Field and culture studies on the Tilopteridales (Phaeophyceae) in Newfoundland

The family Tilopteridaceae (Tilopteridales, Phaeophyceae) consists of three monospecific genera of which two species, Tilopteris mertenaii and Haplospora globosa, occur throughout the North Atlantic and Arctic Ocean. The third species, Phaeosiphoniella cryophila} is restricted to four localities in Newfoundland and, aside from its initial description, is little known. Both Phaeosiphoniella and Haplospora develop prostrate systems when their rhizoids come in contact with the substrate. These prostrate discs are functionally, and to some degree also morphologically, equivalent to crusts of species of the Sphacelariales or Scytosiphonales and serve as perennating structures during the summer. Upright filaments are produced from the prostrate systems only under winter conditions. Combined culture and field studies showed that uprights of Phaeosiphoniella are restricted to water temperatures of less than 10°C and light intensities of less than 8 μmol m⁻² s⁻¹ while prostrate discs withstand up to 20°C. -- Phaeosiphoniella reproduces exclusively through fragmentation and abscission of branch systems. The sporadically occurring antheridia or sporangia are functionless and the reproductive system is more reduced than in the other two species. -- Quantitative DNA fluorometry confirmed that Tilopteris and Phaeosiphoniella exhibit only one level of ploidy, whereas the two generations in Haplospora show different ploidy levels, although the number of chromosomes does not change. -- The reduced life cycles shown in Tilopteris and Phaeosiphoniella might indicate that both species are derived forms and have formerly possessed a sexual life cycle with an alternation of generations such as seen in Haplospora. This study suggests that Phaeosiphoniella represents a relic species which exists only at the extremes of its former area of distribution. Members of the Tilopteridaceae, especially Phaeosiphoniella, might be regarded as species with weak competitive capabilities, but with the ability to live in areas of high physical disturbance where competition with other algae is low

Learning biophysically-motivated parameters for alpha helix prediction

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Our goal is to develop a state-of-the-art protein secondary structure predictor, with an intuitive and biophysically-motivated energy model. We treat structure prediction as an optimization problem, using parameterizable cost functions representing biological "pseudo-energies". Machine learning methods are applied to estimate the values of the parameters to correctly predict known protein structures.</p> <p>Results</p> <p>Focusing on the prediction of alpha helices in proteins, we show that a model with 302 parameters can achieve a Q_{<it>α </it>}value of 77.6% and an SOV_{<it>α </it>}value of 73.4%. Such performance numbers are among the best for techniques that do not rely on external databases (such as multiple sequence alignments). Further, it is easier to extract biological significance from a model with so few parameters.</p> <p>Conclusion</p> <p>The method presented shows promise for the prediction of protein secondary structure. Biophysically-motivated elementary free-energies can be learned using SVM techniques to construct an energy cost function whose predictive performance rivals state-of-the-art. This method is general and can be extended beyond the all-alpha case described here.</p

The marine macroalgae of Helgoland (North Sea): an annotated list of records between 1845 and 1999

AbstractThe earliest records of marine macroalgae from Helgoland (German Bight, North Sea) are known from the middle of the 19th century. Since then 274 marine macroalgal species have been reported: 77 species of Chlorophycota; 100 species of Phaeophycota; and 97 species of Rhodophycota. Additionally 11 species were only recorded as drift and 51 species as doubtful for Helgoland. Remains of the herbarium of Paul Kuckuck, the first curator for botany at the Helgoland Biological Station between 1892 and 1914, are still located there and consist of 173 macroalgal species from Helgoland. On comparing this 100 year-old herbarium and other old sources with recent macroalgal records it became clear that changes in species composition have occurred. After the II. World War several species were not found again such as Arthrocladia villosa, Corynophlaea crispa, Cutleria multifida, Eudesme virescens, Mesogloia vermiculata, Sporochnus pedunculatus, Antithamnion cruciatum, Apoglossum ruscifolium, Chondria dasyphylla, Helminthora divaricata, Jania rubens and Osmundea ramosissima. Other species became very rare such as Dictyota dichotoma, Leathesia difformis, Stictyosiphon soriferus, Helminthocladia calvadosii, Scinaia furcellata. Significantly, perhaps, most of these species comprise a heteromorphic life history with the appearance of the macroscopic phase restricted to (spring and) summer. Many new species of green algae were recorded for Helgoland after 1959 due to new substrata and the research activites of Peter Kornmann, curator for botany after 1959 and Paul-Heinz Sahling his technical assistant. Introductions of species during the considered time period were: Bonnemaisonia hamifera, Codium fragile, Mastocarpus stellatus and Sargassum muticum. Type material of the following species is located at The Marine Biological Station at Helgoland: Mikrosyphar porphyrae, Porphyra insolita, Ulva tenera

Water Framework Directive Monitoring - Component Macrophytobenthos N5 Helgoland, EQR Evaluation 2010. Final report March 2011. Investigation period: July 2010 February 2011

Summary. Since 2005, a yearly monitoring of macroalgae according to national WFDregulations (Water Framework Directive) has been performed. Quantitative abundance values were obtained by means of quadrat sampling within a fixed grid of stations in the northern intertidal (in the following text: N-Watt) of the northern coast of Helgoland (Bartsch et al. 2005, MMH-Report 2; Schubert et al. 2007, MMH-Report 5). Concomitantly, species richness was recorded based on the RSL-method (Wells et al. 2007), and diving transects provided sublittoral data on macroalgal abundance and depth limits since 2007. All data serve to fulfil the requirements for the component ‘Macrophytes’ within the biological package of the European WFD with respect to the coastal water body N5 at Helgoland (Kuhlenkamp et al. 2009a, MMH-Report 12). For this purpose, the specifically developed ‘Helgoland Phytobenthic Index’ (HPI) provides comprehensive calculations in a modular format. This leads to the normalised ecological values necessary to establish the final Ecological Quality Ratio (EQR) used for reporting to the EU (Kuhlenkamp & Bartsch 2008, MMH-Report 9; Kuhlenkamp et al. 2009a, b, MMH-Reports 12 and 13). During the present study, sampling of the fixed grid in the N-Watt was undertaken in July 2010 and February 2011 similarly to the years before. In parallel, quadrat measurements along an additional eulittoral transect implemented by LLUR (LANU-SH) were performed in summer 2010 and results were compiled according to previous reports (Schubert 2007, MMH-Report 6; Kuhlenkamp et al. 2009b, MMH-Report 12). If required, metric values were calculated for reporting to the national and international authorities in compliance with WFD regulations. In the following the results obtained are described and their seasonal variation depicted in detailed graphs. Descriptions of the methods have been given in Kuhlenkamp et al. (2009b, MMH-Report 13). During recent months, first efforts have been undertaken to integrate the HPI which was especially developed for the unique Helgoland N5 water type, into the ongoing intercalibration process of the NEA-GIG (North East Atlantic Geographical Intercalibration Group) water types and demands. The state of the art will be reported here

Extreme events and spatio-temporal distribution of seaweed species at Helgoland (North Sea)

Abstract.Since 2003 the macroalgal flora of the rocky intertidal zone at the marine nature conservation island of Helgoland (North Sea) has been subject of quantitative percentage cover estimations within an area of 160 x 230 m using approx. 150 regularly spaced, georeferenced sampling points covering the major intertidal biotopes. For the first time seasonal changes of all seaweed species were quantified and progressive dispersion of foreign species was visualized in a geographic information system (GIS). It became apparent that not only annual species but also perennial and pseudo-perennial species may exhibit a strong seasonality in total coverage. Continuous strong winds in winter 2006/2007 led to a drastic decrease of formerly dense Fucus serratus beds while the co-dominant flora and diversity of this biotope was hardly influenced. It became evident that the repeated spatial mapping is a valuable tool to document variability present in the intertidal zone. Furthermore spatial data may also be used as parameter for macrophytobenthos classification required in the water framework directive

WRRL-Klassifizierungssystem WK Helgoland : Historisches Leitbild der Makrophytenvegetation Helgolands Klassifizierungsvorschlag der Helgoländer Makrophytenvegetation Monitoring als Grundlage der Umsetzung der europäischen Wasserrahmenrichtlinie

ZusammenfassungGemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) wird in dem vorliegenden Bericht und Gutachten für die Region Helgoland (Küstengewässertyp N5) der Referenzzustand definiert und ein Klassifizierungssystem für die Makrophyten vorgenommen.Um den heutigen Zustand einzuordnen, wurde die wissenschaftliche Datenlage der letzten 100 Jahre für die Region Helgoland zugrunde gelegt. Neben den abiotischen Parametern wie Temperatur, Salinität, Sichttiefe, Nährstoffgehalte usw. sind die biotischen Veränderungen der Makrophyten, wie Abundanzen, Ausbreitung, Arten-verschiebungen und Sensitivitäten bestimmter Arten als Grundlage herangezogen worden. Die Betrachtung der historischen Entwicklung relevanter Parameter im Sinne der WRRL ermöglichte jedoch nicht immer eine fundierte Einschätzung der jetzigen Situation oder der bisher wirksamen Vorgänge im Ökosystem. Deutliche Veränderungen der Nährstoffe in den Jahren 1960-1990 beispielsweise waren nicht zwingend verantwortlich für Veränderungen in den biotischen Parametern wie Biomasse von Grünalgen oder den Abundanzen und der Ausbreitung von Charakterarten wie Fucus und Laminaria. Hingegen zeigte sich, dass nicht WRRL-relevante Parameter wie die massiven baulichen Veränderungen fast aller Uferbereiche in den Jahren 1900-1960 deutliche Veränderungen im Artenspektrum hervorriefen.Endgültige Schlussfolgerungen sind erschwert durch die geringe wissenschaftliche Datenlage für den Bereich Helgoland. Es ist uns jedoch gelungen, ein umfangreiches, qualitatives Klassifizierungssystem für Makroalgen (andere Makrophyten sind zur Zeit bei Helgoland nicht vorhanden), ausgehend vom Referenzzustand um 1900 (1887-1930) und bestehend aus fünf Qualitätsstufen, zu erstellen. Ausgewählte Parameter bildeten die Grundlage für diese Klassifizierung. Als Parameter wurden neben der räumlichen Verteilung und den Abundanzen von Hauptarten wie Fucus, Laminaria, Ulva, Enteromorpha oder der Miesmuschel Mytilus, die in Raumkonkurrenz zu Fucus stehen kann, die Algentiefengrenzen verschiedener Algen, die Anzahl seltener Arten und die Zonierung an Molen als wichtig erachtet. Einige Makroalgen sind aufgeführt, die eine mögliche Zeigerfunktion insbesondere für Eutrophierungserscheinungen besitzen.Der Vergleich des heutigen mit dem historischen Zustand zeigt, dass die Makroalgenvegetation sich zwar qualitativ verändert hat, ihre Hauptformen und wesentlichen Biotope jedoch durchgängig vorhanden waren. Auffallend sind allerdings Veränderungen wie die Abnahme der Braunalgendiversität, die Verringerung der Zahl seltener Arten, die Zunahme an ephemeren Arten und das Verschwinden oder intermittierende Vorkommen einiger anderer Arten.Eine Beurteilung aufgrund der von uns aufgestellten Parameter für die Klassifizierung ergibt für den jetzigen Gewässergütezustand von Helgoland den Zustand gut bis befriedigend.Während der Erarbeitung dieser Klassifizierung und Zustände wurde deutlich, welche Maßnahmen für ein dauerhaftes Monitoring ergriffen werden müssen und welche Forschungsdefizite vorliegen. Der Standort Helgoland ist durch seine Lage einzigartig, da er das einzige verfügbare Hartbodensubstratum in ausreichender Größe für eine differenzierte Lebensgemeinschaft im gesamten südlichen Bereich der Nordsee bietet. Es fehlen insbesondere Langzeituntersuchungen über wichtige strukturbildende Arten wie Laminarien und Fucaceen, aber auch über Zeigerorganismen wie Grünalgen oder über Arten, die empfindlich auf bestimmte Parameter der Wasserqualität reagieren. Es fehlen Ausgangsanalysen der Makroalgenverteilungen des Sublitorals, während im Eulitoral durch bisherige Arbeiten von Seiten des AWI (I. Bartsch) eine gute Basis geschaffen wurde.Ein Monitoring muss regelmäßig erfolgen und die wichtigsten Parameter sollten im Gegensatz zu den Vorgaben der WRRL alle zwei Jahre aufgenommen werden. Neben klassischen Verfahren zur Biomassebestimmung, Vegetationsaufnahmen usw. müssen moderne GIS-Vermessungsmethoden zur Festlegung von Verbreitungs-arealen herangezogen werden. Auch wenn die Hauptbiomasse der meisten Algen im Frühjahr bis Sommer auftritt, ist der saisonale Aspekt nicht zu vernachlässigen. Die von uns empfohlene Datenerfassung beinhaltet Vegetationsaufnahmen und Abundanzmessungen entlang von Transekten und in verschiedenen Habitaten (Molen und Abrasionsplattform), die Erfassung der sublitoralen Tiefenverteilung wichtiger Makrophyten sowie die Flächenanalyse von eulitoralen Fucus- oder sublitoralen Laminaria-Beständen. Dieses Monitoringvorgehen haben wir möglichst detailliert dargestellt.Im Verlauf der Bearbeitung der uns vorliegenden Daten wurde deutlich, dass Veränderungen in der Vegetation stattgefunden haben, die teilweise auf einer veränderter Wasserqualität beruhen. Es besteht allerdings erhöhter Forschungsbedarf, um diese Aussagen zu konkretisieren und als Ausgangspunkt für weitere Maßnahmen heranzuziehen

Praxistest für das Makrophyten- und Miesmuschel- Monitoring bei Helgoland im Rahmen der WRRL: Küstengewässertyp Helgoland (N5)

Der vorliegende Praxistest umfasste das Monitoring der Fucus serratus Bestände und der Grünalgen im N-Watt, der Mytilus-Bestände im N-Watt und an den äußeren Küstenlinien Helgolands und die Erfassung der Algentiefengrenzen entlang eines sublitoralen Transektes im Norden der Insel. Die erhobenen Daten wurden auf die Klassifizierung von Bartsch & Kuhlenkamp (2004) angewendet. Es zeigte sich, dass für einen angewandten Einsatz der Klassifizierung Anpassungen vorgenommen werden mussten, vor allem hinsichtlich der quantitativen Datengrundlage. So wurde eine Referenzfläche im N-Watt definiert, auf die sich Flächenveränderungen in Zukunft beziehen sollen. Ferner wurden mit Hilfe von GIS und DGM aus historischen oder aktuellen Daten für den Fucus serratus, F. vesiculosus und Mytilus edulis Bereich quantitative Bezugsflächen kalkuliert, die vorher so nicht vorlagen. Die Mytilus-Kartierung zeigte, dass die Bestände um die Insel herum (nicht Hafenbereiche) im allgemeinen klein sind und somit der Bestand im Norden als wichtigster Standort angesehen wird. Dort haben sich die Abundanzen aber so verringert, dass nicht mehr von einem klassischen Mytilus-Feld, sondern nur von einem potentiellen Mytilus-Feld gesprochen werden kann. Für die ebenfalls bisher nur qualitative Klassifizierung der Grünalgen wurde ein Gesamtansatz aus den Abundanzdaten der Rasterkartierung entwickelt, der jedoch auf Grund mangelnder Datenlage noch nicht abgesichert ist. Hier müssten vergleichende Untersuchungen entlang eines Belastungsgradienten erfolgen. Die Klassifizierung der Algentiefengrenzen wurde ebenfalls verbessert; es zeigte sich, dass in Zukunft nicht alleine der Effekt auf die Laminarien sondern auf die gesamte dominante sublitorale Flora berücksichtig werden sollte, da dies die Klassifizierung deutlich robuster macht; dies wird aber auch den Monitoringaufwand erhöhen. Die Einordnung der Monitoringdaten in den Klassifizierungsansatz ergab für den Wasserkörper Helgoland (N5) eine Einordnung in den guten bis mäßigen Zustand. Allerdings wurde eine drastische Reduktion der dominanten sublitoralen Braunalgenart Laminaria saccharina gegenüber dem historischen Zustand und 1965-67 festgestellt, was bisher nicht eingeordnet werden kann. Es wird empfohlen, die am AWI und LANU vorhandenen Diversitätsdaten des Eulitorals auch nach dem Ansatz der NEA-GIG auszuwerten bzw. hierfür eine Eulitoral bezogene floristische Diversitätsklassifizierung zu entwickeln. Ferner zeigte sich, dass eine isolierte Betrachtungsweise einzelner Variablen zu falschen Schlüssen führen kann und die Entwicklung eines hierarchischen Ansatzes angestrebt werden sollte