Würzburg, University, Diss., 2001. / Text engl.

Diss. Lund. phil. / Opuscula entomologica. Suppl. 7. -IVc3-

Würzburg, Univ., Diss., 2001. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2001. Computerdatei im Fernzugriff.

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Pollinating insects exhibit a complex behavior while foraging for nectar and pollen. Many studies have focused on ultimate mechanisms of this behavior, however, the sensory-perceptual processes that constrain such behavior have rarely been considered. In the present study I used bumblebees (Bombus terrestris), an important pollinating insect, to investigate possible sensory constraints on foraging behavior. Additionally, I survey inter-individual variation in the sensory capabilities and behavior of bumblebees caused by the pronounced size polymorphism among members of a single colony. In the first chapter I have focused on the sensory-perceptual processes that constrain the search for flowers. I measured search time for artificial flowers of various sizes and colors, a key variable defining the value of a prey type in optimal foraging theory. When flowers were large, search times correlate well with the color contrast of the targets with their green foliage-type background, as predicted by a model of color opponent coding using inputs from the bee's UV, blue, and green receptors. Targets which made poor color contrast with their backdrop, such as white, UV-reflecting ones, or red flowers, take longest to detect, even though brightness contrast with the background is pronounced. When searching for small targets, bumblebees change their strategy in several ways. They fly significantly slower and closer to the ground, so increasing the minimum detectable area subtended by an object on the ground. In addition they use a different neuronal channel for flower detection: instead of color contrast, they now employ only the green receptor signal for detection. I related these findings to temporal and spatial limitations of different neuronal channels involved in stimulus detection and recognition. Bumblebees do not only possess species-specific sensory capacities but they also exhibit inter-individual differences due to size. Therefore, in the next two chapters I have examined size-related effects on the visual and olfactory system of Bombus terrestris. Chapter two deals with the effect of scaling on eye architecture and spatial resolving power of workers. Foraging efficiency in bees is strongly affected by proficiency of detecting flowers. Both floral display size and bee spatial vision limit flower detection. In chapter one I have shown that search times for flowers strongly increases with decreasing floral display size. The second factor, bee spatial vision, is mainly limited by two properties of compound eyes: (a) the interommatidial angle Çå and (b) the ommatidial acceptance angle Çá. When a pollinator strives to increase the resolving power of its eyes, it is forced to increase both features simultaneously. Bumblebees show a large variation in body size. I found that larger workers with larger eyes possess more ommatidia and larger facet diameters. Large workers with twice the size of small workers (thorax width) have about 50 per cent more ommatidia, and a 1.5 fold enlarged facet diameter. In a behavioral test, large and small workers were trained to detect the presence of a colored stimulus in a Y-maze apparatus. The stimulus was associated with a sucrose reward and was presented in one arm, the other arm contained neither stimulus nor reward. The minimum visual angle a bee is able to detect was estimated by testing the bee at different stimuli sizes subtending angles between 30° and 3° on the bee’s eye. Minimum visual detection angles range from 3.4° to 7.0° among tested workers. Larger bumblebees are able to detect objects subtending smaller visual angles, i.e. they are able to detect smaller objects than their small conspecifics. Thus morphological and behavioral findings indicate an improved visual system in larger bees. Beside vision, olfaction is the most important sensory modality while foraging in bees. Bumblebees utilize species-specific odors for detecting and identifying nectar and pollen rich flowers. In chapter three I have investigated the olfactory system of Bombus terrestris and the effect of scaling on antennal olfactory sensilla and the first olfactory neuropil in the bumblebee brain, the antennal lobes. I found that the pronounced size polymorphism exhibited by bumblebees also effects their olfactory system. Sensilla number (I measured the most common olfactory sensilla type, s. placodea), sensilla density, volume of antennal lobe neuropil and volume of single identified glomeruli correlate significantly with worker’s size. The enlarged volume of the first olfactory neuropil in large individuals is caused by an increase in glomeruli volume and coarse neuropil volume. Additionally, beside an overall increase of brain volume with scaling I found that the olfactory neuropil increases disproportionately compared to a higher order neuropil, the central body. The data predict a higher odor sensitivity in larger bumblebee workers. In the last chapter I have addressed the question if scaling alters foraging behavior and rate in freely foraging bumblebees. I observed two freely foraging B. terrestris colonies and measured i) trip number, ii) trip time, iii) proportion of nectar trips, and iv) nectar foraging rate of different sized foragers. In all observation periods large foragers exhibit a significantly higher foraging rate than small foragers. None of the other three foraging parameters is affected by workers’ size. Thus, large foragers contribute disproportionately more to the current nectar influx of their colony. To summarize, this study shows that understanding the mechanisms of visual information processing and additionally comprising inter-individual differences of sensory capabilities is crucial to interpret foraging behavior of bees. / Blüten bestäubende Insekten zeigen während ihrer Suche nach Nektar und Pollen ein komplexes Sammelverhalten. Bisher wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt um die ultimaten Mechanismen dieses Verhaltens aufzuklären; jedoch die diesem Verhalten zugrundeliegenden sensorischen Leistungen und Limitierungen wurden dabei nur selten berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit habe ich das Sammelverhalten von Hummeln (Bombus terrestris) und potentielle, das Verhalten limitierende sensorischen Zwänge untersucht. Zusätzlich konnte ich Unterschiede im sensorischen System individueller Hummeln aufdecken, die durch den ausgeprägten Größenpolymorphismus dieser Tiere verursacht werden. Im ersten Kapitel habe ich die visuellen Prozesse, die die Suche nach Blüten limitieren betrachtet. Hierfür habe ich die Suchzeiten von Hummeln für künstliche Blüten verschiedener Größe und Farbe in einer Flugarena bestimmt. Bei großen Blüten korrelieren die gemessenen Suchzeiten mit dem Farbkontrast zwischen der Blüte und dem blatt-grünen Hintergrund. Bei Blüten mit geringem Farbkontrast benötigen die Tiere am längsten um sie zu detektieren, obwohl die Blüten einen starken Helligkeitskontrast aufweisen. Diese Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen eines Farbseh-Modells überein, das die Information von den UV-, Blau- und Grünrezeptoren der Hummel verrechnet. Bei der Suche nach kleinen Blüten allerdings ändern die Hummeln ihre Strategie. Sie fliegen jetzt signifikant langsamer und näher am Untergrund um dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, die Blüten zu detektieren. Zusätzlich benutzen die Hummeln einen anderen neuronalen Kanal für die Blütenerkennung: anstatt des Farbkontrastes nutzen sie jetzt nur noch die Informationen des Grünrezeptors, d.h. den Kontrast zwischen Blüte und Hintergrund, der durch den Grünrezeptor wahrgenommen wird. Ich konnte zeigen, dass der Wechsel zwischen den beiden neuronalen Kanälen durch zeitliche und räumliche Eigenschaften dieser Kanäle verursacht wird. Die sensorischen Leistungen einer Hummel sind nicht nur durch ihre Artzugehörigkeit festgelegt, sondern weisen beträchtliche Unterschiede zwischen großen und kleinen Tieren auf. In den nächsten zwei Kapiteln habe ich deshalb Größeneffekte auf das visuelle und olfaktorische System von Bombus terrestris untersucht. Im zweiten Kapitel beschäftige ich mich mit den Auswirkungen des Größenpolymorphismus auf die Augenmorphologie und das räumliche Auflösungsvermögen von Hummelarbeiterinnen. Das räumliche Auflösungsvermögen des Hummelauges wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: (a) dem Divergenzwinkel zwischen zwei Ommatidienachsen Çå, und (b) dem Öffnungswinkel eines Ommatidiums Çá. Beide Faktoren sind von der Zahl und dem Durchmesser der vorhandenen Ommatidien in einem Komplexauge beeinflußt. Ich konnte nachweisen, daß sich große und kleine Hummeln stark in der Zahl und dem Durchmesser ihrer Ommatidien unterscheiden. Große Hummeln mit der doppelten Thoraxbreite im Vergleich zu ihren kleinen Nestgenossinnen weisen 50 Prozent mehr Ommatidien und einen 1.5-fachen Linsendurchmesser auf. In einem Verhaltensversuch habe ich den kleinsten Sehwinkel, mit dem ein farbiges Objekt von einer Hummel noch erkannt werden kann bestimmt. Auch hier zeigte sich ein starker Größeneffekt. Um so größer die Hummel ist, um so kleiner ist der Sehwinkel unter dem sie ein Objekt gerade noch wahrnehmen kann. Sowohl morphologische Daten als auch Verhaltensdaten zeigen deutlich, dass größere Hummeln ein besseres visuelles System besitzen. Neben dem Sehen ist der Duft die wichtigste sensorische Modalität, die Hummeln während des Sammelns nutzen. Im nächsten Kapitel habe ich mich daher mit möglichen Größeneffekten auf das olfaktorische System beschäftigt. Ich konnte zeigen, daß die Zahl der wichtigsten olfaktorischen Sensillen auf der Antenne, Sensilla placodea, mit zunehmender Körpergröße ansteigt. Das erste olfaktorische Neuropil im Gehirn, die Antennalloben, skalieren ebenfalls mit der Körpergröße. Die Volumenzunahme des Neuropils ist auf eine Volumenzunahme der einzelnen Glomeruli und der Zahl der Interneurone zurückzuführen. Außerdem konnte ich nachweisen, daß das Volumen des olfaktorische Neuropils im Vergleich zu zentralen Hirnregionen überproportional zunimmt. Die Ergebnisse lassen eine höhere Sensitivität des olfaktorischen Systems bei großen Hummeln erwarten. Im letzten Kapitel habe ich mögliche Auswirkung der Körpergröße auf das Sammelverhalten von Hummeln unter natürlichen Bedingungen untersucht. Ein überlegenes visuelles und olfaktorisches System bei größeren Hummeln läßt eine bessere Blütenerkennung, und damit auch eine höhere Sammeleffizienz vermuten. Hierfür habe ich Nektarsammelraten von verschieden großen Tieren im Freiland bestimmt. Größere Tiere zeigen dabei eine höhere Sammelrate (Nektareintrag pro Zeit) im Vergleich zu ihren kleineren Nestgenossinnen. Größere Tiere tragen damit überproportional zum täglichen Nektarinflux einer Kolonie bei. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass das Sammelverhalten bei Blüten besuchenden Insekten nur dann richtig verstanden und interpretiert werden kann, wenn man die dem Sammeln zugrundeliegenden sensorischen Prozesse und mögliche individuelle Modifikationen kennt und mit einbezieht.

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.

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