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  - Schmitt, Thomas
T1  - Communication in the hymenoptera : chemistry, ecology and evolution
T1  - Kommunikation bei Hymenopteren - Chemie, Ökologie und Evolution
N2  - Insects exhibit complex systems of communication with chemical signalling being the most important mode. Although there are many studies on chemical communication in insects, the evolution of chemical signals is not well understood. Due to the conflict of interests between individuals, different selective pressures might act on sender and receiver. In this thesis I investigate different types of communication where either the sender, the receiver or both parties yield benefits. These studies were conducted with one digger wasp species, honeybees, one chrysidid wasp, and three ant species. Senders might benefit by exploiting existing preferences of receivers. Such sensory exploitation might influence the evolution of male signals that are designed to attract females. The sex pheromone of male European beewolves Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) might have evolved according to the sensory exploitation hypothesis. A three-step scenario is supported by our studies. First, a major component of the honeybee alarm pheromone, (Z)-11-eicosen-1-ol, is also found on the cuticles and in the air surrounding foraging honeybees. Second, it could be shown, that (Z)-11- eicosen-1-ol plays a crucial role as kairomone for prey identification of honeybees by beewolf females. Third, a reanalysis of the beewolf male sex pheromone shows a remarkable similarity of compounds between the pheromone and the honeybee cuticle, besides the co-occurrence of (Z)-11-eisosen-ol. The majority of the cuticular hydrocarbons of honeybees occur also in the headspace of foraging workers. These results strongly support the hypothesis that beewolf males evolved a pheromone that exploits the females’ pre-existing sensory sensitivity. In addition, the male sex pheromone shows a significantly higher similarity among brothers than among non-related individuals, which might enable beewolf females to discriminate against brothers and avoid detrimental effects of breeding. Together with the studies on the possible sensory exploitation this result shows that both, male and female beewolves probably gain more benefits than costs from the pheromone communication and, thus, the communication system as a whole can be regarded as cooperative. To maintain the reproductive division of labour in eusocial colonies, queens have to signal their presence and fecundity. In the ant Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) queens mark their own eggs with a distinctive pattern of cuticular hydrocarbons. Two different hypotheses have been developed. One suggests a form of worker manipulation by the queen. The alternative hypothesis assumes a cooperative signal that provides information on the condition of the queen. The results of our investigation clearly favour the latter hypothesis. Chemical mimicry is a form of non-cooperative communication that benefits predominantly the sender. We provided conclusive evidence that the cockoo wasp, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), the primary brood parasitoid of Philanthus triangulum, evades recognition by beewolf females most probably by chemical mimicry of the odour of its host. Furthermore, the adaptation of the chemical signature in the social ant parasite Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) to its Leptothorax (Hymenoptera, Formicidae) hosts was investigated. Although this parasite is principally adapted to its hosts’ cuticular hydrocarbon profile, there are still pronounced differences between the profiles of parasites and hosts. This might be explained by the trade-off, which the parasites faces when confronted locally with two host species with different cuticular hydrocarbon profiles. Non-cooperative communication in the sense that only receivers benefit was discovered in the exploitation of honeybees volatile cuticular hydrocarbons by beewolf females. By using emitted (Z)-11-eicosen-1-ol as a kairomone, the receiver, the beewolf female, yields the benefits and the sender, the honeybee prey, bears all the costs. The results of these studies contribute to the understanding of the evolution of cooperative and non-cooperative communication with chemical signals taking into account differential benefits for sender and/or receiver.
N2  - Insekten weisen ein komplexes System der Kommunikation auf, wobei chemische Signale die wichtigste Rolle spielen. Obwohl viele Studien über chemische Kommunikation an Insekten durchgeführt wurden, ist die Evolution von chemischen Signalen nicht gut verstanden. Aufgrund von Interessenkonflikten wirken unterschiedliche Selektionsdrücke auf Sender und Empfänger. In dieser Dissertation untersuchte ich verschiedene Typen von Kommunikation, bei denen entweder der Sender, der Empfänger oder beide von der Kommunikation profitieren. Als Modellorganismen wurden eine Grabwespenart (Crabronidae), Honigbienen (Apidae), eine Goldwespenart (Chrysididae) und drei Ameisenarten (Formicidae) studiert. Sender können von der Ausnutzung existierender Präferenzen der Empfänger profitieren. Eine solche Ausnutzung kann die Evolution von Männchensignalen beeinflussen, die entwickelt wurden, um Weibchen anzulocken. Solch eine „sensory exploitation“ könnte die Evolution des Sexualpheromons von Männchen des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) beeinflußt haben. Unsere Studien unterstützen das folgende Drei-Stufen-Szenario: Erstens, eine Hauptkomponente aus dem Honigbienenalarmpheromon, das (Z)-11- Eicosen-1-ol, wurde auf der Kutikula und in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen nachgewiesen. Zweitens konnte gezeigt werden, daß (Z)-11-Eicosen-1-ol eine wichtige Rolle als Kairomon bei der Identifizierung der Honigbiene als Beute durch Bienenwolfweibchen spielt. Schließlich zeigte eine detaillierte chemische Analyse des Bienenwolfmännchenpheromons, daß außer dem Auftreten von (Z)-11- Eicosen-1-ol weitere bemerkenswerte Übereinstimmungen zwischen dem Pheromon und der Honigbienenkutikula auftreten. Die meisten der kutikulären Substanzen der Honigbiene finden sich auch in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen. Diese Ergebnisse bestätigen, daß bei der Evolution des Pheromons der Bienenwolfmännchen bereits existierende sensorische Fähigkeiten der Weibchen eine wichtige Rolle spielten und somit die „sensory exploitation“ Hypothese unterstützt wird. Das Sexualpheromon der Bienenwolfmännchen zeigt außerdem eine signifikant größere Ähnlichkeit zwischen Brüdern im Vergleich zu nicht verwandten Individuen. Dies könnte den Bienenwolfweibchen ermöglichen, bei der Paarung gegen Brüder zu diskriminieren und damit einen nachteiligen Effekt der Inzucht bei Nachkommen zu vermeiden. Dieses Ergebnis zeigt zusammen mit den Studien zur möglichen „sensory exploitation“, daß Männchen und Weibchen wahrscheinlich mehr Nutzen als Kosten aus diesem Kommunikationssystem erzielen und deshalb das System insgesamt als kooperativ betrachtet werden kann. Um die reproduktive Arbeitsteilung in eusozialen Kolonien aufrecht zu erhalten, müssen Königinnen ihre Anwesendheit und Fekundität signalisieren. Bei der Ameisenart Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) markieren die Königinnen ihre eigenen Eier mit einem unverwechselbaren kutikulären Kohlenwasserstoffmuster. Zwei unterschiedliche Hypothesen, die diese Form der Kommunikation erklären, wurden formuliert. Eine Hypothese schlägt eine Manipulation von Arbeiterinnen durch die Königin vor. Eine Alternativhypothese geht von einem kooperativen Signal aus, das Informationen über den Zustand der Königin übermittelt. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen stützen eindeutig letztere Hypothese. Chemische Mimikry ist eine Form von nicht-kooperativer Kommunikation, von der ausschließlich der Sender profitiert. Die Goldwespe, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), der wichtigste Brutparasitoid von Philanthus triangulum, entgeht der Entdeckung durch das Bienenwolfweibchen wahrscheinlich durch Imitierung des Geruchs seines Wirtes. Weiterhin wurde die Anpassung der chemischen Signatur des sozialen Ameisenparasiten Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) an seine Leptothorax Wirtsarten untersucht. Obwohl dieser Parasit prinzipiell an das kutikuläre Kohlenwasserstoffprofil seines Wirtes angepaßt ist, gibt es trotzdem ausgeprägt Unterschiede zwischen den Profilen des Parasits und seines Wirtes. Dies könnte durch einen „trade-off“ erklärt werden, dem die Parasiten ausgesetzt sind, wenn sie lokal mit zwei Wirtsarten mit unterschiedlichen kutikulären Kohlenwasserstoffprofilen konfrontiert werden. Nicht-kooperative Kommunikation im Sinne, daß nur der Empfänger profitiert, wurde bei der Ausnutzung der flüchtigen kutikulären Kohlenwasserstoffen der Honigbiene durch seinen Prädator, das Bienenwolfweibchen, gezeigt. Durch die Nutzung von (Z)- 11-Eicosen-1-ol als Kairomon profitiert nur der Empfänger, das Bienenwolfweibchen, wohingegen der Sender, die Honigbiene (Beute), alle Kosten trägt. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zu einem besseren Verständnis der Evolution von kooperativer und nicht-kooperativer Kommunikation mit chemischen Signalen unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Nutzens für Sender und/oder Empfänger bei.
KW  - Hautflügler
KW  - Chemische Kommunikation
KW  - Pheromone
KW  - kutikuläre Kohlenwasserstoffe
KW  - chemische Kommunikation
KW  - Hymenopteren
KW  - pheromones
KW  - cuticular hydrocarbons
KW  - chemical communication
KW  - Hymenoptera
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11267
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dietemann, Vincent
T1  - Differentiation in reproductive potential and chemical communication of reproductive status in workers and queens of the ant Myrmecia gulosa
T1  - Differenzierung des reproduktiven Potentials und chemische Kommunikation des reproduktiven Status von Arbeiterinnen und Königinnen der Ameise Myrmecia gulosa
N2  - Division of reproductive labour in societies represents a topic of interest in evolutionary biology at least since Darwin. The puzzle of how helpers can be selected for, in spite of their reduced fertility has found an explanation in the kin selection theory: workers can overcome the cost of helping and of forgiving direct reproduction by rearing sufficiently related individuals. However, in the Hymenoptera, little is known on the proximate mechanisms that regulate the division of labour in colonies. Our knowledge is based on several "primitive" ants from the subfamily Ponerinae and two highly eusocial Hymenoptera species. In the former, the dominance hierarchies allowing for the establishment of individuals as reproductives are well understood. In contrast, the pheromonal mechanisms that help maintain their reproductive status are not understood. Similarly in "higher" ants, pheromonal regulation mechanisms of worker reproduction by queens remain largely unknown. The aim of this study is to determine the modalities of production, distribution and action, as well as the identity of the queen pheromones affecting worker reproduction in the ant Myrmecia gulosa. This species belongs to the poorly studied subfamily Myrmeciinae, which is endemic to the Australian region. The subfamily represents, together with the Ponerinae, the most "primitive" ants: their morphology is close to that of the hypothetical ancestor of ants, and the specialisation of queens is weaker than that of "higher" ants. Simple regulation mechanisms were therefore expected to facilitate the investigation. The first step in this study was to characterise the morphological specialisation of queens and workers, and to determine the differences in reproductive potential associated with this specialisation. This study contributes to our understanding of the link between regulation of division of reproductive labour and social complexity. Furthermore, it will help shed light on the reproductive biology in the poorly known subfamily Myrmeciinae. Queens were recognised by workers on the basis of cuticular as well as gland extracts or products. What is the exact function of the multiple pheromones identified and how they interact remains to be determined. This could help understand why queen "signal" in a "primitive" ant with weakly specialised queens such as M. gulosa appears to be as complex as in highly eusocial species. Primer pheromones act on workers? physiology and have long-term effect. Whether workers of M. gulosa reproduce or not is determined by the detection of a queen pheromone of this type. Direct physical contact with the queen is necessary for workers to detect this pheromone. Thus, the colony size of M. gulosa is compatible with a simple system of pheromone perception by workers based on direct physical contact with the queen. When prevented from establishing physical contact with their queen, some workers start to reproduce and are policed by nestmates. The low volatility of the cuticular hydrocarbons (CHCs), their repartition over the entire cuticle and the existence of queen and worker specific CHC profiles suggest that these chemicals constitute a queen pheromone. Importance of HC versus non-HC compounds was confirmed by bioassaying purified fraction of both classes of chemicals. This study demonstrates for the first time that purified HCs indeed are at the basis of the recognition of reproductive status. This supports the idea that they are also at the basis of the recognition of queens by their workers. As CHCs profiles of workers and queens become similar with acquisition of reproductive status, they represent honest fertility markers. These markers could be used as signals of the presence of reproductives in the colonies, and represent the basis of the regulation of division of reproductive labour.
N2  - In der Evolutionsbiologie stellt die Arbeitsteilung in Sozietäten spätestens seit Darwin ein Interessensgebiet dar. Die Frage nach der Selektion von Helfern, trotz ihrer reduzierten Fruchtbarkeit, hat eine Erklärung in der Verwandenselektionstheorie gefunden: Arbeiterinnen können die Kosten des Helfens und eingeschränkter direkter Fortpflanzung überwinden, indem sie ausreichend verwandte Individuen aufziehen. Bei den Hymenopteren ist über die proximaten Mechanismen, welche die Arbeitsteilung in den Kolonien regulieren, allerdings nur wenig bekannt. Unser Wissen basiert auf den Ergebnissen von wenigen Untersuchungen an einigen "primitiven" Ameisen der Unterfamilie Ponerinae und zwei hochsozialen Hymenoptera-Arten. Bei "primitiven" Ameisenarten sind die Dominanzhierachien welche die Bildung von fortpflanzungsfähigen Individuen erlauben, gut untersucht. Im Gegensatz dazu sind die chemischen Signale, welche ihren reproduktiven Status aufrechterhalten, noch nicht aufgeklärt. Ebenso sind die pheromonellen Regulationsmechanismen der Arbeiterinnenreproduktion durch die Königin in "höherentwickelten" Ameisenarten weitgehend unbekannt. Das Ziel der Studie an Myrmecia gulosa war die Bestimmung der Modalitäten von Produktion, Verbreitung und Funktion der Königinpheromone, sowie Aufklärung ihrer stofflichen Zusammensetzung. Die untersuchte Art gehört zu den bisher wenig beachteten Myrmeciinae und kommt endemisch in Australien vor. Zusammen mit den Ponerinae weist diese Subfamilie die "primitivsten" Ameisenarten auf. Die Morphologie der Ameisen ist angelehnt an die der hypothetischen Vorfahren und ihre soziale Organisation ist weniger komplex als die "höherentwickelter" Arten. Es wurden daher einfache Mechanismen erwartet, die helfen sollten, die Regulation der reproduktiven Arbeitsteilung bei "primitiven" Ameisen mit einer morphologisch spezialisierten Königin zu verstehen. Der erste Teil der Studie sollte die morphologische Spezialisation der Königinnen und der Arbeiterinnen charakterisieren, bzw. den Unterschied im reproduktiven Potential, welcher mit dieser Spezialisierung verbunden ist, bestimmen. Die Untersuchung trägt zum Verständnis der Verknüpfungen zwischen Regulation der reproduktiven Arbeitsteilung und sozialer Komplexität bei. Überdies wird sie helfen, Licht auf die Fortpflanzungsbiologie der wenig bekannten Subfamilie der Myrmeciinae zu werfen. Königinen werden von den Arbeiterinnen aufgrund ihrer kutikulären sowie ihrer exokrinen Extrakte oder Produkte erkannt. Die exakte Funktion der multiplen Pheromone und wie sie interagieren muß noch untersucht werden. Allerdings könnte dies helfen zu verstehen, warum "Königinsignale" bei einer "primitiven" Ameise wie M. gulosa, mit einer wenig spezialisierten Königin, anscheinend komplexer sind, als in höheren eusozialen Arten. Primer-Pheromone wirken sich auf die Physiologie der Arbeiterinnen aus und haben einen Langzeiteffekt. Ob Arbeiterinnen von M. gulosa reproduzieren oder nicht, hängt von der Erkennung eines Königinpheromons dieser Art ab. Nur nach direktem physischen Kontakt mit ihrer Königin nehmen die Arbeiterinnen dieses Pheromon wahr. Daher paßt die Koloniegröße von M. gulosa zu dem einfachen System der Pheromonwahrnehmung basierend auf direktem physischen Kontakt zur Königin. Wenn physischer Kontakt zur Königin unterbunden wird, beginnen einige Arbeiterinnen mit der Reproduktion werden dann aber von Nestgenossen durch "Policing" davon abgehalten. Die geringe Flüchtigkeit von der Kutikuläre Kohlenwasserstoffe (KKW´s), ihre Verteilung über den ganzen Körper und die Existenz von königin- und arbeiterspezifischen KKW-Profilen deuten auf ihre Funktion als Königinpheromon hin. Um die Bedeutung der Komponenten zu unterstreichen, wurden KW-Fraktionen gegen Nicht-KW-Fraktionen in Biotests untersucht. Diese Studie demonstriert zum ersten Mal, dass die KW Fraktion tatsächlich die Basis zur Erkennung des reproduktiven Status bilden. Das unterstützt auch die Idee, dass sie als Grundlage für die Erkennung der Königin durch die Arbeiterinnen dienen. Die Kohlenwasserstoffprofile von Arbeiterinnen und Königin gleichen sich mit Erwerb des reproduktiven Status aneinander an. Sie könnten somit ein ehrliches Erkennungsmerkmal für Fruchtbarkeit darstellen. Diese Merkmale könnten als ehrliches Signal der Anwesenheit reproduktiver Individuen in der Kolonie benutzt werden und die Basis der Regulation der reproduktiven Arbeitsteilung darstellen.
KW  - Myrmecia gulosa
KW  - Pheromon
KW  - Chemische Kommunikation
KW  - Fortpflanzungsverhalten
KW  - Reproduktives Potential
KW  - chemische Kommunikation
KW  - Arbeiterinnen Fortpflanzung
KW  - Myrmecia gulosa
KW  - Kutikulare Kohlenwasserstoffe
KW  - worker policing
KW  - Reproductive potential
KW  - chemical communication
KW  - worker reproduction
KW  - Myrmecia gulosa
KW  - cuticular hydrocarbons
KW  - worker policing
KW  - gamergate
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2202
ER  -