Form-funktionsbeziehungen der Kopfkapseln basaler kauend-beißender Insekten vor phylogenetischem Hintergrund

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Blanke
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392464317

Libellen und Eintagsfliegen (= Palaeoptera), polyneoptere Insekten und Staubläuse (=Psocodea) besitzen hauptsächlich kauend-beißende Mundwerkzeuge der gleichen grundsätzlichen Konstruktion. Im Gegensatz zu dieser relativen Uniformität, zeigen die Kopfkapseln eine hohe Formenvariabilität. Das Zusammenspiel von Form, Mechanik, ökologischen Faktoren und Phylogenie, als mögliche Gründe für diese Variabilität, ist jedoch unklar. Das vorliegende Projekt wird daher die Mechanik verschiedener Kopfkapseltypen innerhalb der basalen kauend-beißenden Insekten untersuchen um den wechselseitigen Einfluss von Kopfformen auf die Mechanik und folgend auf die evolutionaräre Fitness des Kopfsystems zu studieren. Es wird hypothetisiert, dass distinkte morphologische und mechanische Optima existieren die hauptsächlich von der ökologischen Nische abhängig sind und nur zu einem geringen Anteil von gemeinsamer Abstammung beeinflusst werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass diese distinkten mechanischen Optima nur eine begrenzte Anzahl theoretischer Kopfformveränderungen und, dementsprechend, nur eine begrenzte Zahl von Evolutionsmöglichkeiten erlaubt haben.Um diese Hypothesen zu testen werden die Kopfformen einer großen Variationsbreite von Palaeoptera, Polyneoptera und Psocodea (>400 Spezies) quantitativ über dreidimensionale geometrisch-morphometrische Analyse erfasst. Folgend werden biomechanische Simulationen einer Teilmenge, welche die hauptsächlichen identifizierten Morphotypen erfasst (~43 Spezies), mittels dynamischer Mehrkörper Analysen (DMA) und der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Messungen der Material- und Muskeleigenschaften sowie der Beißkräfte werden als Eingangsvariablen für die mechanischen Modellierungen verwendet um eine möglichst akkurate Repräsentation der in vivo Verhältnisse in silico zu erreichen. Das Projekt wird weiterhin generelle ökologische Faktoren wie z.B. Beutespektren, Jagdverhalten, Fortbewegungsarten, etc. gegen die mechanischen und morphologischen Veränderungen vor phylogenetischem Hintergrund testen. Die Modellierung von theoretischen mechanischen Leistungsoptima (als Funktion multidimensionaler mechanischer Einflussfaktoren) in Relation zu den tatsächlich von realen Spezies eingenommenen Leistungsoptima (DMA & FEM Ergebnisse) wird darüber hinaus eine Modellierung möglicher Evolutionswege für Kopfkapseln der kauend-beißenden Mundwerkzeugklasse erlauben. Die Ergebnisse werden daher unser Verständnis der evolutiven Vorgänge die zur heutigen Vielfalt an Kopfformen bei Insekten geführt haben verbessern, so dass wir verstehen werden durch welche grundsätzlichen mechanischen Prinzipien Insekten zu solch erfolgreichen Konsumenten evolvieren konnten und warum der Insektenkopf diesen hohen Formenreichtum aufweist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen