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  - THES
A1  - Basile, Rebecca
T1  - Thermoregulation and Resource Management in the Honeybee (Apis mellifera)
T1  - Thermoregulation und Ressourcenmanagment bei der Honigbiene (Apis mellifera)
N2  - Ein grundlegender Faktor, der für das Überleben einer Kolonie sozialer Insekten ausschlaggebend ist, liegt in der Fähigkeit Nahrung durch sogenannte „Trophallaxis“ auszutauschen. Diese Fütterungskontakte sorgen für die gleichmäßige Verteilung der Nahrung innerhalb der Kolonie und werden als einer der Grundpfeiler der Sozialität der Staatenbildenden Insekten erachtet. Im Fall der Honigbienen finden diese Kontakte in vollkommener Dunkelheit statt. Damit es in dieser Situation überhaupt zum Nahrungsaustausch kommen kann, sind die Antennen von großer Wichtigkeit. Ein erster Schritt in den Verhaltensweisen, die der Rezipient eines trophallaktischen Kontaktes zeigt, ist der Kontakt einer Antennenspitze mit den Mundwerkzeugen des Donoren, da sich dort die regurgitierte Nahrung befindet. Diese Berührung hat aufgrund der gustatorischen Sensibilität der Antenne den Zweck, das angebotene Futter zu „erschmecken“. Die rechte Antenne wird vom Rezipienten eines trophallaktischen Kontakts signifikant häufiger eingesetzt als die linke Antenne. Die Präferenz für die rechte Antenne bleibt dabei auch erhalten, wenn ein Teil der Antennengeisel abgetrennt wurde, also die sensorischen Fähigkeiten der rechten Antenne stark beeinträchtigt wurden. Der Grund für die Präferenz der rechten Antenne könnte ihrer erhöhten Sensibilität gegenüber Zuckerwasser zugrunde liegen, da die rechte Antenne im Laborversuch signifikant stärker auf Stimulationen mit Zuckerwasser verschiedener Konzentrationen reagierte als die linke. Trophallaktische Kontakte sichern Individuen innerhalb einer Kolonie den Zugang zur lebenswichtigen Nahrung. Im Beispiel der Honigbienen ist ständige Zugriff auf Nahrung besonders wichtig, da es sich um ein heterothermes Tier handelt, das die Fähigkeit besitzt, aktiv seine Körpertemperatur zu regulieren. Obgleich jedes Individuum in der Lage ist, seine Körpertemperatur den eigenen Bedürfnissen anzupassen, ist diese Fähigkeit streng durch den in der Nahrung aufgenommenen Zucker reguliert. Im Gegensatz zu den Säugetieren oder Vögeln, die für eine Erhöhung des Blutzuckerspiegels auch auf Fett- oder Eiweißressourcen zurückgreifen können, ist die Honigbiene auf die Glucose aus der aufgenommenen Nahrung angewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass der Zuckergehalt der aufgenommenen Nahrung positiv mit der Thoraxtemperatur der Bienen korreliert. Dieser Zusammenhang tritt auf, selbst wenn keine Wärmeerzeugung für die Brutpflege oder für das Erwärmen der Wintertraube notwendig ist und die Tiere außerhalb des Stockes ohne eigentliche Notwendigkeit für die Wärmeerzeugung in einem Käfig gehalten werden. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Rezipienten beim Nahrungsaustausch eine signifikant höhere Thoraxtemperatur haben als die Donoren. Außerdem zeigen die Rezipienten nach der Fütterung signifikant häufiger Brutwärmeverhalten als die Donoren. Letztere haben eine signifikant niedrigere Thoraxtemperatur als die Rezipienten und zeigen eine Verhaltenstendenz, häufig zwischen Brutbereich und Honiglager hin- und her zu pendeln. Dabei nehmen sie im Honiglager Honig in ihren Kropf auf und füttern mit dieser Nahrung danach Bienen im Brutbereich. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass es einen wärmegesteuerten Auslösemechanismus gibt, der den Donoren und Rezipienten des trophallaktischen Kontakts dazu verhilft, trotz der Dunkelheit des Stocks praktisch verzögerungsfreie Nahrungsübertragung am Ort des höchsten Energieverbrauchs zu gewährleisten. Das Hervorwürgen von Nahrung angesichts einer Wärmequelle könnte seinen Ursprung in einer Beschwichtigungsgeste haben. Aggressive Tiere zeigen neben sichtbaren aggressiven Verhalten auch durch ihre erhöhte Körpertemperatur, dass sie bereit sind sich auf einen Kampf einzulassen. Die Temperaturerhöhung eines aggressiven Tieres beruht dabei auf der erhöhten Muskelaktivität, die vor allem bei Insekten dazu nötig ist, einen entsprechende Reaktion im Falle eines Kampfes oder der Flucht zeigen zu können. Wird ein Individuum mit Aggression konfrontiert, so bleibt ihm die Wahl sich auf einen Kampf einzulassen, zu flüchten oder durch eine Beschwichtigungsgeste eine Deeskalation der Situation einzuleiten. Besonders häufig wird für diesen Zweck Nahrung regurgitiert und dem dominanteren Tier angeboten, um einem Konflikt aus dem Weg zu gehen. Die Fähigkeit, Arbeiterinnen mit kleinen Portionen konzentrierter Nahrung zu versorgen trägt zu einer ökonomischen Verteilung der Ressourcen bei, die mit den physiologischen Bedürfnissen der Honigbienen konform geht und die ökologischen Erfordernisse des Stockes erfüllt. Das daraus resultierende Managementsystem, welches sparsam mit den Ressourcen haushaltet und auf die individuellen Bedürfnisse jeder einzelnen Biene einzugehen vermag, könnte ein Grund für die Fähigkeit der Honigbienen zur Entwicklung mehrjähriger Kolonien sein, die, anders als Hummeln oder Wespen, auch den Winter in gemäßigten Zonen als Gemeinschaft zu überstehen vermögen.
N2  - Like many other social insect societies, honeybees collectively share the resources they gather by feeding each other. These feeding contacts, known as trophallaxis, are regarded as the fundamental basis for social behavior in honeybees and other social insects for assuring the survival of the individual and the welfare of the group. In honeybees, where most of the trophallactic contacts are formed in the total darkness of the hive, the antennae play a decisive role in initiation and maintenance of the feeding contact, because they are sensitive to gustatory stimuli. The sequences of behaviors performed by the receiver bees at the beginning of a feeding contact includes the contact of one antenna with the mouthparts of a donor bee where the regurgitated food is located. The antennal motor action is characterized by behavioral asymmetry, which is novel among communicative motor actions in invertebrates. This preference of right over left antenna is without exception even after removal of the antennal flagellum. This case of laterality in basic social interaction might have its reason in the gustatory asymmetry in the antennae, because the right antenna turns out to be significantly more sensitive to stimulation with sugar water of various concentrations than the left one. Trophallactic contacts which guarantee a constant access to food for every individual in the hive are vitally important to the honeybee society, because honeybees are heterothermic insects which actively regulate their thoracic temperature. Even though the individual can regulate its body temperature, its heating performance is strictly limited by the amount of sugar ingested. The reason for this is that honeybees use mostly the glucose in their hemolymph as the energy substrate for muscular activity, and the heat producing flight muscles are among the metabolically most active tissues known. The fuel for their activity is honey; processed nectar with a sugar content of ~80% stored in the honeycomb. The results show that the sugar content of the ingested food correlates positively with the thoracic temperature of the honeybees even if they are caged and show no actual heating-related behavior as in brood warming or heating in the centre of the winter cluster. Honeybees actively regulate their brood temperature by heating to keep the temperature between 33 °C to 36 °C if ambient temperatures are lower. Heating rapidly depletes the worker’s internal energy; therefore the heating performance is limited by the honey that is ingested before the heating process. This study focused on the behavior and the thoracic temperature of the participants in trophallactic food exchanges on the brood comb. The brood area is the centre of heating activity in the hive, and therefore the region of highest energy demand. The results show that the recipients in a trophallactic food exchange have a higher thoracic temperature during feeding contacts than donors, and after the feeding contact the former engage in brood heating more often. The donor bees have lower thoracic temperature and shuttle constantly between honey stores and the brood comb, where they transfer the stored honey to heating bees. In addition, the results show a heat-triggered mechanism that enables donor and recipient to accomplish trophallactic contacts without delay in the total darkness of the hive in the brood area as the most energy consuming part of the hive. Providing heat-emitting workers with small doses of high performance fuel contributes to an economic distribution of resources consistent with the physiological conditions of the bees and the ecological requirements of the hive, resulting in a highly economical resource management system which might be one of the factors favouring the evolution of perennial bee colonies in temperate regions. The conclusion of these findings suggests a resource management strategy that has evolved from submissive placation behavior as it is seen in honeybees, bumblebees and other hymenopterans. The heat-triggered feedback mechanism behind the resource management of the honeybee´s thermoregulatory behavior reveals a new aspect of the division of labor and a new aspect of communication, and sheds new light on sociality in honeybees.
KW  - Biene
KW  - Thermoregulation
KW  - Ressourcenmanagement
KW  - Sozialität
KW  - Hautflügler
KW  - Honeybee
KW  - Thermoregulation
KW  - Resource Managment
KW  - Sociality
KW  - Hymenoptera
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39793
ER  -