Fortpflanzungsbiologie, Entwicklungszyklen und vergleichende Frühentwicklung acoeler Turbellarien

Abstract

Copulation and egg-laying of 3 species of marine Convolutidae are compared and analysed in relation to internal structure, settlement behaviour, and habitat. Convoluta convoluta (Abildgaard) inhabits the sea-weed belt, Archaphanostoma agile (Jensen) the uppermost layer of sediments rich in detritus, and Pseudaphanostoma psammophilum Dörjes the mesopsammal. The structure of sexual organs and the mechanisms of sperm transfer are discussed in regard to phylogenetic lines of development. The complete set of hermaphroditic sexual organs and the mutual copulation in c. convoluta are considered to be primitive. The reduction of the female organs, as well as the pronounced differentiation of the male copulatory organs, and the hypodermal sperm injection in A. agile and P. psammophilum are more advanced. In regard to structure and function of its sexual organs, P. psammophilum is extremely well adapted to its habitat. C. convoluta probably deposits the eggs through its pharynx. In A. agile and P. psammophilum egg-laying is associated with a rupture of the body wall. In general, C. convoluta lays 20 to 30 eggs. A. agile 1 to 7 eggs, in a single mass, a few days after copulation, P. psammophilum produces up to 15 single eggs over a period of up to 20 days after the preceding copulation. Among other features, this fact characterizes P. psammophilum as a typical inhabitant of the mesopsammal. While A. agile and P. psammophilum are capable of producing eggs continously, C. convoluta requires more than 14 days before it is again able to release another egg-mass. If kept isolated, A. agile lays eggs extremely rarely; individuals hatched from such eggs do not survive. Three species of acoelous turbellarians could be cultivated successfully at 16° to 18°C; A. agile and P. psam-mophilum were fed with datoms of the genus Nitzschia; Pseudohaplogonaria vacua Dörjes (Haploposthiidae) fed only on A. agile. In order to prevent bacterial infection, 0.25 g/l p-Aminobenzolsulfonacetamide were added to the sea water used as cultivation medium. Embryogenesis of A. agile and P. psammophilum lasts 2 to 5 days, that of P. vacua, 9 to 15 days. On an average, freshly hatched A. agile require 23 days for attaining sexual maturity, P. psammophilum 33 days, and P. vacua 70 days. Normally, A. agile lays 11 to 12 eggs, P. psammophilum 7 to 8 eggs, within 10 days, while P. vacua lays only sporadically (one specimen produces only about 10 eggs within 200 days). These differences in rates of reproduction correspond to respective differences in rates of loss through predation and population densities in the natural environment. A. agile is especially well suited for laboratory experiments; it can be cultured easily, and is characterized by constant production of eggs, and considerable longevity; even after 19 months, cultured A. agile exhibited undiminished vitality. In A. agile, duration of embryogenesis and postlarval development, as well as egg production, were examined at different constant temperatures. The upper lethal temperature of A. agile is 25° to 26°C; egg production is markedly lower at 22°C than at 16° to 18°C; at 16° to 18°C and at 5° to 6°C, rate of propagation is nearly the same, provided that A. agile has been adapted to a constant temperature of 5° to 6°C for a sufficient period of time. Egg production is considerably diminished at 3° to 4°C; it ceases at-1° to +1°C. A. agile is extremely resistant to starvation. Specimens kept without food first resorb their oocytes, then their sexual organs, and finally the greater part of their somatic cells. Of 15 A. agile, 12 survived after 50 days of starvation; the survivors became reduced to the size of newly-hatched young; they attained their normal size again after a feeding period of 30 days. In 13 species of oviparous acoelous turbellarians, development of living embryos was observed until gastrulation (16-cell stage). These observations, on a wide variety of forms, demonstrated that the “Spiral-Duett-Furchung” represents the typical cleavage modus in the Acoela. Examples are provided of the embryogenesis of A. agile and Archocelis macrorhabditis Dörjes. In the two very small species Diopithoporus brachypharyngeus Dörjes and Acoela gen. spec. 2 (200 to 300 μm) which live in sublittoral fine sand, embryonic development occurs inside the parents. In these species, cleavage could be followed clearly only to the 4-cell stage. Particular attention was paid to embryos which developed atypically; the pertinent results allow a re-interpretation of the reports by Bogomolov (1960) and Steinböck (1966) on the embryogenesis of acoelous turbellarians.

Zusammenfassung

• 1. Die Fortpflanzungsbiologie von 3 Vertretern der Familie Convolutidae wird vergleichend dargestellt und in Beziehung zur Organisation, zur Siedlungsweise und zum Lebensraum analysiert. Convoluta convoluta (Abildgaard) besiedelt die Phytalregion, Archaphanostoma agile (Jensen) detritusreiche Sedimente und Pseudaphanostoma psammophilum Dörjes das Mesopsammal.

• 2. Bei Convoluta convoluta mit kurzem Penis, weiblicher Geschlechtsöffnung und Bursa seminalis erfolgt die Begattung stets wechselseitig. Nach ausgedehntem Paarungsvorspiel pumpen sich die Tiere bei der Kopula (3 bis 4 min Dauer) das Sperma gegenseitig in die Bursa seminalis.

• 3. Bei Archaphanostoma agile fehlt eine weibliche Öffnung, jedoch ist noch ein bursales Gewebe zur Aufnahme des Fremdspermas vorhanden. Das Kopulationsorgan ist durch ein Antrum masculinum verlängert. Die Kopulation (1 bis 2 see Dauer) erfolgt in der Regel durch wechselseitige hypodermale Injektion, wobei jedes Tier seinen Penis hinten ventral durch die Epidermis bis in das bursale Gewebe des Partners einstößt. Durch Betupfen mit dem Hinterende zeigen sich die Tiere ihre Kopulationsbereitschaft an.

• 4. Pseudaphanostoma psammophilum besitzt keine spezifischen Organe zur Spermaaufnahme. Das männliche Organ ist zu einem langen Schlauch ausdifferenziert. Jetzt findet nur noch einseitige Begattung statt. Berührungen mit Artgenossen lösen momentan das Ausschleudern des Kopulationsorgans aus. In weniger als 1 sec ist das Sperma an beliebiger Stelle unter die Epidermis des Partners injiziert.

• 5. Bau der Geschlechtsorgane und Mechanismen der Spermaübertragung bei den 3 Arten werden in ihrer phylogenetischen Entwicklungsrichtung gedeutet. Der komplett zwittrige Geschlechtsapparat und die wechselseitige Begattung bei Convoluta convoluta gelten als ursprünglich; Reduktion der weiblichen sowie Ausdifferenzierung der männlichen Kopulations-organe und die hypodermale Injektion bei Archaphanostoma agile und Pseudaphanostoma psammophilum sind abgeleitet. Durch Bau und Funktion der Geschlechtsorgane ist P. psammophilum dem Leben im Mesopsammal hochgradig angepaßt.

• 6. Zur Eiablage wird ein Schleimmantel aus Sekret von Epidermisdrüsen abgeschieden. In diese Sekrethülle gelangen die Eier bei Convoluta convoluta mutmaßlich über den Pharynx, bei Archaphanostoma agile und Pseudaphanostoma psammophilum durch Ruptur der Körperwand. Die Elterntiere bohren sich nach der Ablage durch die Schleimhülle aus.

• 7. Bei Zimmertemperatur legt Convoluta convoluta in 1 bis 6 Tagen nach der Kopula 1 bis 2 Laichballen mit zahlreichen Eiern ab. Bis zu einer weiteren Fortpflanzungsperiode vergehen mehr als 2 Wochen. Archaphanostoma agile laicht bei 16° bis 18°C innerhalb von 48 Std nach der Begattung in 1 oder 2 Schüben bis zu 7 Eier ab. Ohne vorausgegangene Kopulation erfolgt keine weitere Eiablage. Nach einer Begattung isoliert gehaltene Pseudaphanostoma psammophilum erzeugen bei 16° bis 18°C in einem Zeitraum von 2 bis 3 Wochen bis zu 15 Eier.

• 8. Vereinzelt gehaltene Archaphanostoma agile legen ganz sporadisch Eier ab. Aus solchen Eiern entwickeln sich keine geschlechtsreifen Tiere. Eine Vermehrung durch Selbstbefruchtung oder Parthenogenese erscheint daher ausgeschlossen. Individuen, die nach einer langen Isolation zusammengeführt werden, produzieren anschließend vom 2. Tag an eine normale Eimenge (1 bis 2 Eier pro Tag).

• 9. Die Entwicklungszyklen von drei Arten wurden in Zuchtversuchen analysiert. Archaphanostoma agile und Pseudaphanostoma psammophilum sind Diatomeenfresser; sie erhielten eine Nitzschia-Art als Nahrung. Die räuberische Pseudohaplogonaria vacua Dörjes aus sublitoralem Grobsand wurde ausschließlich mit A. agile gefüttert. Convoluta convoluta wurde gehältert; die Aufzucht von Jungtieren gelang nicht.

• 10. Bei 16° bis 18°C dauert die Embryogenese bei den 3 Convolutidae 2 bis 5 Tage, bei Pseudohaplogonaria vacua 9 bis 15 Tage. Bei derselben Temperatur beträgt die Schlüpfrate zwischen 88 und 98%.

• 11. Bei 16° bis 18°C beansprucht Archaphanostoma agile für die Postembryonalentwicklung 18 bis 28 Tage; bei Pseudaphanostoma psammophilum ist diese nach 30 bis 55 Tagen und bei Pseudohaplogonaria vacua nach ca. 70 Tagen beendet.

• 12. Eine Verzögerung der Entwicklungsvorgänge durch tiefere Temperaturen wurde ausschließlich für Archaphanostoma agile geprüft. Der Hauptschlüpftermin als Bezugsgröße für die Dauer der Embryogenese verschiebt sich mit sinkender Temperatur zunächst relativ langsam vom 3. (16° bis 18°C) auf den 8. Tag (5° bis 6°C), dann aber sprunghaft auf den 15. Tag (3° bis 6°C). Die Schlüpfrate liegt bei 8° bis 9°C und 5° bis 6°C noch über 90%; bei 3° bis 4°C sinkt sie jedoch auf ca. 80% und unterliegt starken Schwankungen. Die Postembryonalentwicklung verlangsamt sich bei 8° bis 9°C (65 Tage) und 5° bis 6°C (96 Tage) erheblich; bei 3° bis 4°C war innerhalb von 50 Tagen kein Wachstum der Jungtiere festzustellen.

• 13. Archaphanostoma agile zeigt bei genügender Ernährung eine relativ hohe, sehr konstante Eiproduktion. die Tiere legen bei 16° bis 18°C durchschnittlich 11 bis 12 Eier in 10 Tagen. Pseudaphanostoma psammophilum hat bei gleicher Temperatur eine geringere Eproduktion (7 bis 8 Eier pro Tier in 10 Tagen). Pseudohaplogonaria vacua legt nur sporadisch; ein Tier erzeugt in 200 Tagen ca. 10 Eier. Die Höhe der Fortpflanzungsrate bei den untersuchten Acoela steht offenbar in Relation zu deren Verlustrate und Siedlungsdichte im Biotop.

• 14. Die Eiproduktion ist temperaturabhängig. Bei einer konstant bleibenden Temperatur von 25° bis 26°C legt Archaphanostoma agile Keine entwicklungsfähigen Eier ab; die Tiere sterben einen “Wärme-Hungertod”. Bei 22° ist die Fortpflanzungsleistung infolge nachlassender Fre\tätigkeit gemindert. Zwischen 16° bis 18°C und 5° bis 6°C ist die Eiproduktion nahezu gleich hoch; es besteht allerdings ein Unterschied in der Zahl der Eier pro Gelege und der Ablege-frequenz bei den Temperaturstufen 16° bis 18°C, 8° bis 9°C und 5° bis 6°C. Bei 8° bis 9°C und 5° bis 6°C legen die Tiere seltener, jedoch im Durchschnitt doppelt so viele Eier pro Gelege wie bei 16° bis 18°C. Bei 3° bis 4°C ist die Eiproduktion nur noch gering; sie wird bei-1° bis +1°C eingestellt.

• 15. Nahrungsmangel hemmt die Eiproduktion von Archaphanostoma agile erheblich. Drei Populationen mit je 15 Tieren hungerten 15, 25, und 50 Tage. Erst nach 20 Hungertagen stellten die Tiere die Fortpflanzungstätigkeit endgültig ein. Von der Gruppe mit 50tägiger Hungerperiode gingen 3 Tiere ein; die übrigen 12 waren auf die Größe von Jungtieren zurückgegangen. Sie brauchten bis zu völliger Restitution ca. 30 Tage.

• 16. Die absolute Lebensdauer der 3 gezüchteten Arten kann nicht angegeben werden. Über Archaphanostoma agile wurden die Beobachtungen nach längstens 570 Tagen eingestellt; zu diesem Zeitpunkt zeigten die Individuen keine Alterserscheinungen; die Eiproduktion der Population war ungemindert. Fünf Populationen von Pseudaphanostoma psammophilum erreichten unter meinen Kulturbedingungen (Züchtung ohne Sand) ein sehr unterschiedliches Alter (82 bis 175 Tage); nur wenige Individuen wurden älter als 150 Tage. Die Pseudohaplogonaria vacua-Population ging infolge einer überhöhten Sulfonamidzugabe ein; die Tiere hatten ein Alter von 273 Tagen erreicht.

• 17. Die Frühentwicklung von insgesamt 13 oviparen Arten wurde an lebenden Keimen bis zum 16-Zellenstadium analysiert. Bei 2 weiteren Arten verläuft die Embryogenese im Elterntier; die Frühentwicklung ließ sich hier nur bis zum 4-Zellenstadium am lebenden Objekt verfolgen. Für Aussagen über die Furchung von Archaphanostoma agile stütze ich mich zusätzlich auf Zeitraffer-Filmaufnahmen.

• 18. Die frühe Embryogenese bis zur Gastrulation wird an Keimen von Archaphanostoma agile und Archocelis macrorhabditis exemplarisch dargestellt. Die Eier von Archocelis macrorhabditis sind im Gegensatz zu allen übrigen Acoela von einer weiten, faltigen Membran umgeben. Die Entwicklung läuft bei dieser Art mit 10 bis 12 Tagen weit langsamer ab als bei Archaphanostoma agile.

• 19. Bis zur Gastrulation (Übergang zum 16-Zellenstadium) werden stets 3 Mikromeren-Paare abgeschnürt. Die Abgliederung des 1. und 2. Duetts erfolgt laeotrop. Das 8-Zellenstadium stellt eine Coeloblastula dar. Mit dem 4. Teilungsschritt ist die Gastrulation gekoppelt. Dieser Vorgang beginnt bei Archaphanostoma agile mit typischer Invagination der Zellen 3AB und 3CD, noch bevor sich die Abkömmlinge des 1. Mikromeren-Paares geteilt haben. Anschließend werden die Stammblastomeren von den Zellen 1 ab²², 1 cd²² und dem 3. Mikromeren-Ductt umwachsen. Demgegenüber bildet sich bei Archocelis macrorhabditis im Laufe der 4. Teilung zunächst ein langgestreckter, zweischichtiger Zellstrang aus maximal 16 Zellen. Dann erst entsteht durch eine Einkrümmung des Keimes während der Kontraktionsphase der Blastomeren ein typisches Gastrula-Stadium.

• 20. Jedem Furchungsschritt folgt eine “Ruhephase” des Keimes, in dem sich die Blastomeren eng aneinanderpressen und mit breiter Fläche berühren; die Zellgrenzen erscheinen verwischt, sind aber stets vorhanden.

• 21. Auf breiter Basis wird die Spiral-Duett-Furchung als typischer, sehr regelmäßiger Furchungsmodus der Acoela bestätigt. Makromeren-Quartette sowie Stadien einer “einstrahligen” Spiralfurchung und Blastomeren-Verschmelzung beruhen auf atypischer Furchung oder einer Beschädigung des Embryos. Diese Anormogenese-Stadien sterben meist ab; sie haben keine Bedeutung für phylogenetische Aussagen.