TY  - THES
A1  - Franzke, Myriam
T1  - Keep on track : The use of visual cues for orientation in monarch butterflies
T1  - Auf Kurs bleiben : Die Nutzung visueller Hinweise zur Orientierung bei Monarchfaltern
N2  - The monarch butterfly (Danaus plexippus) performs one of the most astonishing behaviors in the animal kingdom: every fall millions of these butterflies leave their breeding grounds in North Amerika and migrate more than 4.000 km southwards until they reach their overwintering habitat in Central Mexico. To maintain their migratory direction over this enormous distance, the butterflies use a time-compensated sun compass. Beside this, skylight polarization, the Earth’s magnetic field and specific mountain ranges seem to guide the butterflies as well the south. In contrast to this fascinating orientation ability, the behavior of the butterflies in their non-migratory state received less attention. Although they do not travel long distances, they still need to orient themselves to find food, mating partners or get away from competitors. The aim of the present doctoral thesis was to investigate use of visual cues for orientation in migrating as well as non-migrating monarch butterflies. For this, field experiments investigating the migration of the butterflies in Texas (USA) were combined with experiments testing the orientation performance of non-migratory butterflies in Germany.
In the first project, I recorded the heading directions of tethered butterflies during their annual fall migration. In an outdoor flight simulator, the butterflies maintained a southwards direction as long as they had a view of the sun’s position. Relocating the position of the sun by 180° using a mirror, revealed that the sun is the animals’ main orientation reference. Furthermore, I demonstrated that when the sun is blocked and a green light stimulus (simulated sun) is introduced, the animals interpreted this stimulus as the ‘real’ sun. However, this cue was not sufficient to set the migratory direction when simulated as the only visual cue in indoor experiments. When I presented the butterflies a linear polarization pattern additionally to the simulated sun, the animals headed in the correct southerly direction showing that multiple skylight cues are required to guide the butterflies during their migration.
In the second project, I, furthermore, demonstrated that non-migrating butterflies are able to maintain a constant direction with respect to a simulated sun. Interestingly, they ignored the spectral component of the stimulus and relied on the intensity instead. When a panoramic skyline was presented as the only orientation reference, the butterflies maintained their direction only for short time windows probably trying to stabilize their flight based on optic-flow information. Next, I investigated whether the butterflies combine celestial with local cues by simulating a sun stimulus together with a panoramic skyline. Under this conditions, the animals’ directedness was increased demonstrating that they combine multiple visual cues for spatial orientation.
Following up on the observation that a sun stimulus resulted in a different behavior than the panoramic skyline, I investigated in my third project which orientation strategies the butterflies use by presenting different simulated cues to them. While a bright stripe on a dark background elicited a strong attraction of the butterflies steering in the direction of the stimulus, the inverted version of the stimulus was used for flight stabilization. In contrast to this, the butterflies maintained arbitrary directions with a high directedness with respect to a simulated sun. In an ambiguous scenery with two identical stimuli (two bright stripes, two dark stripes, or two sun stimuli) set 180° apart, a constant flight course was only achieved when two sun stimuli were displayed suggesting an involvement of the animals’ internal compass. In contrast, the butterflies used two dark stripes for flight stabilization and were alternatingly attracted by two bright stripes. This shows that monarch butterflies use stimulus-dependent orientation strategies and gives the first evidence for different neuronal pathways controlling the output behavior.
N2  - Der Monarchfalter (Danaus plexippus) vollführt eine der atemberaubendsten Verhaltensweisen im Tierreich: Jeden Herbst verlassen Millionen dieser Schmetterlinge ihre Brutgebiete in Nordamerika und migrieren mehr als 4000 km südwärts bis sie ihr Überwinterungsgebiet in Zentralmexico erreichen. Um ihre Migrationsrichtung über diese enorme Distanz einzuhalten, benutzen die Schmetterlinge einen zeitkompensierten Sonnenkompass. Daneben scheinen polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld und bestimmte Gebirgsketten die Schmetterlinge nach Süden zu führen. Im Gegensatz zu dieser faszinierenden Orientierungsfähigkeit wurde dem Verhalten der Schmetterlinge in ihrem nicht-migrierendem Zustand wenig Beachtung geschenkt. Obwohl diese keine großen Distanzen zurücklegen, müssen sie sich dennoch orientieren, um Futter und Paarungspartner zu finden oder Konkurrenten zu entfliehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Nutzung visueller Hinweise für die Orientierung von sowohl migrierenden als auch nicht-migrierenden Monarchfaltern zu untersuchen. Dazu wurden Feldexperimente, in denen die Migration der Schmetterlinge in Texas (USA) untersucht wurden, mit Experimenten, in denen das Orientierungsvermögen von nicht-migrierenden Schmetterlingen in Deutschland getestet wurde, verknüpft. 
Im ersten Projekt habe ich die Flugrichtung von Schmetterlingen während der jährlichen Herbstmigration aufgezeichnet. In einem Flugsimulator im Freien hielten die Schmetterlinge eine südliche Richtung, solange sie eine freie Sicht auf die Sonne hatten. Eine Versetzung der Sonnenposition um 180° mit Hilfe eines Spiegels zeigte auf, dass die Sonne die wichtigste Orientierungsreferenz der Tiere ist. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Tiere, wenn die Sonne blockiert und ein grüner Lichtstimulus (simulierte Sonne) eingeschaltet wurde, diese simulierte Sonne als "echte" Sonne interpretierten. Dieser Hinweis reichte jedoch nicht aus, um die Migrationsrichtung festzulegen, wenn er als einziger visueller Hinweis im Labor simuliert wurde. Als ich den Schmetterlingen zusätzlich zur simulierten Sonne ein lineares Polarisationsmuster präsentierte, flogen die Tiere in die richtige, südliche Richtung. Das zeigt, dass mehrere Himmelshinweise erforderlich sind, um die Schmetterlinge während ihrer Migration zu steuern.
Im zweiten Projekt habe ich weiterhin gezeigt, dass nicht migrierende Schmetterlinge in der Lage sind eine konstante Richtung relativ zu einer simulierten Sonne beizubehalten. Interessanterweise ignorierten sie die spektrale Komponente des Stimulus und verließen sich stattdessen auf die Intensität. Als ein Panorama als einzige Orientierungsreferenz präsentiert wurde, hielten die Schmetterlinge ihre Richtung nur für kurze Zeitfenster und versuchten vermutlich, ihren Flug basierend auf Informationen des optischen Flusses zu stabilisieren. Als Nächstes untersuchte ich, ob die Schmetterlinge Himmelshinweise und lokale Hinweisen kombinieren, indem ich eine Sonne zusammen mit einem Panorama simulierte. Unter diesen Bedingungen war die Gerichtetheit der Flüge erhöht, was zeigt, dass die Tiere mehrere visuelle Hinweise zur räumlichen Orientierung kombinieren.
Beruhend auf der Beobachtung, dass ein Sonnenstimulus zu einem anderen Verhaltensmuster führte als das Panorama, untersuchte ich in meinem dritten Projekt, welche Orientierungsstrategien die Schmetterlinge verwenden. Hierfür präsentierte ich den Tieren verschiedene simulierte Hinweise. Während ein heller Streifen auf dunklem Hintergrund eine starke Anziehungskraft auf die Schmetterlinge, die in die Richtung des Reizes flogen, ausübte, wurde die invertierte Version des Stimulus zur Flugstabilisierung verwendet. Im Gegensatz dazu hielten die Schmetterlinge beliebige Richtungen mit einer hohen Gerichtetheit relativ zu einer simulierten Sonne ein. In einer uneindeutigen Szenerie mit zwei identischen Reizen (zwei helle Streifen, zwei dunkle Streifen oder zwei Sonnenstimuli), die um 180° versetzt waren, wurde eine konstante Flugrichtung nur dann erreicht, wenn zwei Sonnenstimuli gezeigt wurden. Das deutet auf eine Beteiligung des inneren Kompasses der Tiere hin. Im Gegensatz dazu nutzten die Schmetterlinge zwei dunkle Streifen zur Flugstabilisierung und wurden abwechselnd von zwei hellen Streifen angezogen. Dies zeigt, dass Monarchfalter stimulus-abhängige Orientierungsstrategien verwenden, und liefert den ersten Nachweis für unterschiedliche neuronale Verschaltungswege, die das Verhalten steuern.
KW  - Monarchfalter
KW  - Orientierung
KW  - Visuelle Orientierung
KW  - Schmetterlinge
KW  - Insekten
KW  - visual cue
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-284709
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brill, Martin Fritz
T1  - Processing and plasticity within the dual olfactory pathway in the honeybee brain
T1  - Verarbeitung und Plastizität in der dualen olfaktorischen Bahn im Gehirn der Honigbiene
N2  - In their natural environment animals face complex and highly dynamic olfactory input. This requires fast and reliable processing of olfactory information, in vertebrates as well as invertebrates. Parallel processing has been shown to improve processing speed and power in other sensory systems like auditory or visual. In the olfactory system less is known about olfactory coding in general and parallel processing in particular. With its elaborated olfactory system and due to their specialized neuroanatomy, honeybees are well-suited model organism to study parallel olfactory processing. The honeybee possesses a unique neuronal architecture - a dual olfactory pathway. Two mirror-imaged output projection neuron (PN) pathways connect the first olfactory processing stage, the antennal lobe (analog to the vertebrates olfactory bulb, OB), with the second, the mushroom body (MB) known to be involved in orientation and learning and memory, and the lateral horn (LH). The medial antennal lobe-protocerebral tract (m-APT) first innervates the MB and thereafter the LH, while the other, the lateral-APT (l-APT) projects in opposite direction. The neuroanatomy and evolution of these pathways has been analyzed, yet little is known about its physiology. To analyze the function of the dual olfactory pathway a new established recording method was designed and is described in the first chapter of this thesis (multi-unit-recordings). This is now the first time where odor response from several PNs of both tracts is recorded simultaneously and with high temporal precision. In the second chapter the PN odor responses are analyzed. The major findings are: both tracts responded to all tested odors but with differing characteristics. Since recent studies describe the input to the two tracts being rather similar, the results now indicate differential odor processing along the tracts, therefore this is a good indicator for parallel processing. PNs of the m-APT process odors in a sparse manner with delayed response latencies, but with high odor-specificity. PNs of the l-APT in contrast respond to several odor stimuli and respond in general faster. In some PN originating from both tracts, characteristics of odor-identity coding via response latencies were found. Analyzing the over-all dynamic range of the PNs both l- and m-APT PNs were tested over a large odor concentration range (10-6 to 10-2) (3. chapter). The PNs responded with linear and non-linear correlation of the response strength to the odor concentration. In most cases the l-APT is comparatively more sensitive to low odor concentrations. Response latency decreases with increasing odor concentration in both tracts. Alternative coding principles and elaboration on the hypothesis whether the dual olfactory pathway may contribute coincidental innervation to the next higher-order neurons, the Kenyon cells (KC), is subject of the 4. chapter. Cross-correlations and synchronous responses of both tracts show that in principle odors may be coded via temporal coding. Results suggest that odor processing is enhanced if both tracts contribute to olfactory coding together. In another project the distribution of the inhibitory neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) was measured in the bee’s MB during adult maturation (5. chapter). GABAergic inhibition is of high importance in odor coding. An almost threefold decrease in the total amount of GABAergic innervation was found during adult maturation in the l- and m-APT target region, in particular at the change in division of labor during the transition from a young nurse bee to an older forager bee. The results fit well into the current understanding of brain development in the honeybee and other social insects during adult maturation, which was described as presynaptic pruning and KC dendritic outgrowth. Combining anatomical and functional properties of the bee’s dual olfactory pathway suggests that both rate and temporal coding are implemented along two parallel streams. Comparison with recent work on analog output pathways of the vertebrate’s OB indicates that parallel processing of olfactory information may be a common principle across distant taxa.
N2  - In ihrem natürlichen Lebensraum sind Lebewesen mit komplexen und hoch dynamischen olfaktorischen Reizen konfrontiert, was eine schnelle und zuverlässige Duft-Verarbeitung sowohl bei Insekten als auch bei Wirbeltieren erfordert. Im visuellen oder auditorischen System wird sensorischer Eingang durch Parallel-Verarbeitung schneller und effektiver an höhere Gehirnzentren übertragen und verarbeitet. Im olfaktorischen System ist generell und im speziellen über Parallel-Verarbeitung noch wenig bekannt. Die Honigbiene stellt jedoch mit ihrer hoch spezialisierten Duftwahrnehmung und ihrem Duft und Pheromon gesteuerten Verhalten aufgrund ihrer Neuroanatomie einen besonderen Modelorganismus für die Erforschung der Duftverarbeitung und insbesondere der olfaktorischen Parallel-Verarbeitung dar. Honigbienen besitzen „duale olfaktorische Bahnen“, die ausschließlich in Hymenopteren (Bienen, Ameisen, Wespen) als Merkmal ausgeprägt sind. Gebildet werden sie aus zwei spiegelbildlichen Projektions-Neuronen (PN) Ausgangs-Trakten, die das erste olfaktorische Verarbeitungs-Zentrum, den Antennal-Lobus (vergleichbar mit dem Olfaktorischen Bulbus der Wirbeltiere, OB) mit sekundären Verarbeitungszentren, dem Pilzkörper (MB) und dem lateralen Horn (LH) verbinden. Der mediale Antennal-Lobusprotocerebrale Trakt (m-APT) innerviert erst den MB und dann das LH, der laterale Trakt (l-APT) projiziert in umgekehrter Reihenfolge. Der MB ist bei Orientierung, Lernen und Gedächtnis involviert, über die Funktion des LH ist in der Biene noch wenig bekannt. Über die Neuroanatomie und Evolution dieser dualen Bahnen wurde viel geforscht, die Funktion und damit ihre Physiologie sind allerdings noch unzureichend aufgeklärt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Duftverarbeitung im Bienengehirn und im Speziellen mit Parallelverarbeitung in der Olfaktorik. Für die Aufklärung wurde eine neu entwickelte und in dieser Dissertation beschriebene Messmethode etabliert (1. Kapitel). Mit Hilfe dieser Messapparatur (Multi-Unit Recordings) ist es jetzt das erste Mal möglich, hoch-zeitaufgelöst simultan aus beiden Trakten mehrere PNs auf unterschiedliche Düfte hin zu untersuchen. Das 2. Kapitel beschäftigt sich eingehender mit der Analyse von Duftanworten der PN. Die Hauptergebnisse sind, dass beide Trakte auf alle getesteten Düfte regieren, dies aber mit unterschiedlichen Charakteristiken tun. Da gezeigt wurde, dass beide Trakte ähnlichen olfaktorischen Eingang erhalten, die Trakte aber Düfte unterschiedlich verarbeiten, stellen diese Ergebnisse ein erstes Indiz für Parallelverarbeitung im olfaktorischen System der Biene dar. M-APT PN reagieren mit Zeitverzögerung und duftspezifisch, d.h. selektiver auf Düfte. Dagegen reagieren l-APT PN vergleichsweise schneller und duft-unspezifischer auf die in dieser Arbeit verwendeten Düfte. In einigen PN beider Trakte wurde gefunden, dass die PN Duft-Identitäten über duftspezifische Antwort-Latenzen abgebildet werden können. Um Aufschluss über die Gesamtdynamik der PN zu gewinnen, wurden l- und m-APT PN Antworten über weite Duftkonzentrationen (10-6 bis 10-2) hin untersucht (3. Kapitel). Die PN reagierten mit linearen und nicht-linearen Korrelationen. Zudem sind in den meisten Fällen l-APT PN bei schwachen Duftkonzentrationen sensitiver. Die Antwort-Latenz ist zur Duftkonzentration in beiden Trakten negativ-proportional. Alternative Kodierungsmöglichkeiten und die Ausarbeitung der Hypothese, dass die dualen Bahnen eine Koinzidenzverschaltung auf die nächst höheren Neurone, die Kenyon Zellen (KC), bilden könnten, wird im 4. Kapitel behandelt. Dazu zeigen Kreuz-Korrelationsanalysen und synchrone Antwortmuster aus beiden Trakten, dass prinzipiell Düfte auch über Zeit-Kodierung verarbeitet werden können. Generell zeigt sich, dass die dualen olfaktorischen Bahnen eine verbesserte Duftkodierung gegenüber einem Trakt gewährleisten. In einem weiteren Ansatz wurde die alterskorrelierte Plastizität der inhibitorischen GABAergen (gamma-Aminobuttersäure) Innervation im Pilzkörper der Biene während der Adult-Reifung bestimmt (5. Kapitel). Inhibition ist für olfaktorische Kodierung sehr wichtig. Eine fast dreifache Reduktion in der Gesamtmenge von GABA wurde während der Adult-Reifung in beiden Zielregionen der dualen olfaktorischen Bahn gleichermaßen gefunden. Dieser Effekt wurde mit einer insgesamt halbierten GABA Innervierung ebenfalls im visuellen Innervationsgebiet des MB gefunden. Die Ergebnisse passen gut in das derzeitige Verständnis von Adultplastizität der Pilzkörper in der Honigbiene, in denen eine Ausdünnung (Pruning) präsynaptischer Endigungen von PN und ein Auswachsen von KC-Dendriten beschrieben wurde. Aus den neuroanatomischen und physiologischen Eigenschaften der dualen olfaktorischen Bahnen lässt sich schlussfolgern, dass Düfte sowohl über Raten- als auch Zeit-Kodierung bis hin zu Koinzidenz-Verschaltungen verarbeitet werden können. Zudem zeigen derzeitige Arbeiten über analoge Ausgangs-Trakte im OB von Wirbeltieren, dass Parallelverarbeitung im olfaktorischen System ein allgemeines Kodierungsprinzip über weit entfernte Taxa zu sein scheint.
KW  - Tierphysiologie
KW  - Geruchssinn
KW  - Nervennetz
KW  - Nervenzelle
KW  - Biene
KW  - Antennallobus
KW  - antennal lobe
KW  - olfaction
KW  - multi-unit recording
KW  - Insekten
KW  - Geruch
KW  - Physiologie
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85600
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TY  - THES
A1  - Leingärtner, Annette
T1  - Combined effects of climate change and extreme events on plants, arthropods and their interactions
T1  - Kombinierte Effekte von Klimawandel und Extremereignissen auf Pflanzen, Arthropoden und ihre Interaktionen
N2  - I. Global climate change directly and indirectly influences biotic and abiotic components of ecosystems. Changes in abiotic ecosystem components caused by climate change comprise temperature increases, precipitation changes and more frequently occurring extreme events. Mediated by these abiotic changes, biotic ecosystem components including all living organisms will also change. Expected changes of plants and animals are advanced phenologies and range shifts towards higher latitudes and altitudes which presumably induce changes in species interactions and composition. Altitudinal gradients provide an optimal opportunity for climate change studies, because they serve as natural experiments due to fast changing climatic conditions within short distances. In this dissertation two different approaches were conducted to reveal species and community responses to climate change. First, species richness and community trait analyses along an altitudinal gradient in the Bavarian Alps (chapters II, III) and second, climate change manipulation experiments under different climatic contexts (chapters IV, V, IV). II. We performed biodiversity surveys of butterfly and diurnal moth species on 34 grassland sites along an altitudinal gradient in the National Park Berchtesgaden. Additionally, we analysed the dominance structure of life-history traits in butterfly assemblages along altitude. Species richness of butterflies and diurnal moths decreased with increasing altitude. The dominance of certain life-history-traits changed along the altitudinal gradient with a higher proportion of larger-winged species and species with higher egg numbers towards higher altitudes. However, the mean egg maturation time, population density and geographic distribution within butterfly assemblages decreased with increasing altitude. Our results indicate that butterfly assemblages were mainly shaped by environmental filtering. We conclude that butterfly assemblages at higher altitudes will presumably lack adaptive capacity to future climatic conditions, because of specific trait combinations. III. In addition to butterfly and diurnal moth species richness we also studied plant species richness in combination with pollination type analyses along the altitudinal gradient. The management type of the alpine grasslands was also integrated in the analyses to detect combined effects of climate and management on plant diversity and pollination type. Plant species richness was highest at intermediate altitudes, whereby the management type influenced the plant diversity with more plant species at grazed compared to mown or non-managed grasslands. The pollination type was affected by both the changing climate along the gradient and the management type. These results suggest that extensive grazing can maintain high plant diversity along the whole altitudinal gradient. With ongoing climate change the diversity peak of plants may shift upwards, which can cause a decrease in biodiversity due to reduced grassland area but also changes in species composition and adaptive potential of pollination types. IV. We set up manipulation experiments on 15 grassland sites along the altitudinal gradient in order to determine the combined effects of extreme climatic events (extreme drought, advanced and delayed snowmelt) and elevation on the nutritional quality and herbivory rates of alpine plants. The leaf CN (carbon to nitrogen) ratio and the plant damage through herbivores were not significantly affected by the simulated extreme events. However, elevation influenced the CN ratios and herbivory rates of alpine plants with contrasting responses between plant guilds. Furthermore, we found differences in nitrogen concentrations and herbivory rates between grasses, legumes and forbs, whereas legumes had the highest nitrogen concentrations and were damaged most. Additionally, CN ratios and herbivory rates increased during the growing season, indicating a decrease of food plant quality during the growing season. Contrasting altitudinal responses of grasses, legumes and forbs presumably can change the dominance structure among these plant guilds with ongoing climate change. V. In this study we analysed the phenological responses of grassland species to an extreme drought event, advanced and delayed snowmelt along the altitudinal gradient. Advanced snowmelt caused an advanced beginning of flowering, whereas this effect was more pronounced at higher than at lower altitudes. Extreme drought and delayed snowmelt had rather low effects on the flower phenology and the responses did not differ between higher and lower sites. The strongest effect influencing flower phenology was altitude, with a declining effect through the season. The length of flowering duration was not significantly influenced by treatments. Our data suggest that plant species at higher altitudes may be more affected by changes in snowmelt timing in contrast to lowland species, as at higher altitudes more severe changes are expected. However, the risk of extreme drought events on flowering phenology seems to be low. VI. We established soil-emergence traps on the advanced snowmelt and control treatment plots in order to detect possible changes in abundances and emergence phenologies of five arthropod orders due to elevation and treatment. Additionally, we analysed the responses of Coleoptera species richness to elevation and treatment. We found that the abundance and species richness of Coleoptera increased with elevation as well as the abundance of Diptera. However, the abundance of Hemiptera decreased with elevation and the abundances of Araneae and Hymenoptera showed no elevational patterns. The advanced snowmelt treatment increased the abundances of Araneae and Hymenoptera. The emergence of soil-hibernating arthropods was delayed up to seven weeks at higher elevations, whereas advanced snowmelt did not influence the emergence phenology of arthropods immediately after snowmelt. With climate change earlier snowmelt will occur more often, which especially will affect soil-hibernating arthropods in alpine regions and may cause desynchronisations between species interactions. VII. In conclusion, we showed that alpine ecosystems are sensitive towards changing climate conditions and extreme events and that many alpine species in the Bavarian Alps are endangered. Many alpine species could exist under warmer climatic conditions, however they are expected to be outcompeted by more competitive lowland species. Furthermore, host-parasite or predator-prey interactions can be disrupted due to different responses of certain guilds to climate change. Understanding and predicting the complex dynamics and potential risks of future climate change remains a great challenge and therefore further studies analysing species and community responses to climate change are needed.
N2  - I. Der globale Klimawandel beeinflusst direkt und indirekt biotische und abiotische Komponenten der Ökosysteme. Durch Klimawandel verursachte Veränderungen in den abiotischen Komponenten der Ökosysteme umfassen Temperaturanstiege, Veränderungen im Niederschlag und häufiger auftretende Extremereignisse. Als Folge dieser abiotischen Veränderungen, werden sich auch die biotischen Komponenten der Ökosysteme, die alle lebenden Organismen einschließen, verändern. Voraussichtliche Veränderungen bei Pflanzen und Tieren sind vorverlegte Phänologien und Verbreitungsverschiebungen in Richtung höherer Breitengrade und Höhenlagen, was möglicherweise Veränderungen von Interaktionen zwischen Arten und in der Artzusammensetzung verursacht. Höhengradienten bieten durch sich schnell verändernde klimatische Bedingungen innerhalb kurzer Distanzen eine optimale Möglichkeit für Klimawandelstudien im Freiland. In dieser Dissertation wurden zwei unterschiedliche Versuchsansätze genutzt, um die Reaktionen von Arten und Artengemeinschaften auf den Klimawandel zu untersuchen: erstens Analysen zum Artenreichtum und zu Merkmalen innerhalb von Artengemeinschaften entlang eines Höhengradienten in den Bayerischen Alpen (Kapitel II, III) und zweitens Manipulationsexperimente zur Simulation von Klimawandel bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen (Kapitel IV, V, VI). II. Wir haben Biodiversitätsaufnahmen von Schmetterlings- und tagaktiven Nachtfalterarten entlang eines Höhengradienten im Nationalpark Berchtesgaden durchgeführt. Zusätzlich haben wir die Dominanzstruktur von Life-History-Merkmalen in Schmetterlingsgesellschaften entlang des Höhengradienten analysiert. Der Artenreichtum von Schmetterlingen und tagaktiven Nachtfaltern nahm mit zunehmender Höhe ab. Die Dominanz von bestimmten Life-History-Merkmalen veränderte sich entlang des Höhengradienten. Zum Beispiel fanden wir einen höheren Anteil an Arten mit größeren Flügeln und eine größere Anzahl an Eiern in höheren Lagen. Die mittlere Eireifezeit, Populationsdichte und geographische Verbreitung von Schmetterlingsgesellschaften nahm mit steigender Höhe ab. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schmetterlingsgesellschaften hauptsächlich durch den Filtereffekt der Umwelt geformt werden. Wir schlussfolgern, dass sich bestimmte Merkmalskombinationen von Schmetterlingsgesellschaften in höheren Lagen möglicherweise ungünstig auf die Anpassungskapazität an zukünftige klimatische Veränderungen auswirken. III. Zusätzlich zum Artenreichtum von Schmetterlingen und tagaktiven Nachtfaltern haben wir auch den Artenreichtum von Pflanzen in Kombination mit Analysen zu Bestäubungstypen entlang des Höhengradienten untersucht. Die Bewirtschaftungsform der alpinen Grasländer wurde in die Analysen integriert, um kombinierte Auswirkungen von Klima und Bewirtschaftungsform auf die Pflanzendiversität und den Bestäubungstyp zu erfassen. Der Artenreichtum von Pflanzen war auf mittleren Höhen am größten, wobei die Bewirtschaftungsform die Pflanzendiversität beeinflusste. Es kamen mehr Pflanzenarten auf beweideten im Vergleich zu gemähten oder nicht bewirtschafteten Wiesen vor. Der Bestäubungstyp wurde sowohl durch das sich verändernde Klima entlang des Gradienten als auch durch die Bewirtschaftungsform beeinflusst. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass extensive Beweidung eine hohe Pflanzendiversität entlang des gesamten Höhengradienten erhalten kann. Mit fortschreitendem Klimawandel könnte sich der Bereich mit höchster Pflanzendiversität nach oben verschieben, was zu einem Biodiversitätsverlust durch eine Abnahme an Grasflächen führen könnte, aber auch zu Veränderungen in der Artenzusammensetzung und dem Anpassungspotential von Bestäubungstypen. IV. Wir simulierten Extremereignisse (extreme Dürre, frühere und spätere Schneeschmelze) auf 15 Grasflächen entlang des Höhengradienten, um kombinierte Effekte von extremen klimatischen Ereignissen und Höhenlage auf die Futterqualität und den Blattfraß von alpinen Pflanzen zu untersuchen. Das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (CN) in Blättern und die Fraßschäden durch Pflanzenfresser wurden durch die simulierten Extremereignisse nicht signifikant beeinflusst. Dagegen beeinflusste die Höhenlage das CN-Verhältnis und die Herbivorieraten von alpinen Pflanzen mit entgegengesetzten Reaktionen unter den Pflanzengruppen. Des Weiteren haben wir Unterschiede in den Stickstoffkonzentrationen und Herbivorieraten zwischen Gräsern, Leguminosen und krautigen Pflanzen gefunden, wobei die Leguminosen die höchsten Stickstoffkonzentrationen aufwiesen und am stärksten angefressen waren. Zusätzlich stiegen die CN-Verhältnisse und die Fraßschäden während der Vegetationsperiode an, was auf eine Abnahme der Futterqualität im Verlauf der Vegetationsperiode hindeutet. Entgegengesetzte Muster von Gräsern, Leguminosen und krautigen Pflanzen über die Höhe können möglicherweise die Dominanzstruktur zwischen diesen Pflanzengruppen mit fortschreitendem Klimawandel verändern. V. In dieser Studie haben wir die phänologischen Reaktionen von Graslandarten auf ein extremes Dürreereignis, eine frühere und eine spätere Schneeschmelze entlang des Höhengradienten, analysiert. Die frühere Schneeschmelze bewirkte einen früheren Blühbeginn, wobei dieser Effekt auf höheren Lagen ausgeprägter war als auf tieferen Lagen. Extreme Dürre und spätere Schneeschmelze hatten eher geringe Auswirkungen auf die Blühphänologie und die Auswirkungen unterschieden sich nicht zwischen höher und tiefer gelegenen Flächen. Am stärksten würde die Blühphänologie von der Höhenlage beeinflusst wobei sich der Effekt im Verlauf der Vegetationsperiode verringerte. Die Länge der Blühdauer wurde durch die Simulationen nicht signifikant beeinflusst. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Pflanzenarten in höheren Lagen stärker durch Veränderungen des Zeitpunktes der Schneeschmelze beeinflusst werden als Tieflandarten, weil in höheren Lagen stärkere Veränderungen erwartet werden. Das Risiko von extremer Dürre für die Blühphänologie scheint aber gering zu sein. VI. Wir untersuchten Effekte der Höhenlage und früherer Schneeschmelze auf Häufigkeiten und Schlupfphänologien fünf verschiedener Arthropodenordnungen. Dazu installierten wir Bodenphotoeklektoren auf Flächen mit früherer Schneeschmelze und Kontrollflächen. Außerdem analysierten wir die Auswirkungen der Höhenlage und der früheren Schneeschmelze auf den Artenreichtum von Coleoptera. Wir stellten fest, dass die Abundanz und der Artenreichtum von Coleoptera sowie die Abundanz der Diptera mit steigender Höhenlage zunahmen, während die Abundanz der Hemiptera mit steigender Höhe abnahm. Araneae und Hymenoptera zeigten keine Abundanzmuster entlang des Höhengradienten. Eine simulierte frühere Schneeschmelze ließ die Abundanz der Araneae und Hymenoptera ansteigen. Arthropoden, die im Boden überwinterten, schlüpften in höheren Lagen bis zu sieben Wochen später. Eine frühere Schneeschmelze beeinflusste die Schlupfphänologie der Arthropoden unmittelbar nach der Schneeschmelze jedoch nicht. Aufgrund des Klimawandels wird eine frühere Schneeschmelze häufiger auftreten, was vor allem Auswirkungen auf bodenüberwinternde Arthropoden in der Alpenregion haben kann und zu Desynchronisationen mit interagierenden Arten führen kann. VII. Abschließend lässt sich sagen, dass alpine Ökosysteme sensibel auf klimatische Veränderungen und Extremereignisse reagieren und dass viele alpine Arten in den Bayerischen Alpen gefährdet sind. Viele alpine Arten könnten unter wärmeren klimatischen Bedingungen existieren, aber vermutlich werden sie von konkurrenzstärkeren Tieflandarten verdrängt. Des Weiteren können Wirt-Parasit oder Räuber-Beute Interaktionen durch unterschiedliche Reaktionen von bestimmten Gruppen auf Klimawandel gestört werden. Es bleibt eine große Herausforderung die komplexen Dynamiken und möglichen Gefahren des zukünftigen Klimawandels zu verstehen und vorherzusagen. Wir empfehlen weitere Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf Arten und Artengesellschaften untersuchen.
KW  - Insekten
KW  - Klimaänderung
KW  - Pflanzen
KW  - Höhenstufe
KW  - climate change
KW  - insects
KW  - altitudinal gradient
KW  - extreme events
KW  - Klimawandel
KW  - Insekten
KW  - Höhengradient
KW  - Extremereignisse
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87758
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhlmann, Franziska
T1  - The influence of ultraviolet radiation on plant-insect interactions
T1  - Der Einfluss von ultravioletter Strahlung auf Pflanzen-Insekten Interaktionen
N2  - Plants must respond to multiple stimuli in a natural environment. Therefore they need the ability to rapidly reorganise and specifically build up appropriate metabolites to adapt to their environment. Abiotic cues, such as ambient solar radiation, influence the next trophic level directly, but also an altered plant composition triggered by these environmental cues can have an effect on the behaviour of herbivores. The aim of this study was to test effects of the important ultraviolet (UV) radiation on plants and on plant-insect interactions using multi-level investigations. The focus was on the conduction of controlled experiments with broccoli plants in highly engineered greenhouses covered with innovative materials, which only differed in their UV-B transmission. For the first time in this controlled environment the plant-mediated UV-B effects on phloem-feeding aphids were studied. Broccoli plants (Brassica oleracea L. convar. botrytis, Brassicaceae) were under filter tents either exposed to (inclusion, +UV) or not exposed to (exclusion, -UV) UV-A / UV-B radiation. In greenhouses covered with new, innovative materials transmitting high (80%), medium (23%) or low (4%) levels of ambient solar UV-B radiation, in particular the influence of UV-B radiation on broccoli was examined. Plants respond highly specific to environmental stimuli such as UV-B radiation and herbivory. UV-B radiation has a strong impact on the plants’ architecture and flavonoid contents, which can in turn influence plant-insect interactions. Phloem-feeding aphids can be negatively affected by UV-B mediated plant changes. However, a direct effect of UV radiation on the behaviour of herbivores is also evident. Mainly the number, composition and quality of herbivorous species as well as an exceeding of a certain infestation threshold determine the mode of plant changes. In conclusion, UV-B radiation has the potential to harden plants against herbivores and simultaneously increases the concentrations of valuable secondary metabolites for human nutrition in important crop species such as broccoli.
N2  - In ihrer natürlichen Umgebung sind Pflanzen verschiedensten und vor allem wechselnden Umwelteinflüssen ausgesetzt, auf die sie schnell und angemessen reagieren müssen. Das Insektenverhalten der nächsten trophischen Ebene wird direkt durch abiotische Umweltfaktoren, wie zum Beispiel Sonnenstrahlung, sowie durch daraus resultierende Veränderungen in Pflanzen gesteuert. Das Ziel dieser Untersuchung war es, herauszufinden, wie sich ultraviolette (UV) Strahlung auf Pflanzen und Pflanzen-Insekten Interaktionen auswirken kann. Dies wurde auf verschiedensten Ebenen untersucht. Mit Hilfe von speziell angefertigten Gewächshäusern konnten Brokkolipflanzen unter kontrollierten UV-B Bedingungen angezogen werden. Der Einfluss von UV-B Strahlung auf Brokkoli und von UV-B induzierten Effekten in Brokkoli auf phloem-fressende Blattläuse wurde erstmals untersucht. Die Experimente wurden mit Brokkolipflanzen (Brassica oleracea L. convar. botrytis, Brassicaceae) durchgeführt, die in Folienzelten mit unterschiedlicher UV-Strahlungsdurchlässigkeit exponiert wurden. Die Eindeckungen der Folienzelte waren entweder UV-A / UV-B durchlässig (+UV) oder undurchlässig (-UV). Gewächshäuser mit innovativen Eindeckungsmaterialien, die speziell UV-B in hohen (80%), mittleren (23%) oder geringen (4%) Mengen transmittierten, wurden genutzt, um den alleinigen Effekt von UV-B Strahlung auf Pflanzen hervorzuheben. Pflanzen reagieren auf verschiedene Umweltreize wie zum Beispiel UV-B Strahlung und Herbivorie sehr zielgerichtet. UV-B Strahlung hat einen starken Einfluss auf das Pflanzenwachstum und die Flavonoidgehalte, was wiederum Pflanzen-Insekten Interaktionen artspezifisch steuern kann. Phloem-fressende Herbivoren können durch UV-B-induzierte Pflanzenveränderungen negativ beeinflusst werden. Ein direkter UV-Effekt auf das Verhalten von Herbivoren ist jedoch ebenfalls erwiesen. Sowohl die Anzahl, Zusammensetzung und Qualität von Herbivorenarten also auch das Überschreiten einer definierten Befallsschwelle bestimmen das Ausmaß der Pflanzenveränderungen. Zusammenfassend ist zu sagen, dass UV-B Strahlung Pflanzen gegenüber Fraßfeinden abhärten und gleichzeitig die Konzentration wertvoller pflanzlicher Inhaltsstoffe für die menschliche Ernährung in Feldfrüchten erhöhen kann.
KW  - ultraviolette Strahlung
KW  - Pflanzen
KW  - Insekten
KW  - chemische Ökologie
KW  - ultraviolette Strahlung
KW  - Pflanzen
KW  - Insekten
KW  - chemische Ökologie
KW  - ultraviolet radiation
KW  - plant
KW  - insect
KW  - chemical ecology
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39608
ER  - 
TY  - THES
A1  - Menzel, Florian
T1  - Mechanisms and adaptive significance of interspecific associations between tropical ant species
T1  - Mechanismen und adaptive Bedeutung interspezifischer Assoziationen zwischen tropischen Ameisenarten
N2  - Aggression between ants from different colonies or species is ubiquitous. Exceptions to this rule exist in the form of supercolonies (within a species) and interspecific associations (between species). Probably the most intimate interspecific association is the parabiosis, where two ant species live together in a common nest. They keep their brood separate but jointly use trails and often share food resources. Parabioses are restricted to few species pairings and occur in South American and Southeast Asian rainforests. While the South American parabioses have been studied, albeit poorly, almost nothing is known about their Southeast Asian counterparts. My PhD project focuses on Southeast Asian parabioses between the myrmicine Crematogaster modiglianii Emery 1900 and the considerably larger formicine Camponotus rufifemur Emery 1900. The two species frequently nest together in hollow trees in the tropical lowland rainforest of Borneo. The basic question of my PhD project is why these two species live together. I investigated both proximate and ultimate aspects of this question. For comparative purposes, I included studies on a trail-sharing association in the same habitat. On the proximate level, I investigated which mechanisms facilitate tolerance towards hetero-spe¬ci¬fic nestmates. Ants generally discriminate nestmates from non-nestmates via cuticular hydro¬carbons that function as colony recognition cues. I studied the specificity of nestmate recognition within and between the two parabiotic species. Using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), I analyzed the cuticular substances in both ant species to find potential differences to non-parabiotic species, and to estimate the substance overlap among the two species. A high substance overlap would e.g. suggest that interspecific tolerance is caused by chemical mimicry. Finally, bioassays were conducted to evaluate the function of different cuticular compounds. Interspecific tolerance in the two parabiotic species was species-specific but not colony-specific. Ca. rufifemur tolerated all Cr. modiglianii individuals, even those from foreign colonies, but strongly attacked workers of other Crematogaster species. Cr. modiglianii, in turn, tolerated Ca. rufifemur workers of certain foreign colonies but attacked those of others. Chemical analyses revealed two sympatric, chemically distinct Ca. rufifemur varieties (‘red’ and ‘black’) with almost no hydrocarbon overlap. Cr. modiglianii only tolerated foreign Ca. rufifemur workers if they belonged to the same chemical variety as their own Ca. rufifemur partner. It also attacked other, non-parabiotic Camponotus species. Thus, reciprocal interspecific tolerance was restricted to the species Cr. modiglianii and Ca. rufifemur. Ca. rufifemur frequently tolerated conspecific non-nestmates of the same chemical variety. Minor workers were more often tolerated than majors, possibly because they possess two to three times lower hydrocarbon quantities per body surface than majors. In contrast, Cr. modiglianii nearly always attacked conspecific non-nestmates. Both species possessed hydrocarbons with considerably higher chain lengths than congeneric, non-parabiotic ant species. Long-chain hydrocarbons are less volatile than shorter ones and thus harder to perceive. They may thus considerably facilitate interspecific tolerance. Moreover, up to 98% of the cuticular hydrocarbons in Ca. rufifemur were methylbranched alkenes, which are highly unusual among insect cuticular hydrocarbons. Cr. modiglianii and Ca. rufifemur had almost no hydrocarbons in common, refuting chemical mimicry as a possible cause of interspecific tolerance. The only hydrocarbons common to both species were two methylbranched alkenes, which constituted 89% of the ‘red’ Ca. rufifemur hydrocarbon profile and also occurred in those Cr. modiglianii colonies that lived together with this Ca. rufifemur variety. Cr. modiglianii presumably acquired these two compounds from its red Ca. rufifemur partner. Cr. modiglianii was significantly less aggressive towards foreign Cr. modiglianii workers that were associated with the same Ca. rufifemur variety than to those associated with the respective other one. Hence, this species seemed to use recognition cues acquired from its parabiotic partner. Apart from hydrocarbons, both species possessed a set of hitherto unknown substances on their cuticle. The quantitative composition of the unknown compounds varied between parabiotic nests but was similar among the two species of a nest. They are probably produced in the Dufour glanf of Cr. modiglianii and transferred to their Ca. rufifemur partner. Possible transfer mechanisms include interspecific trophallaxis and ‘mounting behaviour’, where Cr. modiglianii climbed onto Ca. rufifemur workers without being displaced. Although the composition of the unknown compounds greatly varied between nests, they did not function as nestmate recognition cues since both species used hydrocarbons for nestmate recognition. However, the unknown compounds significantly reduced aggression in Ca. rufifemur. The ultimate, i.e. ecological and evolutionary aspects of my PhD research deal with potential costs and benefits that Cr. modiglianii and Ca. rufifemur may derive from the parabiotic association, their interactions with other species, and population genetic analyses. Additional studies on a trail-sharing association between three other ant species deal with two possible mechanisms that may cause or facilitate trail-sharing. Whether parabioses are parasitic, commensalistic, or mutualistic, is largely unknown and depends on the costs and benefits each party derives from the association. I therefore investigated food competition (as one of the most probable costs), differentiation of foraging niches (which can reduce competition), and several potential benefits of the parabiotic way of life. Besides, I studied interactions between the ant species and the hemiepiphyte Poikilospermum cordifolium. The foraging niches of the two species differed regarding foraging range, daily activity pattern, and food preferences. None of the two species aggressively displaced its partner species from baits. Thus, interference competition for food seemed to be low or absent. For both ant species, a number of benefits from the parabiotic lifestyle seem possible. They include interspecific trail-following, joint nest defence, provision of nest space by the partner species, food exchange via trophallaxis, and mutual brood care. If an ant species follows another species’ pheromone trails, it can reach food resources found by the other species. As shown by artificial extract trails, Ca. rufifemur workers indeed followed trails of Cr. modiglianii but not vice versa. Thus, Ca. rufifemur benefited from Cr. modiglianii’s knowledge on food sources (informational parasitism). In turn, Cr. modiglianii seemed to profit from nest defence by Ca. rufifemur. Ca. rufifemur majors are substantially larger than Cr. modiglianii workers. Although Cr. modiglianii often effectively defended the nest as well, it seemed likely that this species derived a benefit from its partner’s defensive abilities. In neotropical parabioses (ant-gardens), mutualistic epiphytes play an important role in providing nest space. The neotropical Camponotus benefits its Crematogaster partner by planting epiphyte seeds, for which Crematogaster is too small. Similarly, the Bornean parabioses often were inhabited by the hemiepiphyte Poikilospermum cordifolium (Barg.-Petr.) Merr (Cecropiaceae). P. cordifolium seedlings, saplings and sometimes larger indivi¬duals abundantly grew at the entrances of parabiotic nests. However, P. cordifolium provides no additional nest space and, apart from nutritive elaiosomes, perianths, and extrafloral nectar probably plays a less important role for the ants than the neotropical epiphytes. In conclusion, the parabiosis is probably beneficial to both species. The main benefits seem to be nest defence (for Cr. modiglianii) and interspecific trail-following (for Ca. rufifemur). However, Ca. rufifemur seems to be more dependent on its partner than vice versa. For both parabiotic species, I analyzed mitochondrial DNA of ants from different regions in Borneo. My data suggest that there are four genetically and chemically distinct, but closely related varieties of Camponotus rufifemur. In contrast, Crematogaster modiglianii showed high genetic differentiation between distant populations but was not differentiated into genetic or chemical varieties. This argues against variety-specific cocladogenesis between Cr. modiglianii and Ca. rufifemur, although a less specific coevolution of the two species is highly likely. In Bornean rainforests, trail-sharing associations of Polyrhachis (Polyrhachis) ypsilon Emery 1887 and Camponotus (Colobopsis) saundersi Emery 1889 are common and often include further species such as Dolichoderus cuspidatus Smith 1857. I investigated a trail-sharing association between these three species and studied two mechanisms that may cause or facilitate these associations: interspecific trail-following, i.e. workers following another species’ pheromone trail, and differential inter¬specific aggression. In trail-following assays, D. cuspidatus regularly followed extract trails of the other two species, thus probably parasitizing on their information on food sources. In contrast, only few P. ypsilon and Ca. saundersi workers followed hetero¬speci¬fic extract trails. Hence, the association between P. ypsilon and Ca. saundersi cannot be ex¬plained by foragers following heterospecific trails. In this case, trail-sharing may originate from few scout ants that do follow heterospecific pheromone trails and then lay their own trails. Interspecific aggression among P. ypsilon, Ca. saundersi and D. cuspidatus was strongly asymmetric, Ca. saundersi being submissive to the other two species. All three species discriminated between heterospecific workers from the same and a distant trail-sharing site. Thus, it seems likely that the species of a given trail-sharing site habituate to one another. Differential tolerance by dominant ant species may be mediated by selective habituation towards submissive species, and thereby influence the assembly of trail-sharing associations.
N2  - Aggression zwischen Ameisen verschiedener Kolonien oder Arten ist allgegenwärtig. Ausnahmen von dieser Regel bilden Superkolonien (innerhalb einer Art) sowie inter-spezifische Assoziationen (zwischen Arten). Wohl die engste dieser Assoziationen ist die Parabiose, bei der zwei Ameisenarten in einem gemeinsamen Nest leben. Sie halten ihre Brut getrennt, nutzen jedoch gemeinsam Pfade und oftmals auch Nahrungsressourcen. Parabiosen sind auf Assoziationen einiger weniger Artkombinationen beschränkt und kommen nur in südamerikanischen und südostasiatischen Regenwäldern vor. Während jedoch die südamerikanischen Parabiosen bereits untersucht wurden – wenn auch spärlich –, ist fast nichts über ihre südostasiatischen Pendants bekannt. Der Schwerpunkt meiner Doktorarbeit liegt auf südostasiatischen Parabiosen zwischen der myrmicinen Ameise Crematogaster modiglianii Emery 1900 und der deutlich größeren Formicine Camponotus rufifemur Emery 1900. Die beiden Arten nisten häufig gemeinsam in hohlen Bäumen im tropischen Tieflandregenwald Borneos. Die grundlegende Frage meiner Doktorarbeit ist, warum diese beiden Arten zusammenleben. Ich untersuchte sowohl proximate als auch ultimate Aspekte dieser Frage. Zu Vergleichszwecken führte ich Studien über eine trail sharing-Assoziation im selben Lebensraum durch. Auf proximater Ebene untersuchte ich, welche Mechanismen die Toleranz heterospezifischer Nestgenossinnen fördern. Im allgemeinen können Ameisen Nestgenossinnen von fremden Artgenossen mit Hilfe kutikulärer Kohlenwasserstoffen unterscheiden, die als Kolonie-Erkennungssignale dienen. Ich untersuchte Kolonieerkennung innerhalb und zwischen den beiden parabiotischen Arten. Mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysierte ich daneben die kutikulären Substanzen beider Ameisenarten, um etwaige Unterschiede zu verwandten, nichtparabiotischen Arten zu finden, und um abzuschätzen, wie stark die Substanzen beider Arten sich überschneiden. Eine starke Überschneidung würde z.B. dafür sprechen, daß inter¬spezifische Toleranz durch chemische Mimikry verursacht wird. Außerdem untersuchte ich anhand von Biotests die Funktion zweier verschiedener kutikulärer Substanzklassen. Die interspezifische Toleranz zwischen den beiden parabiotischen Arten war artspezifisch, aber nicht koloniespezifisch. Ca. rufifemur tolerierte alle Cr. modiglianii-Arbeiterinnen, auch von fremden Kolonien, attackierte aber Arbeiterinnen anderer Crematogaster-Arten. Cr. modiglianii dagegen duldete Ca. rufifemur-Arbeiterinnen von bestimmten fremden Kolonien, attackierte jedoch diejenigen bestimmter anderer Kolonien. Wie chemische Analysen ergaben, kommt Ca. rufifemur in zwei sympatrischen, chemisch verschiedenen Morphen (‚rote’ und ‚schwarze’ Morphe) vor, die praktisch keine Kohlenwasserstoffe gemeinsam haben. Cr. modiglianii duldete nur diejenigen Ca. rufifemur-Arbeiterinnen, die zur gleichen Morphe gehörten wie ihr eigener Partner. Cr. modiglianii attackierte auch weitere, nichtparabiotische Camponotus-Arten. Gegenseitige interspezifische Toleranz war also auf die Arten Cr. modiglianii und Ca. rufifemur beschränkt. Ca. rufifemur duldete häufig koloniefremde Artgenossen derselben Morphe. Die kleineren Arbeiterinnenkasten wurden eher geduldet als große Arbeiterinnen (Soldaten), möglicher¬weise weil sie 2-3-fach kleinere Kohlenwasserstoffmengen pro Körperoberfläche besitzen als letztere. Im Gegensatz dazu attackierte Cr. modiglianii fast stets koloniefremde Artgenossen. Die Kohlenwasserstoffe beider Arten waren deutlich langkettiger als bei nichtparabiotischen Arten der gleichen Gattungen. Langkettige Kohlenwasserstoffe sind aufgrund ihrer geringeren Flüchtigkeit schwerer wahrzunehmen als kürzerkettige und fördern deshalb vermutlich interspezifische Toleranz. Auffällig war weiterhin, daß die kutikulären Kohlenwasserstoffe bei Ca. rufifemur zu bis zu 98% aus Methylalkenen bestanden, die als kutikuläre Substanzen bei Insekten höchst ungewöhnlich sind. Cr. modiglianii und Ca. rufifemur besaßen fast keine gemeinsamen Kohlenwasserstoffe, es lag also keine chemische Mimikry vor. Die einzigen gemeinsamen Kohlenwasserstoffe in größeren Mengen waren zwei Methylalkene, die bei der roten Ca. rufifemur-Morphe ca. 89% des Kohlenwasserstoffprofils ausmachten und auch bei den Cr. modiglianii-Kolonien vorkam, die mit dieser Morphe zusammenlebten. Vermutlich übernahmen diese Cr. modiglianii-Kolonien die beiden Substanzen von ihren roten Ca. rufifemur-Partnern. Cr. modiglianii-Arbeiterinnen waren signifikant weniger aggressiv gegenüber fremden Artgenossinnen, wenn diese mit derselben Ca. rufifemur-Morphe assoziiert waren wie sie selbst. Diese Art schien demnach die Kohlenwasserstoffe, die sie von ihrem Parabiosepartner übernommen hatte, als Erkennungssignale zu nutzen. Neben den Kohlenwasserstoffen kam auf der Kutikula beider Ameisenarten eine Reihe bisher unbekannter Stoffe vor. Die quantita¬tive Zusammen¬setzung dieser Substanzen variierte zwischen parabiotischen Nestern, ähnelte sich aber jeweils zwischen den beiden Arten eines Nests. Sie werden wahrscheinlich in der Dufourdrüse von Cr. modiglianii produziert und auf den Ca. rufifemur-Partner übertragen werden. Als mögliche Übertragungsmechanismen kommen interspezifische Trophallaxis sowie ‚Besteigeverhalten’ in Betracht, bei dem Cr. modiglianii auf Ca. rufifemur-Arbeiterinnen klettert, ohne von diesen vertrieben zu werden. Obwohl die Zusammensetzung der unbekannten Substanzen stark zwischen parabiotischen Nestern variierte, dienten sie – im Gegensatz zu den Kohlenwasserstoffen – nicht der Kolonieerkennung. Sie reduzierten jedoch signifikant die Aggressivität von Ca. rufifemur. Die ultimaten, also ökologischen und evolutionären Aspekte meiner Doktorarbeit beschäftigen sich mit potentiellen Kosten und Nutzen, die Cr. modiglianii und Ca. rufifemur aus ihrer parabiotischen Lebensweise ziehen könnten, mit ihren Interaktionen zu weiteren Arten sowie populationsgenetischen Analysen. Meine Untersuchungen zu einer trail sharing-Assoziation zwischen drei anderen Ameisenarten beschäftigen sich mit zwei Mechanismen, die trail sharing verursachen oder fördern könnten. Ob Parabiosen parasitisch, kommensalistisch oder mutualistisch sind, ist weitgehend unbekannt und hängt von den Kosten und Nutzen ab, die beiden Partnern durch die Parabiose entstehen. Ich untersuchte deshalb Nahrungskonkurrenz (als eine der wahrscheinlichsten Kosten), Nischendifferenzierung in bezug auf die Nahrungssuche (was die Konkurrenz verringern könnte), sowie mehrere etwaige Nutzen aus der parabiotischen Lebensweise. Darüber hinaus untersuchte ich Interaktionen zwischen den Ameisen und dem Hemiepiphyten Poikilospermum cordifolium. Die Nischen der beiden Arten in bezug auf Fouragierdistanz vom Nest, tageszeitliche Aktivitätsspanne und Nahrungspräferenzen. Keine der beiden Arten vertrieb die Partnerart gewaltsam von Ködern, so daß keine direkte Konkurrenz erkennbar war. Für beide Ameisenarten sind eine Reihe von Vorteilen aus der parabiotischen Lebensweise denkbar. Darunter fallen interspezifisches Spurfolgeverhalten, gemeinsame Nestverteidigung, Bereitstellung von Nistraum durch die Partnerart, Nahrungsaustausch mittels Trophallaxis und gegenseitige Brutfürsorge. Wenn eine Ameisenart der Pheromonspur einer anderen Art folgt, erreicht sie Nahrungsressourcen, die die andere Art gefunden hat. Wie durch künstliche Pheromonspuren gezeigt wurde, folgte Ca. rufifemur tatsächlich Spuren von Cr. modiglianii, jedoch nicht umgekehrt. Ca. rufifemur profitierte damit vom Wissen ihrer Partnerart über Nahrungsressourcen (informationaler Parasitismus). Cr. modiglianii wiederum schien von der Nestverteidigung durch Ca. rufifemur zu profitieren. Ca. rufifemur-Soldaten sind deutlich größer als Cr. modiglianii-Arbeiterinnen. Obwohl Cr. modiglianii oft ebenfalls effektiv das Nest verteidigte, erscheint es wahrscheinlich, daß diese Art einen Nutzen aus der Nestverteidigung durch Ca. rufifemur zieht. In neotropische Parabiosen (Ameisengärten) spielen mutualistische Epiphyten durch die Bereitstellung von Nistraum eine große Rolle. Die neotropische Camponotus-Art nützt ihrem Crematogaster-Partner, indem sie Epiphytensamen pflanzt, wozu Crematogaster zu klein ist. Die Parabiosen Borneos waren ebenfall oft von dem Hemiepiphyten Poikilospermum cordifolium (Barg.-Petr.) Merr (Cecropiaceae) besiedelt. Keimlinge und größere Individuen von P. cordifolium wuchsen häufig an parabiotischen Nesteingängen. P. cordifolium bietet jedoch keinen Nistraum und ist daher, abgesehen von der Bereitstellung nahrhafter Elaiosomen, Perianthe und extrafloralem Nektar, für die Ameisen von geringerer Bedeutung als die Epiphyten der Neotropen. Als Fazit erscheint die Parabiose für beide Ameisenarten vorteilhaft. Die wichtigsten Vorteile sind Nestverteidigung (für Cr. modiglianii) und interspezifisches Spurfolgen (für Ca. rufifemur). Allerdings scheint Ca. rufifemur stärker von seinem Partner abzuhängig zu sein als umgekehrt. Von beiden parabiotischen Arten analysierte ich mitochondriale DNA aus verschiedenen Regionen Borneos. Nach meinen Ergebnissen existieren vermutlich vier genetisch und chemisch verschiedene, aber nah miteinander verwandte Camponotus rufifemur-Morphen. Im Gegensatz dazu zeigte Crematogaster modiglianii hohe genetische Differenzierung zwischen entfernten Populationen, aber keine weitere Differenzierung in genetische oder chemische Morphen. Dieses Ergebnis spricht gegen eine morphen-spezifische Cocladogenese zwischen Cr. modiglianii und Ca. rufifemur, obwohl eine weniger spezifische Coevolution der beiden Arten sehr wahrscheinlich ist. In den Regenwäldern Borneos sind trail sharing-Assoziationen zwischen Polyrhachis (Polyrhachis) ypsilon Emery 1887 und Camponotus (Colobopsis) saundersi Emery 1889 weit verbreitet und schließen oft weitere Arten wie Dolichoderus cuspidatus Smith 1857 ein. Ich untersuchte eine trail sharing-Assoziation zwischen diesen drei Arten und erforschte zwei Mechanismen, die eine solche Assoziation eventuell fördern könnten: interspezifisches Spur-folgeverhalten und differentielle interspezifische Aggression. In Spurfolge¬versuchen folgte D. cuspidatus regelmäßig künstlichen Extraktpfaden der anderen beiden Arten. Auf diese Weise parasitierte D. cuspidatus wahrscheinlich auf deren Informationen über Nahrungsressourcen. Im Gegensatz dazu folgten nur wenige Arbeiterinnen von P. ypsilon und Ca. saundersi heterospezifischen Extraktpfaden. Die Assoziation zwischen P. ypsilon und Ca. saundersi kann folglich nicht dadurch erklärt werden, daß fouragierende Arbeiterinnen heterospezifischen Pheromonspuren folgen. In diesem Fall könnte trail sharing möglicherweise darauf beruhen, daß einige wenige scouts heterospezifischen Spuren folgen und anschließend ihre eigene Spur legen. Die interspezifische Aggression zwischen P. ypsilon, Ca. saundersi und D. cuspidatus war stark asymmetrisch, denn Ca. saundersi war gegenüber den anderen beiden Arten stark submissiv. Alle drei Arten unterschieden heterospezifische Arbeiterinnen von ihrem eigenen und einem fremden Standort. Es erscheint daher wahrscheinlich, daß die Arten eines trail sharing-Standorts sich aneinander gewöhnen. Differentielle Toleranz durch dominante Ameisenarten könnte zustande kommen, indem sich diese selektiv an bestimmte submissive Arten gewöhnen, sie dulden und auf diese Weise die Zusammensetzung von trail sharing-Assoziationen beeinflussen.
KW  - Ameisen
KW  - Mutualismus
KW  - Insekten
KW  - Symbiose
KW  - Borneo
KW  - Chemische Kommunikation
KW  - Interspezifische Assoziation
KW  - Kohlenwasserstoffe
KW  - Pheromone
KW  - Kolonieerkennung
KW  - Formicidae
KW  - Parabiose
KW  - Spurpheromone
KW  - interspecific association
KW  - hydrocarbons
KW  - pheromone
KW  - nestmate recognition
KW  - Formicidae
KW  - parabiosis
KW  - trail-sharing
KW  - trail pheromone
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-37251
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zube, Christina
T1  - Neuronal representation and processing of chemosensory communication signals in the ant brain
N2  - Ants heavily rely on olfaction for communication and orientation and ant societies are characterized by caste- and sex-specific division of labor. Olfaction plays a key role in mediating caste-specific behaviours. I investigated whether caste- and sex-specific differences in odor driven behavior are reflected in specific differences and/or adaptations in the ant olfactory system. In particular, I asked the question whether in the carpenter ant, Camponotus floridanus, the olfactory pathway exhibits structural and/or functional adaptations to processing of pheromonal and general odors. To analyze neuroanatomical specializations, the central olfactory pathway in the brain of large (major) workers, small (minor) workers, virgin queens, and males of the carpenter ant C. floridanus was investigated using fluorescent tracing, immunocytochemistry, confocal microscopy and 3D-analyzes. For physiological analyzes of processing of pheromonal and non-pheromonal odors in the first odor processing neuropil , the antennal lobe (AL), calcium imaging of olfactory projection neurons (PNs) was applied. Although different in total glomerular volumes, the numbers of olfactory glomeruli in the ALs were similar across the female worker caste and in virgin queens. Here the AL contains up to ~460 olfactory glomeruli organized in 7 distinct clusters innervated via 7 antennal sensory tracts. The AL is divided into two hemispheres regarding innervations of glomeruli by PNs with axons leaving via a dual output pathway. This pathway consists of the medial (m) and lateral (l) antenno-cerebral tract (ACT) and connects the AL with the higher integration areas in the mushroom bodies (MB) and the lateral horn (LH). M- and l-ACT PNs differ in their target areas in the MB calyx and the LH. Three additional ACTs (mediolateral - ml) project to the lateral protocerebrum only. Males had ~45% fewer glomeruli compared to females and one of the seven sensory tracts was absent. Despite a substantially smaller number of glomeruli, males possess a dual PN output pathway to the MBs. In contrast to females, however, only a small number of glomeruli were innervated by projection neurons of the m-ACT. Whereas all glomeruli in males were densely innervated by serotonergic processes, glomeruli innervated by sensory tract six lacked serotonergic innervations in the female castes. It appears that differences in general glomerular organization are subtle among the female castes, but sex-specific differences in the number, connectivity and neuromodulatory innervations of glomeruli are substantial and likely to promote differences in olfactory behavior. Calcium imaging experiments to monitor pheromonal and non-pheromonal processing in the ant AL revealed that odor responses were reproducible and comparable across individuals. Calcium responses to both odor groups were very sensitive (10-11 dilution), and patterns from both groups were partly overlapping indicating that processing of both odor classes is not spatially segregated within the AL. Intensity response patterns to the pheromone components tested (trail pheromone: nerolic acid; alarm pheromone: n-undecane), in most cases, remained invariant over a wide range of intensities (7-8 log units), whereas patterns in response to general odors (heptanal, octanol) varied across intensities. Durations of calcium responses to stimulation with the trail pheromone component nerolic acid increased with increasing odor concentration indicating that odor quality is maintained by a stable pattern (concentration invariance) and intensity is mainly encoded in the response durations of calcium activities. For n-undecane and both general odors increasing response dynamics were only monitored in very few cases. In summary, this is the first detailed structure-function analyses within the ant’s central olfactory system. The results contribute to a better understanding of important aspects of odor processing and olfactory adaptations in an insect’s central olfactory system. Furthermore, this study serves as an excellent basis for future anatomical and/or physiological experiments.
N2  - Für Ameisen spielt die olfaktorische Kommunikation und Orientierung eine zentrale Rolle hinsichtlich der Organisation des Ameisenstaates. Ob sich kasten- und geschlechtsspezifische Verhaltensunterschiede auf neuronaler Ebene und besonders im olfaktorischen System der Ameise widerspiegeln ist die zentrale Frage meiner Arbeit. Im Speziellen stellte ich die Frage, ob sich in der olfaktorischen Bahn der Rossameise Camponotus floridanus strukturelle oder funktionelle Anpassungen an die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften aufzeigen lassen. Zur Analyse hinsichtlich neuroanatomischer Spezialisierungen wurde die olfaktorische Bahn im Gehirn von großen und kleinen Arbeiterinnen, Jungköniginnen und Männchen der Rossameise C. floridanus mittels Fluoreszenzmassenfärbungen, Immunzytochemie, konfokaler Laserscanningmikroskopie und 3D-Auswertung untersucht. Um die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im primären olfaktorischen Neuropil, dem Antennallobus (AL), auf physiologischer Ebene zu charakterisieren wurden olfaktorische Projektionsneurone mittels Calcium Imaging untersucht. Obwohl sich das glomeruläre Gesamtvolumen der ALs zwischen Arbeiterinnenkasten und Jungköniginnen unterscheidet, lag die Gesamtzahl der Glomeruli im AL in einem ähnlichen Bereich. Der AL besteht in allen drei weiblichen Kasten aus bis zu 460 Glomeruli, die in sieben Clustern angeordnet sind und von sieben sensorischen Eingangstrakten innerviert werden. Der AL unterteilt sich in zwei Hemispheren, deren entsprechende Glomeruli von Projektionsneuronen innverviert werden, die vom AL über die Nervenbahn des “dual output pathway” in höhere Hirnregionen projizieren. Diese Nervenbahn besteht aus dem medialen (m) und lateralen (l) Antennocerebraltrakt (ACT) und verbindet den AL mit höheren Integrationszentren wie den Pilzkörpern (MB) und dem lateralen Horn (LH). M- und l-ACT unterscheiden sich in ihren Zielregionen im MB Calyx und dem LH. Drei weitere ACTs (mediolateral – ml) projizieren ausschließlich ins laterale Protocerebrum. Männchen besitzen ca. 45% weniger Glomeruli im Vergleich zur Weibchenkaste. Ihnen fehlt weiterhin einer der sieben sensorischen Eingangstrakte vollständig. Trotz der wesentlich geringeren Anzahl an Glomeruli, besitzen auch Männchen den “dual output pathway”. Im Gegensatz zu den Weibchen ist allerdings nur eine geringe Anzahl an Glomeruli durch m-ACT Projektionsneurone innerviert. Ein weiterer Unterschied im AL von Männchen und Weibchen findet sich in den Glomeruli des sensorische Trakts Nummer sechs, die bei Weibchen keinerlei serotonerge Innervierung aufweisen während beim Männchen der gesamte AL dichte serotonerge Verzweigungen besitzt. Es zeigt sich somit, dass die kastenspezifischen Unterschiede in der allgmeinen glomerulären Organisation des AL innerhalb der Weibchenkaste nur sehr fein sind. Im Gegensatz dazu sind die geschlechtsspezifischen Unterschiede in Anzahl, Konnektivität und neuromodulatorischer Innervierung von Glomeruli zwischen Weibchen- und Männchen wesentlich ausgeprägter was Unterschiede in olfaktorisch geprägten Verhaltensweisen begünstigen könnte. Die Calcium Imaging Experimente zur Untersuchung der Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im AL der Ameise zeigten, dass Duftantworten reproduzierbar und zwischen Individuen vergleichbar waren. Die Sensitivität des Calcium Signals lag für beide Duftgruppen in einem sehr niedrigen Bereich (Verdünnung 10-11). Die Antortmuster beider Duftgruppen überlappten zum Teil, was die Annahme zuläßt, dass die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften keiner räumlichen Trennung innerhalb des AL unterliegt. Die Intensität der Antwortmuster auf die Pheromonkomponenten (Spurpheromon: Nerolsäure; Alarmpheromon: n-Undecan) blieben in den meisten Fällen über einen weiten Konzentrationsbereich konstant (7-8 log Einheiten). Die Dauer der Calciumantwort nach Stimulation mit Nerolsäure verlängerte sich mit steigender Duftkonzentration. Dies läßt für das Spurpheromon den Schluß zu, dass die Duftqualität in einem konstanten Duftmuster (Konzentrationsinvarianz) repräsentiert und die Duftintensität über die Dauer des Calciumsignals abgebildet wird. Da die Antwortmuster auf generelle Düfte (Heptanal, Octanol) dagegen sehr viel stärker innerhalb des getesteten Konzentrationsbereichs varrieren ließ sich für n-Undecan und die beiden generellen Düfte eine solche Dynamik nur in einigen wenigen Fällen beobachtet. Zusammenfassend ist diese Studie die erste strukturelle und funktionelle Studie des olfaktorischen Systems der Ameise. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der neuronalen Adaptationen und Mechanismen hinsichtlich Duftverarbeitung im zentralen Nervensystem von Insekten bei. Außerdem liefert diese Studie eine wichtige Grundlage für zukünftige neuroanatomische und –physiologische Untersuchungen auf dem Gebiet der Neurobiologie der Insekten.
KW  - Gehirn
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroanatomie
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Insekten
KW  - Antennallobus
KW  - Glomeruli
KW  - olfaktorische Bahn
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Dufverarbeitung
KW  - antennal lobe
KW  - glomeruli
KW  - olfactory pathway
KW  - Campontous floridanus
KW  - odor processing
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-30383
ER  - 
TY  - THES
A1  - Drechsler, Patrick Hans
T1  - Mechanics of adhesion and friction in stick insects and tree frogs
T1  - Mechanik der Adhäsion und Reibung von Stabheuschrecken und Baumfröschen
N2  - Many arthropods and vertebrates can cling to surfaces using adhesive pads on their legs. These pads are either smooth and characterised by a specialised, soft cuticle or they are hairy, i.e. densely covered with flexible adhesive setae. Animals climbing with adhesive organs are able to control attachment and detachment dynamically while running. The detailed mechanisms of how tarsal pads generate adhesive and frictional forces and how forces are controlled during locomotion are still largely unclear. The aim of this study was to clarify the attachment mechanism of smooth adhesive pads as present in many insects and tree frogs. To understand the function of these fluid-based adhesive systems, I characterized their performance under standardized conditions. To this end, experiments were conducted by simultaneously measuring adhesion, friction, and contact area in single adhesive pads. The first result of this study showed that friction in stick insect attachment pads is anisotropic: Attachment pads regularly detached when slid away from the body. Further analyses of "immobilized" arolia revealed that this anisotropy is not caused by an increased shear stress in the proximal direction, but by the instability of the tarsus when pushed distally. In the second part of this study, I analysed the role of the pad secretion present in insects and tree frogs. In stick insects, shear stress was largely independent of normal force and increased with velocity, seemingly consistent with the viscosity effect of a continuous fluid film. However, measurements of the remaining force two minutes after a sliding movement showed that adhesive pads could sustain considerable static friction in insects and tree frogs. Repeated sliding movements and multiple consecutive pull-offs of stick insect single legs to deplete adhesive secretion showed that on a smooth surface, friction and adhesion strongly increased with decreasing amount of fluid in insects. In contrast, stick insect pull-off forces significantly decreased on a rough substrate. Thus, the secretion does not generally increase attachment but does so only on rough substrates, where it helps to maximize contact area. When slides with stick insect arolia were repeated at one position so that secretion could accumulate, sliding shear stress decreased but static friction remained clearly present. This suggests that static friction in stick insects, which is biologically important to prevent sliding, is based on non-Newtonian properties of the adhesive emulsion rather than on a direct contact between the cuticle and the substrate. % Analogous measurements in toe pads of tree frogs showed that they are also able to generate static friction, even though their pads are wetted by mucus. In contrast to the mechanism proposed for insects, static friction in tree frogs apparently results from the very close contact of toe pads to the substrate and boundary lubrication. In the last section of this study, I investigated adhesive forces and the mode of detachment by performing pull-off measurements at different velocities and preloads. These experiments showed that preload has only an increasing effect on adhesion for faster pull-offs. This can be explained by the viscoelastic material properties of the stick insect arolium, which introduce a strong rate-dependence of detachment. During fast pull-offs, forces can spread over the complete area of contact, leading to forces scaling with area. In contrast, the pad material has sufficient time to withdraw elastically and peel during slow detachments. Under these conditions the adhesive force will concentrate on the circumference of the contact area, therefore scaling with a length, supporting models such as the peeling theory. The scaling of single-pad forces supported these conclusions, but large variation between pads of different stick insects did not allow statistically significant conclusions. In contrast, when detachment forces were quantified for whole insects using a centrifuge, forces scaled with pad contact area and not with length.
N2  - Viele Arthropoden und Vertebraten können sich mit Hilfe tarsaler Haftorgane an Oberflächen festhalten. Diese Organe sind entweder glatt, mit einer spezialisierten, weichen Cuticula oder haarig, d.h. dicht besetzt mit mikroskopisch kleinen, biegsamen Hafthaaren. Mit Haftorganen kletternde Tiere können während des Laufens Haftkräfte dynamisch kontrollieren. Die genaueren Mechanismen, mit denen Adhäsions- und Reibungskräfte erzeugt werden und mit denen die Kräfte während des Laufens schnell kontrolliert werden können, sind allerdings noch immer weitgehend unklar. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Haftmechanismus von glatten Haftorganen bei Insekten und Baumfröschen näher aufzuklären. Um die Funktion dieser flüssigkeitsbasierten Haftsysteme zu verstehen, charakterisierte ich ihr Adhäsions- und Reibungsverhalten unter standardisierten Bedingungen. Dazu führte ich Experimente an einzelnen Haftorganen durch, bei denen ich gleichzeitig Adhäsion, Reibung, und Kontaktfläche erfasste. Das erste Ergebnis dieser Arbeit war, dass die Reibung von Insektenhaftorganen von der Bewegungsrichtung abhängt. Ein Haftorgan, das vom Körper weg bewegt wird (distale Richtung), löst sich meist von der Oberfläche ab. Weitere Untersuchungen an Haftorganen bei fixiertem Tarsus zeigten, dass die Richtungsabhängigkeit nicht durch eine erhöhte Scherspannung in der proximalen Richtung hervorgerufen wird, sondern durch die Instabilität des Tarsus, wenn der Fuß vom Körper weg bewegt wird. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchte ich die Rolle des Haftsekrets bei Stabheuschrecken und Baumfröschen. Bei Stabheuschrecken war die Scherspannung unabhängig von der Normalkraft und nahm mit der Bewegungsgeschwindigkeit zu, scheinbar in Einklang mit der viskosen Reibung eines durchgehenden Flüssigkeitsfilms. Jedoch ergaben Scherspannungsmessungen bei Stabheuschrecken und Fröschen selbst zwei Minuten nach einer Gleitbewegung ein beträchtliches Maß an statischer "Rest"-Reibung. Um den Einfluss geringer werdender Haftflüssigkeit zu untersuchen, wurden wiederholte Gleitversuche sowie aufeinanderfolgende Ablöseversuche auf glatten Oberflächen durchgeführt. Diese Experimente zeigten, dass sowohl die Reibungs- als auch die Adhäsionskraft mit abnehmender Flüssigkeitsmenge anstieg. Im Gegensatz hierzu nahm die Adhäsionskraft auf rauen Oberflächen mit abnehmender Haftflüssigkeitsmenge ab. Demzufolge führte die Haftflüssigkeit nur auf rauen Oberflächen zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche und zu einer Erhöhung der Adhäsionskraft. Reibungskräfte auf glatten Oberflächen wurden bei Stabheuschrecken umso geringer, je häufiger Reibungsversuche an ein und der selben Stelle durchgeführt wurden (um die Menge an Haftflüssigkeit zu erhöhen). Dennoch blieb immer eine statische Reibung vorhanden. Das Vorhandensein von statischer Reibung ist biologisch wichtig um das unfreiwillige Ausrutschen zu verhindern. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Haftreibung bei Insekten nicht auf direkte Kontakte zwischen Cuticula und Untergrund zurückzuführen ist, sondern auf die (scherverdünnende) nicht-Newtonschen Eigenschaften des zweiphasigen Haftsekrets. Analoge Messungen an Haftzehen von Baumfröschen zeigten, dass auch diese statische Reibungskräfte erzeugen können, obwohl sie von einem flüssigen Schleim benetzt sind. Im Gegensatz zu dem bei Insekten gefundenen Mechanismus, entsteht bei Fröschen die statische Reibung wahrscheinlich durch Trockenreibung und den sehr nahen Kontakt zur Oberfläche. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchte ich Adhäsionskräfte und den Ablösevorgang durch Haftkraftmessungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Normalkräften. Diese Experimente zeigten, dass die Normalkraft nur bei schnellem Ablösen zu höheren Adhäsionskräften führt. Dies ist durch die viskoelastischen Materialeigenschaften der Stabheuschrecken-Arolien erklärbar, die zu einer starken Geschwindigkeitsabhängigkeit des Ablösevorgangs führen. Bei schnellem Ablösen breiten sich die Kräfte über die gesamte Kontaktzone aus, was zu einer Flächenskalierung der Adhäsion führt. Im Gegensatz dazu hat das Haftorgan bei einem langsamen Ablöseprozess genügend Zeit, sich elastisch zurückzuziehen und abzuschälen. Unter diesen Bedingungen konzentriert sich die Kraft am Rand der Kontaktzone, wodurch die Adhäsionskräfte mit einer Länge skalieren, wie z.B. von der "peeling" Theorie vorhergesagt. Die Skalierung von Einzelbein-Haftkräften bestätigte diese Schlußfolgerungen, aber die starke Variation zwischen verschiedenen Stabheuschrecken erlaubte es nicht, diese statistisch abzusichern. Im Gegensatz dazu zeigten die Haftkräfte ganzer Insekten, welche mit Hilfe einer Zentrifuge gemessen wurden, eine deutliche Flächenskalierung.
KW  - Biomechanik
KW  - Adhäsion
KW  - Flüssigkeitsreibung
KW  - Reibung
KW  - Frosch
KW  - Insekten
KW  - Carausius morosus
KW  - Haftung
KW  - Schubspannung
KW  - Emulsion
KW  - Schälen
KW  - Haftmechanismen
KW  - Haftorgane
KW  - Haftflüssigkeit
KW  - Litoria caerulea
KW  - Scherspannung
KW  - Wet adhesion model
KW  - biomechanics
KW  - adhesion
KW  - friction
KW  - attachment structure
KW  - adhesive fluid
KW  - wet adhesion
KW  - shear stress
KW  - emulsion
KW  - attachment devices
KW  - peeling
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Travers-Martin, Nora Verena
T1  - The role of the glucosinolate-myrosinase system for the interaction of Brassicaceae with the turnip sawfly Athalia rosae(L.)
T1  - Die Rolle des Glucosinolat-Myrosinase Systems bei der Interaktion von Brassicaceae mit der Rübsenblattwespe Athalia rosae (L.)
N2  - Brassicaceae and a few related plant families are characterized by possession of the glucosinolate-myrosinase system. Glucosinolates are amino-acid derived allelochemicals which are hydrolysed upon tissue damage by myrosinase enzymes to produce various degradation products which can be toxic for generalist insects. The larvae of the crucifer-specialist Athalia rosae, the turnip sawfly, sequester glucosinolates into their haemolymph. The role of the glucosinolate-myrosinase system for the interaction of the turnip sawfly with Brassicaceae was examined in this study from two different perspectives: variation within individual plants and between plant species. The plant responses to the feeding by herbivores and the short-term effects this induction had on insect behaviour were investigated in white mustard. Furthermore, plants can use multiple defences. Hence correlations of glucosinolates and myrosinase activities with other defences and nutritional quality and their long-term effects on the development of the insects were investigated in seven different plant species.
N2  - Die Brassicaceen und einige nah verwandte Pflanzenfamilien zeichnen sich durch den Besitz des Glucosinolat-Myrosinase Systems aus. Glucosinolate sind von Aminosäuren abgeleitete Allelochemikalien, die nach Gewebezerstörung von Myrosinaseenzymen hydrolysiert werden. Die entstehenden Abbauprodukte wirken auf generalistische Insekten toxisch. Larven der auf Brassicaceen spezialisierten Rübsenblattwespe, Athalia rosae, sequestrieren Glucosinolate in ihre Hämolymphe. In der vorliegenden Studie wird die Rolle des Glucosinolat-Myrosinase Systems für die Interaktion von Brassicaceen mit der Rübsenblattwespe aus zwei unterschiedlichen Perspektiven untersucht: Variationen innerhalb einzelner Pflanzen und zwischen verschiedenen Pflanzenarten. Die pflanzliche Antwort innnerhalb einzelner Individuen auf Herbivorenfraß und deren kurzzeitige Auswirkungen auf das Insektenverhalten wurden am Weißen Senf untersucht. Des Weiteren nutzen Pflanzen multiple Abwehrmethoden. Daher wurden Korrelationen des Glucosinolat-Myrosinase Systems mit anderen Abwehrmethoden und mit dem Nährstoffgehalt der Pflanzen sowie deren langfristige Effekte auf die Entwicklung der Insekten an sieben verschiedenen Pflanzenarten untersucht.
KW  - Glucosinolate
KW  - Chemische Ökologie
KW  - Myrosinase
KW  - Insekten
KW  - Pflanzen-Insekten Interaktionen
KW  - Glucosinolates
KW  - Myrosinase
KW  - Insects
KW  - Chemical Ecology
KW  - Plant-Insect Interactions
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25335
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mitesser, Oliver
A1  - Weissel, Norbert
A1  - Strohm, Erhard
A1  - Poethke, Hans-Joachim
T1  - Adaptive dynamic resource allocation in annual eusocial insects: Environmental variation will not necessarily promote graded control
N2  - Background: According to the classical model of Macevicz and Oster, annual eusocial insects should show a clear dichotomous "bang-bang" strategy of resource allocation; colony fitness is maximised when a period of pure colony growth (exclusive production of workers) is followed by a single reproductive period characterised by the exclusive production of sexuals. However, in several species graded investment strategies with a simultaneous production of workers and sexuals have been observed. Such deviations from the "bang-bang" strategy are usually interpreted as an adaptive (bet-hedging) response to environmental fluctuations such as variation in season length or food availability. To generate predictions about the optimal investment pattern of insect colonies in fluctuating environments, we slightly modified Macevicz and Oster's classical model of annual colony dynamics and used a dynamic programming approach nested into a recurrence procedure for the solution of the stochastic optimal control problem. Results: 1) The optimal switching time between pure colony growth and the exclusive production of sexuals decreases with increasing environmental variance. 2) Yet, for reasonable levels of environmental fluctuations no deviation from the typical bang-bang strategy is predicted. 3) Model calculations for the halictid bee Lasioglossum malachurum reveal that bet-hedging is not likely to be the reason for the graded allocation into sexuals versus workers observed in this species. 4) When environmental variance reaches a critical level our model predicts an abrupt change from dichotomous behaviour to graded allocation strategies, but the transition between colony growth and production of sexuals is not necessarily monotonic. Both, the critical level of environmental variance as well as the characteristic pattern of resource allocation strongly depend on the type of function used to describe environmental fluctuations. Conclusion: Up to now bet-hedging as an evolutionary response to variation in season length has been the main argument to explain field observations of graded resource allocation in annual eusocial insect species. However, our model shows that the effect of moderate fluctuations of environmental conditions does not select for deviation from the classical bang-bang strategy and that the evolution of graded allocation strategies can be triggered only by extreme fluctuations. Detailed quantitative observations on resource allocation in eusocial insects are needed to analyse the relevance of alternative explanations, e.g. logistic colony growth or reproductive conflict between queen and workers, for the evolution of graded allocation strategies.
KW  - Insekten
KW  - Fitness
KW  - Evolution
KW  - Sozialität
KW  - resource allocation
KW  - fitness
KW  - evolution
KW  - eusociality
KW  - insect
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-45412
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Heisswolf, Annette
A1  - Obermaier, Elisabeth
A1  - Poethke, Hans-Joachim
T1  - Selection of large host plants for oviposition by a monophagous leaf beetle: nutritional quality or enemy-free space?
N2  - 1. Oviposition site selection is crucial for the reproductive success of herbivorous insects. According to the preference–performance hypothesis, females should oviposit on host plants that enhance the performance of their offspring. More specifically, the plant vigour hypothesis predicts that females should prefer large and vigorously growing host plants for oviposition and that larvae should perform best on these plants. 2. The present study examined whether females of the monophagous leaf beetle Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae) prefer to oviposit on large host plant individuals of the meadow clary and whether large host plants are of higher nutritional quality than small host plants. Subsequently, it was tested whether the female preference correlates with offspring performance and survival. 3. In the field, females preferred large host plant individuals for oviposition and host plant quality, i.e. leaf nitrogen content, was significantly higher in leaves of large than of small host plants. 4. In the laboratory, larval development time was shorter on leaves of large host plant individuals than on small host plant individuals, but this could not be shown in the field. 5. However, a predator-exclusion experiment in the field resulted in a higher survival of larvae on large host plants than on small host plants when all predators had free access to the plants. On caged host plants there was no difference in survival of larvae between plant size categories. 6. It is concluded that females of C. canaliculata select oviposition sites that enhance both performance and survival of their offspring, which meets the predictions of the plant vigour hypothesis.
KW  - Insekten
KW  - Eiablage
KW  - Fitness
KW  - Präferenz
KW  - Chrysomelidae
KW  - leaf nitrogen content
KW  - plant vigour
KW  - predator-exclusion
KW  - preference–performance hypothesis
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-47728
ER  -