Algendiät


Einleitung
Karotinoid-basierte Färbung ist bekannt als eines der größeren geschlechtlichen Signale bei Tieren (Andersson. 1944; Olson & Owens, 1998). Da Tiere wiederum Karotinoide nicht synthetisieren können, müssen sie Karotinoide aus der Nahrung, wie aus Pflanzen und Algen, gewinnen (Mayne, 1996; Olson & Owens, 1998). Daher wird eine karotinoid-basierte Färbung als untrügliches Zeichen für die Fähigkeit zur Nahrungssuche angesehen und signalisiert die Überlegenheit des Individuums. Und in der Tat werden Individuen mit der auffälligsten karotinoid-basierten Färbung vom entgegen gesetzten Geschlecht als die besten Partner bei einer Vielzahl von Vögeln und Fischen ausgewählt (Hill, 1991; Johnson et al., 1993; Bakker & Mundwiler, 1994; Wedekind et al., 1998; CVraig % Foote, 2001). Darüber hinaus beeinflusst eine auffällige karotinoid-basierte Färbung häufig den männlichen Konkurrenzkampf um Partner und andere Ressourcen (Evans & Norris, 1996; Pryke et al., 2002). Weiter , da Parasiten die Gesundheit des Wirts ebenso beeinflussen wie die karotinoid-basierte Färbung, zeigt die Pracht karotinoid-basierter Färbung auch die Fähigkeit eines Individuums zur Parasitenabwehr an (Milinski & Bakker, 1990; Lozano, 1994; Skarstein & Folstad, 1996; McGraw & Hill, 2000). Andererseits haben Karotinoide verschiedene biologische Funktionen bei Tieren, und der Betrag an Nahrungs-Karotinoiden beeinflusst eine Vielzahl physiologischer Prozesse, wie Nerven, Immunsystem, Nahrungstrakt, enokrine und reproduktive Systeme ( Krinsky et al., 1989; Olson, 1993; Olson & Owens, 1998; Blount et al., 2002). Zum Beispiel spielen Karotinoide eine wichtige Rolle bei der Absorption freier Radikale und, daher, auch bei der Krebsverhütung (Burtun & Ingold, 1984; Bendich, 1993; Mayne, 1996). Daher nehmen Tiere notwendigerweise Karotinoide auf und der größere Anteil der Karotinoid-Aufnahme kann ihre physiologischen Systeme unterstützen. Das bedeutet, dass karotinoid-basierte Färbung die Fähigkeit zur Nahrungssuche von karotinreichem Futter widerspiegelt und, dass die Aufnahme von Karotinoiden nicht nur zur geschlechtlichen Attraktivität der Männchen beiträgt, sondern auch die gesundheit und Vitalität beider Geschlechter fördert. Wenn die Fähigkeit zur Nahrungssuche bei den Nachkommen von ihren Vätern vererbt wird, können die Weibchen indirekte Vorteile gewinnen, indem sie ihre Partner aufgrund der Färbung auswählen und so attraktive Söhne bekommen und Vitalität und Gesundheit für ihren Nachwuchs erhalten. Jedoch ist nchts über den Einfluss der karotinoidhaltigen Nahrung sowohl auf die männlichen Geschlechtsornamente als auch auf andere Fitness-Komponenten, wie Wachstum und Reproduktion, bekannt. Um diese Vorhersage zu prüfen, haben wir den Einfluss von Algen-Aufnahme auf karotinoide Färbung, Wachstum und Reproduktion beim Guppy (Poecilia reticulata) untersucht. Guppys sind lebend gebärende Fische aus den Bächen und Flüssen Südamerikas (Houde, 1997). Guppys zeigen eine bemerkenswerte geschlechtliche Unterscheidung: die Männchen besitzen auffallende orange, schwarze und iridisierende Farbflecke auf Körper und Kaudale. Es ist allgemein bekannt, dass die Guppyweibchen ihre Partner aufgrund auffälliger oder großer orangener Flecken auswählen (Houde, 1987; Kodric-Brown, 1989; Houde & Endler, 1990). Kodric (1989) fand heraus, dass die Auffälligkeit der orangenen Färbung der männlichen Guppys vom Betrag der Nahrungs-Karotinoide abhängt. In ihren natürlichen Habitaten erlangen die Guppys Karotinoide hauptsächlich durch Algen in flachem Wasser, und Algen kommen bekanntermaßen in der natürlichen Umgebung, in der Guppys leben, in geringem Maße vor (Endler, 198o; Dussault & Kramer, 1981; Grether et al., 1999). Außerdem haben Houde & Torio (1992 die Wirkung von parasitärer Infektion auf die orange Färbung männlicher Guppys dokumentiert: bei befallenen Männchen nahm die Auffälligkeit der orangenen Färbung ab. Daher zeigt die orangene Färbung bei männlichen Guppys vermutlich sowohl die Fähigkeit zur Nahrungssuche als auch Widerstand gegen Parasiten an. In der vorliegenden Studie untersuchten wir die Einnahme von Algen und Karotinoiden auf Wachstum und Reproduktion, und auf die orangene männliche Färbung. Wir führten drei Behandlungen von aufgesplitteten Wurfexperimenten durch, um zu prüfen: (1) die Wirkung von Algen-Aufnahme, (2) die Wirkung von Karotinoid-Ergänzung, (3) die Wirkung der Futterbetrags-Aufnahme ohne Algen- und Karotinoid-Ergänzungen. Wenn die Algen- oder Karotinoid-Aufnahme nicht nur die männliche orangene Färbung begünstigt, sondern auch das Wachstum und die Reproduktion, hieße das, dass die Weibchen indirekt von der Partnerwahl, aufgrund der orangenen Färbung, profitieren.

Methoden
Versuchstiere

Wir benutzten Guppys einer wilden Population aus dem Hiji Fluß (26°43’N, 128°11’E) auf der Insel Okinawa, Süd-Japan. Es ist bekannt, dass Guppys, wenn sie in neue Habitate umgesiedelt werden, flexibel die Auffälligkeit der männlichen Merkmale, die weiblichen Präferenzen und Merkmale ihrer Lebensgeschichte ändern (Endler, 1980; Reznicketal., 1990). Dies geschieht innerhalb mehrerer Jahre, entsprechend der neuen Umgebung (Endler, 1980; Houde, 1997). Guppys wurden in den 1970ern nach Okinawa eingeführt (Kouchi, 1997), und so mögen sie natürlicher und geschlechtlicher Selektion während einer ausreichend lange Periode unterworfen worden sein, um sich an diese neuen Habitate zu gewöhnen. Zum Beispiel ist die Größe der orangenen Flecken der Männchen unter den Individuen höchst variabel innerhalb der Population (Karino & Haijima, 2001), und die Grade der Fleck-Größe und der individuellen Variation der Fleck-Größe sind denen der einheimischen Populationen ähnlich (cf. Houde & Endler, 1990; Winemiller et al., 1990; Houde, 1992). Hinzugefügt sei, dass die Weibchen dieser Population auch Partner-Präferenzen für orangene Färbung zeigen (Karino & Shinjo, unpubl. Data).

Im März 2000 und März 2001sammelten wir Guppys vom Hiji Fluss. Die gesammelten Proben und deren Nachkommen wurden in 40 – 60 l Aquarien, mit zirkulierendem Wasser von 26-28° und einem 12:12 Licht-Dunkelheits-Verlauf im Laboratorium aufgezogen. Wir benutzten die zweite und dritte Nachwuchs-Generation wildgefangener Individuen Für die Experimente.

Experimentale Ausrüstung

Körpergröße und die Größe der orangenen Flecken sind in dieser Guppy Population Hoch vererbbare Merkmale (Karino & Haijima, 2001). Um den genetischen Effekt zu minimieren, unterteilten wir die Vollgeschwister eines Wurfes für jedes Experiment in zwei Gruppen. Guppys werden intern befruchtet. Um Voll-Geschwister zu erhalten, mussten wir die Befruchtung kontrollieren und jungfräuliche Weibchen 4-5 Wochen nach der Geburt getrennt von den Männchen halten. Vier Monate nach der Geburt wurde ein jungfräuliches Weibchen und ein vorgegebenes Männchen in ein Aquarium gesetzt, bis das Weibchen befruchtet war. Die Nachkommen eines einzelnen Wurfes wurden 5 Wochen in einem Aquarium aufgezogen Und zweimal täglich mit frisch geschlüpften Salzwassergarnelen-Nauplien und käuflichem Futter gefüttert. Fünf Wochen nach der Geburt entwickelten die Jungfische die sekundären Geschlechtsmerkmale, wie das männliche Gonopodium (die Analflosse wandelte sich in ein spermientransportierendes Organ um), und das Geschlecht eines jeden Individuums konnte aufgrund dieser Merkmale bestimmt werden. Die Fische wurden mit einer 2-phenoxyethanol-Lösung anästhetisiert und individuell durch subkutane Injektionen eines fluoriszierenden Elastomers (Nordwest Marine Technologie) Markiert. Als Experimentellen Apparat benutzten wir ein Aquarium (30x16x14 cm) für jeden Wurf. Das Aquarium wurde in der Mitte durch eine undurchsichtige Plastikwand in zwei Abteilungen unterteilt. Die Wand hatte ein Fenster (10x7,5 cm) und das Fenster war mit einem feinen Netz verschlossen. Dieses Fenster erlaubte die Wasserzirkulation zwischen den beiden Abteilungen, um so die die Umgebungseinwirkungen durch die Behandlung auf die Fische zu minimalisieren (z. B: die Sauerstoffversorgung durch Algen), sie verhinderte aber sowohl Fisch- als auch Futter- Bewegungen zwischen den Abteilen. Die Vollgeschwister aus einem einzelnen Wurf wurden in zwei Gruppen unterteilt; jede Gruppe bestand aus 3 Männchen und 2 Weibchen. Eine Fischgruppe wurde in eine Abteilung des Aquariums platziert und die andere in die zweite Abteilung des gleichen Aquariums. Sie wurden in diesem Aquarium 3 Monate aufgezogen. Während dieser Experimental-Periode wurden zwei Gruppen eines einzelnen Wurfes mit einer unterschiedlichen Qualität oder einer unterschiedlichen Menge gefüttert. Wir säuberten das Innere des Aquariums und wechselten das Wasser einmal innerhalb von 4 bis 7 Tagen, und gaben Algen-Wachstums-Unterdrücker (S-3; Nisso) ins Wasser, um das Algenwachstum im Aquarium zu verhindern. Zu Beginn und am Ende des Experiments maßen wir die Körpergröße (Standardlänge; SL) eines jeden Individuums mit einer Mess-Schiene bis auf o,1 mm. Die Fische wurden zur Messung in einer 2-phenoxyethanol-Lösung anästhetisiert. Da die Weibchen dieser Population Männchen mit größerer wahrnehmbaren Größe vorziehen (Karino & Matsunaga, 2002), maßen wir auch die Gesamtlänge (TL) der Männchen. Wir maßen auch die orangenen Flecken der Männchen am Ende des Experiments, da Guppymännchen ihre sekundären geschlechtlichen Merkmale ungefähr 4 Monate nach der Geburt voll ausprägen. Wir speicherten sowohl die rechte als auch die linke Seite der anästhetisierten Männchen mit einer Digital Kamera (Nikon Coolpix 950). Die Distanz der Kameralinse zu demFisch war auf 10,0 cm eingestellt, und der Lichtwinkel (Tokin 23 Watt) wurde auch fixiert. Wegen der Kalibrierung wurden Skala und Farbplättchen im Hintergrund des Fisches abgebildet. Wir anästhetisierten den Fisch mit 2-phenoxyethanol-Lösung so leicht wie möglich und Vermaßen sie, sobald sie ihre Bewegung einstellten, da bei stark anästhetisierten Fischen schwarze Flecke an Größe zunehmen und Teile der orangenen Flecke verdecken könnten (Houde, 1992). Einige Männchen sprangen aus dem Aquarium und starben während die Körpergröße gemessen und die Digitalaufnahmen gemacht wurden; in solchen Fällen schlossen wir die Daten von der Analyse der orangenen Fleckmuster aus. Die aufgenommenen Bilder wurden in einen Macintosh Computer gespeist und mit Photoshop 6.0 (Adobe) analysiert. Wir zählten die Zahl der orangenen Flecken sowohl auf dem Körper als auch auf dem Schwanz (Kaudale) der rechten und linken Seite des Männchens. Wir maßen auch die Fläche aller orangener Flecken auf Körper und Schwanz sowohl als totale Körper . als auch Schwanz-Fläche. Um die Färbung der orangenen Flecke zu quantifizieren, maßen wir Farbton (°), Sättigung (%) und Helligkeit (%) von sechs Punkten eines jeden Flecks, und kalkulierten den Durchschnitt dieser sechs Punkte als Wert eines jeden Fleckes. Wir führten diese Farb-Quantifizierung für alle orangenen Flecke am Körper und Schwanz, sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite, der Männchen aus (see Karino & Haijima, 2001 for a detailed method). Zur statistischen Analyse wurde die Gesamtfläche orangener Flecke auf Körper und Schwanz durch die Gesamtfläche von Körper und Schwanz dividiert, um die relative orangene Fleck-Fläche zu erhalten. Die Zahl und die relative Fläche orangener Flecke wurde zwischen der rechten und der linken Seite des Fisches gemittelt. Farbton, Sättigung und Helligkeit der orangenen Flecke wurden ebenso für alle Flecken des Fisches gemittelt. Zusätzlich, um den Grad der Ausprägung der orangenen Flecke der Männchen im früheren Stadium zu quantifizieren, verglichen wir das digitale Kamerabild des Männchens einen Monat nach dem start des Experiments mit dem zum Ende des Experiments. Dann machten wir eine Rangliste der Ausprägung der orangenen Flecke des Männchens nach einem Monat wie folgt: 2, alle Flecke waren ausgeprägt; 1, einige Flecke waren ausgeprägt, aber andere waren noch nicht ausgeprägt; 0, kein Fleck war ausgeprägt. Wir beobachteten den Fisch im Aquarium jeden Tag und hielten die Daten fest, wann das Weibchen seinen ersten Nachwuchs bekam. Wenn das Weibchen seinen nächsten Wurf während der Experiments-Periode hatte, hielten wir auch diese Daten fest und kalkulierten den Zeitraum zwischen dem ersten und dem zweiten Wurf. Wir führten die 3 folgenden Experimente durch, um die Wirkung der Ernährung auf das Wachstum der Männchen und Weibchen, die orangenen Fleckmuster des Männchens und den Nachwuchs der Weibchen zu prüfen.

Experiment 1 Um den Effekt von Algen-Nahrung zu untersuchen wurde eine Gruppe eines einzelnen Wurfes mit algenhaltiger Nahrung gefüttert und eine andere ohne Algen (Kontrolle), jedoch erhielten die Fische beider Gruppen den gleichen Energiebetrag an Futter. Um Algen gleicher Qualität zu erhalten., hängten wir ein feines Plastik Geflechtsstück (8x8 cm) vier Wochen lang in einen Behälter mit entchlortem Wasser und Wasser des Originalflusses. Das Geflechtsstück war nach 4 Wochen gleichmäßig mit einzelligen grünen Algne bedeckt( S. Mayama und A. Kuriyama, pers. Comm.). Diese Algen waren als wichtige Karotinoid Guppyressource bekannt (Dussault & Kramer, 1981; Grether et al., 1999). In einem vorhergehenden Experiment wuschen wir alle Algen vom Geflechtsstück und Maßen das Trocken – und Nassgewicht der Algen (durchschnittlich +- SE; 557.4 +- 40.3 mg und 69.5 +- 5.0 mg, N= 35) eines einzelnen Geflechtsstückes. Dann gaben wir ein anderes mit Algen bedecktes Geflechtsstück zusammen mit einer bestimmten käuflichen Futtermenge (Tetramin; rohes Protein =46%, rohes Fett =8%, roher Ballaststoff 2 %, rohe Asche = 11%; Tetrawerke) zwei Tage lang an 5 einzelne Guppys.

Wir maßen das Nassgewicht des Geflechtsstückes mit Algen vor und nach der Darreichung an die Guppys. Dann kalkulierten wir das Dekrement des Algen-Naßgewichts, dass die Guppys innerhalb der beiden Tage aufnahmen (85.8 +-2.2 mg, N=35) und schätzte das Trockengewicht (10.7 +- 0.3 mg) nach den oben angeführten Daten. Die Energie der Algen und des käuflichen Futters wurden durch das Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute gemessen (17600 J/g und 20160 J/g; Trockengewicht; durchschnittliche Werte aus 10 Beispielen). Aus den Ergebnissen des vorangegangenen Experiments glichen wir die Menge des käuflichen Futters dem Gesamtbetrag der aufgenommenen Energie jedes einzelnen Guppys (241.9 J/Tag) für die Algen-Ergänzungs-Gruppen (Algen auf dem Geflechtsstück und käufliches Futter) als auch die Kontrollgruppen (nur käufliches Futter) an. Wir wiederholten dieses Experiment bei 20 Würfen.

Experiment 2

Um den Einfluss der Karotinoid Aufnahme durch Guppys zu untersuchen, wurde während der Experiments-Periode eine Gruppe eines einzelnen Wurfes mit käuflichem Futter mit Karotinoid (Karotinoid-Ergänzung) gefüttert und eine andere Gruppe nur mit käuflichem Futter (Kontrolle) gefüttert. Bei diesem Experiment benutzten wir ein anderes käufliches Futter (CE-2; Rohprotein=25 %, Rohfett = 5 %, Rohballaststoffe = 4 %, Rohasche = 7 %, Clea Japan) als in Experiment 1, weil dieses Futter kein Karotinoid enthielt. Aus diesem Grund erwarteten wir, dass wir den Effekt von experimenteller Karotinoid- Ergänzung klar bebochten könnten. Im vorhergehenden Experiment versuchten wir einige Karotinoid-Arten und deren Kombinationen. Dann wählten wir die Kombination von 100 ppm ß-Karotin mit 50 ppm Lycopen als Karotinoid Ergänzung für 5 einzelne Guppys, da diese Kombination am klarsten die männliche Orangefärbung beeinflusste. Die Energie des kommerziellen Futters mit Karotinoid Ergänzung und das ohne Karotinoid Ergänzung besaß 19010 J/g und 19030 J/g (Durchschnittswert für 10 Beispiele; Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institude). Wir fügten die Futtermenge der Gesamt-Energie-Einnahme der Fische sowohl den Karotinoidergänzungs-Gruppen als auch den Kontroll-Gruppen hinzu (228.4 J/Tag für ein Individuum). Wir wiederholten dieses Experiment an 21 Würfen.

Experiment 3

Zum Schluß prüften wir den Einfluss der Menge gleichen Qualitätsfutter ohne Algen oder Karotinoid-Ergänzung bei Guppys. Eine Gruppe (voll-gefütterte Gruppe) wurde mit kommerziellem Futter (CE-2) mit 228.4 J/Tag und Individuum, genau wie die Kontrollgruppe von Experiment 2. Eine andere Gruppe (halb-gefütterte Gruppe) bekam nur 50 % des kommerziellen Futters (114.2 J/Tag/Individuum) der voll-gefütterten Gruppe. Wir erwarteten, dass die Menge des Futters möglicherweise das Wachstum und die Fruchtbarkeit, nicht aber die männliche Orange-Färbung beeinflussen würde. Wenn das Ergebnis dieses Experiments diese Erwartung bestätigen würde, würde nur Fähigkeit zur Nahrungssuche von karotinoidreichem Futter die orangene Färbung der Männchen ausprägen. Wir führten 14 Wiederholungen dieses Experiments durch.