Biomechanics of biting in dragonflies, mayflies and silverfish - gaining insights into the structural basis of insect head evolution

• Applicant: Professor Dr. Alexander Blanke
• Subject Area: Systematics and Morphology (Zoology) ; Evolution, Anthropology ; Mechanics ; Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
• Term: from 2014 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 266707406

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Im vorliegenden Projekt wurden die Mundwerkzeuge und Kopfformen mutmaßlich grundplannaher geflügelter Insekten mittels moderner Analysemethoden aus der Ingenieurtechnik untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass während der Nahrungsaufnahme eine Reihe von skelettalen Elementen eine signifikante Rolle bei der Verteilung der Kräfte entlang der Kopfkapsel einnehmen. Diese Strukturen wurden in der Vergangenheit zur Begründung von Schwestergruppenverhältnissen innerhalb der geflügelten Insekten herangezogen. Die funktionsmorphologischen Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass es sich beim Auftreten dieser homologen skelettalen Strukturen um konvergente Entwicklungen handelt, die funktionsmorphologisch die kauend-beißende Nahrungsaufnahme unterstützen. Die Merkmale sind daher als ein Komplex zu begreifen, dessen einzelne Teile in Abhängigkeit voneinander evolvieren. Phylogenetische Rekonstruktionen unter Ausschluss dieser Merkmale unterstützen ein Schwestergruppenverhätnis der Libellen und Eintagsfliegen (=Palaeoptera). Weiterhin konnte in dem Projekt das komplizierte Zusammenspiel von Form, Funktion und Phylogenie unter sehr ähnlichen ökologischen Einnischungen am Beispiel der Libellenmandibeln herausgearbeitet werden. Auf Familienebene beeinflussen die Verwandtschaftsbeziehungen hauptsächlich die Mundwerkzeugform während nur ein Teil der funktionsmorphologischen Parameter durch die Phylogenie beeinflusst werden. Offensichtlich optimieren variierende Funktionsparameter auf einen ähnlichen funktionsmorphologischen Raum, so dass Formänderungen der Mundwerkzeuge nicht immer mit Funktionsänderungen einhergehen.

Publications

• 2016. Musculoskeletal modelling of the dragonfly mandible system as an aid to understanding the role of single muscles in an evolutionary context. Journal of Experimental Biology 216: 1041-1049
  David, S., Funken, J., Potthast, W., Blanke, A.
  
• 2016. Muskuloskeletal modeling under an evolutionary perspective: Deciphering the role of single muscle regions in closely related insects. Journal of The Royal Society Interface 13: 20160675
  David, S., Funken, J., Potthast, W., Blanke, A.
  
• 2017. Computational biomechanics changes our view on insect head evolution. Proceedings of the Royal Society B 284: 20162412
  Blanke, A., Watson, P.J., Holbrey, R., Fagan, M.J.
  
• 2017. Form function relationships in dragonfly mandibles under an evolutionary perspective. Journal of the Royal Society Interface 14: 20161038
  Blanke, A., Schmitz, H., Dutel, H., Patera, A., Fagan, M.