Design und Implementierung eines RFID basierten Systems für soziale Insekten (Hummeln, Bienen) / Design and implementation of a rfid based system for identifying social insects (honeybees, bumblebees)

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg.

I. Timing is a crucial feature in organisms that live within a variable and changing environment. Complex mechanisms to measure time are wide-spread and were shown to exist in many taxa. These mechanisms are expected to provide fitness benefits by enabling organisms to anticipate environmental changes and adapt accordingly. However, very few studies have addressed the adaptive value of proper timing. The objective of this PhD-project was to investigate mechanisms and fitness consequences of timing decisions concerning colony phenology and foraging activity in the honey bee (Apis mellifera), a social insect species with a high degree of social organization and one of the most important pollinators of wild plants and crops. In chapter II, a study is presented that aimed to identify the consequences of disrupted synchrony between colony phenology and the local environment by manipulating the timing of brood onset after hibernation. In a follow-up experiment, the importance of environmental factors for the timing of brood onset was investigated to assess the potential of climate change to disrupt synchronization of colony phenology (Chapter III). Chapter IV aimed to prove for the first time that honey bees can use interval time-place learning to improve foraging activity in a variable environment. Chapter V investigates the fitness benefits of information exchange between nest mates via waggle dance communication about a resource environment that is heterogeneous in space and time. II. In the study presented in chapter II, the importance of the timing of brood onset after hibernation as critical point in honey bee colony phenology in temperate zones was investigated. Honey bee colonies were overwintered at two climatically different sites. By translocating colonies from each site to the other in late winter, timing of brood onset was manipulated and consequently colony phenology was desynchronized with the local environment. Delaying colony phenology in respect to the local environment decreased the capability of colonies to exploit the abundant spring bloom. Early brood onset, on the other hand, increased the loads of the brood parasite Varroa destructor later in the season with negative impact on colony worker population size. This indicates a timing related trade-off and illustrates the importance of investigating effects of climate change on complex multi-trophic systems. It can be concluded that timing of brood onset in honey bees is an important fitness relevant step for colony phenology that is highly sensitive to climatic conditions in late winter. Further, phenology shifts and mismatches driven by climate change can have severe fitness consequences. III. In chapter III, I assess the importance of the environmental factors ambient temperature and photoperiod as well as elapsed time on the timing of brood onset. Twenty-four hibernating honey bee colonies were placed into environmental chambers and allocated to different combinations of two temperature regimes and three different light regimes. Brood onset was identified non-invasively by tracking comb temperature within the winter cluster. The experiment revealed that ambient temperature plays a major role in the timing of brood onset, but the response of honey bee colonies to temperature increases is modified by photoperiod. Further, the data indicate the involvement of an internal clock. I conclude that the timing of brood onset is complex but probably highly susceptible to climate change and especially spells of warm weather in winter. IV. In chapter IV, it was examined if honey bees are capable of interval time-place learning and if this ability improves foraging efficiency in a dynamic resource environment. In a field experiment with artificial feeders, foragers were able to learn time intervals and use this ability to anticipate time periods during which feeders were active. Further, interval time-place learning enabled foragers to increase nectar uptake rates. It was concluded that interval time-place learning can help honey bee foragers to adapt to the complex and variable temporal patterns of floral resource environments. V. The study presented in chapter V identified the importance of the honey bee waggle dance communication for the spatiotemporal coordination of honey bee foraging activity in resource environments that can vary from day to day. Consequences of disrupting the instructional component of honey bee dance communication were investigated in eight temperate zone landscapes with different levels of spatiotemporal complexity. While nectar uptake of colonies was not affected, waggle dance communication significantly benefitted pollen harvest irrespective of landscape complexity. I suggest that this is explained by the fact that honey bees prefer to forage pollen in semi-natural habitats, which provide diverse resource species but are sparse and presumably hard to find in intensively managed agricultural landscapes. I conclude that waggle dance communication helps to ensure a sufficient and diverse pollen diet which is crucial for honey bee colony health. VI. In my PhD-project, I could show that honey bee colonies are able to adapt their activities to a seasonally and daily changing environment, which affects resource uptake, colony development, colony health and ultimately colony fitness. Ongoing global change, however, puts timing in honey bee colonies at risk. Climate change has the potential to cause mismatches with the local resource environment. Intensivation of agricultural management with decreased resource diversity and short resource peaks in spring followed by distinctive gaps increases the probability of mismatches. Even the highly efficient foraging system of honey bees might not ensure a sufficiently diverse and healthy diet in such an environment. The global introduction of the parasitic mite V. destructor and the increased exposure to pesticides in intensively managed landscapes further degrades honey bee colony health. This might lead to reduced cognitive capabilities in workers and impact the communication and social organization in colonies, thereby undermining the ability of honey bee colonies to adapt to their environment. / I. Zeitliche Koordination ist äußerst wichtig für Organismen, die in einer variablen und sich wandelnden Umwelt leben. Komplexe Mechanismen, die das Messen von Zeit ermöglichen, sind weit verbreitet und wurden bei vielen Taxa aufgezeigt. Es wird generell angenommen, dass diese Mechanismen Fitnessvorteile verschaffen, indem sie es Organismen ermöglichen, Umweltveränderungen vorherzusehen und sich entsprechen anzupassen. Allerdings gibt es bisher nur sehr wenige Studien zum adaptiven Wert einer guten zeitlichen Koordination. Ziel dieses Dissertations-Projekts war es, Mechanismen der zeitlichen Koordination bei Honigbienen (Apis mellifera) zu erforschen und deren Bedeutung für die Fitness des Honigbienenvolks zu identifizieren. In Kapitel II präsentiere ich meine Studie über die Konsequenzen eines falsch gewählten Zeitpunkts für den Brutbeginn am Ende des Winters und der daraus folgenden gestörten Synchronisation zwischen der Phänologie von Honigbienenvölkern und der lokalen Umwelt. In einem Folgeexperiment wurde die Bedeutung von Umweltfaktoren für das Timing des Brutbeginns untersucht (Kapitel III). Die Studie in Kapitel IV zielt darauf ab, erstmalig den Beweis zu erbringen, dass Honigbienen das „Intervall time-place learning“, d.h. die Fähigkeit, Zeitintervalle zwischen Ereignissen zu lernen und mit deren räumlichen Lage zu assoziieren, beherrschen und, dass diese Fähigkeit beim Sammeln von Ressourcen vorteilhaft ist. Kapitel V untersucht die Fitnessvorteile, die aus dem Austausch von Informationen über ein raumzeitlich heterogenes Ressourcenumfeld zwischen Stockgenossinnen mit Hilfe des Schwänzeltanzes gezogen werden. II. In der Studie, die in Kapitel II präsentiert wird, wurde die Bedeutung des Brutbeginns als entscheidender Punkt für die Phänologie von Honigbienenvölkern in den gemäßigten Breiten untersucht. Honigbienenvölker wurden an zwei klimatisch unterschiedlichen Standorten überwintert. Indem ein Teil der Völker im Spätwinter zwischen den Standorten ausgetauscht wurde, wurde deren Brutbeginn manipuliert und dadurch die Phänologie bezüglich der lokalen Umwelt desynchronisiert. Das verzögern der Phänologie der Völker verminderte deren Fähigkeit die üppige Frühjahrsblüte zu nutzen. Ein früher Brutbeginn andererseits erhöhte die Belastung der Völker durch den Brutparasiten Varroa destructor im Verlauf der Saison, was sich negativ auf die Menge der Arbeiterinnen im Volk auswirkte. Es gibt also entscheidende gegensätzlich wirkende Faktoren, die den optimalen Zeitpunkt des Brutbeginns bestimmen. Die Studie zeigt zudem warum es wichtig ist, die möglichen Folgen des Klimawandels in einem multitrophischen System zu betrachten statt sich auf einfache Interaktionen zu beschränken. Man kann allgemein folgern, dass das Timing des Brutbeginns einen bedeutenden fitnessrelevanten Schritt in der Phänologie von Honigbienenvölkern darstellt, der stark von klimatischen Bedingungen im Spätwinter beeinflusst wird. Verschiebungen und Fehlanpassungen des Brutbeginns, und damit der Phänologie, durch den Klimawandel können ernsthafte negative Konsequenzen für die Fitness von Honigbienenvölkern haben. III. In Kapitel III beleuchte ich die Bedeutung der Umweltfaktoren Umgebungstemperatur und Photoperiode sowie der verstrichenen Zeit auf das Timing des Brutbeginns. Vierundzwanzig überwinternde Honigbienenvölker wurden in Klimakammern untergebracht und auf sechs unterschiedliche Kombinationen von Temperatur- und Lichtregimes verteilt. Der Brutbeginn wurde nicht-invasiv über den Temperaturverlauf auf der Wabe innerhalb der Wintertraube festgestellt. Das Experiment hat gezeigt, dass die Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle beim Timing des Brutbeginns spielt. Allerdings wurde die Reaktion der Völker auf einen Temperaturanstieg vom jeweils vorherrschenden Lichtregime beeinflusst. Zudem deuten die Daten auf die Beteiligung einer inneren Uhr hin. Ich folgere, dass das Timing des Brutbeginns durch ein komplexes System geregelt wird, das wahrscheinlich anfällig für Einflüsse durch den Klimawandel und insbesondere durch Warmwetterphasen im Winter ist. IV. In Kapitel IV meiner Dissertation wird eine Studie präsentiert, die untersucht ob Bienen die Befähigung zum „Intervall time-place learning“ besitzen und ob diese Fähigkeit die Sammeleffizienz in einem dynamischen Ressourcenumfeld verbessert. In einer Feldstudie mit künstlichen Futterquellen zeigten Sammelbienen, dass sie in der Lage waren, Zeitintervalle zu lernen und das Wissen zu nutzen, um die Zeiten vorherzusehen zu denen die Futterquellen aktiv waren. Dieses Lernverhalten ermöglichte es den Sammelbienen, ihre Nektaraufnahmerate zu steigern. Es wurde gefolgert, dass „Intervall time-place learning“ Sammelbienen dabei helfen kann, sich in einem Blühressourcenumfeld mit komplexen und variablen Zeitmustern zurechtzufinden. V. Diese Studie, die in Kapitel V präsentiert wird, untersuchte die Bedeutung der Schwänzeltanzkommunikation der Honigbienen für die raumzeitliche Koordination der Sammelaktivität des Volkes innerhalb eines Ressourcenumfelds, das täglich variieren kann. Die Folgen der Störung der instruktiven Komponenten des Schwänzeltanzes wurden in acht unterschiedlich komplex strukturierten Landschaften innerhalb der gemäßigten Breiten ermessen. Während kein Einfluss auf den Nektarsammelerfolg festgestellt werden konnte, wurde jedoch gezeigt, dass der Pollensammelerfolg, unabhängig von der raumzeitlichen Komplexität der Landschaft, stark von der Schwänzeltanzkommunikation profitiert. Der Grund dafür liegt vermutlich darin, dass Honigbienen vorzugsweise Pollen in halbnatürlichen Habitaten sammeln, die eine hohe Ressourcenvielfalt bieten, aber in intensiv agrarwirtschaftlich genutzten Landschaften eher selten und relativ schwer zu finden sind. Die Studie lässt schließen, dass die Schwänzeltanzkommunikation dabei hilft, eine ausreichende und diverse Pollenernährung zu gewährleisten und damit eine große Rolle für die Gesundheit von Honigbienenvölkern spielt. VI. Ich konnte in meinem Dissertationsprojekt zeigen, dass Honigbienen in der Lage sind ihre Aktivitäten an eine sich jahreszeitlich und täglich verändernde Umwelt anzupassen. Eine gute zeitliche Koordination hat Einfluss auf Sammelerfolg, Volksentwicklung, Gesundheit und letztlich auf die Fitness des Volkes. Allerdings gefährdet der voranschreitende globale Wandel die zeitliche Koordination der Honigbienenvölker. Der Klimawandel hat das Potenzial, zeitliche Anpassungen an die lokale Umwelt zu stören. Die Intensivierung der Landwirtschaft und der damit einhergehende Verlust von Pflanzenvielfalt sowie die kurzen Zeiträume von extrem hohem Ressourcenangebot, gefolgt von einer ausgeprägten Blühlücke, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass zeitlich Fehlanpassungen auftreten. In einer derartigen Umwelt könnte selbst das höchst effiziente Ressourcensammelsystem der Honigbienen nicht mehr genügen, um eine ausreichende, vielfältige und gesunde Ernährung zu gewährleisten. Die globale Verbreitung der parasitischen Varroamilbe durch den Menschen und die erhöhte Belastung durch Pestizide verschlechtert zusätzlich den Gesundheitszustand der Honigbienen. Das wiederum kann sich negativ auf das Lernvermögen und des Weiteren auf die Kommunikation und soziale Organisation der Völker auswirken und dadurch deren Fähigkeit, sich an eine veränderliche Umwelt anzupassen unterwandern.

Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis wurden zu Modellsystemen bei der Erforschung der Navigationsmechanismen der Insekten. Ein altersabhängiger Polyethismus trennt deren Kolonien in Innendienst-Arbeiterinnen und kurzlebige lichtausgesetzte Fourageure. Nachdem die Ameisen in strukturlosem oder strukturiertem Gelände bis zu mehrere hundert Meter weite Distanzen zurückgelegt haben, können sie präzise zu ihrer oft unauffälligen Nestöffnung zurückzukehren. Um diese enorme Navigationsleistung zu vollbringen, bedienen sich die Ameisen der sogenannten Pfadintegration, welche die Informationen aus einem Polarisationskompass und einem Entfernungsmesser verrechnet; des Weiteren orientieren sie sich an Landmarken und nutzen olfaktorische Signale. Im Fokus dieser Arbeit steht C. fortis, welche in Salzpfannen des westlichen Nordafrikas endemisch ist - einem Gebiet, welches vollständig von anderen Cataglyphis Arten gemieden wird. Die Tatsache, dass Cataglyphis eine hohe Verhaltensflexibilität aufweist, welche mit sich drastisch ändernden sensorischen Anforderungen verbunden ist, macht diese Ameisen zu besonders interessanten Studienobjekten bei der Erforschung synaptischer Plastizität visueller und olfaktorischer Gehirnzentren. Diese Arbeit fokussiert auf plastische Änderungen in den Pilzkörpern (PK) - sensorischen Integrationszentren, die mutmaßlich an Lern- und Erinnerungsprozessen, und auch vermutlich am Prozess des Landmarkenlernens beteiligt sind - und auf plastische Änderungen in den synaptischen Komplexen des Lateralen Akzessorischen Lobus (LAL) – einer bekannten Relaisstation in der Polarisations-Leitungsbahn. Um die strukturelle synaptische Plastizität der PK in C. fortis zu quantifizieren, wurden mithilfe immunozytochemischer Färbungen die prä- und postsynaptischen Profile klar ausgeprägter synaptischer Komplexe (Mikroglomeruli, MG) der visuellen Region (Kragen) und der olfaktorischen Region (Lippe) der PK-Kelche visualisiert. Die Ergebnisse legen dar, dass eine Volumenzunahme der PK-Kelche während des Übergangs von Innendiensttieren zu Fourageuren von einer Abnahme der MG-Anzahl im Kragen und, mit einem geringeren Anteil, in der Lippe - dieser Effekt wird als Pruning bezeichnet - und einem gleichzeitigen Auswachsen an Dendriten PK-intrinsischer Kenyonzellen begleitet wird. Im Dunkeln gehaltene Tiere unterschiedlichen Alters zeigen nach Lichtaussetzung den gleichen Effekt und im Dunkel gehaltene, den Fourageuren altersmäßig angepasste Tiere weisen eine vergleichbare MG-Anzahl im Kragen auf wie Innendiensttiere. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die immense strukturelle synaptische Plastizität in der Kragenregion der PK-Kelche hauptsächlich durch visuelle Erfahrungen ausgelöst wird und nicht ausschließlich mit Hilfe eines internen Programms abgespielt wird. Ameisen, welche unter Laborbedingungen bis zu einem Jahr alt wurden, zeigen eine vergleichbare Plastizität. Dies deutet darauf hin, dass das System über die ganze Lebensspanne eines Individuums flexibel bleibt. Erfahrene Fourageure wurden in Dunkelheit zurückgeführt, um zu untersuchen, ob die lichtausgelöste synaptische Umstrukturierung reversibel ist, doch ihre PK zeigen nur einige die Zurückführung widerspiegelnde Plastizitätsausprägungen, besonders eine Änderung der präsynaptischen Synapsinexprimierung. Mithilfe immunozytochemischer Färbungen, konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden die prä- und postsynaptischen Strukturen synaptischer Komplexe des LAL in C. fortis analysiert und potentielle strukturelle Änderungen bei Innendiensttieren und Fourageuren quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Komplexe aus postsynaptischen, in einer zentralen Region angeordneten Fortsätzen bestehen, welche umringt sind von einem präsynaptischen kelchartigen Profil. Eingehende und ausgehende Trakte wurden durch Farbstoffinjektionen identifiziert: Projektionsneurone des Anterioren Optischen Tuberkels kontaktieren Neurone, welche in den Zentralkomplex ziehen. Der Verhaltensübergang wird von einer Zunahme an synaptischen Komplexen um ~13% begleitet. Dieser Zuwachs suggeriert eine Art Kalibrierungsprozess in diesen potentiell kräftigen synaptischen Kontakten, welche vermutlich eine schnelle und belastbare Signalübertragung in der Polarisationsbahn liefern. Die Analyse von im Freiland aufgenommener Verhaltenweisen von C. fortis enthüllen, dass die Ameisen, bevor sie mit ihrer Fouragiertätigkeit anfangen, bis zu zwei Tage lang in unmittelbarer Nähe des Nestes Entdeckungsläufe unternehmen, welche Pirouetten ähnliche Drehungen beinhalten. Während dieser Entdeckungsläufe sammeln die Ameisen Lichterfahrung und assoziieren möglicherweise den Nesteingang mit spezifischen Landmarken oder werden anderen visuellen Informationen, wie denen des Polarisationsmusters, ausgesetzt und adaptieren begleitend ihre neuronalen Netzwerke an die bevorstehende Herausforderung. Darüber hinaus könnten die Pirouetten einer Stimulation der an der Polarisationsbahn beteiligten neuronalen Netzwerke dienen. Videoanalysen legen dar, dass Lichtaussetzung nach drei Tagen die Bewegungsaktivität der Ameisen heraufsetzt. Die Tatsache, dass die neuronale Umstrukturierung in visuellen Zentren wie auch die Veränderungen im Verhalten im selben Zeitrahmen ablaufen, deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen struktureller synaptischer Plastizität und dem Verhaltensübergang von der Innendienst- zur Fouragierphase bestehen könnte. Cataglyphis besitzen hervorragende visuelle Navigationsfähigkeiten, doch sie nutzen zudem olfaktorische Signale, um das Nest oder die Futterquelle aufzuspüren. Mithilfe konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden potentielle Anpassungen der primären olfaktorischen Gehirnzentren untersucht, indem die Anzahl, Größe und räumliche Anordnung olfaktorischer Glomeruli im Antennallobus von C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, und C. noda verglichen wurde. Arbeiterinnen aller Cataglyphis-Arten haben eine geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu denen der mehr olfaktorisch-orientierten Formica Arten - einer Gattung nah verwandt mit Cataglyphis - und denen schon bekannter olfaktorisch-orientierter Ameisenarten. C. fortis hat die geringste Anzahl an Glomeruli im Vergleich zu allen anderen Cataglyphis-Arten und besitzt einen vergrößerten Glomerulus, der nahe dem Eingang des Antennennerves lokalisiert ist. C. fortis Männchen besitzen eine signifikant geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu Arbeiterinnen und Königinnen und haben einen hervorstechenden Männchen-spezifischen Makroglomerulus, welcher wahrscheinlich an der Pheromon-Kommunikation beteiligt ist. Die Verhaltensrelevanz des vergrößerten Glomerulus der Arbeiterinnen bleibt schwer fassbar. Die Tatsache, dass C. fortis Mikrohabitate bewohnt, welche von allen anderen Cataglyphis Arten gemieden werden, legt nahe, dass extreme ökologische Bedingungen nicht nur zu Anpassungen der visuellen Fähigkeiten, sondern auch des olfaktorischen Systems geführt haben. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, dass Cataglyphis ein exzellenter Kandidat ist bei der Erforschung neuronaler Mechanismen, welche Navigationsfunktionalitäten zugrundeliegen, und bei der Erforschung neuronaler Plastizität, welche verknüpft ist mit der lebenslangen Flexibilität eines individuellen Verhaltensrepertoires. / Desert ants of the genus Cataglyphis have become model systems for the study of insect navigation. An age-related polyethism subdivides their colonies into interior workers and short-lived light-exposed foragers. While foraging in featureless and cluttered terrain over distances up to several hundred meters, the ants are able to precisely return back to their often inconspicuous nest entrance. They accomplish this enormous navigational performance by using a path integration system - including a polarization compass and an odometer - as their main navigational means in addition to landmark-dependent orientation and olfactory cues. C. fortis, being the focus of the present thesis, is endemic to the salt flats of western North Africa, which are completely avoided by other Cataglyphis species. The fact that Cataglyphis ants undergo a behavioral transition associated with drastically changing sensory demands makes these ants particularly interesting for studying synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers. This thesis focuses on plastic changes in the mushroom bodies (MBs) - sensory integration centers supposed to be involved in learning and memory presumably including landmark learning - and in synaptic complexes belonging to the lateral accessory lobe (LAL) known to be a relay station in the polarization processing pathway. To investigate structural synaptic plasticity in the MBs of C. fortis, synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the visual (collar) and olfactory (lip) input regions of the MB calyx were immunolabeled and their pre- and postsynaptic profiles were quantified. The results show that a volume increase of the MB calyx during behavioral transition is associated with a decrease of MG number - an effect called pruning - in the collar and, less pronounced, in the lip that goes along with dendritic expansion in MB intrinsic Kenyon cells. Light-exposure of dark-reared ants of different age classes revealed similar effects and dark-reared ants age-matched to foragers had MG numbers comparable to those of interior workers. The results indicate that the enormous structural synaptic plasticity of the MB calyx collar is primarily driven by visual experience rather than by an internal program. Ants aged artificially for up to one year expressed a similar plasticity indicating that the system remains flexible over the entire life-span. To investigate whether light-induced synaptic reorganization is reversible, experienced foragers were transferred back to darkness with the result that their MBs exhibit only some reverse-type characteristics, in particular differences in presynaptic synapsin expression. To investigate the structure of large synaptic complexes in the LAL of C. fortis and to detect potential structural changes, pre- and postsynaptic profiles in interior workers and foragers were immunolabeled and quantified by using confocal imaging and 3D-reconstruction. The results show that these complexes consist of postsynaptic processes located in a central region that is surrounded by a cup-like presynaptic profile. Tracer injections identified input and output tracts of the LAL: projection neurons from the anterior optic tubercle build connections with neurons projecting to the central complex. The behavioral transition is associated with an increase by ~13% of synaptic complexes suggesting that the polarization pathway may undergo some sort of calibration process. The structural features of these synaptic contacts indicate that they may serve a fast and reliable signal transmission in the polarization vision pathway. Behavioral analyses of C. fortis in the field revealed that the ants perform exploration runs including pirouette-like turns very close to the nest entrance for a period of up to two days, before they actually start their foraging activity. During these orientation runs the ants gather visual experience and might associate the nest entrance with specific landmarks or get entrained to other visual information like the polarization pattern, and, concomitantly adapt their neuronal circuitries to the upcoming challenges. Moreover, the pirouettes may serve to stimulate and calibrate the neuronal networks involved in the polarization compass pathway. Video recordings and analyses demonstrate that light experience enhanced the ants’ locomotor activity after three days of exposure. The fact that both the light-induced behavioral and neuronal changes in visual brain centers occur in the same time frame suggests that there may be a link between structural synaptic plasticity and the behavioral transition from interior tasks to outdoor foraging. Desert ants of the genus Cataglyphis possess remarkable visual navigation capabilities, but also employ olfactory cues for detecting nest and food sites. Using confocal imaging and 3D-reconstruction, potential adaptations in primary olfactory brain centers were analyzed by comparing the number, size and spatial arrangement of olfactory glomeruli in the antennal lobe of C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, and C. noda. Workers of all Cataglyphis species have smaller numbers of glomeruli compared to those of more olfactory-guided Formica species - a genus closely related to Cataglyphis - and to those previously found in other olfactory-guided ant species. C. fortis has the lowest number of glomeruli compared to all other species, but possesses a conspicuously enlarged glomerulus that is located close to the antennal nerve entrance. Males of C. fortis have a significantly smaller number of glomeruli compared to female workers and queens and a prominent male-specific macroglomerulus likely to be involved in sex pheromone communication. The behavioral significance of the enlarged glomerulus in female workers remains elusive. The fact that C. fortis inhabits microhabitats that are avoided by all other Cataglyphis species suggests that extreme ecological conditions may not only have resulted in adaptations of visual capabilities, but also in specializations of the olfactory system. The present thesis demonstrates that Cataglyphis is an excellent candidate for studying the neuronal mechanisms underlying navigational features and for studying neuronal plasticity associated with the ant’s lifelong flexibility of individual behavioral repertoires.

Desert ants of the genus Cataglyphis (Formicinae) are widely distributed in arid areas of the palearctic ecozone. Their habitats range from relatively cluttered environments in the Mediterranean area to almost landmark free deserts. Due to their sophisticated navigational toolkit, mainly based on the sky-compass, they were studied extensively for the last 4 decades and are an exceptional model organism for navigation. Cataglyphis ants exhibit a temporal polyethism: interior workers stay inside the dark nest and serve as repletes for the first ∼2 weeks of their adult life (interior I). They then switch to nursing and nest maintenance (interior II) until they transition to become day-active outdoor foragers after ∼4 weeks. The latter switch in tasks involves a transition phase of ∼2-3 days during which the ants perform learning and orientation walks. Only after this last phase do the ants start to scavenge for food as foragers. In this present thesis I address two main questions using Cataglyphis desert ants as a model organism: 1. What are the underlying mechanisms of temporal polyethism? 2. What is the neuronal basis of sky-compass based navigation in Cataglyphis ants? Neuropeptides are important regulators of insect physiology and behavior and as such are promising candidates regarding the regulation of temporal polyethism in Cataglyphis ants. Neuropeptides are processed from large precursor proteins and undergo substantial post-translational modifications. Therefore, it is crucial to biochemically identify annotated peptides. As hardly any peptide data are available for ants and no relevant genomic data has been recorded for Cataglyphis, I started out to identify the neuropeptidome of adult Camponotus floridanus (Formicinae) workers (manuscript 1). This resulted in the first neuropeptidome described in an ant species – 39 neuropeptides out of 18 peptide families. Employing a targeted approach, I identified allatostatin A (AstA), allatotropin (AT), short neuropeptide F (sNPF) and tachykinin (TK) using mass spectrometry and immunohistology to investigate the distribution of AstA, AT and TK in the brain (manuscript 2). All three peptides are localized in the central complex, a brain center for sensory integration and high-order control of locomotion behavior. In addition, AstA and TK were also found in visual and olfactory input regions and in the mushroom bodies, the centers for learning and memory formation. Comparing the TK immunostaining in the brain of 1, 7 and 14 days old dark kept animals revealed that the distribution in the central complex changes, most prominently in the 14 day old group. In the Drosophila central complex TK modulates locomotor activity levels. I therefore hypothesize that TK is involved in the internal regulation of the interior I–interior II transition which occurs after ∼2 weeks of age. I designed a behavioral setup to test the effect of neuropeptides on the two traits: ’locomotor activity level’ and ’phototaxis’ (manuscript 3). The test showed that interior I ants are less active than interior II ants, which again are less active than foragers. Furthermore, interior ants are negatively phototactic compared to a higher frequency of positive phototaxis in foragers. Testing the influence of AstA and AT on the ants’ behavior revealed a stage-specific effect: while interior I behavior is not obviously influenced, foragers become positively phototactic and more active after AT injection and less active after AstA injection. I further tested the effect of light exposure on the two behavioral traits of interior workers and show that it rises locomotor activity and results in decreased negative phototaxis in interior ants. However, both interior stages are still more negatively phototactic than foragers and only the activity level of interior II ants is raised to the forager level. These results support the hypothesis that neuropeptides and light influence behavior in a stage-specific manner. The second objective of this thesis was to investigate the neuronal basis of skycompass navigation in Cataglyphis (manuscript 4). Anatomical localization of the sky-compass pathway revealed that its general organization is highly similar to other insect species. I further focused on giant synapses in the lateral complex, the last relay station before sky-compass information enters the central complex. A comparison of their numbers between newly eclosed ants and foragers discloses a rise in synapse numbers from indoor worker to forager, suggesting task-related synaptic plasticity in the sky-compass pathway. Subsequently I compared synapse numbers in light preexposed ants and in dark-kept, aged ants. This experiment showed that light as opposed to age is necessary and sufficient to trigger this rise in synapse number. The number of newly formed synapses further depends on the spectral properties of the light to which the ants were exposed to. Taken together, I described neuropeptides in C. floridanus and C. fortis, and provided first evidence that they influence temporal polyethism in Cataglyphis ants. I further showed that the extent to which neuropeptides and light can influence behavior depends on the animals’ state, suggesting that the system is only responsive under certain circumstances. These results provided first insight into the neuronal regulation of temporal polyethism in Cataglyphis. Furthermore, I characterized the neuronal substrate for sky-compass navigation for the first time in Cataglyphis. The high level of structural synaptic plasticity in this pathway linked to the interior–forager transition might be particularly relevant for the initial calibration of the ants’ compass system. / Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis sind weit verbreitet in ariden Gebieten der paläarktischen Ökozone. Die von ihnen bewohnten Habitate reichen von landmarkenreichen Arealen im Mittelmeerraum, zu beinahe landmarkenfreien Wüstengebieten. Aufgrund ihres hochentwickelten Navigationssystems, welches größtenteils auf dem Himmelskompass basiert, wurden sie in den letzten 4 Jahrzehnten extensiv studiert und sind ein einzigartiges Modellsystem für Navigation. Cataglyphis weisen einen alterskorrelierten Polyethismus auf: Innendienstler dienen als Speichertiere für die ersten ∼2 Wochen ihres adulten Lebens (Interior I). Sie gehen daraufhin zu Brutpflege und Nestbau (Interior II) über bis sie nach ∼4 Wochen zu tagaktiver Furagiertätitkeit außerhalb ihres Nestes wechseln. Dieser letzte Übergang dauert ∼2-3 Tage und wird von den Ameisen genutzt, um Lernund Orientierungsläufe durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich vor allem mit zwei Fragen, die ich mit Hilfe von Cataglyphis als Modellorganismus beantworten möchte: 1. Welches sind die zugrunde liegenden Mechanismen des Alterspolyethismus? 2. Was ist die neuronale Grundlage von Navigation, die auf dem Himmelskompass basiert? Neuropeptide sind bedeutende Regulatoren der Physiologie und des Verhaltens von Insekten und als solche vielversprechende Kandidaten im Hinblick auf die Regulation des Alterspolyethismus in Cataglyphis Ameisen. Neuropeptide werden aus größeren Vorläuferproteinen herausgeschnitten und posttranslational stark modifiziert. Daher ist es wichtig, annotierte Peptide auch biochemisch zu identifizieren. Da für Ameisen kaum Peptiddaten zur Verfügung stehen und es zudem keine relevanten genomischen Daten für Cataglyphis gibt, identifizierte ich zunächst das Neuropeptidom adulter Camponotus floridanus (Formicinae) Arbeiterinnen (Manuskript 1). Daraus resultierte das erste Neuropeptidom, das für eine Ameisenart beschrieben wird—39 Neuropeptide aus 18 Peptidfamilien. In einer weiteren Studie identifizierte ich gezielt die Neuropeptidfamilien Allatostatin A (AstA), Allatotropin (AT), das kurze Neuropeptid F (sNPF) und Tachykinin (TK) mittels Massenspektroskopie und untersuchte die Verteilung von AstA, AT und TK im Gehirn mit Hilfe der Immunhistologie (Manuskript 2). Alle drei Peptide sind im Zentralkomplex lokalisiert, dem Gehirnzentrum welches sensorische Eingänge integriert und in einer übergeordneten Rolle Lokomotorverhalten steuert. AstA und TK sind zudem in den visuellen und olfaktorischen Eingangsregionen, sowie den Pilzkörpern, den Zentren für Lernen und Gedächtnisbildung, zu finden. Ein Vergleich der TK-Immunfärbung im Gehirn von 1, 7 und 14 Tage alten im Dunkeln gehaltenen Tieren zeigt, dass sich die Verteilung im Zentralkomplex verändert— dies ist besonders prominent in der 14 Tage alten Gruppe. In Drosophila moduliert TK im Zentralkomplex Lokomotoraktivität. Basierend darauf stelle ich die Hypothese auf, dass TK in der internen Regulierung des Übergangs von Interior I zu Interior II involviert ist, welchen die Tiere im Alter von ∼2 Wochen durchlaufen. Für eine dritte Studie konstruierte ich ein Verhaltenssetup um den Einfluss von Neuropeptiden und Licht auf die beiden Verhaltensmerkmale ’Lokomotoraktivität’ und ’Phototaxis’ zu testen (Manuskript 3). Der Test zeigte, dass Interior I Ameisen weniger aktiv sind als Interior II Ameisen, welche wiederum weniger aktiv sind als Furageure. Zudem sind Interior Ameisen negativ phototaktisch, verglichen mit einer häufiger zu beobachtenden positiven Phototaxis bei Furageuren. Im Test zeigte sich auch, dass der Einfluss von AstA und AT stadiumsspezifisch ist: während das Verhalten von Interior I Tieren nicht offensichtlich beeinflusst wird, werden Furageure durch die Injektion von AT positiv phototaktisch, sowie aktiver und AstA-Injektion führt zu geminderter Lokomotoraktivität. Darüber hinaus testete ich den Lichteinfluss auf beide Verhaltensmerkmale in den Innendienststadien und zeige, dass er Lokomotoraktivität steigert und in einer geminderten negativen Phototaxis resultiert. Beide Innendienststadien sind jedoch weiterhin negativer phototaktisch als Furageure und nur die Lokomotoraktivtät von Interior II Ameisen wird auf das Niveau von Furageuren angehoben. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass Neuropeptide und Licht stadiumsspezifisch Verhalten beeinflussen. Der zweite Aspekt dieser Thesis war es, die neuronale Grundlage der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis aufzuklären (Manuskript 4). Die neuroanatomische Lokalisation der Himmelskompasssehbahn zeigt, dass die allgemeine Organisation dieser neuronalen Bahn der bei bisher untersuchten anderen Insekten stark ähnelt. Ich habe mich daraufhin auf Riesensynapsen im lateralen Komplex konzentriert, der letzten Verschaltungsstation ehe die Himmelskompassinformation in den Zentralkomplex übertragen wird. Ein Vergleich zwischen der Synapsenzahl in frisch geschlüpfte Ameisen und erfahrenen Furageueren zeigte einen Anstieg der Synapsenzahl von Innendienst zu Furaguer, was aufgabenabhängige synaptische Plastizität in der Himmelskompasssehbahn suggeriert. In einem weiteren Versuch verglich ich die Riesensynapsenzahlen lichtexponierter Tiere und dunkel gehaltener, gealteter Tiere. Dieses Experiment zeigte, dass der Zuwachs an Riesensynapsen durch den Lichteinfluss ausgelöst wird und keinen altersabhängigen Prozess darstellt. Zudem verändert sich die Anzahl der neu gebildeten Riesensynapsen in Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des Lichts, dem die Ameisen ausgesetzt sind. Zusammengefasst beschrieb ich in dieser Thesis Neuropeptide in C. floridanus und Cataglyphis und lieferte erste Evidenz, dass diese den Alterspolyethismus in Cataglyphis beeinflussen. Zudem zeigte ich, dass das Ausmaß in dem Neuropeptide und Lichtexposition Verhalten beeinflussen können, stadiumsspezifisch ist. Dies suggeriert, dass das System nur unter bestimmten Bedingungen auf externe Einflüsse reagiert. Diese Ergebnisse lieferten erste wichtige Einblicke in die neuronale Grundlage von Alterspolyethismus in Cataglyphis. Zudem charakterisierte ich erstmals das neuronale Substrat der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis. Das hohe Maß an synaptischer Plastizität in dieser Sehbahn beim Übergang von Innenzu Außendienst, könnte besondere Relevanz für die initiale Kalibrierung des Kompasssystems haben.

The social organization of insect colonies has long fascinated naturalists. One of the main features of colony organization is division of labor, whereby each member of the colony specializes in a subset of all tasks required for successful group functioning. The most striking aspect of division of labor is its plasticity: workers switch between tasks in response to external challenges and internal perturbations. The mechanisms underlying flexible division of labor are far from being understood. In order to comprehend how the behavior of individuals gives rise to flexible collective behavior, several questions need to be addressed: We need to know how individuals acquire information about their colony's current demand situation; how they then adjust their behavior according; and which mechanisms integrate dozens or thousands of insect into a higher-order unit. With these questions in mind I have examined two examples of collective and flexible behavior in social bees. First, I addressed the question how a honey bee colony controls its pollen collection. Pollen foraging in honey bees is precisely organized and carefully regulated according to the colony's needs. How this is achieved is unclear. I investigated how foragers acquire information about their colony's pollen need and how they then adjust their behavior. A detailed documentation of pollen foragers in the hive under different pollen need conditions revealed that individual foragers modulate their in-hive working tempo according to the actual pollen need of the colony: Pollen foragers slowed down and stayed in the hive longer when pollen need was low and spent less time in the hive between foraging trips when pollen need of their colony was high. The number of cells inspected before foragers unloaded their pollen load did not change and thus presumably did not serve as cue to pollen need. In contrast, the trophallactic experience of pollen foragers changed with pollen need conditions: trophallactic contacts were shorter when pollen need was high and the number and probability of having short trophallactic contacts increased when pollen need increased. Thus, my results have provided support for the hypothesis that trophallactic experience is one of the various information pathways used by pollen foragers to assess their colony's pollen need. The second example of collective behavior I have examined in this thesis is the control of nest climate in bumble bee colonies, a system differing from pollen collection in honey bees in that information about task need (nest climate parameters) is directly available to all workers. I have shown that an increase in CO2 concentration and temperature level elicits a fanning response whereas an increase in relative humidity does not. The fanning response to temperature and CO2 was graded; the number of fanning bees increased with stimulus intensity. Thus, my study has evidenced flexible colony level control of temperature and CO2. Further, I have shown that the proportion of total work force a colony invests into nest ventilation does not change with colony size. However, the dynamic of the colony response changes: larger colonies show a faster response to perturbations of their colony environment than smaller colonies. Thus, my study has revealed a size-dependent change in the flexible colony behavior underlying homeostasis. I have shown that the colony response to perturbations in nest climate is constituted by workers who differ in responsiveness. Following a brief review of current ideas and models of self-organization and response thresholds in insect colonies, I have presented the first detailed investigation of interindividual variability in the responsiveness of all workers involved in a collective behavior. My study has revealed that bumble bee workers evidence consistent responses to certain stimulus levels and differ in their response thresholds. Some consistently respond to low stimulus intensities, others consistently respond to high stimulus intensities. Workers are stimulus specialists rather than task specialists. Further, I have demonstrated that workers of a colony differ in two other parameters of responsiveness: response probability and fanning activity. Response threshold, response probability and fanning activity are independent parameters of individual behavior. Besides demonstrating and quantifying interindividual variability, my study has provided empirical support for the idea of specialization through reinforcement. Response thresholds of fanning bees decreased over successive trials. I have discussed the importance of interindividual variability for specialization and the collective control of nest climate and present a general discussion of self-organization and selection. This study contributes to our understanding of individual behavior and collective structure in social insects. A fascinating picture of social organization is beginning to emerge. In place of centralized systems of communication and information transmission, insect societies frequently employ mechanisms based upon self-organization. Self-organization promises to be an important and unifying principle in physical, chemical and biological systems. / Ein besonderes Merkmal sozialer Insekten ist die Arbeitsteilung. Die Mitglieder einer Kolonie führen jeweils unterschiedliche Arbeiten aus und wechseln, je nach Bedarfslage der Kolonie, flexibel zwischen den verschiedenen Tätigkeiten. Die Mechanismen dieser flexiblen Arbeitsteilung sind bislang weitgehend unverstanden. Wie erfahren einzelne Arbeiterinnen welche Tätigkeiten gerade notwendig sind? Nach welchen Regeln ändern sie ihr Verhalten, wenn sich die Anforderungen an die Kolonie ändern? Wie wird das Verhalten vieler Einzelindividuen so koordiniert, daß die Kolonie als Ganzes sinnvoll auf eine sich verändernde Umwelt reagieren kann? In der vorliegenden Arbeit bin ich diesen Fragen an zwei unterschiedlichen Systemen nachgegangen. Im ersten Kapitel dieser Arbeit untersuchte ich die Regulation des Pollensammelns bei Honigbienen. Pollen ist für Honigbienen eine wichtige Proteinquelle zur Aufzucht der Brut. Sowohl die Menge an Brut als auch die bereits im Stock vorhanden Menge an Pollen beeinflußt die Sammelaktivität. Bislang ist unklar, wie die Sammelbienen Information über den Pollenbedarf ihrer Kolonie erhalten und wie sie ihr Verhalten dementsprechend ändern. Meine Versuche zeigten, daß Pollensammlerinnen ihr Arbeitstempo der aktuellen Bedarfslage anpassen: Ist der Pollenbedarf der Kolonie hoch, verbringen sie wenig Zeit im Stock, ist ausreichend Pollen vorhanden, gehen sie ihrer Sammeltätigkeit langsamer nach. Während ihres Aufenthalts im Stock haben die Sammlerinnen eine Vielzahl trophallaktischer Kontakte mit anderen Bienen. Die Anzahl solcher Kontakte änderte sich mit dem Pollenbedarf der Kolonie: Bei hohem Pollenbedarf sind die trophallaktischen Kontakte kürzer und die Anzahl sehr kurzer Kontakte hoch. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, daß Änderungen in der trophallaktischen Erfahrung eine wichtige Informationsquelle über den aktuellen Pollenbedarf einer Kolonie darstellen. Das zweite Beispiel flexibler Arbeitsteilung, welches ich in dieser Arbeit untersucht habe, ist die Regulation des Nestklimas in Hummelkolonien. Dieses System unterscheidet sich von dem oben dargestellten grundlegend, da Information über Änderungen im Bedarf an Arbeitskraft jedem Koloniemitglied zugänglich ist. Jedes Koloniemitglied im Nest kann direkt erfahren wie sich das Nestklima ändert. Ich konnte zeigen, daß Hummelkolonien auf einen Temperaturanstieg und eine Zunahme der Kohlendioxidkonzentration im Nest mit Ventilationsverhalten reagieren. Einzelne Hummeln fächeln dabei mit ihren Flügeln und sorgen so für Evaporationskühlung bzw. eine verstärkte Belüftung des Nestes. Erhöhte Luftfeuchtigkeit löste diese Reaktion nicht aus. Die Anzahl fächelnder Hummeln war abhängig von den Temperatur/CO2 Werten, die Kolonie reagierte fein abgestimmt auf die aktuellen Bedingungen. Unabhängig von ihrer Größe investierten die untersuchten Kolonien einen bestimmten Anteil ihrer Arbeiterinnen in die Ventilation des Nestes. Große Kolonien unterschieden sich jedoch von kleinen Kolonien in ihrer Antwortgeschwindigkeit: Große Kolonien antworten schneller auf einen Temperatur / CO2 Anstieg als kleine. Die flexible und fein abgestimmte Kolonieantwort auf Veränderungen im Nestklima basiert auf dem Verhalten vieler Einzelindividuen. Im dritten Kapitel dieser Arbeit stellte ich aktuelle Ideen und Hypothesen zu Selbstorganisation und dem Einfluß interindividueller Variabilität auf Kolonieverhalten dar. Regulation des Nestklimas in Hummelkolonien ist ein ideales System um interindividuelle Variabilität und ihre Auswirkungen zu untersuchen. Ich konnte zum ersten Mal Unterschiede im Antwortverhalten aller an einem kollektiven Verhalten beteiligten Koloniemitglieder quantifizieren. Neben Unterschieden in Antwortschwellen, die in der Literatur zwar viel diskutiert, aber noch nie schlüssig nachgewiesen wurden, konnte ich zeigen, daß sich Arbeiterinnen einer Kolonie in zwei weiteren Parametern unterscheiden: Die Wahrscheinlichkeit auf einen Stimulus zu reagieren und die Dauer, mit der die Arbeiterinnen das Verhalten ausführen (Aktivität) ist zwischen Individuen unterschiedlich. Diese drei Parameter (Reaktionsschwelle, Antwortwahrscheinlichkeit und Aktivität) sind vermutlich unabhängige Parameter individuellen Verhaltens. Neben diesen interindividuellen Unterschieden konnte ich nachweisen, daß sich die Antwortschwellen verändern, je häufiger eine Hummel fächelt: Arbeiterinnen reagieren von Mal zu Mal auf niedrigere Stimulusintensitäten. Diese Ergebnisse sind für unser Verständnis von Arbeitsteilung und Spezialisierung bei sozialen Insekten von besonderer Bedeutung. In dieser Arbeit habe ich sowohl das Verhalten individueller Arbeiterinnen als auch die daraus resultierende kollektive Antwort der Kolonie untersucht. Es wird zunehmend deutlicher, daß dem faszinierenden Verhalten sozialer Insekten häufig nicht zentrale Informationsverarbeitung sondern Selbstorganisation zugrunde liegt.