Thomas Schmitt

• 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,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.…
• 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 ModellorganismenInsekten 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.…