Jürgen Paul

• Ant mandible movements cover a wide range of forces, velocities and precision. The key to the versatility of mandible functions is the mandible closer muscle. In ants, this muscle is generally composed of distinct muscle fiber types that differ in morphology and contractile properties. Volume proportions of the fiber types are species-specific and correlate with feeding habits. Two biomechanical models explain how the attachment angles are optimized with respect to force and velocity output and how filament-attached fibers help to generate theAnt mandible movements cover a wide range of forces, velocities and precision. The key to the versatility of mandible functions is the mandible closer muscle. In ants, this muscle is generally composed of distinct muscle fiber types that differ in morphology and contractile properties. Volume proportions of the fiber types are species-specific and correlate with feeding habits. Two biomechanical models explain how the attachment angles are optimized with respect to force and velocity output and how filament-attached fibers help to generate the largest force output from the available head capsule volume. In general, the entire mandible closer muscle is controlled by 10-12 motor neurons, some of which exclusively supply specific muscle fiber groups. Simultaneous recordings of muscle activity and mandible movement reveal that fast movements require rapid contractions of fast muscle fibers. Slow and accurate movements result from the activation of slow muscle fibers. Forceful movements are generated by simultaneous co-activation of all muscle fiber types. For fine control, distinct fiber bundles can be activated independently of each other. Retrograde tracing shows that most dendritic arborizations of the different sets of motor neurons share the same neuropil in the suboesophageal ganglion. In addition, some motor neurons invade specific parts of the neuropil. The labiomaxillary complex of ants is essential for food intake. I investigated the anatomical design of the labiomaxillary complex in various ant species focusing on movement mechanisms. The protraction of the glossa is a non muscular movement. Upon relaxation of the glossa retractor muscles, the glossa protracts elastically. I compared the design of the labiomaxillary complex of ants with that of the honey bee, and suggest an elastic mechanism for glossa protraction in honey bees as well. Ants employ two different techniques for liquid food intake, in which the glossa works either as a passive duct (sucking), or as an up- and downwards moving shovel (licking). For collecting fluids at ad libitum food sources, workers of a given species always use only one of both techniques. The species-specific feeding technique depends on the existence of a well developed crop and on the resulting mode of transporting the fluid food. In order to evaluate the performance of collecting liquids during foraging, I measured fluid intake rates of four ant species adapted to different ecological niches. Fluid intake rate depends on sugar concentration and the associated fluid viscosity, on the species-specific feeding technique, and on the extent of specialization on collecting liquid food. Furthermore, I compared the four ant species in terms of glossa surface characteristics and relative volumes of the muscles that control licking and sucking. Both probably reflect adaptations to the species-specific ecological niche and determine the physiological performance of liquid feeding. Despite species-specific differences, single components of the whole system are closely adjusted to each other according to a general rule.…
• Ameisenmandibeln führen eine Vielzahl verschiedener Bewegungen bezüglich Kraft, Geschwindigkeit und Präzision aus. Der Schlüssel zu dieser Vielfalt ist der Mandibelschließmuskel. In Ameisen besteht dieser Muskel aus verschiedenen Muskelfasertypen, die sich sowohl morphologisch als auch anhand ihrer kontraktilen Eigenschaften unterscheiden. Die Anteile der Fasertypen am Gesamtvolumen des Mandibelschließers sind artspezifisch und korrelieren mit der für die Art typischen Lebensweise. Zwei biomechanische Modelle erklären, wie die AngriffswinkelAmeisenmandibeln führen eine Vielzahl verschiedener Bewegungen bezüglich Kraft, Geschwindigkeit und Präzision aus. Der Schlüssel zu dieser Vielfalt ist der Mandibelschließmuskel. In Ameisen besteht dieser Muskel aus verschiedenen Muskelfasertypen, die sich sowohl morphologisch als auch anhand ihrer kontraktilen Eigenschaften unterscheiden. Die Anteile der Fasertypen am Gesamtvolumen des Mandibelschließers sind artspezifisch und korrelieren mit der für die Art typischen Lebensweise. Zwei biomechanische Modelle erklären, wie die Angriffswinkel der Muskelfasern am Apodem im Hinblick auf Kraft und Geschwindigkeit optimiert werden und wie Filamentfasern dazu beitragen, aus dem vorhandenen Kopfkapselvolumen die größtmögliche Kraft zu entwickeln. Der gesamte Mandibelschließmuskel wird von 10-12 Motoneuronen gesteuert, wovon manche ausschließlich bestimmte Muskelfasergruppen innervieren. Gleichzeitige Aufnahmen von Muskelaktivität und Mandibelbewegung ergeben, daß schnelle Bewegungen rasche Kontraktionen schneller Muskelfasern bedürfen. Langsame und präzise Bewegungen resultieren aus der Aktivierung langsamer Muskelfasern. Kraftvolle Bewegungen werden durch gleichzeitige Aktivierung aller Muskelfasertypen erzeugt. Für die Feinabstimmung können unterschiedliche Muskelfaserbündel unabhängig voneinander aktiviert werden. Retrograde Färbungsexperimente zeigen, daß die meisten dendritischen Verästelungen der verschiedenen Motoneuronen im gleichen Neuropil im Unterschlundganglion verlaufen. Darüberhinaus dringen einige Motoneuronen in jeweils spezifische Bereiche des Neuropils ein. Der Labiomaxillar-Komplex ist für die Nahrungsaufnahme der Ameisen essentiell. Ich untersuchte den Bauplan und die Bewegungsmechanismen des Labiomaxillar-Komplexes bei verschiedenen Ameisenarten. Das Herausklappen der Glossa beruht auf einer nicht durch Muskelkontraktion hervorgerufenen Bewegung. Bei Relaxation der Glossa-Rückziehmuskeln klappt die Glossa infolge elastischer Eigenschaften aus. Ein Vergleich des Bauplans des Labiomaxillar-Komplexes von Ameisen mit dem der Honigbiene legt nahe, daß die Glossa der Honigbiene ebenfalls mittels Elastizität in die exponierte Position gebracht wird. Um flüssige Nahrung aufzunehmen, nutzen Ameisen ihre Glossa entweder als passiven Kanal (Saugen) oder als eine sich auf- und abwärts bewegende Schaufel (Lecken). Während des Sammelns von Flüssigkeiten an ad libitum Futterquellen bedienen sich Arbeiterinnen einer Art stets nur einer von beiden Aufnahmetechniken. Die jeweils artspezifische Nahrungsaufnahmetechnik hängt von dem Vorhandensein eines gut ausgeprägten Kropfes sowie der daraus resultierenden Weise des Nahrungstransportes ab. Um die Leistung der Aufnahme flüssiger Nahrung zu beurteilen, bestimmte ich die Aufnahmeraten vier verschiedener Ameisenarten, die an unterschiedliche ökologische Nischen angepaßt sind. Die Aufnahmerate hängt von der Zuckerkonzentration und der damit verbundenen Viskosität ab, außerdem von der artspezifischen Aufnahmetechnik und dem Grad der Anpassung an das Sammeln flüssiger Nahrung. Darüberhinaus verglich ich die vier Ameisenarten bezüglich der Charakteristika der Glossaoberfläche sowie der relativen Volumina der am Lecken und Saugen beteiligten Muskeln. Beide spiegeln wahrscheinlich Anpassungen an die artspezifische ökologische Nische wieder und bestimmen die physiologischen Leistungen der Aufnahme flüssiger Nahrung. Trotz artspezifischer Unterschiede sind die einzelnen Komponenten des Systems entsprechend einer allgemeineren Regel fein aufeinander abgestimmt.…