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Thesis (M.For.Sc./Ph.D.)--University of Western Australia, 2006.

Die Fähigkeit, mit anderen Zellen zu kommunizieren, ist eine grundlegende Eigenschaft aller lebenden Zellen und essentiell für die normale Funktionsweise vielzelliger Organismen. Die Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina bilden ein ausgezeichnetes physiologisches Modellsystem um zelluläre Signaltransduktionsprozesse an einem intakten Organ zu untersuchen. Die Speichelsekretion wird dabei hormonell durch das biogene Amin Serotonin (5-Hydroxytryptamin; 5-HT) reguliert. 5-HT aktiviert in den sekretorischen Zellen der Drüsen über die Bindung an mindestens zwei membranständige G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) zwei separate Signalwege, den IP3/Ca2+- und den cAMP-Signalweg. Zur Identifizierung und Charakterisierung der 5-HT-Rezeptoren in den Speicheldrüsen von Calliphora wurden unter Anwendung verschiedener Klonierungsstrategien zwei cDNAs (Cv5-ht2α und Cv5-ht7) isoliert, die große Ähnlichkeit zu 5-HT2- und 5-HT7-Rezeptoren aus Säugetieren aufweisen. Die Hydropathieprofile der abgeleiteten Aminosäuresequenzen postulieren die für GPCRs charakteristische heptahelikale Architektur. Alle Aminosäuremotive, die für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G-Proteine essentiell sind, liegen konserviert vor. Interessanterweise wurde für den Cv5-HT7-Rezeptor eine zusätzliche hydrophobe Domäne im N Terminus vorhergesagt. Die Cv5-HT2α-mRNA liegt in zwei alternativ gespleißten Varianten vor. Mittels RT-PCR-Experimenten konnte die Expression beider Rezeptoren in Gehirn und Speicheldrüsen adulter Fliegen nachgewiesen werden. Ein Antiserum gegen den Cv5-HT7 Rezeptor markiert in den Speicheldrüsen die basolaterale Plasmamembran. Die Expression der Rezeptoren in einem heterologen System (HEK 293-Zellen) bestätigte diese als funktionelle 5-HT Rezeptoren. So führte die Stimulation mit Serotonin für den Cv5-HT2α zu einer dosis-abhängigen Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration ([Ca2+]i, EC50 = 24 nM). In Cv5-HT7-exprimierenden Zellen löste 5-HT dosisabhängig (EC50 = 4,1 nM) einen Anstieg der intrazellulären cAMP Konzentration ([cAMP]i) aus. Für beide heterolog exprimierten Rezeptoren wurden pharmakologische Profile erstellt. Liganden, die eine Rezeptorsubtyp-spezifische Wirkung vermuten ließen, wurden daraufhin auf ihre Wirkung auf das transepitheliale Potential (TEP) intakter Speicheldrüsenpräparate getestet. Drei 5-HT-Rezeptoragonisten: AS 19, R-(+)-Lisurid und 5-Carboxamidotryptamin führten zu einer cAMP-abhängigen Positivierung des TEP durch eine selektive Aktivierung der 5 HT7-Rezeptoren. Eine selektive Aktivierung des Ca2+-Signalweges durch den Cv5-HT2 Rezeptor ist mit Hilfe von 5-Methoxytryptamin möglich. Dagegen konnte Clozapin im TEP als selektiver Cv5-HT7-Rezeptorantagonist bestätigt werden. Die Kombination eines molekularen Ansatzes mit physiologischen Messungen ermöglichte somit die Identifikation selektiver Liganden für 5-HT2- bzw. 5-HT7-Rezeptoren aus Calliphora vicina. Dies ermöglicht zukünftig eine separate Aktivierung der 5-HT-gesteuerten Signalwege und erleichtert dadurch die weitere Erforschung der intrazellulären Signalwege und ihrer Wechselwirkungen. / Cellular communication is a fundamental property of living cells and essential for normal functioning of multicellular organisms. The salivary glands of the blowfly Calliphora vicina are a well established physiological model system to study cellular signaling in an intact organ. Fluid secretion in this gland is hormonally regulated by the biogenic amine serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT). In the secretory cells, 5-HT causes a parallel activation of the InsP3/Ca2+- and the cAMP-signaling pathways through binding and stimulation of at least two G protein coupled receptors (GPCR). In order to characterize the respective 5-HT receptors on the secretory cells, we have cloned two cDNAs (Cv5-ht2α, Cv5-ht7) that share high similarity with mammalian 5-HT2 and 5-HT7 receptor classes. Analysis of the deduced amino acid sequences postulates the typical heptahelical architecture of GPCRs for both receptors. Sequence motifs that are essential for ligand binding, receptor activation and coupling to G-proteins are well conserved. Interestingly, a computer-based structural analysis of Cv5-HT7 predicts an additional eighth hydrophobic region in the N-terminus of the receptor. We also found an alternative splice variant of the Cv5-HT2α mRNA. Using RT-PCR experiments, transcripts of both receptor mRNAs could be detected in brain and salivary gland tissue. An antiserum raised against the Cv5 HT7 receptor stained the basolateral region of the salivary glands. Heterologous receptor expression in HEK 293 cells leads to a dose-dependent increase in the intracellular Ca2+-concentration ([Ca2+]i) for Cv5-HT2α (EC50 = 24 nM) and cAMP-concentration for Cv5-HT7 (EC50 = 4,1 nM) upon application of 5-HT. A pharmacological profile was established for both receptors. Ligands that appeared to act as specific ligands of either Cv5-HT2α or Cv5-HT7 in this approach, were then tested for their effect on the transepithelial potential (TEP) of intact blowfly salivary gland preparations. Three 5-HT receptor agonists: AS 19, R-(+)-lisuride and 5-carboxamidotryptamine showed a cAMP dependent positivation of the TEP, caused by a selective activation of the Cv5-HT7 receptor. 5-methoxytryptamine exclusively activates the Ca2+ pathway via Cv5-HT2α. Clozapine antagonizes the effects of 5-HT in blowfly salivary glands and was confirmed as a Cv5-HT7 antagonist. The combination of a molecular approach with physiological measurements enabled us to identify selective ligands for 5-HT2 and 5-HT7 receptors of Calliphora vicina. These results facilitate a selective activation of the intracellular signaling pathways activated by 5-HT and will facilitate future research on different aspects of intracellular signaling and crosstalk mechanisms.

Die Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina produzieren bei Stimulierung mit dem Neurohormon Serotonin (5-Hydroxytryptamine, 5-HT) einen KCl-reichen Primärspeichel. Der transepitheliale K+-Transport wird durch eine apikal lokalisierte vakuoläre H+-ATPase (V-ATPase) energetisiert. Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT aktiviert die apikale V-ATPase, die Protonen aus der Zelle in das Drüsenlumen transportiert. Trotz des auswärts gerichteten Protonentransportes führt die 5-HT-Stimulierung kurioserweise zu einer intrazellulären Ansäuerung. Die Ursachen dieser 5-HT-induzierten Ansäuerung waren unzureichend untersucht. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit die Identifikation aller Transporter, die an der intrazellulären pH-(pHi)-Regulation in unstimulierten Speicheldrüsen von Calliphora vicina beteiligt sind und an der Entstehung und Regulation der 5-HT-induzierten pHi-Änderungen mitwirken. Von besonderem Interesse war hierbei die funktionelle Mitwirkung der V-ATPase, deren Beteiligung an der pHi-Regulation in tierischen Zellen bisher wenig untersucht war. Wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit waren: • Messungen des pHi-Wertes in der unstimulierten Drüse zeigten, dass vor allem die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter an der Aufrechterhaltung des Ruhe-pHi beteiligt sind. • Zur Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung (NH4Cl-Vorpuls) tragen ebenfalls im Wesentlichen die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter bei. Der Na+/H+-Antiporter hat in der unstimulierten Drüse keinen messbaren Einfluss auf den Ruhe-pHi. • Die Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Alkalisierung (Na-acetat-Vorpuls) ist Cl--abhängig, aber auch unter extremen Bedingungen waren die Zellen noch in der Lage sich vollständig von einer intrazellullären Alkalisierung zu erholen. Einen entscheidenden Anteil daran hat offenbar die hohe intrazelluläre Puerkapazität. • Ein Na+-abhängiger Glutamat-Transporter ist per se kein pHi-regulierender Transporter, seine Aktivität hat jedoch Einfluss auf den Ruhe-pHi in der unstimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina. • 10 nM 5-HT induzieren in den Calliphora Speicheldrüsen eine intrazelluläre Ansäuerung. An dieser Ansäuerung ist der Na+/H+-Antiporter entscheidend beteiligt. Auch eine klare Cl--Abhängigkeit der 5-HT-induzierten Ansäuerung konnte beobachtet werden. Wahrscheinlich ist eine gekoppelte Aktivität von Na+/H+-Antiporter und Cl-/HCO3--Antiporter. • Messungen mit einem O2-empndlichen Fluoreszenzfarbstoff zeigten, dass Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT die Zellatmung aktivierte. Der cAMP- und der IP3/Ca2+-Weg tragen auf komplexe Weise zu der 5-HT-induzierten Aktivierung der Zellatmung und damit auch zu den 5-HT-induzierten pHi-Änderungen bei. • Mit molekularbiologischen Untersuchungen ist es gelungen den Na+-abhängigen Glutamat-Transporter, den Na+/H+-Antiporter, die Carboanhydrase und die Untereinheit C der V-ATPase in den Calliphora Speicheldrüsen direkt nachzuweisen. Zudem konnte erstmals der direkte Nachweis für die Expression eines nH+/K+-Antiporters in den Speicheldrüsen von Calliphora vicina erbracht werden. Diese Arbeit trug ganz wesentlich zum Verständnis der pHi-Regulation in der unstimulierten und stimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina bei. Mechanismen die zur Aufrechterhaltung und Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung bzw. Alkalisierung beitragen, konnten mit pHi-Messungen und auch molekularbiologisch nachgewiesen werden. Die Mechanismen, welche die 5-HT-induzierte intrazelluläre Ansäuerung verursachen, konnten ebenfalls aufgeklärt werden. Zudem wurde an den Calliphora Speicheldrüsen eine neue optische Methode zur Messung des O2-Verbrauchs in tierischen Geweben etabliert. / The tubular salivary glands of the blowfly Calliphora vicina consist of a single layer of epithelial cells. Stimulation with the neurohormone serotonin (5-hydroxytryptamine,5-HT) induces the secretion of a KCl-rich primary saliva. Transepithelial K+-transport is energized by a vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) which is located in the apical membrane. 5-HT stimulates the apical V-ATPase which transports protons out of the cells into the lumen of the glands. Despite this outward directed proton transport, 5-HT stimulation leads to an intracellular acidication. The causes of this intracellular acidication were poorly understood. Therefore the aim of this thesis was the identication of all pHi regulating transporters which are involved in pHi regulation in the unstimulated salivary glands of Calliphora vicina and which contribute to the 5-HT-induced pHi changes. Of special interest was the functional role of the V-ATPase,whose contribution to pHi regulation in animal cells is, as yet, not well studied. Key results were: • pHi measurements in unstimulated glands showed that mainly the V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are involved in maintenance of resting pHi. • V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are also necessary for the recovery from an intracellular acidication (NH4Cl prepulse). • Recovery from an intracellular alkali load (Na-acetate prepulse) is partially Cl--dependent. • A Na+ dependent gluatamate-transporter is present in Calliphora salivary glands and its activity aects the resting pHi. • 10 nM 5-HT induce an intracellular acidication. This acidication is Na+-dependent, EIPA-sensitive and also Cl--dependent. No DIDS-sensitivity was observed. A coupled activity of a Na+/H+-antiporter and a Cl-/HCO3- -antiporter was suggested. • Using O2-sensitive fluorescent microbeads I could show that 5-HT stimulation of the Calliphora salivary glands activates cellular respiration. The cAMP and Ca2+-signalling pathways contribute in a complex manner to the 5-HT-induced activation of cellular respiration and consequently, also to the 5-HT-induced intracellular acidication. • The expression of a Na+ dependent glutamate-transporter, a Na+/H+-antiporter, a carbonic anhydrase, subunit C of the V-ATPase and a nH+/K+-antiporter were determined on mRNA level by RT-PCR. This thesis contributes signicantly to the understanding of pHi regulation in unstimulated and stimulated salivary glands of Calliphora vicina. Mechanisms which contribute to the maintenance and recovery of resting pHi were identied by using pHi measurements and molecular biological techniques. Mechanisms which are responsible for the 5-HT-induced intracellular acidication were also clarified. Furthermore a new optical method for measuring O2 consumption in animals cells was established by using the Calliphora salivary glands as a model.

[Truncated abstract] A common application of forensic entomology is the estimation of post-mortem interval (PMI). This is most frequently estimated from the age of calliphorid specimens collected from a corpse, and in many cases it is the immature stages that are encountered. A critical step in the estimation of PMI is the accurate identification of insects to species level, with misidentification potentially resulting in the application of unsuitable developmental data and therefore inaccuracy in the resulting estimate. Identification has long been attempted on a morphological basis, but complicated by the lack of larval keys to the Calliphoridae, limited diagnostic features in immature stages and the poor preservation of specimens. Standard practice in forensic entomology is the rearing of immatures collected from the corpse through to the more distinctive adult stages, however this process is time-consuming and may be hindered where specimens die during rearing. Furthermore, many cases are presented for forensic entomologist as an afterthought and specimens are already preserved. Consequently, a new approach to the identification of calliphorids is sought which will overcome the problems of the morphological and rearing methods. ... The culmination of this study is the consideration of applications of molecular data to forensic entomology. A sequence-specific priming (SSP) technique is presented for the identification of the forensically significant calliphorids of Australia and New Zealand, along with a new method for the extraction and storage of calliphorid DNA samples using Whatman FTA cards. These techniques will potentially improve the efficiency and accuracy of identification in the estimation of PMI using calliphorids. The use of calliphorid DNA is not limited to PMI estimation, but may also be applied to museum studies. DNA was extracted from pupal casings from 300 year old mummified corpses, however difficulty was encountered in amplifying the DNA reproducibly. This illustrates however, the wide-ranging implications of the calliphorid sequence data gathered in this study. This thesis makes a significant contribution to the consideration of the status of some global calliphorid species. The new technique presented for identification of Australian and New Zealand species is the culmination of an important body of data that will ultimately contribute to the strong foundation of forensic entomology and our future accuracy, efficiency and utility as a routine investigative tool.

Micro Air Vehicles (MAVs) are defined as a class of vehicles with their larger dimension not exceeding 15 cm and weighing 100 gm. The three main approaches for providing lift for such vehicles are through fixed, rotating and flapping wings. The flapping wing MAVs are more efficient in the low Reynolds-number regime than conventional wings and rotors. Natural flapping flyers, such as birds and insects, serve as a natural source of inspiration for the development of MAV. Flapping wing design is one of the major challenges to develop an MAV because it is not only responsible for the lift, but also propulsion and maneuvers. Two important issues are addressed in this thesis: (1) an equivalent beam-type modeling of actual insect wing is proposed based on the experimental data and (2) development of the numerical framework for design and analysis of insect scale smart flapping wing. The experimental data is used for structural modeling of the blowfly Calliphora wing as a stepped cantilever beam with nine spanwise sections of varying mass per unit lengths, flexural rigidity (EI) and torsional rigidity (GJ) values. Natural frequencies, both in bending and torsion, are obtained by solving the homogeneous part of the respective governing differential equations using the finite element method. It is found that natural frequency in bending and torsion are 3.17 and 1.57 times higher than flapping frequency of Calliphora wing, respectively. The results provide guidelines for the biomimetic structural design of insect-scale flapping wings. In addition to the structural modeling of the insect wing, development of the biomimetic mechanisms played a very important role to achieve a deeper insight of the flapping flight. Current biomimetic flapping wing mechanisms are either dynamically scaled or rely on pneumatic and motor-driven flapping actuators. Unfortunately, these mechanisms become bulky and flap at very low frequency. Moreover, mechanisms designed with conventional actuators lead to high weight and system-complexity which makes it difficult to mimic the complex wingbeat kinematics of the natural flyers. The usage of the actuator made of smart materials such as ionic polymer metal composites (IPMCs) and piezoceramics to design flapping wings is a potential alternative. IPMCs are a relatively new type of smart material that belongs to the family of Electroactive Polymers (EAP) which is also known as “artificial muscles”. In this work, structural modeling and aerodynamic analysis of a dragonfly inspired IPMC flapping wing are performed using numerical simulations. An optimization study is performed to obtain improved flapping actuation of the IPMC wing. Later, a comparative study of the performances of three IPMC flapping wings having the same size as the actual wings of three different dragonfly species Aeshna Multicolor, Anax Parthenope Julius and Sympetrum Frequens is conducted. It is found that the IPMC wing generates sufficient lift to support its own weight and carry a small payload. In addition to the IPMC, piezoelectric materials are also considered to design a dragonfly inspired flapping wing because they have several attractive features such as high bandwidth, high output force, compact size and high power density. The wings of birds and insects move through a large angle which may be obtained using piezofan through large deflection. Piezofan which is one of the simple motion amplifying mechanisms couples a piezoelectric unimorph to an attached flexible wing and is competent to produce large deflection especially at resonance. Non-linear dynamic model for the piezoelectrically actuated flapping wing is done using energy method. It is shown that flapping angle variations of the smart flapping wing are similar to the actual dragonfly wing for a specific feasible voltage. Subsequently, a comparative study of the performances of three piezoelectrically actuated flapping wings is performed. Numerical results show that the flapping wing based on geometry of dragonfly Sympetrum Frequens wing is suitable for low speed flight and it represents a potential candidate for use in insect scale micro air vehicles. In this study, single crystal piezoceramic is also considered for the flapping wing design because they are the potential new generation materials and have attracted considerable attention due to superior electromechanical properties. It is found that the use of single crystal piezoceramic can lead to considerable amount of wing weight reduction and increase of aerodynamic forces compared to conventional piezoelectric materials such as PZT-5H. It can also be noted that natural fliers flap their wings in a vertical plane with a change in the pitch of the wings during a flapping cycle. In order to capture this particular feature of the wingbeat kinematics, coupled flapping-twisting non-linear dynamic modeling of piezoelectrically actuated flapping wing is done using energy method. Excitation by the piezoelectric harmonic force generates only the flap bending motion, which in turn, induces the elastic twist motion due to interaction between flexural and torsional vibrations modes. It is found that the value of average lift reaches to its maximum when the smart flapping wing is excited at a frequency closer to the natural frequency in torsion. Moreover, consideration of the elastic twisting of flapping wing leads to an increase in the lift force.

This study investigated commensal feeding interactions between the European harvestman (P. opilio L.) and the predatory mites Balaustium spp. and Anystis baccarum L. It also investigated the feeding behaviour of P. opilio. Experiments were conducted in the laboratory using standardised temperature, humidity, photoperiod and experimental arenas, with eggs of the brown blowfly (Calliphora stygia F.) as prey facsimiles. Due to initial difficulties in obtaining enough predatory mites, mite feeding was manually simulated piercing blowfly eggs with a minuten pin. P. opilio consumed significantly more freeze-killed than live blowfly eggs, indicating that freezing induced chemical and/or physical changes to blowfly eggs that are detected by P. opilio. Significantly more manually pierced eggs were consumed by P. opilio compared with unpierced ones, demonstrating that piercing caused a chemical and/or physical to the egg and increased the feeding rates of P. opilio. Different densities of eggs had no effect on the numbers eaten by P. opilio and placing single pierced eggs next to groups of unpierced eggs also had no effect on the numbers of unpierced eggs eaten. These results suggest that P. opilio does not exhibit klinokinesis or orthokinesis to intensify its search for prey around the area where previous prey were located. P. opilio ate significantly more brown blowfly eggs that had previously been fed on by mites, demonstrating that a short term commensal interaction existed. However, further work is required to demonstrate if the relationship is commensal in the longer term. A comparison between hand-pierced and mite-pierced eggs showed that P. opilio ate significantly more of the former indicating that mite and hand piercing were quantitatively different. The potential for, and importance of, other commensal or mutual relationships between predators in agroecosystems is discussed. The lack of klinokinesis and orthokinesis in P. opilio is compared with other predators and parasitoids that do exhibit these behaviours. The means by which prey are detected by P. opilio are discussed in relation to interpreting behaviours such as prey inspection. Concerns about the effect of pre-treatment and handling of sentinel prey and the problems of using prey facsimiles are raised.

This study investigated commensal feeding interactions between the European harvestman (P. opilio L.) and the predatory mites Balaustium spp. and Anystis baccarum L. It also investigated the feeding behaviour of P. opilio. Experiments were conducted in the laboratory using standardised temperature, humidity, photoperiod and experimental arenas, with eggs of the brown blowfly (Calliphora stygia F.) as prey facsimiles. Due to initial difficulties in obtaining enough predatory mites, mite feeding was manually simulated piercing blowfly eggs with a minuten pin. P. opilio consumed significantly more freeze-killed than live blowfly eggs, indicating that freezing induced chemical and/or physical changes to blowfly eggs that are detected by P. opilio. Significantly more manually pierced eggs were consumed by P. opilio compared with unpierced ones, demonstrating that piercing caused a chemical and/or physical to the egg and increased the feeding rates of P. opilio. Different densities of eggs had no effect on the numbers eaten by P. opilio and placing single pierced eggs next to groups of unpierced eggs also had no effect on the numbers of unpierced eggs eaten. These results suggest that P. opilio does not exhibit klinokinesis or orthokinesis to intensify its search for prey around the area where previous prey were located. P. opilio ate significantly more brown blowfly eggs that had previously been fed on by mites, demonstrating that a short term commensal interaction existed. However, further work is required to demonstrate if the relationship is commensal in the longer term. A comparison between hand-pierced and mite-pierced eggs showed that P. opilio ate significantly more of the former indicating that mite and hand piercing were quantitatively different. The potential for, and importance of, other commensal or mutual relationships between predators in agroecosystems is discussed. The lack of klinokinesis and orthokinesis in P. opilio is compared with other predators and parasitoids that do exhibit these behaviours. The means by which prey are detected by P. opilio are discussed in relation to interpreting behaviours such as prey inspection. Concerns about the effect of pre-treatment and handling of sentinel prey and the problems of using prey facsimiles are raised.

Le succès des espèces invasives dépend de l'adéquation entre leurs traits d'histoire de vie et les caractéristiques environnementales (biotiques et abiotiques) de leurs nouveaux habitats. Le succès invasif d'une espèce peut donc reposer sur sa pré-adaptation, être déclenché par la levée de certaines pressions sélectives, les perturbations, ou encore la réponse rapide de l'organisme aux nouvelles contraintes sélectives. La plasticité phénotypique et les processus évolutifs sont ainsi des paramètres essentiels dans les invasions biologiques, en faisant des situations privilégiées pour observer les processus écologiques et évolutifs en temps réel. Nous nous sommes intéressés aux réponses morphologiques et écophysiologiques exprimées dans le temps et l'espace au cours de l'invasion des Îles Kerguelen (archipel subantarctique) par le carabique prédateur Merizodus soledadinus et la mouche saprophage Calliphora vicina, dont les stratégies de vie sont contrastées. Nous montrons la différenciation morphométrique de populations de M. soledadinus en fonction de leur temps de résidence, ainsi que les changements rapides de la morphologie de l'aile de C. vicina dans ces îles où l'inaptitude au vol est la règle. Une attention particulière est accordée au rôle de la plasticité phénotypique de M. soledadinus dans la colonisation de nouveaux habitats (plasticité physiologique à la salinité) et dans son maintien durable malgré l'impact qu'il exerce sur la disponibilité des proies (plasticité trophique). Ces ajustements à plus ou moins long terme sont des éléments déterminants du succès invasif de ces deux insectes à mesure qu'ils progressent et rencontrent de nouveaux régimes de sélection.

Die Geruchswahrnehmung von Insekten ist an die spezifischen Anforderungen der Ökosysteme angepasst, in denen sie leben. Von Insekten wahrgenommene Volatile können Informationen über den Ort eines geeigneten Ovipositionsplatzes oder den physiologischen Zustand einer Wirtspflanze geben. Da der Geruchssinn der Insekten sich seit Millionen von Jahren an die Wahrnehmung bestimmter Volatile angepasst hat, können die wahrgenommenen Volatile als Markerstoffe angesehen werden, die zuverlässig einen Ökosystemzustand angeben können. Die Identifikation dieser Markerzustände und die Evaluation ihrer Nützlichkeit für spurenanalytische Anwendungen ist das Ziel dieser Arbeit. Es wurden drei Themen ausgewählt um die Verwendungsmöglichkeit des Insektengeruchssinns für Sensoranwendungen zu überprüfen: Fleischfrische, Todeszeitbestimmung (post mortem Intervall, PMI) und frühzeitige Feuererkennung. Spurenanalytik (GC-MS), Elektrophysiologie (EAG, GC-MS/EAD), Verhaltensversuche und Feldtests wurden angewandt, um die chemoökologische Interaktion der Schmeißfliege Calliphora vicina und der „Feuerkäfer“ Melanophila cuspidata, Merimna atrata and Acanthocnemus nigricans mit ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Die Resultate aus diesen Methoden erlaubten die Selektion von Volatilen, die drei Kriteria erfüllen: hohe Quantität, zuverlässige Emission und die ausschliessliche Emission von der untersuchten und keiner anderen Quelle. Diese drei Auswahlkriterien wurden aufgestellt um zu gewährleisten, dass die ausgewählten Markervolatile nicht nur zuverlässig mit dem physiologischen Status der Substrate (Alter von verderbendem Fleisch, PMI, Temperatur von erhitzten Spänen) korrelieren, sondern auch den Ansprüchen technischen Sensorsysteme genügen. Im Falle des alternden Fleisches unter warmen und trockenen Bedingungen ist Nonanal ein Zeiger für die korrekte Reifung des Fleisches zu Schinken. Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol zeigen das Verderben des Fleisches unter warmen und feuchten Bedingungen an. Bei niedrigen Temperaturen sind zunehmende 2,3 Butandiol Emission und abnehmende Nonanal Emission ein Zeiger für zunehmendes Verderben des Fleisches, sowohl unter trockenen als auch feuchten Bedingungen. Allerdings wurde 2,3 Butandiol nicht von C. vicina wahrgenommen, da die Fliege während der Vegetationszeit aktiv ist und unter diesen Bedingungen Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol emittiert werden. Nonanal, Hexanal, Dimethyl Disulfid, Dimethyl Trisulfid, Butan-1-ol und Phenol wurden als nützliche Volatile zur Eingrenzung der Leichenliegezeit ausgewählt. Die genannten Aldehyde sind typisch für die frühen Stadien der Verwesung, gefolgt von Butan-1-ol und den Schwefelsulfiden. Phenol wird hauptsächlich in den späteren Verwesungsstadien emittiert. Allerdings werden Phenol und 1-Butanol nicht von der Fliege wahrgenommen, da diese ein Generalist ist und nicht zwischen dem geblähten und aktivem Stadium der Verwesung unterscheiden muss. Daher wird zusätzlich die Geruchswahrnehmung des Speckkäfers Dermestes maculans betrachtet. Die Untersuchung anderer necrophager Insekten können weitere Einblicke in die Zeitabhängigkeit der Volatilemissionen während der Vertebratenverwesung geben. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse erlauben eine Korrelation zwischen Emissionen und Leichenliegezeit und können eine Grundlage für eine volatilenbasierte post mortem Zeitbestimmung für Polizeikräfte sein. Terpene, aliphatische Aldehyde, Furfural und Methoxyphenole werden von erhitztem Holz emittiert. Komponenten aus all diesen Stoffklassen werden von M. cuspidata und M. atrata wahrgenommen, da diese Käfer den Erhitzungszustand von Baumstämmen nach einem Feuer erkennen können, um einen geeigneten Ovipositionsplatz zu finden. A. nigricans nimmt vor allem Methoxyphenole wahr, wohingegen M. atrata und M. acuminata Furfural zur Orientierung verwenden. Diese Unterschiede komplementieren das bekannte Verhalten dieser Käfer in ihrer natürlichen Umgebung, da A. nigricans auf verkohlten Stämmen, die große Mengen von Methoxyphenolen emittieren, seine Eier ablegt, und M. atrata und M. cuspidata auf Stämmen ihre Eier ablegen, die vom Feuer zwar äußerlich verkohlt, aber innerlich nur erhitzt wurden und daher Furfural emittieren. Halbleitergassensoren, die Furfural mit einer ausreichenden Selektivität vermessen können, können Holzbrände schon während ansteigender Temperatur und damit vor der Entzündung detektieren. Derartige Sensoren können sowohl als neuartige Frühwarnsysteme für die holzverarbeitende Industrie als auch für Waldbrandwarnsysteme oder den Haushalt dienen.