Das Potential evolutionärer Veränderungen von lebensgeschichtlichen Merkmalen durch kommerzielle Fischerei fand in den vergangenen Jahren große Beachtung, wohingegen das evolutionäre Potential selektiver anglerischer Fischentnahme kaum berücksichtigt wurde. Durch intensive Beschreibung individueller Merkmale wie Verhalten, Lebensgeschichte, Morphologie und Physiologie der Fische habe ich die phänotypischen Korrelate der individuellen Angelfangbarkeit entflechtet. Anhand benthivorer und piscivorer Modellarten konnte ich so die Stärke und die Richtung anglerischer Selektion bestimmen. Zudem habe ich die Überlebenswahrscheinlichkeit und den Reproduktionserfolg dieser Fische gemessen, um das evolutionäre Potential anglerischer Fischereisterblichkeit abschätzen zu können. Ich konnte zeigen, dass die Risikofreude im Zusammenhang mit der Nahrungsaufnahme bei benthivoren Fischen dem stärksten Selektionsdruck ausgesetzt ist, während bei piscivoren Arten Aggression die bestimmende Eigenschaft war. Zudem waren Risikofreude und Wachstum positiv korreliert. Die intrinsische Fraßaktivität- und Geschwindigkeit erklärte, warum risikofreudige Fische selbst in Gruppen die höchste Hakwahrscheinlichkeit aufwiesen. Diese besonders leicht fangbaren Individuen wurden zudem mit höherer Wahrscheinlichkeit von Räubern in Teichen und in einem 25 ha großen Natursee gefressen, sodass anglerisch induzierte und natürliche Selektion bei juvenilen Fischen in die gleiche Richtung wiesen. Bei adulten, nestbewachenden Fischen konnte ich zudem zeigen, dass Eigenschaften, die zu einer erhöhten Fangbarkeit führen, auch den Laicherfolg steigern, sodass anglerische Selektion negative Auswirkungen auf den Reproduktionserfolg haben kann. Folglich kann bei hohem Fischereidruck ein anglerisch-induziertes Schüchternheitssyndrom entstehen, wodurch die Fangraten von der Fischbestandsdichte entkoppelt werden. Meine Ergebnisse deuten auf eine hohe Schutzwürdigkeit individueller Verhaltensdiversität hin. / The potential for fishing-induced evolution has been intensively discussed in recent years, but most studies have focused on life-history traits that directly or indirectly determine body size in the context of commercial fisheries. Much less is known about potential evolutionary changes in the context of passive angling fisheries. Using comprehensive phenotypic descriptions covering several behavioral, life-history, morphological, and physiological traits, I disentangled the phenotypic correlates of individual vulnerability to angling gear. Using both, benthivorous and piscivorous model species I identified the strength and direction of selection. I then compared survival and reproductive fitness of vulnerable and invulnerable individuals to predict the evolutionary potential of angling-induced selection. My research showed that boldness in the context of foraging is the most important trait under selection in passive fisheries targeting benthivorous species whereas aggression determines selection in piscivorous species. In addition, growth and boldness were positively correlated. Intrinsically high foraging activity- and speed likely explained why explicitly bold fish were caught more often. These highly vulnerable individuals also faced higher natural mortality at the juvenile stage in ponds and within a 25 ha natural lake. Thus, angling-induced selection and natural selection point into the same direction at the juvenile stage. However, using adult, nest-guarding fish, I also showed that angling-induced selection can severely impact reproductive fitness when behavioral patterns that determine fitness also affect vulnerability to angling gear. As a consequence, an exploitation-induced timidity syndrome can be assumed in highly exploited fish stocks leading to increasing shyness and reduced vulnerability of individual fish. My findings call for a promotion of behavioral diversity within natural fish populations.

Die Bedeutung ökologischer Faktoren bei der Entstehung phänotypischer sowie genetischer Vielfalt durch natürliche Selektion, besonders bei sympatrischer Artbildung, ist derzeit ein Fokus der Evolutionsforschung. Gemeinsam vorkommende und nah verwandte Arten werden daher als Modellorganismen verwendet, um die Ursachen und Mechanismen ökologischer und evolutionärer Diversifizierung zu untersuchen. Ein sympatrisches Fisch-Artenpaar, für das eine sympatrische Artbildung auf Basis genetischer Analysen vermutet wird, existiert im norddeutschen Stechlinsee. Die zwei Maränenarten sind morphologisch kaum zu unterscheiden, zeigen eine ähnliche Nahrungszusammensetzung und kommen gemeinsam im Freiwasser, allerdings in leicht unterschiedlichen Wassertiefen, vor. Die Hypothese meiner Arbeit war, dass sich die Physiologie bzw. das Verhalten der Arten in Bezug auf die wichtigsten Umweltfaktoren ihres Lebensraumes, Futterdichte, Lichtintensität und Wassertemperatur unterscheiden. Daher haben wir Fraßeffizienz, Stoffwechselraten und Temperaturpräferenzen in Abhängigkeit dieser Faktoren bei beiden Arten untersucht, nachdem diese zuvor unter identischen Laborbedingungen herangezogen wurden. Wir fanden keinen Unterschied in der Fraßeffizienz, allerdings zeigten beide Arten je nach Temperatur unterschiedliche Stoffwechselraten sowie entsprechende Unterschiede in der Temperaturpräferenz. Die Ergebnisse legen nahe, dass temperaturbedingte physiologische Anpassungen sowie die Nutzung unterschiedlicher thermischer Mikrohabitate die zwischenartliche Konkurrenz verringern und eine gemeinsame Existenz ermöglichen. Um die mögliche Bedeutung einer solchen öko-physiologischen Spezialisierung für die Artbildung innerhalb des Sees einschätzen zu können, haben wir basierend auf den Freiland- und Labordaten ein mathematisches Evolutionsmodell entwickelt. Demnach ist ein Aufspalten einer Ausgangspopulation in zwei Populationen mit unterschiedlichen Temperaturoptima wahrscheinlich. Eine ökologische und evolutionäre Diversifizierung entlang des Temperaturgradienten ist somit ein empirisch und theoretisch plausibles Szenario für die sympatrische Artbildung der Stechlinsee-Maränen. / Abstract The role of ecological factors in generating phenotypic and genetic diversity through natural selection has received increasing attention in evolutionary biology during the last decade, especially with respect to diversification in sympatry. Sympatrically occurring and closely related species are used as model systems to study the causes and mechanisms of ecological and evolutionary diversification. A sympatric species pair of coregonid fish, for which a speciation in sympatry has been suggested based on genetic analyses, coexists in the German Lake Stechlin. The two species are morphologically similar planktivores with weak divergence in diet composition that co-occur within the pelagic area of the lake at slightly different water depths. Accordingly, it was hypothesized that the species would differ in physiology and behaviour with respect to the most important environmental factors of their natural habitat, food density, light intensity and water temperature. We studied the feeding efficiencies, metabolic rates, and temperature preferences of both species previously hatched and raised under identical laboratory conditions. We found no divergence in feeding efficiency, but significant differences in temperature-related metabolic costs as well as a corresponding difference in thermal preference. These results suggest that temperature-related physiological adaptations and the associated use of slightly different thermal microhabitats reduces exploitative competition between the species and facilitates their coexistence. To evaluate a potential role of this eco-physiological specialization for a speciation in sympatry, we developed a mathematical evolutionary model, based on our field observations and laboratory experiments. The model showed that an evolutionary splitting of an ancestral into two coexisting populations with different temperature optima is likely in this system. In conclusion, an eco-physiological and evolutionary diversification along the temperature-depth gradient of the lake is an empirically and theoretically plausible scenario for the sympatric speciation of the coregonids.

Die Osteoglossomorpha stellen eine basale Gruppe der Teleostei dar mit einer Mischung von plesiomorphen und apomorphen Merkmalen bezogen auf Reproduktion und ontogenetische Entwicklung. Bezüglich reproduktiver Gilden und ontogenetischer Entwicklung gibt es immer noch nur begrenzte Daten zu dieser Gruppe. Der größte Teil tiefer gehender Studien bezieht sich auf Mormyriden, detaillierte Beschreibungen und experimentelle Daten sind kaum vorhanden bei den anderen Gruppen sowie bei Notopterus notopterus und Osteoglossum bicirrhosum. Im Rahmen dieser Untersuchung wird zum ersten Mal eine detaillierte Beschreibung der ontogenetischen Entwicklung dieser beiden Arten auf der Basis von Laborzuchten vorgestellt. Nur bei N. notopterus gelangen Zuchtexperimente unter Laborbedingungen. Die experimentellen Daten zeigten, dass die Umweltparameter abnehmende Leitfähigkeit, Erhöhung des Wasserstandes und leichte Temperaturvariation keinen Einfluss auf Gonadenentwicklung oder Balzverhalten bei N. notopterus hatten. Die frisch abgelegten, klebrigen Eier von 3.8-4 mm Größe werden vom Männchen bis zum Schlupf bewacht. Die Eihülle besitzt äußere Rillen, die ringförmig um die Mikropyle herum angeordnet sind. Das Schlüpfen erfolgt im Alter von 168-204 Stunden. In dieser Studie wird zum ersten Mal eine Methode zur erfolgreichen Aufzucht von O. bicirrhosum unter Laborbedingungen bei 28 °C vorgestellt. Die nicht-klebrigen Eier von 12 mm Größe besitzen eine transparente Eihülle. Das Schlüpfen erfolgt im Alter von 162-166 Stunden und die geschlüpften Embryonen haben eine Länge von 16 mm. Bei O. bicirrhosum findet sich keine Larval-Periode; auf die Embryonal-Periode folgt sofort die Juvenil-Periode: Die Ontogenese kann somit als direkte Entwicklung klassifiziert werden. N. notopterus hingegen ist gekennzeichnet durch eine intermediäre Entwicklung unter Bezug auf Reproduktionsstrategien da sie eine höhere Anzahl von mittelgroßen Eiern produzieren bei gleichzeitiger Brutpflege. / The Osteoglossomorpha represent a basal group of teleostean fish comprising taxa with a mixture of both plesiomorphic and apomorphic characters of reproduction and ontogenetic development. Concerning reproductive styles and ontogenetic development of this group, there are still very limited data available so far. Most in depth studies are available for mormyrids, but detailed descriptions and experimental data remain scarce in the other groups as in Notopterus notopterus and Osteoglossum bicirrhosum. This study will describe in detail for the first time the ontogenetic development of these two species in laboratory-reared specimens. Only N. notopterus succeeded in the breeding experiment. Experimental data demonstrated that the environmental factors decreasing conductivity, slight variation of temperature, and water level have no influence on gonad development or courtship behaviour in N. notopterus. Newly spawned 3.8–4 mm adhesive eggs are guarded by the male until hatching. The egg envelope has external ridges, which are centred around the micropyle. Hatching occurs within 168–204 hours. For the first time, this study describes a method of successfully raising O. bicirrhosum at 28 °C under laboratory conditions. The non-adhesive eggs measure 12 mm with a transparent egg envelope. Hatching occurs around 162–166 hours and newly hatched embryos measure 16 mm. Actually there is no larval period found in O. bicirrhosum. The embryonic period is directly followed by the juvenile period and ontogeny can be characterized as direct development. N. notopterus is classified as intermediate species in an interpretation at reproductive strategies since they produce a higher number of medium-sized eggs and show parental care.

Gegenstand der Arbeit war die Untersuchung der Rolle der Schwebegarnele Mysis relicta im pelagischen Nahrungsnetz des Breiten Luzins unter besonderer Berücksichtigung der trophischen Interaktionen zur Kleinen Maräne Coregonus albula. Schwerpunkte waren die Abundanz und räumlich-zeitliche Verteilung von M. relicta, C. albula und dem Zooplankton sowie die trophischen Beziehungen im Pelagial. Im Vergleich zu früheren Studien war M. relicta weiträumiger und mit höherer Dichte im Untersuchungsgebiet verbreitet. Dies war auf die Verbesserung der Wasserqualität zurückzuführen. Ähnliche Verteilungsmuster führten zu starken räumlichen Überlappungen von M. relicta und C. albula. M. relicta konsumierte vorwiegend abundantes Plankton. Es zeigte sich aber auch eine Präferenz für Cladocera. Aus den in vitro ermittelten Ingestionsraten wurde für die Situation im Freiland ein starker Fraßdruck von M. relicta auf das Zooplankton abgeleitet. In Kombination mit einer Überschneidung der Beutespektren führte das zur Nahrungskonkurrenz zwischen M. relicta und C. albula. Andererseits war M. relicta eine wichtige Beute für C. albula und wurde stark positiv selektiert. Die Fettsäuremuster der untersuchten Organismen waren überwiegend durch ihre Nahrung beeinflusst. Die Aufnahme von M. relicta wurde nicht durch das Auftreten spezifischer Fettsäuren bei C. albula nachgewiesen. Grundsätzlich entsprach der Energietransfer im Nahrungsnetz des Breiten Luzins allgemeinen Modellen mit 10 % Transfereffizienz zwischen benachbarten trophischen Ebenen. Im Einzelnen zeigten sich aber auch Abweichungen, die größtenteils auf M. relicta zurückzuführen waren. Durch ihre omnivore Ernährung und als Beute für C. albula schafft M. relicta zusätzliche Verbindungen zwischen den trophischen Ebenen. Insgesamt hat M. relicta einen weitreichenden Einfluss auf die Struktur und den Energietransfer des Nahrungsnetzes im Breiten Luzin, wodurch ihr Vorkommen für das Gewässer von besonderer Bedeutung ist. / The aim of the study was to investigate the role of the opossum shrimp Mysis relicta in the pelagic food web of Lake Breiter Luzin (Germany) with special focus on trophic interactions with European cisco Coregonus albula. Main aspects were the abundance and temporal and spatial distribution of M. relicta, C. albula and zooplankton as well as trophic relationships in the food web. As a result of improved water quality M. relicta showed a wider distribution and enhanced abundances in the study area than earlier investigations suggested. Due to similar diurnal vertical distributions a great spatial overlap was evident for M. relicta and C. albula. M. relicta fed mainly on highly abundant plankton. Besides, an overall preference for cladocerans was detected. By applying estimated in vitro feeding rates to field situations it could be shown that zooplankton was strongly exploited by M. relicta. This high demand combined with similar prey preferences of C. albula led to a strong food competition between M. relicta and C. albula. On the other hand M. relicta formed high amounts in the diet of C. albula and was always positively selected. Fatty acid composition of examined organisms resembled the composition found in their dietary resources. The intake of M. relicta could not be detected by a specific fatty acid composition in C. albula. Considering highest and lowest trophic levels, transfer efficiency in Lake Breiter Luzin fit into general models assuming a transfer of 10 % between neighbouring trophic levels. Transfer between intermediate trophic levels partly differed from this general pattern. This was connected to the existence of M. relicta. Being omnivorous and by providing an important food source for C. albula the mysid established additional links between trophic levels in the food web. In summary, M. relicta is a significant factor in structuring the food web of Lake Breiter Luzin and has profound impact on the entire lake ecosystem.

Aquatische Gemeinschaften sind stark körpergrößenstrukturiert mit einer exponentiellen Abnahme der Häufigkeit der Individuen mit zunehmender Körpergröße, die als Größenspektrum (SS) bezeichnet wird. Körpergrößenbasierte Ansätze bieten eine einfache und kostengünstige Methode zur Beantwortung komplexer ökologischer Fragestellungen in aquatischer Forschung. Widersprüchliche Ergebnisse zu den wichtigsten Faktoren, die Größenspektren beeinflussen unterstreichen jedoch die Notwendigkeit weiterer Studien. Um einige dieser widersprüchlichen Schlussfolgerungen anzugehen, habe ich eine Reihe von Fragen in den Bereichen Limnologie und Korallenriffökologie untersucht. In dieser Dissertation wurden größenbasierte Ansätze wie SS verwendet, um zu untersuchen, (i) was die Größenverteilung von Zooplankton beeinflusst und ob Zooplankton-fressende Fische (topdown) oder Ressourcenverfügbarkeit und Umweltbedingungen (bottom-up) die SS der Zooplanktongemeinschaft bestimmen, (ii) ob traditionelle Schleppnetze oder moderne hydroakustische Methoden Fisch-SS zuverlässiger darstellen, und (iii) ob SS von Korallenriff- Fischgemeinschaften und die strukturelle Komplexität der Korallen bzw. deren Beziehung zueinander sich unter verschiedenen anthropogenen Stressoren verändert. Zuallererst konnte ich zeigen, dass weder Top-down- noch Bottom-up-Kräfte stark die Größenverteilung der Zooplanktongemeinschaft beeinflussten. Zooplankton SS scheinen robust gegenüber Prädationseffekten zu sein, aber ein empfindlicher Indikator für die Energieverfügbarkeit und Transfereffizienz im Nahrungsnetz des untersuchten Sees. Des Weiteren konnten meine Studien bestätigen, dass hydroakustische Methoden die SS von pelagischen Fischgemeinschaften zuverlässig darstellen, was sie zu einer kostengünstigen und minimalinvasiven Alternative zu traditionellen Fischentnahmemethoden macht. Ich konnte jedoch kein allgemeingültiges Muster hinsichtlich der Größenverteilung von Korallenrifffischen und der strukturellen Komplexität der Korallen in Beziehung zu unterschiedlichen anthropogenen Stressoren finden. Insgesamt zeigt die Dissertation das weite Anwendungsspektrum von SS, um Strukturen und Prozesse in aquatischen Gemeinschaften und Fischfangmethoden zu untersuchen. Die hohe Variabilität von Größenspektren und der Einfluss von Umweltbedingungen unterstreicht weiter die Wichtigkeit, Daten über einen langen Zeitraum einzubeziehen. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit auch die Grenzen der Anwendung von SS, da für die Beantwortung mancher ökologischer Fragestellungen artenspezifische Informationen, wie Lebensraum- und Nahrungspräferenzen benötigt werden. / Aquatic communities are highly body-size structured with an exponential decline of abundance with increasing body size, which is referred to as the size spectrum (SS). The importance of body size as a principal and simplifying framework within aquatic communities, has led to a high number of theoretical and empirical studies on energy fluxes in food webs and predatorprey interactions using Size Spectra. These size-based approaches offer a rather simple and inexpensive method to answer complex ecological questions. However, conflicting findings on the key drivers of SS highlight the need for further studies. To address some of these conflicting conclusions, I investigated a range of questions within the fields of limnology and coral reef ecology. In this thesis size-based approaches such as SS were employed to explore (i) what drives zooplankton size distribution and whether zooplanktivorous fish (top-down) or resource availability and environmental condition (bottom-up) determine zooplankton community SS, (ii) whether traditional midwater trawling or modern hydroacoustic methods more reliably represent fish SS, and (iii) coral reef fish community SS and habitat structural complexity and their relationship across site-specific anthropogenic stressors. By analysing long term data, I first found that neither top-down or bottom-up forces drove the zooplankton community size distribution. Zooplankton SS seem robust against predation effects but a sensitive indicator for lake-wide energy availability and transfer efficiency in the food web. Then I found that hydroacoustic methods reliably represent pelagic fish community SS, making it a great alternative to traditional and more invasive fish removal sampling methods. Finally, I discovered that coral reef fish SS slope and structural complexity of the reef exhibited a significant negative relationship on two of the examined reef sites which are least exposed to anthropogenic disturbances. A consistent pattern of fish SS and reef complexity was missing, indicating that other environmental factors may also impact the assessed parameters. Overall, my studies show the range of applications of SS to effectively answer universal questions from trophic interactions and the importance of habitat characteristics in a community to a methodological comparison of fish sampling methods. The high variability of SS behaviour and the influence of environmental conditions further underlines the importance to include data on a large temporal scale. Community information, such as taxonomic identity and consideration of species-specific feeding and habitats preferences, for example, are still beneficial in some cases to answer ecologically questions extensively.

Fischgemeinschaften in Seen sind zunehmenden Umweltveränderungen unterworfen. Die Analyse des Einflusses abiotischer und biotischer Faktoren auf die Größenstruktur von Fischgemeinschaften ist entscheidend, um die Entwicklung von Seeökosystemen im Zuge von Umweltveränderungen vorhersagen zu können. Es ist jedoch schwierig Fische in Seen zu beproben, da Fanggeräte selektiv sind. Die Qualität und Vergleichbarkeit von Fischfängen durch Angler, Kiemennetze, Schleppnetze und Hydroakustik wurden untersucht. Anglerfänge eignen sich begrenzt für vergleichende Fischbestandsuntersuchungen. Vertikale Hydroakustik eignet sich für die Fischbiomassequantifizierung in geschichteten Seen. Der Beprobungsaufwand von Kiemennetzen kann reduziert werden, wenn zeitnah hydroakustische Untersuchungen statt finden. Schleppnetze eignen sich für die Beprobung von pelagischen Fischen in tiefen Seen. Die Größenstruktur von Fischgemeinschaften unterschied sich auf regionaler und überregionaler Ebene entlang abiotischer und biotischer Gradienten. Die regionale Studie zeigte, dass tiefe nährstoffarme Seen mit hohen Raubfischabundanzen durch mehr große Fische gekennzeichnet waren. Nährstoffreiche Flachseen mit wenigen Raubfischen zeigten höhere Anteile von mittleren Fischgrößen. Im überregionalen Vergleich führten Temperaturpräferenzen der Fischarten zu zwei Fischgemeinschaften, die sich in ihrer Größenzusammensetzung unterschieden. Ein hoher Anteil großer Salmoniden war typisch für hochgelegene Kaltwasserseen im Norden und Süden Europas. Flachlandseen mit Kühl- und Warmwasserfischen zeichneten sich durch eine Dominanz von kleinen Fischen aus. Das lässt vermuten, dass Fischgemeinschaften in Flachlandseen relativ robust gegenüber Umweltveränderungen reagieren. Kaltwasserfischgemeinschaften könnten im Zuge der Klimaerwärmung starken Änderungen unterliegen, da eine Veränderung in der Artenzusammensetzung von einer Verschiebung in der Größenstruktur hin zu mehr kleinen Fischen begleitet sein wird. / Lake fish assemblages are increasingly exposed to environmental change in their habitats. The investigation of abiotic and biotic factors and their effects on the size structure of lake fish is essential for predicting the response of fish assemblages to environmental change. However, sampling of lake fish is challenging because sampling gears are selective. The quality and correspondence of fish catches from angling, gillnetting, trawling and hydroacoustics were analysed. Non-standardised catch data from recreational angling were of limited quality for a comparison of fish stocks. Vertical hydroacoustics is an efficient method to quantify fish biomass in stratified lakes. Sampling effort of multi-mesh gillnets can be reduced when fish abundance estimates are derived from contemporarily operating hydroacoustics. Trawling is useful to sample pelagic fish assemblages in deep lakes. The size structures of fish assemblages differed on a small and a large geographical scale along gradients of abiotic and biotic lake descriptors and differences in fish assemblage composition. At a small geographical scale assemblages in deep and less nutrient-rich lakes with high predator abundances were characterised by a higher proportion of large fish. Shallow nutrient-rich lakes with few predators were characterised by more medium-sized fish. At a large geographical scale thermal optima of fish generated two types of assemblages with different size structures. A high proportion of large salmonids was observed in coldwater lakes at high elevation sites in northern and southern Europe. Lowland lakes with cool- and warmwater fish were dominated by small-sized individuals. The results suggest that lowland lake fish assemblages are relatively robust against environmental change. Coldwater fish assemblages instead may suffer dramatic consequences from global warming as expected species shifts are likely to be accompanied by shifts in the size structure towards smaller individuals.

(Oberflächen-) Gewässer weltweit sind mit geringen Mengen (ng/L bis wenige µg/L) humaner Pharmazeutika belastet. Diclofenac (DCF; nicht-steroidal, entzündungshemmend) und Metoprolol (MTP; ß-Blocker) gehören entsprechend ihres hohen Verbrauchs zu den am häufigsten gefundenen Substanzen. Deren biologische Aktivität ist nicht auf den Menschen beschränkt. Gut konservierte Enzyme innerhalb der Vertebraten legen Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen wie Fische nahe, die bisher in Langzeituntersuchungen mit umweltrelevanten Konzentrationen unzureichend untersucht wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden die physiologischen Effekte von DCF und MTP auf die Nil-Tilapie (Oreochromis niloticus), einem der wichtigsten Aquakulturfische weltweit, untersucht. In vitro konnte anhand primärer Hepatozyten gezeigt werden, dass bereits umweltrelevante Konzentrationen von DCF zu einer erhöhten Genexpression verschiedener Schlüsselenzyme der Detoxifizierung führten. Nach MTP-Exposition waren die Veränderungen weniger eindeutig. Beide Substanzen induzierten die Vitellogenin Genexpression, nur DCF jedoch bereits in umweltrelevanter Konzentration. In vivo wurden in zwei Langzeit-Expositionsversuchen die physiologischen Effekte vom befruchteten Ei bis 80 Tage nach Schlupf in O. niloticus untersucht. Beide Substanzen hatte keinen Einfluss auf Schlupferfolg und Überleben, das Wachstum war nach 80 Tagen nach Schlupf leicht reduziert. Die deutlichsten Auswirkungen waren histopathologische Veränderungen der Kiemen, veränderte Genexpressionen der Gonadotropine und eine erhöhte Expression von Vitellogenin. Die Ergebnisse legen eine stärkere östrogene Aktivität von DCF im Vergleich zu MTP nahe. Zusammenfassend sind die Bedenken gegenüber den Einzelsubstanzen eher gering, negative Auswirkungen auf die Reproduktion und sich verstärkende Effekte bei zeitgleicher Exposition gegenüber DCF und MTP lassen sich jedoch nicht ausschließen und sollten im Weiteren untersucht werden. / Surface waters worldwide are contaminated with low levels (ng/L up to few µg/L) of human pharmaceuticals. Diclofenac (DCF; non-steroidal, anti-inflammatory) and metoprolol (MTP; ß-blocker) are highly consumed and therefore commonly detected. Their biological activity is not restricted to humans. Well conserved enzymes within the vertebrates suggest effects on non-target organisms such as fish, poorly studied in long-term exposure experiments using environmentally relevant concentrations. In the presented work, physiological effects of DCF and MTP on the Nile tilapia (Oreochromis niloticus), an important aquaculture fish species, were studied. Using primary hepatocytes, it was shown in vitro that environmentally relevant concentrations of DCF increased the gene expression of different key enzymes of the detoxification, while MTP exposure had a less clear effect. Both substances induced vitellogenin gene expression, but only after DCF exposure this was significantly elevated already at the environmentally relevant concentration. In vivo, two long-term exposure studies on the physiological effects from the fertilized egg until 80 days post-hatch were evaluated. Both substances did not affect hatching success and survival, while growth was slightly reduced after 80 days post-hatch. Histopathological alterations of the gills, changed gene expression patterns of the gonadotropins and induced vitellogenin gene expression were the most dominant findings. The results indicate a stronger estrogenic mode of action of DCF compared to MTP. Overall, the risk due to a single substance exposure seems to be relatively low but adverse effects on reproduction and additive effects during simultaneous exposure to DCF and MTP cannot be excluded and should be investigated further.

Die Körpergröße ist von großer Bedeutung für die Fitness vieler Tiere, weil sie positiv mit Überleben und Reproduktionserfolg korreliert ist. Große Rogner vieler Fischarten sind fruchtbarer und produzieren Nachkommen von höherer Qualität verglichen mit kleineren Weibchen. Auch für Milchner einiger Fischarten wurde ein Einfluss der Körpergröße auf frühe Lebensstadien nachgewiesen. Der größenabhängige paternale Effekt verglichen mit maternalen Effekten ist weniger gut untersucht. Das Verständnis der Variation im Reproduktionserfolg als Funktion der Körpergröße der Laicher ist wichtig, weil die Fischerei die Durchschnittsgröße des Laicherbestands reduziert. In vorliegender Dissertation wurden in Laborversuchen an Zebrafischen (Danio rerio) größenabhängige paternale und maternale Effekte auf den Reproduktionserfolg und die Auswirkungen größenselektiver Entnahme auf Körperlänge, Reifung und Reproduktionserfolg untersucht. Die Köperlänge und Kondition waren wichtige Determinanten der Reifung bei Zebrafischen. Größere Rogner zeigten höheren Reproduktionserfolg als kleinere Fische und ein signifikanter Einfluss der Milchnerkörperlänge auf die frühen Lebensstadien ihrer Nachkommen wurde dokumentiert. Längere Männchen wurden von Rognern auch bei der Paarung bevorzugt. Die größenabhängigen maternalen und paternalen Effekte waren ausschlaggebend für den erhöhten Reproduktionserfolg von Zebrafischlaichbeständen, die, verglichen mit kleinen Laichern, aus großen oder zufällig zusammengesetzten Individuen zusammengesetzt waren. Die größenselektive Entnahme führte zu phänotypischen und genetischen Veränderungen, die nach Einstellung der experimentellen Befischung persistierten. Das deutet an, dass die durch die Fischerei ausgelöste Evolution schwierig umkehrbar sein könnte. Die Köpergröße ist von überragender Bedeutung in der Reproduktionsbiologie des Zebrafisches und der Schutz großer Laichfische kann wichtig für den Erhalt der Reproduktionskapazität von befischten Beständen sein. / Body size is a fundamentally important trait for fitness in many animal species because it correlates positively with survival and reproductive success. In many fish species, large females exhibit higher fecundity and produce higher quality offspring compared to small females. Similarly, male body size can affect offspring quality and early life-history traits but the importance of these effects to the reproductive biology of fish is poorly studied. The extent to which variation in reproductive success is explained by parental body size is an important research topic because size-selective fishing usually reduces the average size of reproducing adults in a population. In my dissertation, I studied the parental size effects on reproductive success in a model species (zebrafish, Danio rerio). I also studied the effects of size-selective harvesting on body size, maturation and reproductive output. Body size and condition factor were important determinants of the initiation of maturation in zebrafish. Large females were found to have higher reproductive success compared to small females and a significant effect of male body size on early life-history traits was documented. I found that large males were also favored by the females resulting to differential allocation of reproductive resources toward large males. The maternal- and paternal-size effects ultimately led to elevated reproductive success of experimental spawning stocks consisting of large or random-sized individuals compared to spawning stocks consisting of small individuals. Size-selective harvesting induced rapid phenotypic and genetic changes, which persisted after selection was halted. This suggests that fishing-induced changes might be hard to reverse. My results emphasize the importance of body size to the reproductive biology of zebrafish and suggest that protecting large fish might be important to maintain the reproductive potential of exploited fish stocks.

Die Besiedlung von Gewässern durch Fische, ist neben abiotischen Lebensraumbedingungen auch von der Erreichbarkeit d.h. von der art-spezifischen Ausbreitungsfähigkeit sowie von Wanderhindernissen abhängig. Der erste Teil dieser Arbeit bietet die erste umfangreiche quantitative Analyse von Ausbreitungsmustern und -distanzen von Flussfischen. Aus der Fachliteratur wurden 160 empirische Datensätze aus 71 wissenschaftlichen Studien zur Ausbreitung von 62 Fischarten in Flüssen extrahiert und an leptokurse Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktionen (Dispersal kernel) angepasst. Es konnte bei Fischpopulationen zwischen einer stationären (ca. 2/3) und einer mobilen Komponente (ca. 1/3) unterschieden werden deren Ausbreitungsdistanzen von vier Faktoren abhängig sind: Fischlänge, Form der Schwanzflosse, Fließgewässergröße, betrachtete Zeitspanne. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich dem neu entwickelten Fischausbreitungsmodell FIDIMO einem GIS-Softwareprogramm zur Modellierung und Simulation der räumlichen und zeitlichen Ausbreitungsmuster von Fischen in Flüssen unter Berücksichtigung von Wanderhindernissen. FIDIMO verknüpft konzeptionelle Überlegungen zu Ausbreitungsmodellen in verzweigten Fließgewässernetzwerken mit empirisch bestimmten leptokursen Fischausbreitungskurven unter ausschließlicher Verwendung von Free and Open Source Software. Im dritten Teil der Arbeit wurde FIDIMO zur Modellierung der Ausbreitung von 17 Fischarten angewendet um die Einflüsse von (i) Habitatqualität, (ii) Ausbreitungsfähigkeit und (iii) Fließgewässer-Fragmentierung auf die Besiedlungsmuster durch Fische zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die artspezifische Habitatqualität und Ausbreitungsfähigkeit die Besiedlung maßgeblich bestimmen. Dagegen wurde kein signifikanter Einfluss von Barrieren auf das Vorkommen einer Art gefunden. Über längere Zeiträume sinkt der Einfluss von Fischausbreitung auf das lokale Vorkommen einer Fischart während die Habitatqualität relativ wichtiger wird. / The colonisation of rivers by fishes is directly linked to abiotic habitat conditions but often impaired by dispersal abilities of fishes and movement constraints such as barriers. The first part of this thesis provides the first comprehensive quantitative analysis of freshwater fish movement while considering fish populations consisting of differently mobile specimens. 160 empirical datasets from 71 studies on the movement of 62 riverine fish species were analysed based on refitted leptokurtic probability-density functions (dispersal kernels). A share of one third and two thirds emerged as a general pattern of the mobile and stationary component of a fish population, respectively. Moreover, four variables were identified primarily determining dispersal distances: fish length, aspect ratio of the caudal fin, river size and time. In the second part of the thesis, the novel fish dispersal model FIDIMO is introduced. FIDIMO provides a GIS-tool for predicting and simulating spatio-temporal patterns of fish dispersal in dendritic river networks considering movement barriers. The fish dispersal model FIDIMO links conceptual considerations on dispersal modelling with empirically observed leptokurtic fish movement patterns and the strengths of geographically explicit modelling in Free and Open Source GIS. In the third part of the thesis, FIDIMO was applied for modelling dispersal of 17 fish species to disentangle the effects of (i) habitat suitability, (ii) dispersal constraints and (iii) network fragmentation on the distribution of river fishes. The results show significant positive effects of both, local-scale habitat quality and species-specific dispersal ability on the distribution of river fishes, whereas no significant effect of barriers influencing the presence of a species could be found. Over longer time periods the importance of dispersal decreased in favour of habitat suitability becoming relatively more relevant in determining species'' presence.

Individuelle Verhaltensunterschiede (sog. „Animal personality“) werden oft als konsistent über die Zeit und situationsunabhängig angenommen. Vielfach werden solche Persönlichkeitsunterschiede zwischen Tieren einer Art durch individuelle Unterschiede im Energiehaushalt sowie Lebenszyklusvariablen (sog. ‚state variables‘, dt. Zustandsgrößen) erklärt. Dies ist in der „pace-of-life“ Hypothese zusammengefasst. In neueren Arbeiten wurde jedoch die Konsistenz von Persönlichkeitsmerkmalen über den Lebensverlauf und deren strikte Abhängigkeit von Zustandsgrößen in Frage gestellt. Die vorliegende Dissertation soll neue Einblicke in die Mechanismen, die zur Entstehung von Persönlichkeitsunterschieden im Verlauf des Lebens von Fischen, deren Situationsabhängigkeit sowie ihre Verbindung zu individuellen Unterschieden in Zustandsgrößen liefern. In einer Abfolge von fünf unabhängigen Studien untersuchte ich die genannten Annahmen und fand, dass (1) Persönlichkeitsunterschiede sich im Laufe des Lebens von Tieren vergrößern; (2) Persönlichkeitsabschätzungen bei jungen Tieren oft stärker vom experimentellen Aufbau beeinflusst werden als bei Erwachsenen; (3) der Energiehaushalt und Lebenszyklusvariablen Persönlichkeitsunterschiede sowohl unter Laborbedingungen als auch im Freiland nicht hinreichend erklären können; (4) Beziehungen zwischen Persönlichkeitsunterschieden und Unterschieden im Energiehaushalt und in Lebenszyklusvariablen fanden sich nur bei Fischen einer Population mit langsamer Lebenszyklusstrategie nicht jedoch in einer Population mit schnellem Lebenszyklus. Die vorliegende Arbeit suggeriert daher, dass sich erst im Verlauf des Lebens eines Tieres Persönlichkeitsunterschiede unvermeidbar entwickeln. Dies stellt Persönlichkeitsmessungen bei juvenilen Tieren grundsätzlich in Frage. Weiterhin scheinen Persönlichkeitsunterschiede und Zustandsgrößen unter bestimmten Umweltbedingungen und evolutiven Szenarien voneinander unabhängig zu sein. / Among-individual differences in behavior (i.e., animal personality) are assumed to be consistent over time and contexts. In theory, they are often explained by individual variations in energy costs of self-maintenance as well as life history among animals (i.e., state variables), commonly expressed as the pace-of-life syndrome hypothesis. Yet, recent theories have disputed the consistency of personality types over lifetime and their rigid state-dependency. This thesis aims to offer novel insights on the mechanisms behind the emergence and development of personality over lifetime of fishes, its context dependency, and its link to individual variation in state variables. In a sequence of five independent yet interconnected studies, I tested the assumptions above and observed that (1) personality differences increased during lifetime as a function of consistent declines in the behavioral plasticity with increasing age of animals; (2) personality estimates in young animals were weaker and thus more vulnerable to experimental biases compared to adults; (3) personality variation did not depend upon individual differences in energy costs of self-maintenance and life-history traits among individuals, under both laboratory and natural settings; and (4) the relationship between behavioral, metabolic, and life-history traits was manifested only in fish populations with slow rather than fast life-history strategies. This thesis suggests that personality variation in animals might be the inevitable outcome of development, raising questions about the reliability of personality estimates in juvenile individuals. Furthermore, individual variation in personality and “states” may act independently (i.e., phenotypes are uncorrelated) under environmental conditions and evolutionary contexts that mask or select against their trade-offs.