Ecological comparison of spiders (Arachnida: Araneae) from short rotation coppice plots and from arable fields

Kurzumtriebsflächen, oder auch Energiewälder bzw. Schnellwuchsplantagen genannt, sind Flächen mit schnellwachsenden Baumarten (z. B. Hybridpappeln), die in kurzen Umtriebszeiten von 2 bis 10 Jahren bewirtschaftet werden. Nach der zyklischen Ernte treiben die Bäume wieder aus (Stockausschlag) und können nach einigen Jahren erneut genutzt werden. Das Prinzip der schnellwüchsigen Baumarten ist dem früher weit verbreiteten Niederwald ähnlich, allerdings mit dem Unterschied, dass der Energiewald in der Regel auf stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen angebaut wird und bei der Begründung züchterisch bearbeitetes Material von Pappel, Aspe und Weide verwendet wird. Kurzumtriebsflächen dienen vorwiegend der Holzproduktion (v. a. Hackschnitzel) zur Gewinnung von (Wärme-)Energie. Spinnen (Arachnida: Araneae) kommen in allen terrestrischen Lebensräumen in großer Artenzahl vor. Allein auf dem Gebiet Deutschlands sind derzeit über 1000 verschiedene Spinnenarten bekannt (Blick & al. 2004). Spinnen ernähren sich räuberisch, wobei ihre Beutetiere meist andere Arthropoden darstellen. Aufgrund der spezifischen Ansprüche vieler Arten an bestimmte (Mikro-)Habitate und damit an spezielle Lebensraumanforderungen eignen sie sich besonders für die qualitative Charakterisierung von Groß- und Kleinlebensräumen. Auch die Veränderung von Lebensräumen durch verschiedene Einflüsse (z. B. Änderung der Nutzungsintensität, Schadstoffimmissionen, Entwässerung, Sukzession, etc.) kann durch Spinnen gut bewertet und dokumentiert werden. Sie werden deshalb häufig bei der Beurteilung der Schutzwürdigkeit von Flächen, bei Eingriffsgutachten, Erfolgskontrollen, Umweltverträglichkeitsuntersuchungen sowie zum Biotopmonitoring herangezogen und zunehmend als Indikatorgruppe für die Bewertung von Habitaten verwendet (z. B. Clausen 1986, Gack & al. 1999). Bisher gibt es nur wenige publizierte Studien zum Vorkommen und zu den Entwicklungstendenzen der epigäischen Arthropodenfauna auf Energiewaldflächen (Blick & Burger 2002, Blick & al. 2003). Mit der vorliegende Untersuchung sollen daher exemplarisch die Auswirkungen solcher Kurzumtriebs-Versuchsflächen auf die epigäische Raubarthropodenfauna beleuchtet werden. Als eine der wichtigsten Prädatorengruppen wurde die Ordnung der Spinnen (Araneae) gewählt, die aufgrund der hohen Arten- und Individuenzahl sowie oft spezifischer Biotopansprüche der einzelnen Arten besonders geeignet erscheint. Besonderes Interesse erweckt bei vorliegender Untersuchung die Fragestellung, ob sich innerhalb weniger Jahre waldtypische Spinnenarten einstellen und inwieweit sich die Spinnenfauna bezüglich des Ausgangsstadiums „Acker“ verändert (Sukzession). Darüber hinaus wurde ermittelt, welche Auswirkungen die Ernte eines aufstockenden Energiewaldes auf die Spinnenzönose haben kann.An experimental plot with fast growing tree species (poplar) was founded in 1992 near Neustadt an der Waldnaab (Bavaria, Germany). In the first, second and third five year rotation period the spiders (Arachnida: Araneae) were investigated. For comparison adjacent habitats (arable farm land, forest) were included in the study. In the 4th, 9th and 15th year after plantation the community of spiders differed clearly from arable farm land and even more from forest fauna. Similarity indices show a distinct directed succession. The results have been compared with other succession lines of other investigations and are regarded as typical. In conclusion, the study discusses spiders in short rotation coppice plots, both generally and in terms of nature conservation aspects

Niche protection of a specialist against a generalist

Monophage Pflanzenfresser können im Gegensatz zu Polyphagen nur eine bestimmte Wirtspflanze nutzen und stehen daher auch immer in potentieller Konkurrenz zu Generalisten. Ist eine Nahrungsquelle erschöpft, so kann der Polyphage auf eine andere Nahrungsressource wechseln. Dem Spezialisten ist dies jedoch nicht möglich. Am Beispiel einer Buchenfraßgesellschaft wurde untersucht, welche Strategie ein monophager Herbivor verfolgt, um in der interspezifischen Konkurrenz mit Polyphagen zu bestehen und sich seine ökologische Nische zu sichern. Der früh im Jahr auftretende Buchenspringrüßler Rhynchaenus fagi ist in seiner Entwicklung obligatorisch an die Buche (Fagus sylvatica) gebunden. Nach dem Blattaustrieb im April führen die Käfer einen Reifefraß (Lochfraß) an Buchenblättern durch. Die Larven von Rhynchaenus fagi minieren das Buchenblatt. Sie erzeugen zunächst parallel zu den Blattnerven eine Gangmine, welche sich am Blattrand platzartig erweitert. Unbefressene Anteile des Blattes bleiben turgeszent und photosynthetisch aktiv. Der Larvenfraß induziert jedoch die Akkumulation phenolischer Verbindungen im Blattparenchym (Schardt & al. 2006). Ende Mai erscheinen die Jungkäfer, die ebenfalls die Ressource Buchenblatt für ihren Reifungsfraß benötigen. Der polyphage Schwammspinner Lymantria dispar befrißt ein breites Spektrum einheimischer Laubbäume einschließlich der Buche, die bei Übervermehrungen auch Kahlfraß erleidet (Schwerdtfeger 1981). Hier wird die Hypothese getestet, dass der monophage Buchenspringrüßler durch seine Fraßinduktion die Nahrungsqualität des Buchenblattes für den Schwammspinner herabsetzt und damit beiträgt, seine Nische gegen einen polyphagen Konkurrenten zu verteidigen.The beech weevil (Rhynchaenus fagi) and larvae of the gypsy moth (Lymantria dispar) share the same food resource, the leaves of beech. Whereas beech is the only host plant for R. fagi, the polyphagous defoliator L. dispar can switch to a wide range of plant species in case a resource is exhausted or less suited. In the present study we address the issue whether or not the induced response of beech leaves caused by R. fagi will decrease their nutritional quality for gypsy moth larvae. R. fagi adults perform typical feeding holes of about 2-3 mm in diameter at two terms in the season: (1) after hibernation and prior to oviposition in early spring and (2) as new generation weevils at the end of May. Larvae mine the leaves starting with a gallery close to a leaf nerve. The mine is enlarged when it reaches the leaf edge where pupation occurs. The intact part of the leaf remains turgescent and vital. The wide range of host plants of gypsy moth includes Fagus sylvatica, too. R. fagi-mined leaves of beech were fed to larvae of L. dispar in two experiments. (1) L4-larvae of L. dispar forced to feed R. fagi-mined leaves in no-choice experiments showed a reduced weight gain compared to conspecifics on control leaves. (2) In choice experiments gypsy moth larvae of the same stage preferred control (non-mined) leaves over R. fagi-mined leaves. The results are discussed as a strategy of specialists to protect its ecological niche against a generalist mediated by the induced response elicited by the specialist

Influence of the leaf position within the beech crown (Fagus sylvatica LINNÉ) on the infestation rate and developmental success of Rhynchaenus fagi LINNÉ (Col., Curculionidae)

Der Buchenspringrüssler Rhynchaenus fagi L. (Coleoptera: Curculionidae) ist ein 2 bis 3 mm großer, schwarz bis schwarzbraun gefärbter, fein grau behaarter Käfer. Ein besonderes Merkmal der Tiere sind die stark verdickten Hinterbeine, wodurch sie über das namensgebende große Sprungvermögen verfügen. Des Weiteren zeichnet er sich durch ein gutes Flugvermögen aus. R. fagi überwintert in der Bodenstreu bzw. in Rindenritzen. Die Imagines erscheinen im April/Mai und führen zunächst einen charakteristischen Lochfraß an Buchenblättern durch. Befressen werden dabei alle Altersstufen vom Sämling bis zum Altholz. Im Mai legen die Weibchen 30 bis 35 Eier einzeln in die Mittelrippe an der Unterseite von Blättern ab. Die Altkäfer sterben Anfang Juni. Die Larve erzeugt durch endophytischen Fraß zunächst eine Gangmine, welche sich in der Peripherie des Blattes zur Platzmine erweitert. Die Verpuppung findet nach 2- bis 3-wöchigem Fraß innerhalb der Platzmine in einem Kokon statt. Nach 10 Tagen bis 3 Wochen Puppenruhe schlüpfen ab Mitte Juni Jungkäfer, die bis zum Herbst an Blättern, Blattstielen und Fruchtansätzen der Buche fressen (SCHWERDTFEGER 1981). Vor allem bei Massenvermehrung verursachen Käfer und Larven durch ihren Fraß Zuwachsverluste sowie teilweise erhebliche Einbußen an der Bucheckernmast (ESCHERICH 1923). Neben Buche können sich adulte R. fagi auch von den Blättern zahlreicher anderer Baumarten (Erle, Birke, Obstbäume, etc.) ernähren, die Larvalentwicklung ist jedoch nur an Fagus-Arten möglich. Der Buchenspringrüssler ist im gesamten europäischen Raum verbreitet (SCHWENKE 1974). In Abhängigkeit von der Position in der Krone weisen Buchenblätter eine unterschiedliche Blattanatomie auf. Lichtblätter besitzen ein dickeres Schwammparenchym und insbesondere ein mehrschichtiges Palisadenparenchym. Letzteres ist in Schattenblätter einschichtig (SCHÜTT et al. 1992). Licht- undSchattenblätter unterscheiden sich auch in ihren Inhaltsstoffen. So konzentrieren sich aufgrund der höheren Photosyntheseleistung Kohlenhydrate und phenolische Substanzen in Blättern der Lichtkrone und vermindern sich tendenziell Stickstoffverbindungen (JOHNSON et al. 1997, YAMASAKI & KIKUZAWA 2003). Diese physiologischen Bedingungen können die Verwertbarkeit der Blätter für Insekten herabsetzen.The study investigated the effect of leaf position (sun or shade crown) on the infestation by Rhynchaenus fagi and the developmental success of the beetles. After hibernation adults of R. fagi prefer leaves of the shade crown for regeneration feeding and oviposition. In both crown positions, shade and sun crown, the egg mortality reached about 60%. The mean density of mines with successfully completed development amounted to 0.12 and 0.22 mines/leaf in sun and shade, respectively. Emerging adults of the next generation exhibited a pronounced feeding preference for leaves of the sun crown. Larvae developed in sun exposed leaves consumed more dry matter than conspecifics in shaded leaves and resulting pupae reached a significant higher weight. Light microscopy of semi-thin sections stained with toluidine blue and Lugol solution demonstrated the response of beech leaves to damage caused by mining larvae. Within a 100 – 150 μm range alongside the mine (1) cells of the palisade tissue and the mesophyll underwent cell divisions, (2) cells appeared very close to each other with a significantly reduced intercellular space, and (3) the disappearance of starch granula paralleled an increase in phenolic cell constituents

Non-Dispersive Infrared Sensor for Online Condition Monitoring of Gearbox Oil

The condition of lubricating oil used in automotive and industrial gearboxes must be controlled in order to guarantee optimum performance and prevent damage to machinery parts. In normal practice, this is done by regular oil change intervals and routine laboratory analysis, both of which involve considerable operating costs. In this paper, we present a compact and robust optical sensor that can be installed in the lubrication circuit to provide quasi-continuous information about the condition of the oil. The measuring principle is based on non-dispersive infrared spectroscopy. The implemented sensor setup consists of an optical measurement cell, two thin-film infrared emitters, and two four-channel pyroelectric detectors equipped with optical bandpass filters. We present a method based on multivariate partial least squares regression to select appropriate optical bandpass filters for monitoring the oxidation, water content, and acid number of the oil. We perform a ray tracing analysis to analyze and correct the influence of the light path in the optical setup on the optical parameters of the bandpass filters. The measurement values acquired with the sensor for three different gearbox oil types show high correlation with laboratory reference data for the oxidation, water content, and acid number. The presented sensor can thus be a useful supplementary tool for the online condition monitoring of lubricants when integrated into a gearbox oil circuit

Gas Measurement Using Static Fourier Transform Infrared Spectrometers

Online monitoring of gases in industrial processes is an ambitious task due to adverse conditions such as mechanical vibrations and temperature fluctuations. Whereas conventional Fourier transform infrared (FTIR) spectrometers use rather complex optical and mechanical designs to ensure stable operation, static FTIR spectrometers do not require moving parts and thus offer inherent stability at comparatively low costs. Therefore, we present a novel, compact gas measurement system using a static single-mirror Fourier transform spectrometer (sSMFTS). The system works in the mid-infrared range from 650 cm - 1 to 1250 cm - 1 and can be operated with a customized White cell, yielding optical path lengths of up to 120 cm for highly sensitive quantification of gas concentrations. To validate the system, we measure different concentrations of 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (R134a) and perform a PLS regression analysis of the acquired infrared spectra. Thereby, the measured absorption spectra show good agreement with reference data. Since the system additionally permits measurement rates of up to 200 Hz and high signal-to-noise ratios, an application in process analysis appears promising

Recognition and reconstruction of cell differentiation patterns with deep learning.

Cell lineage decisions occur in three-dimensional spatial patterns that are difficult to identify by eye. There is an ongoing effort to replicate such patterns using mathematical modeling. One approach uses long ranging cell-cell communication to replicate common spatial arrangements like checkerboard and engulfing patterns. In this model, the cell-cell communication has been implemented as a signal that disperses throughout the tissue. On the other hand, machine learning models have been developed for pattern recognition and pattern reconstruction tasks. We combined synthetic data generated by the mathematical model with spatial summary statistics and deep learning algorithms to recognize and reconstruct cell fate patterns in organoids of mouse embryonic stem cells. Application of Moran's index and pair correlation functions for in vitro and synthetic data from the model showed local clustering and radial segregation. To assess the patterns as a whole, a graph neural network was developed and trained on synthetic data from the model. Application to in vitro data predicted a low signal dispersion value. To test this result, we implemented a multilayer perceptron for the prediction of a given cell fate based on the fates of the neighboring cells. The results show a 70% accuracy of cell fate imputation based on the nine nearest neighbors of a cell. Overall, our approach combines deep learning with mathematical modeling to link cell fate patterns with potential underlying mechanisms

Attachment representation modulates oxytocin effects on the processing of own-child faces in fathers

Oxytocin (OT) plays a crucial role in parental-infant bonding and attachment. Recent functional imaging studies reveal specific attachment and reward related brain regions in individuals or within the parent-child dyad. However, the time course and functional stage of modulatory effects of OT on attachment-related processing, especially in fathers, are poorly understood. To elucidate the functional and neural mechanisms underlying the role of OT in paternal-child attachment, we performed an event-related potential study in 24 healthy fathers who received intranasal OT in a double-blind, placebo-controlled, within-subject experimental design. Participants passively viewed pictures of their own child (oC), a familiar (fC) and an unfamiliar child (ufC) while event-related potentials were recorded. Familiarity of the child’s face modulated a broad negativity at occipital and temporo-parietal electrodes within a time window of 300–400 ms, presumably reflecting a modulation of the N250 and N300 ERP components. The oC condition elicited a more negative potential compared to the other familiarity conditions suggesting different activation of perceptual memory representations and assignment of emotional valence. Most importantly, this familiarity effect was only observed under placebo (PL) and was abolished under OT, in particular at left temporo-parietal electrodes. This OT induced attenuation of ERP responses was related to habitual attachment representations in fathers. In summary, our results demonstrate an OT-specific effect at later stages of attachment-related face processing presumably reflecting both activation of perceptual memory representations and assignment of emotional value