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Ranging from dwarfs to giants, the species of honeybees show remarkable differences in body size that have placed evolutionary constrains on the size of sensory organs and the brain. Colonies comprise three adult phenotypes, drones and two female castes, the reproductive queen and sterile workers. The phenotypes differ with respect to tasks and thus selection pressures which additionally constrain the shape of sensory systems. In a first step to explore the variability and interaction between species size-limitations and sex and caste-specific selection pressures in sensory and neural structures in honeybees, we compared eye size, ommatidia number and distribution of facet lens diameters in drones, queens and workers of five species (Apis andreniformis, A. florea, A. dorsata, A. mellifera, A. cerana). In these species, male and female eyes show a consistent sex-specific organization with respect to eye size and regional specialization of facet diameters. Drones possess distinctly enlarged eyes with large dorsal facets. Aside from these general patterns, we found signs of unique adaptations in eyes of A. florea and A. dorsata drones. In both species, drone eyes are disproportionately enlarged. In A. dorsata the increased eye size results from enlarged facets, a likely adaptation to crepuscular mating flights. In contrast, the relative enlargement of A. florea drone eyes results from an increase in ommatidia number, suggesting strong selection for high spatial resolution. Comparison of eye morphology and published mating flight times indicates a correlation between overall light sensitivity and species-specific mating flight times. The correlation suggests an important role of ambient light intensities in the regulation of species-specific mating flight times and the evolution of the visual system. Our study further deepens insights into visual adaptations within the genus Apis and opens up future perspectives for research to better understand the timing mechanisms and sensory physiology of mating related signals.

Mimicking female insects to attract male pollinators is an important strategy in sexually deceptive orchids of the genus Ophrys, and some species possess flowers with conspicuous labellum patterns. The function of the variation of the patterns remains unresolved, with suggestions that these enhance pollinator communication. We investigated the possible function of the labellum pattern in Ophrys heldreichii, an orchid species in which the conspicuous and complex labellum pattern contrasts with a dark background. The orchid is pollinated exclusively by males of the solitary bee, Eucera berlandi. Comparisons of labellum patterns revealed that patterns within inflorescences are more similar than those of other conspecific plants. Field observations showed that the males approach at a great speed and directly land on flowers, but after an unsuccessful copulation attempt, bees hover close and visually scan the labellum pattern for up to a minute. Learning experiments conducted with honeybees as an accessible model of bee vision demonstrated that labellum patterns of different plants can be reliably learnt; in contrast, patterns of flowers from the same inflorescence could not be discriminated. These results support the hypothesis that variable labellum patterns in O. heldreichii are involved in flower-pollinator communication which would likely help these plants to avoid geitonogamy.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden offene Fragen zur Objektwahl, zur Objektbeibehaltung und zur Aufgabe von Zielobjekten bei laufenden Taufliegen (Drosophila melanogaster) untersucht. Die Erkenntnisse zur Objektwahl wurden als kybernetisches Modell formuliert, auf einem eigens dafür konstruierten, autonom navigierenden Roboter mit Kameraauge implementiert und dessen Verhalten bei verschiedenen Landmarkenkonstellationen quantitativ mit dem Orientierungsverhalten laufender Fliegen verglichen. Es war bekannt, dass Drosophila in einer Wahlsituation zwischen unterschiedlich weit entfernten Objekten eine ausgeprägte Präferenz für nahe Objekte zeigt, wobei die Entfernung über das Ausmaß der retinalen Bildverschiebung auf dem Auge (Parallaxe) erfasst wird. In der vorliegenden Arbeit wurde analysiert, ob die Parallaxe streng aus der Eigenbewegung der Fliege resultieren muss oder ob Eigenbewegung der Objekte Nähe vortäuschen und deren Attraktivität erhöhen kann. Es wurde gezeigt, dass die Präferenz für ein Objekt bei Drosophila umso größer wird, je mehr Bewegung dessen Abbild auf der Retina erzeugt; die relative Verschiebung des Objektabbildes muss dabei nicht mit der Eigenbewegung der Fliege gekoppelt sein. Überraschenderweise verschwand die Präferenz für nahe Objekte, wenn eine zusammenstehende Gruppe aus einer nahen und mehreren fernen Objekten präsentiert wurden, solange sie zusammen einen Sehwinkel von weniger als etwa 90° einnahmen. Diese Beobachtung ist konform mit einer Vorstellung, wonach Bewegung über größere Augenbereiche integriert und nicht einzelnen Objekten zugeordnet wird. Obwohl Drosophila bei gleichem Präsentationsort auf der Retina die größere parallaktische Bewegung bevorzugte, wurden bei gleicher Entfernung dennoch frontalere gegenüber lateraleren Objekten bevorzugt. Es wird postuliert, dass der frontale und der caudale Sehbereich eine Verstärkung erfahren, die die physikalisch bedingt geringere Parallaxe überkompensiert. Laufende Fliegen reagieren verzögert auf die Präsentation eines Objekts; dies wird im Sinne einer zeitlichen Bewegungsintegration interpretiert. Die darauf folgende Richtungsänderung hängt vom Präsentationswinkel des Objektes ab. Erscheint das Objekt frontolateral, findet eine Hinwendung statt, erscheint es caudolateral, kommt es bevorzugt zur Abwendung. Eine weitere wichtige kognitive Leistung der Fliege ist das Aufgeben eines zuvor ausgewählten Ziels, wenn sich dieses Ziel während des Anlaufs als unerreichbar herausstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass Fliegen mit stark reduzierten Pilzkörpern erheblich mehr Zeit benötigen als wildtypische Fliegen, um vom gewählten Zielobjekt abzulassen. Dieser dem Perseveranzverhalten bei Parkinson-kranken Menschen ähnliche Phänotyp wurde unabhängig von der Methode der Ausschaltung der Pilzkörper gefunden. Die Dauer der Perseveranz nahm mit zunehmender Attraktivität des Zielobjekts, d. h. mit abnehmender Distanz, zu. Es wird vorgeschlagen, dass die Pilzkörper für die Evaluierung von eingehender sensorischer Information oder für Entscheidungsfindungen im Allgemeinen benötig werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Minimalmodell für die visuelle Orientierung nach Landmarken entwickelt. Das Modell beinhaltet eine zeitliche Integration des optischen Flusses in einem frontolateralen und einem caudolateralen Kompartiment pro Auge. Je nachdem, in welchem Kompartiment eine festgesetzte Schwelle zuerst erreicht wird, kommt es entweder zu einer Hin- (frontolateral) oder zu einer Abwendungsreaktion (caudolateral). Eine Gewichtungsfunktion kompensiert die geringe parallaktische Verschiebung in diesen Sehregionen. Das Modell wurde in einem mobilen Roboter mit Kameraauge implementiert und mit dem visuellen Orientierungsverhalten der Fliege quantitativ verglichen. Der Roboter war in der Lage, viele Aspekte der Landmarkenwahl von laufenden Fliegen erfolgreich zu reproduzieren und fliegenähnliches, autonomes Orientierungsverhalten unter verschiedenen Landmarkenkonfigurationen zu zeigen.