensis, C. flavomarginata, C. galbinifrons) und die terrestrische Art Manouria emys. Mit Hilfe mikro- und makroanatomische Verfahren wie Sektion, Histologie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Computertomographie konnten detaillierte morphologische Beschreibungen, genauso wie funktionelle Vergleiche erstellt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Bauplan des Nahrungsaufnahme- Apparates sich nicht nur bei weit entfernt verwandten Arten stark voneinander unterscheidet (z.B. S. odoratus vs. M. emys), sondern große Unterschiede auch innerhalb nur einer Gattung vorkommen (Cuora sp.) können. Diese interspezifische Plastizität im Design des Nahrungsaufnahme-Apparates spiegelt die Anpassung der Arten an unterschiedliche trophische Nischen wieder und erlaubt auch ein Erkennen von mikro- und makroanatomischen Mustern, welche im Laufe der Evolution der terrestrischen Lebensweise aus funktioneller Notwendigkeit entstanden sind. Analog zu den morphologischen Unterschieden konnten durch die Analyse von high-speed-Filmaufnahmen auch klare Abweichungen im Verhalten und kinematischen Profil zwischen den Arten bei der Nahrungsaufnahme gezeigt werden. So kann die Schildkröte S. odoratus (Familie Kinosternidae) zwar an Land Futterstücke mit den Kiefern ergreifen, um den gesamten Fressvorgang vollenden zu können ist diese Art aber auf ein aquatisches Milieu angewiesen. Die amphibisch lebenden Cuora Arten (Familie Geoemydidae) hingegen sind sehr gut sowohl an ein aquatisches wie auch terrestrisches Milieu angepasst und sind befähigt in beiden Medien Nahrung aufzunehmen, auch wenn innerhalb des Cuora Arten-Komplexes verschiedene Habitatpräferenzen festzustellen sind. Im Gegensatz dazu hat die terrestrische Schildkrötenart M. emys im Laufe der Evolution ihre Fähigkeit verloren unter Wasser zu fressen, auch wenn ihre Lebensweise noch stark amphibischen Charakter aufweißt. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst kleine Veränderung in der Morphologie des Nahrungsaufnahmeapparates große Veränderungen in seiner Funktion mit sich bringen können, was u. U. zu ökologischen Verschiebungen („ecological shifts“) führen kann. Folglich wird gezeigt dass eine Verschiebung von primär aquatischer- hin zu primär terrestrischer Lebensweise in modernen Schildkröten mindestens dreimal unabhängig voneinander entstanden ist. Schlussendlich erlaubt der intermediäre Charakter der untersuchten Schildkrötenarten eine stufenweise Rekonstruktion evolutionärer Vorgänge, die im Laufe der Veränderung von aquatischen bis hin zu terrestrischen Schildkröten stattgefunden haben – basierend auf der Evolution einer terrestrischen Nahrungsaufnahme.
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