Auf der Basis von Fossilien wird angenommen, dass die ersten Säugetiere nachtaktiv waren. Diese Arbeit untersucht diese Hypothese mit bioinformatischen und molekularbiologischen Techniken. Der Fokus liegt auf dem Rhodopsin, ein Sehpigment im Wirbeltierauge, das für Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen verantwortlich ist. Zunächst wurde das Rhodopsin der monotrematen Echidna, einem basalen Säugetier, sequenziert und mit zwei Mutanten mit Mutationen an Positionen 158 und 169 in vitro exprimiert. Die biochemische und funktionelle Charakterisierung ergab, dass das Echidna-Rhodopsin farbpigment-typische Charakteristika aufweist, was auf eine Expression auch in Zapfen hindeutet. Dies ist die erste Charakterisierung eines Rhodopsins eines nachtaktiven Tieres. Dann wurden anzestrale Rhodopsinsequenzen für die Knotenpunkte Amniota, Mammalia und Theria mithilfe der Maximum-Likelihood-Methode berechnet. Die in vitro Expression und biochemische und funktionelle Charakterisierung zeigt funktionale und rhodopsin-typische Sehpigmente. Das Mammalia- und Theria-Rhodopsin zeigen eine hohe Meta II Halbwertszeit. Dieses Ergebnis wird als eventuelle Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen interpretiert, wobei, aufgrund von Unstimmigkeiten in der Literatur, Schlussfolgerungen auf ökologisch-bedingte Anpassungen basierend auf einzelnen Funktionstests problematisch sind, da die visuelle Signalkaskade ein sehr komplexes und durch viele Proteine vernetztes System darstellt. Zuletzt zeigen Selektionsanalysen, dass das Rhodopsin entlang der Theria-Linie positive Selektion auf nicht-synonyme Substitutionen erfahren hat, was zu Anpassungen in einem Protein führt. Der Fossilbericht belegt entlang dieser Linie mehrere Einnischungsevents in neue Lebensräume. Entlang der Mammalia-Linie wurde positive Selektion auf synonyme Substitutionen gemessen, was zu einer Zunahme an Rhodopsin-Molekülen führt und damit eine Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen darstellt. / Based on information from the fossil record, the first mammals are thought to have been nocturnal. This thesis investigates this popular hypothesis using bioinformatic and molecular techniques, focusing on the rhodopsin, a visual pigment in the vertebrate eye that is responsible for vision at low-light levels. First, the rhodopsin gene of the monotreme echidna, a basal mammal, was sequenced and successfully expressed in vitro, together with two mutants with substitutions at sites 158 and 169. Biochemical and functional analyses revealed that the echidna rhodopsin displays cone-like characteristics, likely due to being also expressed in cones. With the echidna being nocturnal, this thesis comprises the first characterisation of a rhodopsin of a nocturnal animal. Second, ancestral rhodopsin sequences for the tetrapod nodes Amniota, Mammalia, and Theria were inferred using Maximum likelihood estimates. All expressed pigments were successfully expressed in vitro, functional and rod-like. Mammalia and Theria rhodopsins display a high meta II half life time, a pattern that is usually interpreted to facilitate better vision at low-light levels. However, due to inconsistency in the available data, the result also suggests that, with the visual signaling cascade being a complex and interconnected system, erecting ecological interpretations based on single biochemical and functional reactions is problematic. Third, selective constraint analyses performed on a set of tetrapod rhodopsin sequences indicate that positive selection on non-synonymous sites, was acting along the branch leading to Theria. This result reflects the rapid diversification into modern ecological habitats during the Triassic and Jurassic, as indicated by the fossil record. In addition, positive selection on synonymous sites, leading to an increase of rhodopsin molecules, was found along the branch leading to Mammalia and suggests adaptations to vision at low-light levels.

Die Dissertation beschäftigt sich mit den möglichen Gründen für die divergente evolutionäre Entwicklung von Beuteltieren und plazentalen Säugetieren nach der Kreide/Tertiär-Grenze. Eine Erklärung könnten ihre unterschiedlichen Reproduktionsstrategien sein. Während die Beuteltiere sehr embryonale Jungtiere nach einer kurzen Tragzeit gebären, bringen Plazentalier deutlich weiter entwickelte Jungtiere nach einer relativ langen Tragzeit zur Welt. Die Aufrechterhaltung eines stabilen Metabolismus und thermoregulatorische Fähigkeiten der Jungtiere bieten einen großen Vorteil für die Anpassungsfähigkeit an ungünstige Umweltbedingungen, wie sie für die K/T-Grenze vermutet werden. Aus diesem Grund untersucht diese Studie den strukturelle Entwicklungsgrad der Lunge und die metabolischen Fähigkeiten von neonaten Marsupialia und Plazentalia. Histologische, ultrastrukturelle und kalorimetrische Untersuchungen erfolgten in einer integrativen Studie. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine Grundplanrekonstruktionen der Neonaten von Marsupialia und Plazentalia durchgeführt. Als Vertreter für nesthockende Plazentalia wurde der Goldhamster (Mesocricetus auratus), die Moschusspitzmaus (Suncus murinus) und das Belangeri Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) untersucht. Das Wildmeerschweinchen (Cavia aperea) und die Kurzohr-Elefantenspitzmaus (Macroscelides proboscideus) repräsentieren die nestflüchtenden Plazentalia. Als Marsupialia wurden die Hausspitzmaus-Beutelratte (Monodelphis domestica) und das Tammar-Wallaby (Macropus eugenii) untersucht. Die Ergebnisse bestätigen die starken Unterschiede im Entwicklungsgrad der Neonaten und in der postnatalen Entwicklung zwischen Marsupialia und Plazentalia. Die neonatalen Lungen von M. auratus und S. murinus befinden sich im späten “terminal air sac”-Stadium und weisen viele kleine Atemkammern von 50-80 µm Durchmesser auf. Die Alveolenbildung erfolgt bei M. auratus und S. murinus bereits im Alter von zwei beziehungsweise vier Tagen. Bei T. belangeri, C. aperea und M. proboscideus sind Alveolen bereits zum Zeitpunkt der Geburt vorhanden. Im Gegensatz dazu, befinden sich die Lungen der neonaten Beuteltiere M. domestica und M. eugenii im frühen “terminal air sac”-Stadium mit wenigen großen Atemkammern von 300-400 µm im Durchmesser. Die postnatale Lungenentwicklung erfolgt sehr langsam und die Alveolenbildung startet mit 28 Tagen bei M. domestica und mit 65 Tagen bei M. eugenii. Die Metabolismusmessungen ergaben, daß Marsupialia mit einer niedrigen Metabolismusrate geboren werden und den Adultmetabolismus erst spät in der postnatalen Entwicklung erreichen. Einhergehend mit der weit entwickelten Lungenstruktur weisen die Plazentalia hohe Metabolismusraten zur Geburt auf und erreichen den Adultmetabolismus innerhalb der ersten Lebenswoche. Die Ergebnisse zeigen, dass Jungtiere der Plazentalia, im Vergleich zu jungen Marsupialia, eine höhere Widerstandskraft gegen Umweltschwankungen haben, was als ein evolutiver Vorteil der Reproduktionsstrategie der Plazentalia unter ungünstigen Klimabedingungen interpretiert werden kann. / This project deals with the possible reasons for the evolutionary differentiation between marsupial and placental mammals after the K/T-event. One explanation could be their different reproductive patterns. Marsupialia bear virtually embryonic young after a brief gestation period. In contrast, many eutherians bear anatomically advanced, highly precocious young after a relatively long gestation period. A stable metabolism and thermoregulatory abilities of the young are considered to offer a large adaptive advantage in a changing environment, how it is presumed for the K/T-boundary. Therefore this study determines the developmental stage and the respiratory efficiency of the lungs of marsupial and placental young. Histological, ultrastructural and calorimetric investigations were carried out in an integrated study and from the results morphotype reconstructions of the marsupial and placental neonates were carried out. As representatives for altricial Placentalia, the Golden hamster (Mesocricetus auratus), the Musk shrew (Suncus murinus), and the Belanger’s tree shrew (Tupaia belangeri) were examined. Furthermore the Guinea pig (Cavia aperea) and Short-eared elephant shrew (Macroscelides proboscideus) as typical precocial Placentalia were included. The Marsupialia were represented by the Grey short-tailed opossum (Monodelphis domestica) and the Tammar wallaby (Macropus eugenii). The results confirm clear differences in the developmental degree of the neonates and the postnatal development between marsupial and placental mammals. The newborn lungs of the altricially born placentals M. auratus and S. murinus are at the late terminal air sac stage with numerous small air sacs of 50 - 80 µm in diameter. Alveoli are formed shortly after birth at the age of 2 days in M. auratus and at the age of 4 days in S. murinus. In T. belangeri and in the precocially born C. aperea alveoli are already present at birth. In contrast, the lungs of the newborn marsupials M. domestica and M. eugenii are at the early terminal air sac stage with few large air sacs of 300 – 400 µm in diameter. The postnatal lung development proceeds very slowly in marsupials and alveoli are not present before the age of 28 days in M. domestica and 65 days in M. eugenii. The metabolic investigations demonstrate that Marsupialia have a low metabolism at birth and achieve the adult metabolism late in the postnatal development. All examined Placentalia showed the same pattern of oxygen consumption. Corresponding to their advanced differentiation of the lungs they also exhibit high metabolic abilities at birth and reach the adult metabolism during the first week of life. During this critical period placental young have a higher resistance against certain environmental stresses than marsupial young and this could mean an evolutionary advantage of the placental “reproductive strategy” under suboptimal climatic conditions.