Vergleichende Untersuchungen zur Neuro- und Verhaltensbiologie infrarotsensitiver pyrophiler Käfer

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektrophysiologische und neuroanatomische Untersuchungen an den pyrophilen Käferarten Acanthocnemus nigricans und Melanophila acuminata (bzw. Melanophila cuspidata) durchgeführt. Das Verhalten von A. nigricans wurde zusätzlich im Freiland untersucht. Die drei genannten Käferarten besitzen spezialisierte extraantennale Organe, deren Funktion mit dem ausgeprägten pyrophilen Verhalten in Zusammenhang gebracht wird.<br /> A. nigricans besitzt am Prothorax ein paariges scheibenförmiges Organ, auf dem sich bis zu 90 kutikuläre Sensillen befinden. Diese Sensillen gehören einem, morphologisch charakterisierten, neuen Sensillentyp an. In dieser Arbeit wurde erstmals eine breite physiologische Charakterisierung dieser Sensillen vorgenommen. Extrazelluläre Ableitungen zeigen, dass die Sensillen auf thermische Reize reagieren. Der nachgewiesene Schwellenwert für Antworten der Sensillen auf Reizung mit einem Rotlichtlaser (λ= 632,8 nm) liegt zwischen 11 und 25 mW/cm². Die Antworten auf Erwärmung sind phasisch-tonisch. Nach Ende der Reizung folgt eine Phase der Spike-Unterdrückung. Sowohl die Anzahl der ausgelösten Spikes als auch die Dauer der Spike-Unterdrückung sind intensitätsabhängig. Die Sensillen adaptieren auf lange konstante Reize, jedoch nicht vollständig. Die Untersuchungen der zeitlichen Eigenschaften belegen, dass die Grenze des zeitlichen Auflösungsvermögens bei wenigstens 20 Hz liegt.<br /> Zusätzlich wurden die neuronalen Projektionen der Afferenzen der kutikulären Sensillen erstmals untersucht. Anterograde Färbungen zeigen ein im Vergleich zu Projektionen anderer sensorischer Systeme ungewöhnliches Verzweigungsmuster: Der Hauptteil der Afferenzen aszendiert bis in das Oberschlundganglion und terminiert dort mit weitreichenden Verzweigungen in der Region des Tritocerebrums posterior zum olfaktorischen Antennallobus.<br /> Das Verhalten von A. nigricans wurde auf frischen Brandflächen in Westaustralien beobachtet. A. nigricans sammelt sich gezielt an noch über 100 °C heißen Stellen, den sogenannten „Hot Spots“. Die Käfer landen punktgenau im Randbereich der Hot Spots auf Bereichen mit einer Temperatur zwischen etwa 40 und 50°C. Das Verhalten der Käfer an den Hot Spots wurde mit Hilfe einer Infrarotkamera analysiert. Vermutlich steht es in Zusammenhang mit der Reproduktion von A. nigricans, da beide Geschlechter an den Hot Spots anzutreffen sind und Eiablagen beobachtet wurden. Die Larven entwickeln sich innerhalb weniger Tage und sind während der ersten drei Stadien fleischfressend. Sie ernähren sich vermutlich von Nahrungsressourcen, die durch den Brand entstehen und sind somit an die frische Brandfläche angepasst.<br /> Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, von infrarotsensitiven Zellen im Zentralen Nervensystem von M. acuminata bzw. M. cuspidata abzuleiten. Bei Reizung mit dem Rotlichtlaser konnten reizkorrelierte Potentiale extrazellulär an den thorakalen Konnektiven und im fusionierten Meso-Metathorakalganglion abgeleitetet werden. Erstmalig sollten zentrale Interneurone von M. acuminata bzw. M. cuspidata elektrophysiologisch abgeleitet, gefärbt und charakterisiert werden. Ziel war hier die Identifizierung von infrarotsensitiven Interneuronen. Erstmals gelangen intrazelluläre Ableitungen und Färbungen mehrerer Einzelzellen im fusionierten Meso-Metathorakalganglion. Die abgeleiteten Zellen wurden morphologisch beschrieben und physiologisch grob charakterisiert. Keine dieser Zellen reagierte jedoch auf thermische Reizung der Infrarotorgane. Durch diese Arbeit wurden wichtige Erkenntnisse zur Methode des intrazellulären Ableitens bei M. acuminata (bzw. M. cuspidata) gewonnen.<br /> Die Physiologie der Infrarotorgane der beiden Käferarten wird anhand der Ergebnisse dieser Arbeit verglichen und ihre mögliche Funktion im Verhaltenskontext diskutiert. Somit trägt diese Arbeit dazu bei, das Wissen über die infrarotsensorische Sinnessystem pyrophiler Käfer zu erweitern.

<strong>Comparative studies on the behaviour and the neurobiology of infrared sensitive pyrophilous beetles</strong><br /> This study focusses on the infrared sense of the pyrophilous beetle species Acanthocnemus nigricans and Melanophila acuminata (and M. cuspidata, respectively). Both have extraantennal specialized infrared-organs, that probably play an important role in the pyrophilous behaviour. <br /> In A. nigricans, one pair of prothoracic, disc-shaped organs has been described that bears up to 90 cuticular sensilla. These sensilla represent a new type of insect sensillum whose morphology and ultra-structure has recently been described. This study provides the first detailed physiological characterisation of the disc sensilla. Extracellular recordings show that the sensilla respond to thermal stimuli. The response threshold was between 11 and 25 mW/cm² for red laser ((λ= 632.8 nm) irradiation. The sensilla showed phasic-tonic responses to irradiation; turning off the irradiation was followed by a spiking pause. The responses and the duration of the spiking pause clearly depended on the irradiation intensity. Sustained stimulation lead to an adaptation of the responses. However, this adaptation was not complete. The lower bound of the time-resolving power of the sensilla was found at a frequency of at least 20 Hz of repeated irradiation.<br /> The central-nervous projections of the cuticular sensilla were investigated for the first time by anterograd dye labelling. Most of the fibres ascended into the ipsilateral, anterior connective to terminate in the tritocerebrum of the brain with extensive ramifications.<br /> The behaviour of A. nigricans was studied on freshly burnt areas in Western Australia. A. nigricans is known to aggregate close to spots having a surface temperature of more than 100°C. The beetles landed in the periphery of these “Hot Spots” on areas that have a temperature between approx. 40 and 50°C. The behaviour of the beetles was analysed with an infrared camera. It is very likely that this behaviour is connected to the reproduction of A. nigricans as both sexes meet near the Hot Spots and egg depositions have been observed. The larvae developed within only a few days. Laboratory observations indicate that the larvae are most probably carnivorous up to the third stage. It is hypothesised that they feed on ressources created by a fire, and are thus adapted to freshly burnt areas.<br /> Infrared-sensitive neurons were recorded with extracellular hook electrodes attached to the thoracic connectives in the central nervous system of M. acuminata and M. cuspidata. Additionally, stimulus-correlated neuronal potentials were recorded from the fused meso-/metathoracic ganglion. One aim of this study was to identify interneurons that respond to thermal stimulation of the infrared organs. Thus, a preparation has been developed, which allows intracellular recordings from single interneurons in Melanophila beetles. To foster the analysis of the thoracic neural networks processing infrared information, several single interneurons in the fused meso-/metathoracic ganglion were recorded and stained intracellularly for the first time. However, none of these cells responded to thermal stimulation. The physiology of the two investigated beetle species is compared and the possible function of the infrared organs is discussed . This study, thus, contributes to the understanding of infrared sensory systems in pyrophilous beetles.