An Unparalleled Sexual Dimorphism of Sperm Whale Encephalization

The sperm whale Physeter macrocephalus (Linnaeus, 1758) is the largest toothed whales and possesses the highest absolute values for brain weight on the planet (together with the killer whale Orcinus orca). Former calculations of the encephalization quotient (EQ), which is used to compare brain size of different mammalian species, showed that the sperm whale brain is smaller than expected for its body mass. However, the data reported in the literature and formerly used to calculate the sperm whale EQ suffered from a potential bias due to the tendency to measure mostly larger males of this extreme sexually dimorphic species. Accordingly, we found that the brains of female sperm whales are close to the absolute weight range of the males, but, given the much lower body mass of females, their EQ results more than double of what reported before for the whole species, and is thus nearly into the primate range (female EQ = 1.28, male EQ = 0.56). This sexual dimorphism is unique among mammals. Female sperm whales live in large families in which social interactions and inter-individual communication are essential, while adult males live solitarily. Thus the particular sex-specific behavior of SWs may have led to a maternally-driven social evolution, and eventually contributed to achieve female EQ values (but not male EQs) among the highest ever calculated for mammals with respect to their large body mass

Funktionelle Morphologie, Entwicklung und Evolution des oberen Respirationstraktes bei Zahnwalen (Odontoceti)

Zahnwale sind die einzige Säugetiergruppe, die umfassend an ein Leben im Wasser angepasst ist und dabei ein aktives Sonarsystem zur Orientierung nutzt. Wahrscheinlich produzieren alle Zahnwalarten sonische oder ultrasonische Klicklaute, deren Echos die Tiere zu einem drei-dimensionalen "akustischen Bild" zusammensetzen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Säugetieren produzieren Zahnwale diese Laute im Nasen-Komplex durch einen pneumatisch betriebenen Mechanismus. Jedoch spielt auch der Kehlkopf dabei eine wichtige Rolle, indem er den nötigen Luftdruck in der Nase erzeugt. Die Ergebnisse werden in Bezug auf die physikalischen Voraussetzungen eines Bio-Sonars in einer aquatischen Umwelt interpretiert. Um die morphologischen Eigenschaften (Struktur, Form, Topographie) der Organe im Kopf verschiedener Zahnwalarten vollständig zu erfassen, wurden diese mittels Computertomographie und Magnetresonanztomographie gescannt. Daraufhin wurden die Köpfe makroskopisch präpariert und histologische Schnitte von Gewebeproben angefertigt. Schließlich wurden die Ergebnisse durch digitale dreidimensionale Rekonstruktionen vervollständigt. Diese Studie basiert zum größten Teil auf der Untersuchung von Schweinswalen (Phocoena phocoena) und Pottwalen (Physeter macrocephalus). Zum Vergleich wurden fetale und postnatale Individuen anderer Zahnwalarten herangezogen wie Delphinartige (Delphinus delphis, Stenella attenuata, Tursiops truncatus), Flussdelphinartige (Pontoporia blainvillei, Inia geoffrensis) und der Zwergpottwal (Kogia breviceps). Im Allgemeinen konnte durch die morphologischen Daten dieser Studie die einheitliche "phonic lips-Hypothese der Schallproduktion bei Zahnwalen, wie sie von Cranford, Amundin und Norris [J. Morphol. 228 (1996): 223-285] aufgestellt wurde, bestätigt werden. Diese Hypothese beschreibt eine ventilartige Struktur in der Nasenpassage, den sogenannten "monkey lips/dorsal bursae complex" (MLDB) als Schallgenerator. Der pneumatische Mechanismus lässt die beiden Hälften des MLDB aufeinanderschlagen und erzeugt damit die initiale Schallschwingung im Gewebe ("phonic lips"). Diese Vibration wird über die Melone, einen großen Fettkörper in der vorderen Nasenregion der Zahnwale, fokussiert und in das umgebende Wasser übertragen. Die akzessorischen Nasensäcke und spezielle Schädel- und Bindegewebestrukturen können zu der Fokussierung beitragen. Obwohl die Echolotsignale der Schweinswale sehr spezialisiert zu sein scheinen, weisen die Übereinstimmungen in der Topographie und in der Form der Nasenstrukturen im Vergleich zu Delphinen und Flussdelphinartigen (Pontoporia und Inia) auf eine ganz ähnliche Funktion der Nase bezüglich der Produktion und Emission von Echolotschall hin. Allerdings gibt es einige anatomische Besonderheiten im Nasenkomplex des Schweinswals, welche die besondere Pulsstruktur der Sonarsignale erklären könnte. Diese werden in der Dissertation diskutiert. Bei einem Vergleich der Nasenmorphologie der Pottwale einerseits und der nicht-pottwalartigen Zahnwale andererseits fällt vor allem der Grad der Asymmetrie ins Auge. Im Gegensatz zu dem oben für Delphine und Schweinswale beschrieben Mechanismus betreiben Pottwale die Schallproduktion an den "monkey lips" mit Luft, die im rechten Nasengang unter Druck gesetzt wird (und nicht im nasopharyngealen Raum). Zudem könnte durch Änderung des Luftvolumens im rechten Nasengang die Schalltransmission zwischen den Fettkörpern, und somit die Schallemission, kontrolliert werden. In diesem theoretischen Szenario fungiert der breite rechte Nasengang als eine Art "akustische Schranke", welche zwischen zwei verschiedenen Modi der Klickproduktion wechselt: Der erste Modus mit luftgefülltem Nasengang führt zur Produktion der Kommunikationsklicks ("coda clicks") und der zweite Modus zur Aussendung von Echolotklicks, wenn der Nasengang kollabiert ist. Somit scheinen die zentrale Position und die nahezu horizontale Orientierung des rechten Nasengangs im Kopf der Pottwale als Schnittstelle (Schranke) zwischen den beiden großen Fettkörpern mit dem Mechanismus der Schallproduktion bei veränderten Luftvolumina korreliert zu sein. Die hier beschriebenen und andere Ergebnisse dieser Dissertation deuten darauf hin, dass die Gestalt und das Ausmaß der Nasenasymmetrie nicht mit der systematischen Zugehörigkeit der jeweiligen Art korrelieren, sondern durch den jeweiligen Typus des Sonarsystems als Ausdruck einer bestimmten ökologischen Anpassung bedingt sind. Bei Zahnwalen ist der Kehlkopf charakterisiert durch eine rostrale Verlängerung des Kehldeckels und der beiden Stellknorpel, die ein gänseschnabelartiges Rohr bilden, das von einem starken Sphinktermuskel umrundet und dabei in Position gehalten wird. Auf diese Weise ist das Atemrohr vollständig vom Digestionstrakt getrennt. Aus anatomischer Sicht ist es wahrscheinlich, dass die Schallerzeugung bei Zahnwalen durch eine Kolbenbewegung des Kehlkopfes in Richtung der Choanen zustande kommt, wodurch der Luftdruck im Nasenbereich erzeugt wird. Die Kontraktion des Sphinktermuskels als einem muskulösen Schlauch erzeugt wahrscheinlich die größte Kraft für diese Kolbenbewegung. Jedoch dürften die Muskelgruppen, die den Kehlkopf und das Zungenbein am Unterkiefer und an der Schädelbasis aufhängen, signifikant zur Druckerhöhung beitragen

Concepts for the sustainable management of multi-scale flow systems: the groundwater system within the Laufen Basin, Switzerland

Many groundwater systems consist of multi-scale aquifer units. The exchange processes and rates between these aquifer units are complex. In order to manage such complex systems, a subdivision into different catchments, sub-catchments or groundwater bodies as manageable units is required. The sustainable management of water resources requires a comprehensive view of water-quality and water-quantity aspects not only for water supply issues, but generally also for flood protection and riverine ecosystem functions. Such transformations require an improved understanding of recharge and exchange processes between different aquifer units as well as aquifer-surface water interaction-processes at different spatiotemporal scales. The main objective of this study is to illustrate concepts by defining the geometry and scales of different aquifer units within a sedimentary basin. The Laufen Basin in the Jura Mountains represents a sub-catchment of the River Birs (Switzerland). Its structure is characterized by a pronounced local relief and a series of aquifer units which are typical for many complex groundwater systems in front of mountain chains such as the alpine foreland and the Jura Mountains of Central Europe. A combination of different concepts is required to understand multi-scale flow systems and to describe the various hydrogeological processes. Three concepts are proposed for the Laufen Basin, including: (1) a regional flow-system analysis, based on the concept of hierarchical groundwater flow systems; (2) the river-corridor concept for understanding aquifer-surface water interaction processes; and (3) the calculation of the dynamic vulnerability index and the aquifer base gradient approach for karst flow and fractured flow system

Faecal Indicator Bacteria: Groundwater Dynamics and Transport Following Precipitation and River Water Infiltration

Faecal contamination of drinking water extracted from alluvial aquifers can lead to severe problems. River water infiltration can be a hazard for extraction wells located nearby, especially during high discharge events. The high dimensionality of river-groundwater interaction and the many factors affecting bacterial survival and transport in groundwater make a simple assessment of actual water quality difficult. The identification of proxy indicators for river water infiltration and bacterial contamination is an important step in managing groundwater resources and hazard assessment. The time resolution of microbial monitoring studies is often too low to establish this relationship. A proxy-based approach in such highly dynamic systems requires in-depth knowledge of the relationship between the variable of interest, e.g. river water infiltration, and its proxy indicator. In this study, continuously recorded physico-chemical parameters (temperature, electrical conductivity, turbidity, spectral absorption coefficient, particle density) were compared to the counts for faecal indicator bacteria, Escherichia coli and Enterococcus sp. obtained from intermittent sampling. Sampling for faecal indicator bacteria was conducted on two temporal scales: (a) routine bi-weekly monitoring over a month and (b) intense (bi-hourly) event-based sampling over 3 days triggered by a high discharge event. Both sampling set-ups showed that the highest bacterial concentrations occurred in the river. E. coli and Enterococcus sp. concentrations decreased with time and length of flow path in the aquifer. The event-based sampling was able to demonstrate differences in bacterial removal between clusters of observation wells linked to aquifer composition. Although no individual proxy indicator for bacterial contamination could be established, it was shown that a combined approach based on time-series of physico-chemical parameters could be used to assess river water infiltration as a hazard for drinking water quality managemen

Postnatal development of franciscana's (Pontoporia blainvillei) biosonar relevant structures with potential implications for function, life history, and bycatch

Franciscana dolphins (Pontoporia blainvillei) are the most endangered species of the western South Atlantic Ocean. The major cause of their vulnerability is incidental bycatch in fishery gill nets. Ontogenetic changes of biosonar relevant structures in Pontoporia were analyzed in five specimens (one female neonate, two male neonates and two male adults) using digital imaging technology (MRI, CT) and macroscopic dissections to compare structures involved in sound production and reception. These data were compared to an ontogenetic series of 69 macerated skulls of Pontoporia in order to elucidate the correlation between soft tissue structures and bones of the epicranial complex and to describe the development-related changes in the mandible. Postnatal developmental shape changes of the posterior part of the right vestibular air sac followed bone formation and the melon with its right branch elongated, paralleling the flatter facial depression of adults. Minor postnatal developmental modifications were verified in the tympano-periotic complex but a shape change of the mandible was visible by a ventral deviation of the posterior part of the mandible in adults. These results reveal postnatal changes in allometry and shape of biosonar relevant structures that may be one of the causes that increase bycatch of neonate and young Pontoporia individuals

Stimulation of lymphangiogenesis via VEGFR-3 inhibits chronic skin inflammation.

The role of lymphangiogenesis in inflammation has remained unclear. To investigate the role of lymphatic versus blood vasculature in chronic skin inflammation, we inhibited vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor (VEGFR) signaling by function-blocking antibodies in the established keratin 14 (K14)-VEGF-A transgenic (Tg) mouse model of chronic cutaneous inflammation. Although treatment with an anti-VEGFR-2 antibody inhibited skin inflammation, epidermal hyperplasia, inflammatory infiltration, and angiogenesis, systemic inhibition of VEGFR-3, surprisingly, increased inflammatory edema formation and inflammatory cell accumulation despite inhibition of lymphangiogenesis. Importantly, chronic Tg delivery of the lymphangiogenic factor VEGF-C to the skin of K14-VEGF-A mice completely inhibited development of chronic skin inflammation, epidermal hyperplasia and abnormal differentiation, and accumulation of CD8 T cells. Similar results were found after Tg delivery of mouse VEGF-D that only activates VEGFR-3 but not VEGFR-2. Moreover, intracutaneous injection of recombinant VEGF-C156S, which only activates VEGFR-3, significantly reduced inflammation. Although lymphatic drainage was inhibited in chronic skin inflammation, it was enhanced by Tg VEGF-C delivery. Together, these results reveal an unanticipated active role of lymphatic vessels in controlling chronic inflammation. Stimulation of functional lymphangiogenesis via VEGFR-3, in addition to antiangiogenic therapy, might therefore serve as a novel strategy to treat chronic inflammatory disorders of the skin and possibly also other organs