Aging and social homeostasis in social insects

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-134238
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.13423

Walter, Bartosz J.

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Date of publication of this fulltext: 19 Jan 2011 09:22

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	19 January 2011
Referee:	Prof. Dr. Jürgen Heinze
Date of exam:	28 October 2009
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Zoologie/Evolutionsbiologie (Prof. Dr. Jürgen Heinze)
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	Arbeitsteilung, Ameisen Verhalten, reproduktive Alterung, soziale Immunologie, Honigbienen, Ameisen, Patogene, Alterung, Homeostase, labour division, policing effectiveness, group size, social cession, moribund emigration
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 590 Zoological sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	13423

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Abstract (English)

Abstract (English)

Main topics of this thesis are aging and social homeostasis in eusocial insects in light of the evolutionary biology. The keystone of studies presented here are questions how eusociality evolved and is maintained.
Chapter 1 comprises a review of theories concerning evolution of eusociality, evolutionary theories of aging, as well as major issues regarding aging of eusocial insects and social homeostasis.
Chapter 2 presents studies on sexual cooperation and longevity in honeybee (Apis mellifera). Contrary to solitary insects, in eusocial species insemination itself is expected to increase lifespan of a female. However testing this prediction on honeybee turned out to be impossible as (1) queens inseminated with non-viable sperm are recognized and killed by workers, and (2) they experience increased mortality when kept in semi-isolation (queen bank approach).
Studies presented in chapter 3 exemplify mechanism protecting social insect colonies from the spread of pathogen. Moribund workers of the ant Temnothorax unifasciatus (Myrmicinae) show striking adaptation on the individual level: they cease all social contacts and leave nest to die in isolation.
Chapter 4 presents how functional sterility of workers is achieved in colonies of different size and relatedness among individuals. In the ant T. unifasciatus the sterility is enforced by policing: reproducing workers are attacked by their nestmates, that induce workers to refrain from reproduction. I show that policing effectiveness (proportion of reproducing workers which are policed) is influenced by the group size and relatedness among colony members in manifold way.
Chapter 5 discusses proximate and ultimate factors influencing evolution of labour division. I present data indicating that workers of the ant T. unifasciatus divide into low fecund foragers and high fecund intra-nidal workers. The reproductive aging of workers is not dependent on chronical age, but is an effect of phenotypic plasticity. The findings shed light on the evolution of eusociality suggesting that reproductive labour division could have evolved from differences in fecundity among related cooperative breeders.

Translation of the abstract (German)

Die vorliegende Arbeit handelt von der Alterung und sozialer Homeostase bei eusozialen Insekten vor dem Hintergrund der evolutionären Biologie. Sie besteht aus 4 Studien, die sich mit den Leitfragen, wie die Eusozialität evolvierte und aufrechterhalten wurde, beschäftigen.
Die Arbeit ist folgendermaßen gegliedert: in Kapitel 1 leite ich in das Thema ein und stelle die grundlegenden Begriffe und Theorien bezüglich der Eusozialität, Alterung und sozialer Homeostase vor.
In Kapitel 2 werden Studien zur sexuellen Kooperation und Langlebigkeit in Honigbienen (Apis mellifera) präsentiert.
In Kapitel 3 präsentiere ich eine Studie über das auffällige Verhalten der sterbenden Arbeiterinnen der Gattung Temnothorax unifasciatus (Myrmicinae), das die Verbreitung der Krankheitserreger unter den Koloniemitgliedern verhindern soll. Kurz vor dem Tod verlassen sie das Nest, vermeiden den Kontakt mit anderen Individuen und sterben allein.
In Kapitel 4 wird dargestellt, wie abhängig von der Größe der Kolonie und dem Verwandtschaftsgrad zwischen den Individuen, die funktionelle Sterilität der Arbeiterinnen in den Kolonien erzwungen wird. Bei T. unifasciatus (Myrmicinae) wird die Sterilität mittels des sog. "Policing" erzwungen: die Arbeiterinnen, die sich fortpflanzen, werden durch ihre Nestgenossen bedroht und angegriffen, um sie zum Verzicht auf Fortpflanzung zu zwingen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Policingeffektivität (der Anteil der sich fortpflanzenden Arbeiterinnen, die policed werden) stark von der Größe der Kolonie und den Verwandtschaftsgrad zwischen den Nestgenossen abhängt.
Kapitel 5 präsentiert die Ergebnisse der Studie zu den proximaten und ultimaten Faktoren, die die Evolution der Arbeitsteilung bedingen. Es wird gezeigt, dass bei der Ameisengattung T. unifasciatus die Außendienstarbeiterinnen und Nestarbeiterinnen unterschiedliche Fekundität aufweisen. Das Reproduktionsvermögen hängt allerdings nicht vom Alter des Individuums ab, sondern stellt ein Ergebnis der phänotypischen Plastizität dar. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die reproduktive Arbeitsteilung aufgrund der unterschiedlichen Fekunditiät der Individuen einer Fortpflanzungsgemeinschaft (related cooperative breeders) evolvieren konnte.

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