Material und Methoden

↓9

2.1  Versuchstiere

Als Versuchstiere wurden Honigbienen (Apis mellifera carnica) verwendet, die das Länderinstitut für Bienenkunde in Hohen Neuendorf freundlicherweise zur Verfügung stellte. In den Jahren 1997-2000 wurde mit insgesamt vier Völkern gearbeitet, die im Innenhof des Institutsgeländes des Fachbereichs Biologie der Humboldt Universität zu Berlin in der Nähe der Versuchsräume aufgestellt wurden. Die Bienen wurden auf Futterstellen in direkter Nähe der Einflugsöffnungen zu den Laborräumen dressiert, an denen Sammlerinnen während der gesamten Versuchszeit (Juli - Oktober) Glucoselösung im Überfluss fanden (siehe Abbildung 1). Die Konzentration der Glucoselösung wurde entsprechend des Angebotes natürlicher Trachten angepasst (8 – 30 Vol %), damit sich stets Sammlerinnen in ausreichender Anzahl an den Futterstellen aufhielten, die auf die geringstmögliche Glucosekonzentration reagierten. Dies sollte in eingeschränkter Weise auch eine Vorauswahl gleich lernbereiter Bienen erlauben (Scheiner et al. 2003).

Abbildung 1: Futterstelle vor dem Einflugsloch in das Labor, hier fanden die Sammlerinnen über den gesamten Versuchszeitraum hinweg eine ausreichende Futterquelle mit 8 % - 30 % Glucoselösung vor.

2.2 Messaufbau

2.2.1  Versuchsanordnung

↓10

Für die Dressur wurden den Versuchsbienen gleichzeitig zwei Muster auf einer vertikalen Ebene präsentiert, wobei nur an einem der beiden Muster mit Zuckerwasser belohnt wurde. Die Versuchsapparatur bestand aus zwei ineinandergestellte Würfeln aus jeweils vier Plexiglasscheiben (äußerer Würfel: 64 x 64 cm2, innerer Würfel: 51 x 64 cm², Firma Grünberg, Berlin), die, auf eine Drehscheibe montiert, um die vertikale Achse gedreht werden konnten (siehe Abbildung 2 A und B). An den vertikalen Flächen des äußeren Würfels konnten jeweils zwei Muster in einem Abstand von 25 cm nebeneinander befestigt werden. Durch Löcher in der geometrischen Mitte der Muster gelangten die Bienen in Belohnungsröhrchen aus Plexiglas (Außendurchmesser 15 mm, Länge 7 cm, siehe Pfeil in Abbildung 2 C), die am inneren Würfel befestigt und nur nach vorn offen waren. In der Dressursituation fanden die Bienen hier beim belohnten Muster einen Tropfen Glucoselösung vor. Um den Tropfen aufzunehmen, mussten die Tiere auf der Musterfläche landen und durch das Loch ganz in das Röhrchen hineinkrabbeln.

Abbildung 2: Messapparatur zur Differenzdressur der Versuchsbienen:

A) schematische Abbildung des drehbaren Würfels und des Sichtschutzes, weiße Punkte in Mustern symbolisieren die Belohnungsröhrchen, B) Schematische Querschnittsskizze des Messapparatur mit dem inneren bzw. äußeren Würfel (Musterebene) und den Belohnungsröhrchen, C) frontale Ansicht der Dressurfläche und Einspiegelung des horizontalen Flugbereichs vor der Messapparatur, entspricht in etwa dem Kamerabild (Aufnahmewinkel etwas steiler als Kamerabild, zu näheren Angaben siehe Kapitel 2.2.4 und 2.5.2), Pfeil kennzeichnet Öffnung des Belohnungsröhrchens, D) Ansicht der Messapparatur von Einflugsloch aus betrachtet, Gesamtansicht Versuchsapparatur von der Seite (Testfläche mit eingespannten Testmustern, Spiegel und Fotokartonwänden).

Die in Dressur und Test verwendeten Muster waren schwarzweiße Kopien auf reinweißem, holzfreien Papier, das mit Hilfe von Plexiglasscheiben (Durchmesser 20 cm) von hinten gegen die äußere Würfelseite gepresst wurde (siehe Abbildung 2 D). Die Muster erschienen dadurch in einer Ebene mit der Plexiglasscheibe. Diese Ebene wird im Folgenden als Musterebene oder Musterfläche bezeichnet. Die Papiervorlagen konnten bei Bedarf ausgetauscht werden. Als Hintergrund der Muster wurde weißer Fotokarton verwendet, der 6,5 cm hinter jeder Fläche auf dem inneren Würfel angebracht wurde. Die Apparatur wurde mit 120 W Wolframglühbirnen aus ca. 2,5 m Entfernung (Lichtintensität direkt vor der Fläche ungefähr 1000 lx; 700 lx entsprechen der Lichtintensität bei bedecktem Himmel (Menzel 1967) derart ausgeleuchtet, dass sowohl Schatten wie Reflexe minimiert wurden. Der Laborraum war vollständig verdunkelt und natürliches Licht konnte nur durch die Einflugsöffnung eindringen, die möglichst klein gehalten wurde. Um die Tiere daran zu hindern, jede Würfelseite nach eigenem Belieben zu besuchen, wurde jeweils nur eine Würfelfläche während Dressur oder Test präsentiert und die übrigen Flächen hinter Wänden aus Fotokarton verborgen (siehe Abbildung 2 D).

2.2.2 Fütterungsapparatur

↓11

Während der Dressur wurden die Bienen an einem der beiden sichtbaren Muster belohnt. Eine Belohnung entsprach dabei einem 20 µl großen Tropfen Glucoselösung, der innerhalb des Plexiglas-Röhrchens abgelegt wurde. Die Glucoselösung wurde aus haushaltsüblichem Raffinadezucker hergestellt und die Lösung so eingestellt, dass sie zwischen 10 % - 25 % höher konzentriert war als die Zuckerlösung an der Futterstelle vor dem Labor.

Die Glucoselösung konnte durch den Experimentator von vorne in das Röhrchen mit Hilfe einer Glasspritze mit Metallkanüle (MERCK, TUBERCULIN 1000µl) positioniert werden oder automatisch von hinten über eine elektronisch ansteuerbare Pumpe (Pumpensteuerung von Y. Winter, Universität Erlangen). Die Pumpe befand sich hinter der Versuchsfläche im Inneren des Würfels, die Zuckerlösung gelangte aus einer austauschbaren Glasspritze über Polyethylenschläuche (Dialyseschläuche von Merck Chemiebedarf, Berlin) und eine Eppendorfspitze in das Plexiglasröhrchen (siehe Abbildung 3). Sie wurde über eine Bedienungstaste mit Verlängerungskabel ferngesteuert und gab je Knopfdruck die definierte Menge Glucoselösung ab. Belohnungsröhrchen, Röhrchen und Dummy-Pipettenspitze waren bei allen Mustern gleichermaßen vorhanden, sowohl während der Dressur wie auch während des Testes. Allerdings fanden die Bienen nur während der Dressur am belohnten Muster tatsächlich Glucoselösung vor.

Abbildung 3: Fütterungsautomat:

Elektromotor (1), dessen Rotation durch eine Umsetzschraube in Vorwärtstrieb umgewandelt wurde: Schwarzes Kästchen: Steuerungs-CPU (2), weißes Kabel: Verbindung zur Fernsteuerung, austauschbare Glasspritze für Glucoselösung (3) mit Dialyseröhrchen und Eppendorfspitze (4), Dummy-Eppendorfspitzen in unbelohntem bzw. Teströhrchen (5).

2.2.3 Waschreihe

↓12

Bienen markieren durch Absetzen von Duftstoffen (Sterzeln) attraktive Futterquellen. Um Fehler durch Duftspuren bei den Dressuren und bei den Tests zu vermeiden, die als Folge der Belohnung durch Zuckerwasser an den Flächen hinterlassen werden, wurden nur zwei der Würfelseiten für die Dressur verwendet, die anderen beiden Flächen des Würfels blieben den Tests ohne Belohnung vorbehalten. Nach jedem Dressurbesuch einer Versuchsbiene wurden die Plexiglasrröhrchen ausgetauscht und zuerst in 40 % Ethanol und anschließend in destilliertem Wasser gespült. Die Würfelfläche wurde nach jedem Dressur- bzw. Testbesuch mit 40 % Alkohol und sauberen Baumwolllappen gründlich gereinigt. Es wurde niemals direkt hintereinander an einer Fläche dressiert bzw. getestet, um einen möglichen Einfluss durch den noch nicht abgetrockneten Alkohol von vorne herein auszuschließen.

2.2.4 Videodokumentation

Ein Teil der Versuche wurde zur Analyse der Aufenthalte der Bienen vor den Mustern durch Videoaufnahmen mit einem Videogerät mit Jog Shuttle-Funktion (Mitsubishi BV-2000E) dokumentiert. Die Schwarzweißkamera war in 2,5 m Entfernung von der Musterfläche montiert und nahm 25 Bilder pro Sekunde auf. Durch einen zusätzlichen Timer wurden parallel zur Aufnahme das Datum, die Uhrzeit und eine Stoppuhr mit Hundertstelsekunden-Skalierung eingeblendet und mit dokumentiert. Blende und Bildausschnitt wurden angepasst, um die gesamte Würfelbreite einzufangen und die Bienen auch vor den schwarzen Mustern mit ausreichendem Kontrast abzubilden. Es wurden die Horizontal- und Vertikalbewegungen der Tiere vor der Musterfläche (Außenfläche des Plexiglaswürfels der Versuchsapparatur) aufgenommen und entsprechend der Versuchsbedingungen bei einem Teil der Aufnahmen auch der horizontale Abstand der Tiere von der Fläche dokumentiert. Dies wurde durch Einsatz eines Spiegels erreicht, der im schrägen Winkel an der Unterkante des Messwürfels montiert wurde (siehe Abbildung 2 D und Abbildung 4). Der Winkel zwischen Musterfläche und Spiegel betrug 133° und war so gewählt, dass die Einflugsöffnungen der Musterfläche als Orientierungshilfe im Spiegelbild gerade noch zu erkennen waren. Mit Hilfe des Spiegels wurde damit der Aufenthaltsort der Biene bis hin zu einem Abstand von 38 cm von der Musterfläche dokumentiert.

Abbildung 4: Kameraaufbau zur Videodokumentation der Flugbewegungen der Versuchsbienen in drei Raumrichtungen (mögliche Flugtrajektorie der Biene: roter Pfeil), Kameraabstand vom Zentrum der Musterfläche 2,5 m (rote Linie), Winkel des abgekippten Spiegels betrug 133° gegen die senkrechte Musterfläche.

2.3 Musterauswahl

2.3.1  Schwarzweißmuster

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Als Muster wurden für Dressur und Test ausschließlich Schwarzweißmuster verwendet, die mit Hilfe von CorelDRAW 5.0 (Corel Corporation) erstellt, auf einem Laserdrucker (brother HL 760) erzeugt und mit hohem Kontrast als Fotokopien vervielfältigt wurden. Das gesamte Papiermaterial stammte aus derselben Herstellungscharge (VPM Hochleistungs-Kopierpapier, chlorarm, matt, holzfrei weiß, 80 g/qm). Die verwendeten Muster leiten sich von einem gleichseitigen schwarzen Dreieck mit Kantenlänge 10 cm ab, dessen Flächeninhalt abzüglich der Fläche des Röhrchens zur Berechnung der Flächenverhältnisse herangezogen wurde. Als Testmuster wurden Muster verwendet, die sich entsprechend einzelner Mustereigenschaften aus den Dressurmustern ableiteten und verschiedene Flächeninhalte besaßen (siehe Abbildung 5). In der Mitte der Piktogramme der Muster wurde das Röhrchen in das Belohnungsröhrchen als weiße Kreisscheibe eingezeichnet. In Anhang E werden alle verwendeten Muster mit ihren genauen Maßen und Flächeninhalten dargestellt.

Abbildung 5: Übersicht der wichtigsten Muster, die sich aus dem gleichseitigen Dressurdreieck (Kantenlänge 10 cm) ableiten: Muster innerhalb Kasten: Dressurmuster; darunter: Reihe 1: Variation der Kanten bzw. Ecken mit unterschiedlichem Flächeninhalt; Reihe 2: Variation der Kanten bzw. Ecken bei gleicher Flächenüberlappung mit dem belohnten Dressurmuster (TR+) des Trainingsparadigmas A; Reihen 3 und 4: Variation des Zentrums und seiner Zugänglichkeit bzw. der Musterzerstreutheit (Röhrchen im Zentrum als kleiner weißer Kreis im Zentrum der Piktogramme eingezeichnet).

2.3.2 Bestimmung des Flächenüberlappungsgrads

2.3.2.1  Planare unverzerrte Musterflächen

Jedes Testmuster konnte mit Hilfe einer Ähnlichkeitsfunktion beschrieben werden, die aus früheren Studien zur Mustererkennung von Taufliegen (Drosophila melanogaster) abgeleitet wurden (Dill und Heisenberg 1995). Eingang in die Ähnlichkeitsfunktion fanden dabei die Maße von Flächeninhalten nach einem zentrierten Aufeinanderlegen jedes verwendeten Testmusters und des belohnten Musters TR+. Berücksichtigt wurden dabei Flächeninhalte, die die Testmuster mit dem belohnten Muster des Trainingsparadigmas gemeinsam hatten (Q), die dem Testmuster zur Überlappung mit TR+ fehlten (T) und die Flächeninhalte, die nicht in TR+ einbeschrieben werden konnten und als Rest überstanden (R) (Abbildung 6). Die verwendeten Ähnlichkeitsfunktionen 1-5 (Tabelle 1) wurden der Arbeit von Dill entnommen, die Funktionen 6 und 7 leiteten sich von Arbeiten von Cruse ab (Cruse 1972; Dill 1995).

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Abbildung 6: Schema zur Verdeutlichung der Bestimmung des Flächeninhalts der überlappenden Fläche Q, der fehlenden Fläche T und der überstehenden Fläche R eines Musters (Balken) im Vergleich zu einem gelernten Muster (Kreisscheibe) (Cruse 1972).

Tabelle 1: Ähnlichkeitsfunktionen (MF = Matching Factor): Überlappungsfläche (Q); Fehlfläche (T); Restfläche R (jeweils auf das belohnte Muster bezogen)

Ähnlichkeitsfunktionen

Quelle

Dill 1995)

Abgeleitet nach Dill 1995)

Abgeleitet nach Dill 1995)

Dill 1995)

Dill 1995)

Cruse 1972)

Cruse 1972)

↓15

Die Ergebnisse der Ähnlichkeitsfunktionen (das heißt die Ähnlichkeitswerte) ergaben ein Maß für die Ähnlichkeit des jeweiligen Musters im Vergleich zum gelernten Muster. Es wurde erwartet, dass die Differenzen der Ähnlichkeitswerte verschiedener Muster eine gute Abschätzung für das Wahlverhalten der Bienen in einem Transfertest zwischen diesen Mustern ergaben. Zur graphischen Darstellung dieses Befundes wurden Korrelationen errechnet, wobei die Wahlfrequenzen aus den jeweiligen Tests über den Differenzen der Ähnlichkeitsmaße aufgetragen wurden. Die Regressionsgerade wurde bestimmt und der Korrelationskoeffizient mit Microsoft Excel (Microsoft Corporation) errechnet.

2.3.2.2 Verzerrten Musterflächen

Die unter 2.3.2.1 ermittelten Flächenüberlappungsgrade gingen von einer planaren Abbildung des Musters auf der Bienenretina aus. Davon war aber nur auszugehen, wenn sich die Biene sehr weit von dem Muster entfernt befand. Je mehr sich die Biene an das Muster annäherte, desto verzerrter bildete sich das Muster dann aufgrund der gewölbten Struktur des Komplexauges auf der Retina ab. Demnach beschrieb der planare Flächenüberlappungsgrad die verzerrte Abbildung des Musters auf dem Bienenauge nur unzulänglich.

Abbildung 7: Schematische Darstellung der verzerrten Abbildung eines planaren Musters auf dem näherungsweise sphärischen Bienenauge, graphische Herleitung des Wichtungsfaktors (Sehwinkel).

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Abbildung 8: Raster (grau) zur Ermittlung des Flächeninhalts von Mustern (rot) durch Auszählung. Masken (schwarz) dienen der anschließenden Wichtung der Teilflächeninhalte mit dem Sehwinkel bei definierten Abständen. Masken für zwei Beschreibungsansätze für die Verzerrungsweise durch das Bienenauge: links: Bienenauge als konzentrische Sphäre, rechts: Bienenauge als 1:2 verzerrte Sphäre. Abbildung nicht maßstabsgetreu, ein Kästchen des Auszählrasters entspricht 1 mm2.

In einem ersten Versuch, diese Verzerrung in die Ähnlichkeitswerte einzurechnen, wurde von einer symmetrischen Verzerrung der Abbildung ausgegangen, wobei das Bienenauge in erster Näherung mit einer Halbkugel verglichen wurde (Cruse 1974; Hertz 1935; Wehner 1969). Die Verzerrung, unter der zentrale und periphere Musterbereiche im untersuchten Abstand bis 38 cm auf der Retina abgebildet wurden, ließen sich hinreichend gut mit dem Sehwinkel beschreiben (siehe Abbildung 7). Da Sehwinkel und der Tangens des Sehwinkels für kleine Winkel (α < 15°) näherungsweise in einer linearen Beziehung zueinander stehen und im Bestreben, den Wichtungsfaktor für die Darstellung der Verzerrung als dimensionslose Zahl zu erhalten, wurde mit dem Tangens des Sehwinkels als Verzerrungs- bzw. Wichtungsfaktor weitergerechnet.

Zur Ermittlung des drehsymmetrisch verzerrten Flächeninhalts wurde das Muster in konzentrische kreisförmige Abschnitte unterteilt. Dazu wurde ein Gitter aus konzentrischen Kreisen in 0,5 cm Abständen auf die Testmuster gelegt und die Fläche innerhalb der einzelnen Ringbereiche ausgezählt (Kästchen des Auszählrasters entspricht 1 mm2). Kreisgitter und Muster wurden dabei auf das Röhrchen zentriert (siehe Abbildung 8 links). Die ausgezählten Musterflächen wurden dann mit dem Wichtungsfaktor, dem Tangens des Sehwinkels, multipliziert, unter dem dieser Ringbereich in einem bestimmten Abstand vor dem Muster abgebildet wurde. Die Summe aller Ringabschnitte ergab den gesamten verzerrten Flächeninhalt, aus denen für jedes Testpaar eine Differenz berechnet wurde, die mit den Wahlfrequenzen korreliert wurde. Die Prozedur wurde mit Wichtungsfaktoren aus Sehwinkeln von acht verschiedenen Entfernungen senkrecht vor dem Röhrchen wiederholt, von denen fünf Entfernungen in der tabellarischen Übersicht (Tabelle 2) mit den zugehörigen Sehwinkeln gezeigt werden.

↓17

Tabelle 2: Sehwinkel konzentrischer Flächenteile bei verschiedenen Abständen für die kreisförmige und die ellipsoide Maske

Musterausschnitt
(waagrecht vom Zentrum in cm gemessen)

Betrachtungsabstand in cm
Sehwinkel
α in Grad (tan α )

1

3

5

10

20

Ring 1

0,75-1,25

14,47
(0,258)

8,59
(0,151)

5,48
(0,096)

2,86
(0,05)

1,43
(0,025)

Ring 2

1,25-1,75

8,92
(0,157)

7,63
(0,134)

5,26
(0,092)

2,81
(0,049)

1,43
(0,025)

Ring 3

1,75-2,25

5,77
(0,101)

6,62
(0,116)

4,92
(0,086)

2,75
(0,048)

1,43
(0,025)

Ring 4

2,25-2,75

4
(0,07)

5,65
(0,099)

4,57
(0,08)

2,69
(0,047)

1,43
(0,025)

Ring 5

2,75-3,25

2,86
(0,05)

4,8
(0,084)

4,23
(0,074)

2,63
(0,046)

1,37
(0,024)

Ring 6

3,25-3,75

2,18
(0,038)

4,06
(0,071)

3,83
(0,067)

2,58
(0,045)

1,37
(0,024)

Ring 7

3,75-4,25

1,72
(0,03)

3,43
(0,06)

3,49
(0,061)

2,46
(0,043)

1,37
(0,024)

In einem zweiten Ansatz wurde die errechnete Verzerrung der Bilder stärker an die tatsächliche ellipsoid sphärische Form des Bienenauges angepasst. Dazu wurde das oben beschriebene Vorgehen wiederholt, wobei die Maske aus konzentrischen Kreisen durch eine Maske aus konzentrischen vertikal verzerrten Ellipsen (Verhältnis 2:1) ersetzt wurde (siehe Abbildung 8). Nach Auszählung der neuen Flächeninhalte, Wichtung dieser Flächeninhalte mit dem Tangens des Sehwinkels (siehe Tabelle 2) und Aufsummierung der Ergebnisse, wurden die so erhaltenen ellipsoid-verzerrten Flächeninhalte der Muster bestimmt und die Wahlverhältnisse der Musterpaare wie oben beschrieben über den Differenzen der gewichteten Flächenüberlappungsgrade des jeweiligen Musterpaars aufgetragen.

2.3.2.3  Berechnung der Konturlänge als Ähnlichkeitsmaß

In Anlehnung an Arbeiten von (Cruse 1972; Hertz 1929; Hertz 1929; Hertz 1933; Schnetter 1968) wurden neben den Flächenüberlappungsgraden auch die Konturlängen der Muster ermittelt und in Beziehung zu den Wahlfrequenzen für Testmusterpaare (nach der Dressur auf Training A und B) gesetzt. Die Dressurmuster von Training A unterschieden sich dabei nicht bezogen auf die Konturlänge, bei Training B war das Verhältnis der Konturlängen des belohnten und des unbelohnten Dressurmusters 3:1. Die Berechnung der Regressionsgeraden und der Korrelationskoeffizienten sollte dabei Aufschluss über den Einfluss der Konturlängenunterschiede auf das Bewertungsverhalten der Bienen zulassen. Tabelle 3 zeigt die dabei verwendeten Bewertungsformeln.

↓18

Tabelle 3: Ähnlichkeitsfunktion nach Berücksichtigung der Konturlänge der Dressur- und Testmuster (MF = Matching Factor): Überlappungsfläche zu TR+ (Q); Fehlfläche zu TR+ (T); Restfläche (R) und Konturlänge (K)

Ähnlichkeitsfunktion

Quelle

1

Abgeleitet nach Cruse 1972)

2

Abgeleitet nach Cruse 1972)

2.3.3 Verschobene Muster

In einer Testreihe zur Überprüfung des Einflusses der vertikalen Position der Schwarzweißmuster wurden Muster benötigt, die bezogen auf das Belohnungsröhrchen verschoben waren. Dazu wurden die Muster in jeweils zwei Schritten um 45 mm bzw. 90 mm bezogen auf ihren geometrischen Mittelpunkt vertikal nach oben und unten verschoben (vergleiche Abbildung 38 und Abbildung 39). Die verschobenen Muster besaßen in ihrem Mittelpunkt keine Öffnung mit Belohnungsröhrchen, die Stelle war mit einer weißen Kreisscheibe (Durchmesser 15 mm) markiert. Das eigentliche Belohnungsröhrchen war für die Bienen weiterhin erkennbar. Die um 45 mm nach oben oder unten verschobenen Muster besaßen einen Flächenüberlappungsgrad von etwa einem Viertel der Fläche von TR+, die um 90 mm nach oben oder unten verschobenen Muster besaßen keinerlei Flächenüberlappung mehr mit dem TR+. Dadurch erweiterten sich die Bewertungskriterien für das Verhalten der Bienen von Setzer und Anflug auf die zentrierten Muster auf zusätzliche Setzer und Anflüge auf das verschobene Muster. Des weiteren wurden Muster erstellt, bei denen die Umrisslinie des Papiers, auf dem sie abgebildet waren, um 90 mm nach unten verschoben wurde (vergleiche dazu die Piktogramme in Abbildung 37).

2.3.4 Gefilterte Muster

↓19

Fourier demonstrierte 1822, dass jede periodische Schwingung, unabhängig von ihrer Komplexität, in eine Summe harmonisch verwandter Sinus- bzw. Cosinuswellen bestimmter Frequenzen, Amplituden und Phasen aufgetrennt (analysiert) werden kann. Die Umkehr dieser Fourier-Analyse erlaubt dann wiederum die Erzeugung jeder gewünschten periodischen Schwingung durch Summation ausgewählter Sinuswellen Abbildung 9 A. Später konnte gezeigt werden, dass auch jede nichtperiodische Schwingung in derselben Weise analysiert werden kann, vorausgesetzt die Anzahl der möglichen enthaltenen Schwingungen ist unendlich. Das Fourier-Theorem beschreibt somit die Transformation von Ortsinformation in Schwingungsinformation und umgekehrt (DeValois und DeValois 1988).

Visuelle Muster können als räumliche Schwingungen betrachtet werden, das heißt Schwingungen die nicht nur entlang einer Richtungsachse schwingen können, sondern in alle Richtungen eines zweidimensionalen Raum ausgerichtet sein können. Eine Fourier-Analyse räumlicher Schwingungen ergibt als Ergebnis neben den Informationen der Schwingungen auch die Richtungsinformation in der die Schwingung schwingt. Trägt man diese Informationen wie in Abbildung 9 B (rechte Seite) in der Fourier-Ebene auf, ergibt sich ein Muster aus Punkten unterschiedlicher Größe. Die Entfernung des Punktes vom Mittelpunkt der Fourier-Ebene beschreibt bei dieser Auftragungsweise die räumliche Frequenz, der Durchmesser der Punkte beinhaltet die Größe der Amplitude. Die Richtung der Schwingung wird direkt zweidimensional dargestellt (DeValois und DeValois 1988). Abbildung 9 B zeigt für drei einfache Beispiele visueller Muster die Abbildung in der Fourier-Ebene. Grundsätzlich ist die Fourier-Analyse bzw. ihre Umkehrung für jedes visuelle Muster möglich (Abbildung 9 C).

Die Fourier-Analyse erlaubt somit die Beschreibung visueller Muster durch eine Anzahl von Schwingungen. Um zu erfahren welche Schwingungen für die Mustererkennung notwendig sind, müssen gezielt bestimmte Schwingungen bzw. Frequenzen gefiltert und aus diesen beschnittenen Frequenzinformationen erneut visuelle Muster erzeugt werden. Wird das ursprüngliche Muster dann in dem gefilterten Muster wiedererkannt, sind die zur Mustererkennung notwendigen Frequenzanteile enthalten. Dies erlaubt eine frequenzbezogene Beschreibung der im Bild enthaltenen Musterinformation.

↓20

Abbildung 9: Grundlagen des Fourier-Theorems:

A) Schematische Darstellung der Fourier-Analyse am Beispiel einer Rechteckschwingung, ihrer Zerlegung in harmonische Sinusschwingungen und deren Summation (f: Grundfrequenz; 3f, 5f, 7f: harmonische Vielfache der Grundschwingungen), B) Einfache Beispiele visueller Muster und ihre Darstellung in der Fourier-Ebene (Erläuterungen siehe Text), C) Komplexes Beispiel eines visuellen Musters und seiner Darstellung in der Fourier-Ebene (veränderte Abbildungen aus Spatial Vision, Oxford University Press (DeValois und DeValois 1988)).

Um herauszufinden, welche räumlichen Frequenzanteile für die Bienen zur visuellen Musterverarbeitung herangezogen werden können, wurden Tests mit hoch-, tief- und bandpassgefilterten Abbildern des Trainingspaars durchgeführt (Abbildung 11). Die Filterungen wurden mit einem von Thomas Knop (Abteilung Professor Dr. K. Obermayer, Technische Universität Berlin, Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik) entwickelten Programm erstellt. Die Filterung war dabei durch eine obere und eine untere Abbruchfrequenz charakterisiert. Jede räumliche Ausrichtung der enthaltenen Schwingungen wurde zugelassen, so dass sich ein Filter auf der Fourier-Ebene als Ring darstellen ließ (Abbildung 10), dessen Größe von der Wahl der Abbruchfrequenzen bestimmt wurde (sogenannte Doughnut-Struktur (Fiser und Biederman 1995; Olzak und Thomas 1992). Dies erlaubte den Einfluss richtungssensitiver Neurone zu minimieren (Fiser et al. 1996; Fiser et al. 2001). Eine Herausfilterung bestimmter Richtungsinformationen durch Cigar-Filter (Fiser und Biederman 1995; Olzak und Thomas 1992), die einzelne Frequenzquadranten abschneiden, hätte im Vergleich dazu bei den verwendeten Mustern zu einer Überbetonung der Musterkanten geführt.

Abbildung 10: Schematische Darstellung eines Bandpass-Doughnut-Filters in der Fourier-Ebene nach (Olzak und Thomas 1992) und (Fiser und Biederman 1995).

↓21

Für Vorversuche wurden hoch- und tiefpassgefilterte Abbilder mit den Grenzfrequenzen von 16 - 48 Schwingungen/Bildbreite für das Hochpassfilter und 3-8 Schwingungen/Bildbreite für das Tiefpassfilter errechnet. Die Einheit Schwingungen/Bildbreite ist vom Bewertungsabstand vor dem Muster unabhängig und gibt die Anzahl der Schwingungen je Durchschnittsbreite der verwendeten Muster (10 cm) an. Zusätzlich wurden unter Corel Photopaint 5.0 (Corel Corporation) Abbildungen mit Gaußscher Unschärfe erstellt (Pixelradius 50.00), die in ihrer Unschärfe dem Augenmass nach dem tiefpassgefilterten Abbild entsprachen (siehe Anhang D).

Für Reihenversuche wurden anschließend die Abbruchfrequenzen in Abständen von Zweierpotenzen, entsprechend von Oktavabständen (eine Oktave ist definiert als Verdoppelung der Frequenzen) von 1 (20) bis 32 (25) Schwingungen/Bildbreite variiert. Das verwendete Filterprogramm erlaubte grundsätzlich die Auswahl von Frequenzen von 0 bis 256 Schwingungen/Bildbreite. Als obere Randfrequenz wurde in den Versuchen 32 Schwingungen/Bildbreite gewählt, da zum einen Probefilterungen mit höheren Frequenzgrenzen (z.B 32 - 64 Schwingungen/Bildbreite oder 64 - 128 Schwingungen/Bildbreite) keine vom menschlichen Auge auf den ersten Blick erkennbaren Unterschiede mehr aufwiesen. Zum anderen diskriminierten Bienen mit 16- 32 Schwingungen/Bildbreite gefilterte Dressurmusterpaare genauso schlecht wie Filterungen mit 8-16 Schwingungen/Bildbreite (vergleiche dazu auch Abbildung 65 B Tests 6 und 7). Daraus wurde geschlossen, dass Frequenzinformationen oberhalb von 32 Schwingungen/Bildbreite keinen wesentlich anderen Beitrag zur Mustererkennung der Bienen hatten. Es wurden breiter werdende Tiefpassfilterungen mit einheitlicher unterer Frequenzgrenze von 0 Schwingungen/Bildbreite und oberer Frequenzgrenze von 1 - 32 Schwingungen/Bildbreite durchgeführt, ebenso wie Hochpassfilterungen, mit festbleibender oberer Frequenzgrenze 32 Schwingungen/Bildbreite und in Oktavschritten variierter unterer Frequenzgrenze von 1 - 16 Schwingungen/Bildbreite. Zusätzlich wurden Bandpassfilterungen im gesamten Frequenzbereich durchgeführt, deren Filterbreite eine, zwei bzw. drei Oktaven betrugen. Bei einem angenommenen Bewertungsabstand von 3 cm vor der Musterfläche bilden die Filterungen von 16 – 32 Schwingungen/Bildbreite Mustermerkmale in der Größenordnung von ca. 1,5 mm ab. Der untersten Sehgrenze der Bienen von 1° - 2° Sehwinkel (Giurfa et al. 1999; Gould 1988; Gould und Towne 1988; Hempel de Ibarra et al. 2001; Zerrahn 1934) entsprechen in diesem Abstand Musterdetails von ca. 0,5 mm bis 1 mm, das heißt die feinste Hochpassfilterung bildete noch Mustermerkmale ab, die im Bereich der Sehschärfe der Bienen liegen.

Abbildung 11: Übersicht Fourier-gefilterter Muster am Beispiel des belohnten Dressurmusters des Trainingsparadigmas C (Piktogramm links unten): vertikale Zahlenreihe: untere Filterungsgrenze, horizontale Zahlenreihe: obere Filterungsgrenze.

↓22

Die Muster wurden als 10 x 8,86 cm2-Bilder vom Programm eingelesen. Jedes Muster bestand dabei aus Schwarz- und Weißflächen unterschiedlich großen Anteils. Zur Erzeugung der gefilterten Muster wurde aus der Gesamthelligkeit des Ursprungsbilds eine mittlere Helligkeit ermittelt, um welche die Modulation der Frequenzen durchgeführt wurde. Die Ausgabe der gefilterten Abbildungen geschah ebenfalls innerhalb eines 10 x 8,86 cm2-Rechtecks mit der zugehörigen mittleren Helligkeit. Vor allem bei hochpassgefilterten Mustern war das graue Rechteck deutlich zu erkennen (Abbildung 11).

Um den Einfluss des Hintergrunds und der durch ihn entstehenden zusätzlichen Musterinformation zu überprüfen, wurden Muster entworfen, bei denen ein gefiltertes Muster (Frequenzgrenzen von 4 bis 8 Schwingungen/Bildbreite) unterlegt war von einer grauen Kreischeibe (Durchmesser 20 cm), deren Grauschattierung dergestalt angepasst wurde, dass der Übergang zwischen der Hintergrundfarbe des gefilterten Bildes zur Farbe der Kreisscheibe minimiert wurde. Damit wurde das Bildrechteck des gefilterten Bildes optisch kaschiert. Für eine Kontrolldressur wurden zudem die ungefilterten Trainingsmuster vor Kreisscheiben entsprechender Grauschattierung abgebildet (Abbildung 12).

Abbildung 12: Übersicht der Testmuster zur Überprüfung eines möglichen Einflusses der Kontrastkante des Bildrechtecks der gefilterten Muster (Piktogramm rechts oben), Kaschierung der Kontrastkante durch Hinterlegung mit angepasst grauen Kreisscheiben, bzw. hinterlegten weißen Papierscheiben.

2.4  Dressur- und Lernsituation

2.4.1  Andressur

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Sammlerinnen wurden von den Futterstellen weggefangen, passiv in die Laborräume verfrachtet und an der Versuchapparatur auf dem zu belohnenden Muster mit konzentriertem Zuckerwasser (25 - 50 Vol %) belohnt. Die Versuchstiere wurden individuell mit eingefärbtem Schellack (Kremer Pigmente, Aichstetten) markiert, um zurückkehrende Bienen identifizieren zu können. Nach Vollbelohnung verließen die Tiere das Labor ungehindert durch die kleine Fensteröffnung und kehrten zum Stock zurück. Bienen, die nach erstmaliger Belohnung nicht selbständig zur Versuchsapparatur zurückkehrten, wurden an der Futterstelle vor dem Labor wieder eingefangen und erneut passiv verfrachtet (1 - 5 Mal). Es wurde darauf geachtet, dass mehrfach verfrachtete Bienen nicht wiederholt auf der selben Seite der Versuchapparatur belohnt wurden, um eine Tendenz zur Seitenstetigkeit zu vermeiden. Mit dem ersten freiwilligen Absetzen der Bienen auf die Dressurfläche begann die Datenaufnahme, die eigentliche operante Konditionierung (Angermeier 1976; Couvillon und Bitterman 1980). Eine Biene wurde zur weiteren Dressur ausgewählt und die übrigen, für die Dauer der Versuche, unter einem Sieb mit ausreichender Glucoselösung weggesperrt.

2.4.2 Dressur-Paradigmen und Training

Die Bienen wurden in einer Differenzdressur auf zwei schwarzweiße Muster dressiert, von denen nur das eine belohnt wurde. Die Musterpaare konnten sich im Verhältnis der Schwarzfläche und/oder in noch anderen Mustereigenschaften unterscheiden, zum Beispiel Größe, Kompaktheit oder Zentrumsfarbe. In zwei Trainingsparadigmen A und B war das belohnte Dressurmuster (TR+) ein gleichseitiges schwarzes Dreieck (Kantenlänge 10 cm). Bei Training A war das unbelohnte Dressurmuster (TR-) eine Figur aus drei kleinen Dreiecken, die in den Ecken eines angenommenen gleichseitigen Dreiecks von 10 cm Kantenlänge angeordnet waren. Die Schwarzfläche des unbelohnten Musters entsprach dabei näherungsweise einem Drittel der Schwarzfläche des belohnten Musters. Bei Training B war das nicht belohnte Muster ein kleineres gleichseitiges Dreieck (Kantenlänge 5,6 cm), dessen Flächeninhalt ebenfalls näherungsweise einem Drittel des Flächeninhalts des belohnten Musters entsprach. Das dritte Trainingsparadigma C war die Reziprokdressur des ersten Dressurpaares. Die Dressurpaare sind in Abbildung 13 dargestellt. Im folgenden Text wird auf die Trainingsparadigmen entsprechend der Bezeichnungen A, B oder C Bezug genommen. Genauere Angaben zu den Maßen der Dressurmuster finden sich im Anhang E.

Abbildung 13: Darstellung der Dressurparadigmen:

Training A; Training B; Training C, Pluszeichen (+): belohntes Muster des Trainingsparadigmas (TR+), Minuszeichen (-): unbelohntes Muster des Trainingsparadigmas (TR-).

↓24

Die Tiere wurden in der Regel 10 bis 20 mal trainiert und danach das erste Mal auf das Dressurpaar ohne Belohnung getestet. Erreichten die Tiere beim Test auf das Dressurpaar A und C nicht eine Unterscheidungsfrequenz von mindestens 75 % (für Training B mindestens 70 %, da die Bienen hier seltener höhere Unterscheidungslevels erreichten), wurden die Tiere weiter dressiert. Einige Bienen, die diese Wahlfrequenz nicht erreichten, wurden aus dem Versuch genommen. Während des gesamten Versuchs wurden die Bienen weiterhin mit 2 - 4 Dressurbesuchen zwischen aufeinanderfolgenden Tests dressiert.

Die Seiten der Dressurmuster wurden stets gewechselt, um zu verhindern, dass die Bienen auf einer Seite häufiger belohnt wurden als auf der anderen. Im Verlauf des Versuchs wurden die Versuchsbienen durch Präsentation von TR+ gegen TR+ auf Seitenstetigkeit getestet. Gegen eine schwache Bevorzugungen einer Seite wurde gegendressiert, indem kurzfristig häufiger auf der nicht präferierten Musterseite belohnt wurde, und der Erfolg kontrolliert. Tiere, die die Nullhypothese des χ2-Test (50:50-Wahl) nicht erfüllten, wurden aus dem Versuch genommen. Um den Einfluss einer möglichen Seitenstetigkeit weiter zu minimieren, wurde jeder Test einmal normal und einmal seitenvertauscht durchgeführt und die Ergebnisse beider Tests entsprechend für jede Biene aufsummiert. Ergaben sich dabei größere Abweichungen der Wahlpräferenzen, wurden erneut Seitenstetigkeitstests durchgeführt und die Ergebnisse mit dem χ2-Test überprüft.

Die Bienen konnten sich der Versuchsapparatur und den Mustern völlig frei nähern. Die Tiere wurden weder bezüglich ihrer Wahlentfernung vom Muster noch bezüglich der Anflugsrichtung eingeschränkt. Jede gerichtete Annäherung an eines der Muster zählte als Entscheidung, entfernte sich die Biene ohne Berührung der Musterfläche wieder, wurde die Entscheidung als Anflug gezählt und jede unabhängige Berührung der Musterfläche mit Beinen, Antennen und Körper bzw. jedes Landen auf der Musterfläche als Setzer (Grossmann 1970). Die Entscheidung des ersten Anflugs und des ersten Setzers wurden getrennt festgehalten.

2.5 Datenaufnahme und Auswertung

2.5.1  Differenztests

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Erreichten die Tiere nach der Dressur das Unterscheidungskriterium von über 70 % bzw. 75 % für das Dressurpaar und erwiesen sich als nicht seitenstet, wurde mit den Testreihen begonnen. Die Bienen wurden während eines Tests im Unterschied zur Dressursituation nie belohnt, die Tiere zeigten reines Suchverhalten. Anflüge und Setzer wurden in gleicher Weise dokumentiert wie während der Dressur und jeweils die ersten Anflugs- und Setzerentscheidungen festgehalten. Jedes Testpaar wurde normal und seitenvertauscht getestet, um den Einfluss einer möglichen Seitenstetigkeit auf die Entscheidungen offensichtlich zu machen. Die Reihenfolge der Testmusterpaare wurde statistisch gemischt, einerseits um die Tiere vor wechselnde Entscheidungssituationen zu stellen und um andererseits einen möglichen Einfluss des Testzeitpunkts auszuschließen. Während eines Tests wurde die Gesamtzeit des Aufenthalts der Biene vor der Testfläche dokumentiert. Die Zeit, in der die Biene sich während eines Tests neben der Apparatur oder außerhalb des Labors verbrachte, ging nicht in die Messung ein.

Tabelle 4: Formeln zur Berechnung der Wahlfrequenz aus Setzern und Anflügen am Beispiel der Entscheidungen für das linke Muster

In Berechnung eingehendes Verhalten

Berechnungsformel

Setzer allein

Setzer und A n flüge

Anflüge allein

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Die Anzahl der Setzer eines Tieres für gleiche Testpaare wurde für jedes Tier zusammengerechnet. Die Wahlfrequenz der Bienen für ein Muster eines Testpaars berechnete sich aus dem Quotienten der Setzer auf das Muster und die Gesamtsetzer auf beide Muster während eines Dressur- oder Testbesuches, bzw. aus der Zahl der Anflüge (siehe Formeln in Tabelle 4). Bewertet wurden nur solche Tests, deren Wahlfrequenzen sich aus mindestens 10 Gesamtsetzern berechneten. Im Ausnahmefall wurden auch Tests mit geringeren Setzerzahlen berücksichtigt, sofern sich die Biene ausschließlich für eines der beiden Testmuster entschieden hatte. Aus der Gesamtsetzerzahl für ein Muster während eines Tests und aus der gemessenen Testzeit ließ sich die Setzerzahl pro Minute ermitteln, die umso höher war, je bereitwilliger sich die Biene auf die Muster setzte.

2.5.2 Videoaufnahmen

Zur Dokumentation des Flugverhaltens der Versuchsbienen während der Entscheidungssituation zwischen zwei Mustern wurden die Bienen während der Tests auf Video aufgenommen. Die Videoaufnahme begann mit dem ersten Anflug der Bienen auf die Muster und endete nachdem die Biene von den Testmustern wegflog mit Abschluss des Tests. Die Videoaufnahmen wurden durch das Datum, die Uhrzeit, eine mitlaufende Stoppuhr und die Bezeichnung des Tests markiert.

Die Videoaufnahmen wurden als Einzelbildanalyse mit Hilfe eines Computerprogramms (HaSoTec FMaus, Rostock, 1999) teilautomatisiert ausgewertet. Ergebnis der computergestützten Auswertung waren aufeinanderfolgende x/y-Koordinaten von Kopf und Abdomen der Biene innerhalb eines festen Koordinatensystems, das durch die Mittelpunkte der Belohnungsröhrchen in der Vertikalen und den Mittelpunkt zwischen den beiden Musterzentren definiert wurde (vertikale und horizontale Fixpunkte F1 und F2 in Abbildung 14). Es wurden die Ortsdaten horizontal und vertikal vor der Bildebene aufgenommen (Ortsdaten x und y in Abbildung 14, vertikal in direkter Aufsicht vor der Musterebene bzw. Musterfläche, Außenfläche des Plexiglaswürfels der Versuchsapparatur, horizontal als Abbildung im Spiegel). In einem Teil der Auswertungen wurden noch zusätzlich in einem weiteren Koordinatensystem die Abstände der Biene von der Musterfläche dokumentiert. Die Eichung der beiden Koordinatensysteme wurde in der vertikalen Auswertung vor der Musterfläche durch den festen Abstand der beiden Fixpunkte Belohnungsröhrchen gewährleistet (25 cm) und in der horizontalen Ebene vor der Musterfläche durch Fixpunkte am Rand der Musterfläche (64 cm) (siehe Abbildung 2 C). Bedingt durch die Schräge der Spiegelfläche, ergab sich eine optische Dehnung des Abstands der Bienen in einem Verhältnis von 1 : 1,8. In der zweidimensionalen Auftragung wurde dieser Umstand berücksichtigt.

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Abbildung 14: Schematische Darstellung der Grundlagen zur computergestützten Ortsauswertung der Videoaufnahmen:

F1 bzw. F2: Fixpunkte im Vertikalen bzw. Horizontalen (Röhrchenmittelpunkt); X bzw. Y: Positionskoordinaten der Biene im Vertikalen (Index V) vor der Musterfläche bzw. im Horizontalen (Index H) in der Spiegelabbildung.

Die weitere Verarbeitung der Ortsdaten wurde mit Microsoft Excel 2000 (Microsoft Corporation) und Microcal Origin 5.0 (Microcal Software Inc.) unter Windows 98 (Microsoft Corporation) durchgeführt. Es wurden sowohl die Flugbahnen analysiert, wie auch die Anzahl der Aufenthalte der Bienen vor den Mustern in der vertikalen und der horizontalen Ebene. Die Geschwindigkeiten der Bienen wurden aus der Ortsänderung zwischen zwei Aufnahmen und dem Aufnahmenzeitintervall ermittelt und in vier Geschwindigkeitsklassen unterteilt und in Abhängigkeit vom Ort in Koordinatensysteme aufgetragen. Durch die Auftragung der x- und y-Koordinaten der Geschwindigkeit nach beiden Raumrichtungen ließ sich zudem die Anflugsrichtung der Bienen darstellen.

2.5.3 Statistische Überprüfung

Zur Beurteilung der Testergebnisse wurden der Mittelwert und die Standardabweichung der Unterscheidungsfrequenzen aller Testbienen eines Datensatzes errechnet. Um den Einfluss einer Sättigung der Wahlreaktion im Bereich um 0 % (nur Setzer auf Muster A) und um 100 % (nur Setzer auf Muster B) zu minimieren, wurden die Prozentwerte arcsin-transformiert und erst dann in die Statistikberechnung einbezogen. Die Überprüfung der unabhängigen Stichproben mit kontinuierlichen Prozentwerten erfolgte mit dem einseitigen Student-t-Test zur Abgrenzung gegen eine Gleichverteilung bzw. zur Unterscheidung zweier Mittelwerte mit gleicher Grundgesamtheit und unterschiedlichen Varianzen (Sachs 1997). Diskrete Einzelwerte, zum Beispiel die Überprüfung auf Gleichverteilung eines Seitenstetigkeitstestes, wurden mit Hilfe der χ²-Verteilung überprüft (siehe Tabelle 5Sachs 1997)). Fehlerwahrscheinlichkeiten von p < 0,05 wurden als signifikant anerkannt, Wahrscheinlichkeiten von p < 0,01 und p < 0,001 wurden als hochsignifikant betrachtet und in den Abbildungen durch Angabe von einem bis drei Sternchen kenntlich gemacht. Vermutete Korrelationen wurden mit Hilfe des Pearsonschen Korrelationskoeffizienten R überprüft und durch die Funktionsgleichung der Korrelationsgeraden beschrieben.

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Tabelle 5: Statistische Verfahren nach (Sachs 1997)

Student t-Test

χ ²-Verteilung

µ…..Wahlfrequenz Testmusterpaar

µ0….Erwartungswert bei Gleichverteilung

σ2...Standardabweichung

N....Anzahl Versuchsbienen pro Test

n1…Setzer Muster 1

n2... Setzer Muster 2

n = (n1+n2)

0,5....Erwartungswert bei Gleichverteilung

2.6 Einordnung des Wahlverhaltens der Bienen als Lernerfolgsnachweis

2.6.1  Eignung des Setzerverhaltens bzw. Anflugverhaltens als Lernerfolgsnachweis

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Im Versuch dressierte Bienen zeigten ihre Entscheidung für eines der beiden gezeigten Muster an der vertikalen Dressurfläche durch klar zu unterscheidendes Verhalten. Dazu gehörte neben dem Landen auf der Musterfläche bzw. auf dem Belohnungsröhrchen und dem Hineinkrabbeln in das Röhrchen auch das Flugverhalten vor den Mustern, wie z. B. horizontales oder vertikales Vorbeifliegen bzw. Schweben vor Musterbereichen, Anfliegen einzelner Musterbereiche ohne Absetzen bzw. Anflüge, bei denen Teile des Musters mit Beinen, Antennen oder anderen Körperteilen berührt wurden.

Nach dem Vorbild vorangegangener Arbeiten wurden die Setzer der Bienen gezählt, wobei eindeutige Setzer auf das Muster bzw. das Röhrchen und Berührungen der Musterteile mit Beinen und Antennen zusammengefasst wurden (Anderson 1972; Couvillon und Bitterman 1980; Gould 1986; Grossmann 1970; Ronacher 1992; Srinivasan und Lehrer 1984). Dabei wurde auf eine Unterscheidung von Setzern gegenüber Berührungen (Giger und Srinivasan 1995; Srinivasan und Lehrer 1984) verzichtet, da sich die Bienen in Testsituationen ohnehin nur selten richtig auf das bzw. in das Röhrchen setzten. Die Anflüge wurden getrennt dokumentiert und ausgewertet (Cruse 1972; Grossmann 1970; Wehner und Lindauer 1966), wobei nur Anflüge endgültig bewertet wurden, bei dem die Bienen die Muster berührten (Setzer). Die Anflüge bzw. unvollendeten Setzer wurden zudem dokumentiert (Grossmann 1971; Lunau et al. 1996; Menzel 1967) und zum Teil auch ausgewertet (Abbildung 15). Das Vorbeifliegen vor den Mustern, ebenso wie wiederholte Berührungen der Muster, die durch Schwierigkeiten beim Landen verursacht werden, gingen nicht in die Bewertung ein. Als unabhängige Setzer bzw. Anflüge wurde das Flugverhalten gewertet, wenn sich die Bienen zwischen ihren Annäherungen erneut zum Muster hin orientierten.

Zur Überprüfung welches Verhalten den besten Rückschluss auf das Diskriminierungsverhalten der Bienen zuließ, wurde für alle verwendeten Dressurpaare das Wahlverhältnis auf Grundlage von Setzern, Anflügen bzw. der Summe von Setzern und Anflügen berechnet (Tabelle 4). Die Ergebnisse für den Test auf das Dressurpaar wurden zum Vergleich in Abbildung 15 aufgetragen (schwarze Säulen), einschließlich des Wahlverhaltens der Bienen vor zwei identischen belohnten Mustern, die als Test zur Überprüfung einer möglichen Seitenstetigkeit der Tiere dienten (graue Säulen).

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Abbildung 15: Verhältnis Wahlentscheidungen der Versuchsbienen während des Tests auf das Dressurpaar:

Ausgewertet wurden jeweils allein die Setzerentscheidungen, die Summe aus Setzern und Anflügen und die Anflüge allein: A, B und C entsprechen den jeweiligen Trainingsparadigmen (Piktogramme der Dressurparadigmen siehe schwarzer Kasten, Signifikanzen der Wahlfrequenz durch Symbole angegeben: p < 0,05 (*); p < 0,01 (**); p < 0,001 (***); Tierzahlen: 27 - 61 Tiere).

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Die Ergebnisse in Abbildung 15 A lassen klar erkennen, dass das Absetzen der Bienen das geeignetste Maß für die Wahlentscheidungen von Bienen war. Die Tiere machten zwar in einer Entscheidungssituation zwischen zwei identischen Mustern weder in ihrem alleinigen Anflugs-, noch bei ihrem ausschließlichen Setzverhalten einen Unterschied zwischen den beiden Mustern (graue Säulen, Signifikanzen der Wahlreaktionen nach Training C bedingt durch sehr hohe Tierzahl N = 61). Die Tiere zeigten die erlernte Präferenz für das belohnte Muster ausschließlich durch ihr Setzverhalten (linke schwarze Säulen), während belohntes wie unbelohntes Muster im Mittel weiterhin gleich häufig angeflogen wurden (rechte schwarze Säulen). Diese Eindeutigkeit der Setzentscheidung gegenüber der Undifferenziertheit der Anflüge war unabhängig von der Art der dressierten Muster und in allen drei verwendeten Trainingspaaren gleich (Abbildung 15 B, C).

Die Auswertung der Summe von Setzern und Anflügen (Setzer + Anflüge, mittleres Säulenpaar) ergab bei Training A eine deutlich geringere Differenzierungsleistung als die Tiere nach Auswerten der Setzerdaten vermuten ließen, geringer als eine Mittelung von Setzer- und Anflugsverhalten erwarten ließe. Dies ließ sich dadurch erklären, dass die Bienen die Muster bei Training A um die Hälfte häufiger anflogen, als sie sich auf die Muster setzten (Tabelle 6 ). Anflüge enthalten aber ebenfalls Bewertungscharakter (Grossmann 1971; Menzel 1967). Um das Anflugverhalten bei der Berechnung der Wahlreaktion zu berücksichtigen, wurden Setzer und Anflüge erneut zusammengezählt, wobei der Anzahl der Setzer doppelt soviel Aussagewert zugeordnet wurde, wie den Anflügen (Giger und Srinivasan 1995; Srinivasan und Lehrer 1984). Im Training A wurde dadurch ein Ausgleich des Verhältnisses von Setzern und Anflügen erreicht, was die Wahlfrequenz der Setzer und Anflüge im Vergleich zu Abbildung 15 etwas erhöht (A: 0,72 ± 0,07). Bei den Dressuren B und C, wo die Bienen die Muster genauso oft anflogen, wie sie sich darauf setzten, ließe sich die Wahlfrequenz ebenfalls erhöhen (B: 0,67 ± 0,06; C: 0,74 ± 0,09), die Unterscheidungsfrequenzen, die Bienen aufgrund ihres Setzverhaltens zeigten, wurden jedoch nie erreicht. Bei der Bewertung der Dressuren bzw. Tests wurden im Folgenden daher nur die Mustersetzer der Tiere berücksichtigt und ausgewertet.

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Tabelle 6: Mittelwerte der Verhältnisse von Gesamtsetzern zu Gesamtanflügen pro Tier für alle Trainingsparadigmen A, B und C

Verhältnis: Setzer/Anflüge

Trainingspaar

Seitenstetigkeitstest

Training A

0,66 ± 0,33

0,94 ± 0,61

Training B

0,99 ± 1,14

1,03 ± 1,04

Training C

1,0 ± 0,65

1,62 ± 2,73

2.6.2 Vorhandensein einer möglichen „spontanen Präferenz“

Bei den Versuchstieren handelte es sich um Sammlerinnen, die von einer Futterstelle vor dem Labor abgefangen wurden. Es wurde darauf Wert gelegt, möglichst junge Sammlerinnen, erkennbar an ihrer starken Behaarung, auszuwählen. Dennoch konnte nicht ausgeschlossen werden, dass die Bienen schon vor dem Versuchsbeginn Erfahrungen gemacht hatten, die ihr späteres Lern- und Wahlverhalten beeinflussten. In gleicher Weise konnte nicht ausgeschlossen werden, dass die Tiere eine angeborene Präferenz für eines oder mehrere der bei der Dressur verwendeten Muster besaßen.

2.6.2.1  Lernkurven der verwendeten Dressurparadigmen A, B und C

Um das Vorhandensein einer möglichen „spontanen“ Präferenz für eines oder mehrere der verwendeten Trainingsmuster zu überprüfen, wurden für jedes Trainingspaar die Wahlfrequenzen der einzelnen Bienen für die jeweils ersten 12 Dressurbesuche aufgetragen und zusätzlich daraus der Mittelwert und die Standardabweichung aller Bienen bestimmt (Abbildung 16: schwarze Kurven). Die hellgrauen Kurven zeigen die Wahlverhältnisse der Einzelbienen für die ersten zwölf Trainingsbesuche. Zusätzlich wurde durch einen grauen Balken der Zeitpunkt des ersten Tests auf das Dressurpaare dargestellt, da zu die Bienen bei dieser Testsituation das erste Mal das Dressurpaar eine längere Phase ohne eine Belohnung vorzufinden aufsuchten. Die Wahlunterscheidung der Bienen in den beiden auf den Test folgenden Dressuren nahm dabei zwar geringfügig ab, deutete dabei nicht auf eine Verschlechterung der Unterscheidungsleistung durch Extinktion während der unbelohnten Test-Phase hin (Abbildung 16: Dressuren 11 und 12).

↓33

Zur Erhebung der Daten für Abbildung 16 wurden nur Bienen bis zur entsprechenden Dressuranzahl berücksichtigt, die in den im Anschluss durchgeführten Tests auf das Dressurpaar das Trainingskriterium von 80 % Wahlunterscheidung für das Trainingspaar der Paradigmen A und C und 70 % für das Trainingsparadigma B erreichten. Das Wahlverhältnis der in Abbildung 16 dargestellten Einzelbienenwerte errechnete sich aus der Zahl der während der Dressursituation erfolgten Setzer. Starke Schwankungen der Bewertungen zu Beginn der Dressur sind zum einem Folge einer Seitenpräferenz, die erst im Verlauf der Dressurbesuche von der Musterbewertung überlagert wurde, zum anderen wurden hierbei alle Besuche bewertet, unabhängig wie oft sich die Bienen setzten (führte z.T. zu großen Unterschieden bei den Prozentwerten!).

Abbildung 16: Lernkurven der verwendeten Trainingsparadigmen, Auftragung der Wahlverhältnisse der ersten zwölf Dressurbesuche: A, B und C entsprechen den Dressurparadigmen A, B und C: gefüllte schwarze Kurve: Mittelwerte mit Standardabweichung, graue Kurve: Einzelbienendaten, grauer Balken erste unbelohnte Testsituation.

Sowohl in Training A wie in Training C setzten sich die Tiere im Mittel schon beim ersten dokumentierten Trainingsbesuch häufiger auf TR+ (Signifikanz: Training A: 0,74 ± 0,25; p < 0,01; Training C: 0,82 ± 0,21; p < 0,001). Während der nächsten 10 - 12 Trainingsbesuche verbesserte sich die Wahlunterscheidung nur geringfügig, bei Training A auf höchstens 0,8 ± 0,18 und bei Training C auf 0,86 ± 0,15. Diese Differenzierungsleistung während der Dressur blieb nach dem ersten Test auf das Dressurpaar erhalten. In den Tests auf das Dressurpaar erreichten die Differenzierungsleistungen bei Training A 0,87 ± 0,1 und bei Training C 0,86 ± 0,08 (vgl. Tabelle 7). Die Bienen des Trainings B erreichten zu Beginn der Aufzeichnungen ihre höchste Wahlfrequenz für das Dressurpaar (0,81 ± 0,24; p < 0,001). Diese blieb jedoch im Verlauf der Dressuren nicht erhalten, sondern fiel auf einen Mittelwert von etwa 76 % ab, dafür sank die Standardabweichung mit fortlaufendem Training. Im Unterschied zu den anderen Trainingsparadigmen verbesserte sich die Diskriminierungsleistung der Bienen für das Dressurpaar des Trainings B auch während eines Tests auf das Dressurpaar nicht weiter, sie erreichten im Mittel nur eine Unterscheidungsfrequenz von 0,77 ± 0,09.

↓34

Bei einer Spontanpräferenz für bzw. gegen eines der verwendeten Muster wäre besonders im Vergleich der Dressurpaare A und C eine Abweichung bei den Wahlfrequenzen der ersten Dressuren zu erwarten gewesen. Die Musterpräferenz der Bienen hätte dabei in einem der beiden Dressurparadigmen deutlich unterhalb von 50 % liegen müssen. Die Ergebnisse der Trainingsparadigmen unterschieden sich jedoch nicht, in beiden Dressurparadigmen bevorzugen die Bienen das belohnte Muster signifikant, so dass eine Spontanpräferenz unwahrscheinlich ist. Tatsächlich besitzen die Bienen zu Beginn aller Dressuren schon eine sehr hohe Differenzierungsleistung für das Dressurpaar, die vermutlich während der Andressur erworben wurde.

Tabelle 7: Dressurerfolg der drei verwendeten Trainingsparadigmen gerechnet über den gesamten Versuchszeitraum (Gesamtzahl verwendeter Tiere und Signifikanz des Ergebnisses gegen einen 50:50-Wahl)

Versuchszeitraum

Dressurwahlverhältnis

Tierzahl

Signifikanzlevel

Training A

1997

1998

1999

87 ± 10 %

N = 38

p < 0,001

Training B

1997

1998

1999

77 ± 9 %

N = 27

p < 0,001

Training C

1997

1998

1999

2000

86 ± 8 %

N = 61

p < 0,001

2.6.2.2 Vergleich der ersten Anflugs- und Setzerentscheidungen

Um ein klareres Maß für eine mögliche Spontanpräferenz für eines der verwendeten Dressurmuster bei den drei Trainingsparadigmen zu erhalten, wurden die jeweils ersten Entscheidungen der Einzelbienen für die ersten 10 Dressurbesuche während einer Dressur zusammengefasst und daraus die Wahlverhältnisse des ersten Anflugs bzw. des ersten Setzers errechnet, vergleichbar zu Versuchen im Y-Wahltunnel (Hateren et al. 1990). Die Wahlfrequenzen werden in Abbildung 17 über der Anzahl der Dressurbesuche aufgetragen. Es wurden die Entscheidungen für das belohnte Muster jeweils getrennt gezeigt, entsprechend der rechten bzw. linken Präsentation von TR+. Durchgezogene Kurven zeigen die Ergebnisse für den ersten Setzer, unterbrochene Linien die Wahlentscheidungen, die Bienen beim Anfliegen trafen. Der erste Anflug konnte, im Unterschied zu der üblichen Zählung der Anflüge, durch einen Setzer abgeschlossen werden.

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Nach Training A und C unterschieden die Bienen in ihrem Anflugverhalten nicht gut zwischen den beiden präsentierten Mustern. Die Wahlfrequenzen der Anflüge verbesserten sich dabei mit zunehmender Zahl an Dressuren bei Training A auf bis zu 86 % und bei C auf 82 % (Abbildung 17 A und C). Sowohl nach Training A wie auch C setzten sich die Bienen dagegen schon bei der ersten Dressur häufiger auf das belohnte als auf das unbelohnte Muster, 58 % (TR+ links) bzw. 78 % (TR+ rechts) bei Training A und 71 % (TR+ links) bzw. 78 % (TR+ rechts) bei Training C. Diese Diskriminierungsleistung stieg mit zunehmender Zahl der Dressurbesuche weiter an (Training A: auf 100 %; Training C: auf 93 %), schwankten aber zum Teil (Training A und B) sehr, unter Umständen eine Folge der geringeren Stichprobengröße.

Nach Training B (Abbildung 17 B ) blieben die Bienen in ihrer ersten Entscheidung, sowohl was den ersten Anflug wie auch was den ersten Setzer anging, indifferent und wählten beide Muster, unabhängig davon auf welcher Seite TR+ präsentiert wurde, mit etwa 50 : 50 Wahrscheinlichkeit. Die Wahlfrequenz verbesserte sich jedoch ab dem dritten Dressurbesuch und erreichte nach dem zehnten Besuch eine Präferenz von über 75 % für das belohnte Muster. Dieser Wert entsprach etwa dem Dressurerfolg, den die Bienen in den Tests auf das Dressurpaar zeigten.

Keines der Muster wurde während der ersten Dressuren signifikant vermieden. Die Bevorzugung der positiven Muster trat sowohl bei Training A wie auch bei der Reziprokdressur bei Training C schon während der ersten Dressuren auf. Daraus konnte geschlossen werden, dass zu Beginn der Dressur die Bienen keine innere Präferenz, weder angeboren noch durch Vorerfahrung, für eines der dressierten Muster oder für eine Präsentationsseite besaßen. Sollte eine Präferenz grundsätzlich bestanden haben, zum Beispiel für stark strukturierte Muster (Anderson 1977; Hertz 1929; Zerrahn 1934), wurde diese schon während des kurzen Antrainings unterdrückt.

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Abbildung 17: Wahlverhältnisse für belohntes Muster für ersten Anflug (gestrichelte Kurve) und ersten Setzer (durchgezogene Kurve) bei linker Präsentation (schwarze Kurve) und rechter Präsentation von TR+ (graue Kurve): A) Training A (21 Bienen) B) Training B (12 Bienen) C) Training C (47 Bienen).

2.6.3 Einordnung der Verhaltensdaten als Grundlage der Musterdiskriminierung

2.6.3.1  Einfluss der Messanordnung auf das Wahlverhalten der Bienen

Um eine Aussage über das Wahlverhalten der Bienen zwischen zwei simultan präsentierten Mustern treffen zu können, muss geklärt sein, inwieweit Art und Aufbau der Messapparatur bzw. die Dressurweise das Wahlverhalten der Tiere beeinflussen.

Neben der genetischen Disposition der Sammlerinnen wird dem Sättigungsgrad der Tiere ein Einfluss auf das Lernverhalten nachgewiesen (Ben-Shahar und Robinson 2001; Page Jr et al. 1998; Scheiner et al. 1999). Die Vorauswahl möglichst junger (weil unbeschädigter) Tiere am Spender und schneller Lerner (Kapitel 2.4.1) nach der Andressur ermöglichte die Dressur von vergleichbar alten Nektarsammlerinnen mit ähnlichen Lerndispositionen. Um eine zu schnelle Absättigung und zu starkes Sterzeln vor den Dressurmusterflächen zu vermeiden, wurde mit der jeweils geringst möglichen Zuckerwasserkonzentration belohnt, die sicherstellte, dass die jeweilige Versuchsbiene die Versuchapparatur motiviert besuchte. Die vorhergehende Ortsdressur der Nektarsammlerinnen auf die künstliche Futterquelle beeinflusste das später beobachtete Lernverhalten vermutlich nicht (Menzel 1967).

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Der Aufbau der Versuchsapparatur innerhalb eines Labors beeinflusste die Bienen ebenfalls nicht, da nach früheren Untersuchungen auch beim Erlernen von Farbmustern kein Unterschied zu dem im Freiland gezeigten Verhalten besteht, vorausgesetzt die Apparatur wird ausreichend beleuchtet (Kriston 1971; Menzel 1967). Das Apparatelayout besitzt grundsätzlich einen bestimmenden Einfluss auf die Art der Musterbewertung, zum Beispiel durch horizontal bzw. vertikal präsentierte Muster, festgelegte Sehwinkel, die Einschränkung der Musterzugänglichkeit durch Barrieren oder die Verhinderung bestimmter Fortbewegungsarten, die die Musterwahrnehmung der Bienen beeinflussen (Giurfa und Vorbyev 1998; Lehrer 1999). So kann ein erzwungener Abstand vor oder über der Musterfläche offensichtlich die Ausbildung eines neuronalen Templates verhindern und richtet die Aufmerksamkeit der Tiere verstärkt auf einzelne hervorstechende Mustereigenschaften (Schnetter 1968; Schnetter 1972; Srinivasan und Lehrer 1988). Nahes Heranfliegen an die kompakten Muster ermöglicht dagegen die Ausbildung eines Templates und das Bienenverhalten wird dann gut durch eine Ähnlichkeitsfunktion basierend auf dem Flächenüberlappungsgrad beschrieben (Wehner und Lindauer 1966). Um einen Template-Matching-Mechanismus anzuwenden, sind Bienen auch selbstständig in der Lage feste Musterpunkte fixieren (Efler und Ronacher 2000; Wehner 1969; Wehner 1972). Auch das Wahlverhalten vor der Musterfläche passiv fixierter Insekten (Taufliegen: Drosophila melanogaster) lässt sich durch pixelbasierte retinotope Template-Matching-Mechanismen beschreiben (Dill 1995; Dill und Heisenberg 1995; Dill et al. 1993). Allerdings ist selbst bei diesen Versuchen grundsätzlich die Extraktion von Musterparameter, zum Beispiel des Musterschwerpunkts (center of gravity), durch die fixierten Insekten möglich (Ernst und Heisenberg 1999).

Die verwendete Versuchsapparatur wurde so gewählt, dass Bienen sich den Dressur- bzw. Testmustern ohne Einschränkung nähern und den Fixierungspunkt vor den Mustern beim Lernen und Bewerten frei wählen konnten. Damit war zu erwarten, dass die Wahl der einzuprägenden Mustereigenschaften für die Bienen frei und unbeschränkt war und (abgesehen von der Art der Muster) der Lern- und Entscheidungssituation im natürlichen Habitat weitgehend ähnelte. Die verwendete Dressurapparatur ermöglichte den Bienen somit die freie Wahl des Musterbewertungsmechanismus. Die Bienen waren prinzipiell in der Lage, sowohl Template-Matching-Mechanismen wie auch die Parameterextraktion zur Mustererkennung anzuwenden.

Die Bienen wurden mit Differenzdressuren trainiert, das heißt ein Muster wurde stets belohnt, während das andere unbelohnt blieb. Dadurch ließ sich der zu erlernende Parameter gezielt beeinflussen (Angermeier 1976; Giurfa et al. 1999; Grossmann und Beller 1971; Hertz 1935; Horridge et al. 1992). Die Eigenschaften der Muster prägten sich Bienen während der Andressurphase vermutlich beim Abflug ein (Couvillon und Bitterman 1980; Lehrer 1991; Lehrer 1993). Die reziproken Dressurparadigmen Training A und C wurden von den Bienen vergleichbar gut gelernt. Im Mittel reichten zwanzig Dressurbesuche, um das erforderliche Unterscheidungsniveau von 80 % zu erreichen. Bei Training B erreichten die Bienen im Durchschnitt ein geringeres Unterscheidungsniveau von 70 %. Die größere wahrgenommene Ähnlichkeit zwischen den Mustern (vergleiche Abbildung 13 Mitte und links) könnte zu einer weniger guten Unterscheidung zwischen dem Dressurmusterpaar geführt haben, da Bienen sich die Größen- und Formunterschiede von kompakten Mustern weniger gut einprägen können (Hertz 1929; Ronacher 1979).

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Bei der Differenzdressur ist ein wesentlicher Untersuchungspunkt, inwieweit das unbelohnte Muster (TR-) die Auswahl der gelernten Eigenschaften des belohnten Musters (TR+) beeinflusst. Der Vergleich Verhaltensreaktionen der Bienen zeigte (Abbildung 13), dass die Bienen die gelernten Eigenschaften nicht aus dem Vergleich von TR+ und TR- ableiteten, sondern vor allem Eigenschaften von TR+ lernten. TR- wurde auch nie eindeutig vermieden und in einigen Fällen vor einzelnen Mustern sogar bevorzugt (Abbildung 34, Abbildung 35 und Abbildung 36). Vermutlich nahmen die Muster bei den Bienen, die sich in der Regel nahe vor dem belohnten Muster aufhielten (größte Aufenthaltshäufigkeit bis 6 cm vor der Musterfläche, Abbildung 30), fast den gesamten Sehbereich der Biene ein (10 cm Kantenlänge bei den Mustern entsprachen in diesem Abstand einem Sehwinkel von etwa 80°). Das zweite Muster wurde in dieser Situation nur im peripher Sehbereich abgebildet und konnte somit die Entscheidung nicht stark beeinflussen. Dies führte dazu, dass TR- nicht aktiv vermieden wurde. Dies wurde unter Umständen noch unterstützt durch den geringeren Anteil randständiger Bildbereiche am gesamten Sehfeld oder unschärferer Abbildung durch geringere Ommatidienzahl im Randbereich der Komplexaugen (Hamdorf 1995; Penzlin 1989; Wehner 1981; Zollikofer et al. 1995). Die hier vorgestellte Trainingsituation ähnelte somit eher einer Absolutdressur, bei der nur Eigenschaften des belohnten Musters gelernt werden (Angermeier 1976; Giurfa et al. 1999; Giurfa et al. 1996; Hempel de Ibarra et al. 2000; Wehner 1971). Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass Eigenschaften des unbelohnten Musters beim Anfliegen auf TR- gelernt wurden. Bei TR- fehlen allerdings die verstärkenden Reize der Belohnung (Grossmann und Beller 1971), daher trug die beim Anflug auf TR- wahrgenommene Musterinformation vermutlich wenig zur Musterunterscheidung bei. Im Vergleich dazu sind in einem Y-Wahltunnel dressierte Bienen in der Entscheidungskammer relativ weit von den Mustern entfernt, so dass sie beide Muster fast parallel nebeneinander sehen sollten (Giurfa et al. 1999; Giurfa et al. 1999; Giurfa und Vorbyev 1998; Giurfa et al. 1996; Lehrer et al. 1995; Srinivasan und Lehrer 1988). In dieser Situation ist es für Bienen ökonomisch sinnvoll beide Muster miteinander zu vergleichen, sich neben dem belohntem Muster auch das unbelohnte Muster einzuprägen und dieses bei späteren Besuchen aktiv zu vermeiden. Auch bei horizontaler Musterpräsentation entscheidet der Flugabstand über der Ebene mit darüber, ob belohnte und unbelohnte Muster unterschieden werden (Schnetter 1972). Bei der hier verwendeten (vertikalen) Musterpräsentation konnten sich die Bienen ihren Abstand von der Musterfläche frei wählen. Grundsätzlich haben Bienen, die mit einer solchen Versuchapparatur dressiert wurden, TR- aktiv vermeiden gelernt (Ronacher und Duft 1996). Da die Tiere also TR- bei vergleichbarer Dressurapparatur einmal lernten und das andere Mal nicht, muss es vom Versuchsaufbau unabhängige, durch die Bienen frei gewählte, Parameter geben, die beeinflussen, wie stark das unbelohnte Muster gelernt wird. Ein möglicher Einfluss könnte dabei der in den vorliegenden Versuchen von den Bienen gezeigte geringe Flug- und Fixierungsabstand vor den Mustern sein (Abbildung 29, Abbildung 30, Tabelle 8)

2.6.3.2 Einfluss des Wahlverhaltens auf die Dressurleistung der Bienen

Die Bienen näherten sich dem vertikalen Aufbau der Apparatur durch zwei Arten deutlich zu unterscheidenden Flugverhaltens. Bei einem Setzer flogen die Tiere die Muster direkt an und berührten Musterfläche bzw. Röhrchen (hier finden die Bienen während der Dressursituation die Belohnungstropfen vor). Danach drehten die Bienen wieder ab oder setzen sich vollständig auf Muster bzw. Röhrchen. Bei einem Anflug näherten sich die Tiere dem Muster, drehten in kurzem Abstand wieder ab und flogen eine Schleife, ohne das Muster zu berühren, vergleichbar mit einem unvollendeten Setzer. In früheren Arbeiten wurden diese Anflüge und Setzer gemeinsam als visits gewertet (Anderson 1977; Grossmann 1970; Grossmann 1971; Srinivasan und Lehrer 1988). Spätere Arbeiten erweiterten die bewerteten Verhaltensmuster der Bienen auf Tippen, Setzen und Saugen oder Einflüge in Musterkammern, die getrennt ausgewertet werden (Giurfa et al. 1999; Lehrer 1999; Lehrer et al. 1995; Menzel 1967). Auch Berührungen der Muster konnten von Anflügen in direkte Nähe des Musters unterschieden werden (Giurfa et al. 1999) bzw. nur das Berühren und Absetzen auf dem Muster bewertet werden, wobei diesen Verhaltensweisen dann verschiedene Wertigkeiten zugeordnet wurden (Giger und Srinivasan 1995; Lehrer 1999).

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Der Lernerfolg der Tiere (Abbildung 15) zeigte, dass in den hier vorgestellten Versuchen nur die Auswertung der Setzerdaten zu einer Unterscheidung des Dressurmusterpaars führte, die deutlich über einer erforderlichen Wahlreaktion von 75 % für TR+ nach Training A und C lagen. Nach Training B erreichten die Tiere allerdings auch bei den Setzern nur eine Unterscheidungsfrequenz von 70 % für das Dressurpaar. Die Zahl der Anflüge verteilte sich in der Regel gleichmäßig auf beide präsentierten Muster (50:50 Wahl). Die Bienen diskriminierten die Musterpaare also nur bei den Flügen auf die Muster, die mit einem Setzer beendet wurden (Tabelle 6). Vergleichbare Ergebnisse wurden in der Literatur für Anflüge in Testphasen zwischen dem belohnten Muster und neuen Mustern erhalten (Giurfa et al. 1999), Bienen flogen in dieser Untersuchung die Testmuster gleich häufig an, diskriminierten die Muster jedoch nur durch Musterberührungen.

Während der Dressurphase wurde das belohnte Muster signifikant häufiger angeflogen, allerdings mit deutlich geringerer Unterscheidungsleistung verglichen mit den Setzer-Werten. Die Zahl der Anflüge war dabei weiterhin deutlich höher als die Zahl der Berührungen. Die Anflüge ließen sich also nicht ausschließlich als unvollendete Setzer auf TR- deuten, da Bienen genauso oft TR+ wie TR- anflogen, ohne sich darauf zu setzen. Erwartungsgemäß sollten mit zunehmender Unterscheidungsleistung die Zahl der Anflüge auf das unbelohnte Muster ebenso abnehmen wie die Setzer darauf. Dies konnte jedoch nicht beobachtet werden. Daraus lässt sich schließen, dass es verschiedene Arten von Anflügen geben musste: Anflüge, die mit Absetzen enden konnten und reine Anflüge ohne beabsichtigtes Absetzen auf das Muster. Es ist anzunehmen, dass es sich dabei nicht um wahlloses Verhalten handelte, sondern dass der Mustervergleich während dieses Wechselns zwischen den Einzelmustern stattfand (Lehrer et al. 1985; Wehner und Lindauer 1966). Für das Lernen von Farbmustern wurde nachgewiesen, dass während des aktiven Flugs erfolgreicher gelernt wird, vergleichbar zum Lernen während des passiven Sitzens auf der Futterquelle (Grossmann 1970). Dies kann weiter durch Videoauswertungen gestützt werden, wonach das Abfliegen der Muster den Bienen zusätzliche Informationen über die Mustereigenschaften schafft (Lehrer 1991).

In der vorliegenden Arbeit war allerdings nicht zu beobachten, dass jedem Setzer ein zu erwartender vergleichender Anflug voraus ging. Die Ergebnisse der Testserien zeigten, dass TR- nicht zur Auswahl der gelernten Mustereigenschaften beitrug, wie es ein serieller Vergleich der Muster durch Anfliegen erwarten ließe. Demnach lernten die Bienen trotz Anfliegens beider Muster nur das belohnte Muster absolut und es ist anzunehmen, dass die Bewertung der Muster in einer Testsituation bei jedem einzelnen Anflug stattfand. Videoauswertungen der Flugtrajektorien und weitere Versuchsbeobachtungen lieferten auch keinen Hinweis darauf, dass Bewertungseigenschaften erst nach Abfliegen der Muster wahrgenommen wurden. Somit bleibt unklar, warum die Bienen die TR+ genauso oft anflogen wie TR-. Die Ergebnisse deuteten aber darauf hin, dass die Tiere erst kurz vor der Musterebene die Entscheidung für ein Absetzen trafen und dies bei präferierten Mustern nur in der Hälfte der Anflüge taten (Tabelle 6). Der Sinn der überzähligen Anflüge ist unabhängig von der visuellen Unterscheidungsaufgabe, unter Umständen verfielen die Bienen nach kurzzeitiger Extinktion der gelernten Parameter (aufgrund der fehlenden Belohnung während der Testphase) in ein Suchverhalten (Greggers und Menzel 1993). Es wäre dann jedoch zu erwarten, dass das Suchverhalten im Verlauf der Tests zunähme, worauf die qualitativ gemachten Beobachtungen während der Tests allerdings nicht hindeuteten.

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Um den Einfluss auszuschließen, dass durch die erfolgten Belohnungen, sich das Verhalten innerhalb eines Dressurbesuchs änderte, wurde in einem zweien Ansatz statt aufeinander folgender Setzer nur die ersten Entscheidungen der Tiere eines Dressurbesuchs ausgewertet. Diese Beobachtungen glichen damit den in Y-Wahltunnel-Versuchen ausgewerteten ersten Wahlentscheidungen (Giurfa et al. 1999; Lehrer et al. 1995; Srinivasan 1994). Bei dieser Art Auswertung zeigte sich der Lernerfolg der Tiere nach zehn Dressuren nicht nur bei den Setzern sondern auch bei den Anflügen, dann allerdings weniger deutlich (Abbildung 17). Die Entscheidungen waren unabhängig davon, auf welcher Seite TR+ präsentiert wurde. Obwohl die Tiere also bei den Anflügen schon bei der ersten Entscheidung die zu erlernende Präferenz zeigten, flogen die Bienen im weiteren Verlauf beide Muster insgesamt etwa gleich häufig an, unabhängig von der im Test gezeigten Unterscheidungsleistung. Während eines Tests besaßen Anflüge vermutlich keine diskriminierende Bedeutung und wurden zur Auswertung durch die Tiere vermutlich nicht weiter herangezogen. Ein vergleichbares Bild erhielt man bei der Betrachtung der Flugtrajektorien von Bienen bei einem Spontanwahlversuch. Zählte man hier die Wahlhäufigkeit für die einzelnen Muster in Abhängigkeit vom Abstand der Umkehrpunkte vor den Musterflächen aus, ergaben sich aus den Anflüge im Abstand größer als 5 - 10 cm deutlich geringere Wahlfrequenzen als nach Auswertung musternahe Anflüge und Setzer bzw. Zählung der Einflüge in eine Musterkammer (Lehrer et al. 1995). Anflüge besaßen demnach auch in diesem Versuch weniger Aussagekraft, verglichen mit Setzern bzw. Berührungen der Musterfläche. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit bei der Beurteilung der Musterähnlichkeiten nur das Setzerverhältnis ausgewertet.

2.6.3.3 Einfluss bestehender Präferenzen auf die Dressurleistung der Bienen

Bei der Untersuchung, welche Mustereigenschaften Bienen zur Diskriminierung von Futterquellen heranziehen, ist wichtig nachzuweisen, inwieweit die Versuchsbienen durch erworbene Vorerfahrung oder angeborene Präferenzen bestimmter Eigenschaften in der Wahl der Muster beeinflusst werden. Folge von scheinbar spontanen Präferenzen kann zum Beispiel eine unterschiedlich gewichtete Bewertung der antrainierten Mustereigenschaften sein (Kriston 1971). Der direkte Nachweis von Spontanpräferenzen ist vergleichsweise schwer, da die Tiere das auszuwertende Verhalten in der Regel noch nicht zeigen. Die Versuchsplanung verläuft daher meist über die Andressur auf neutrale Reize (Schachbrettmuster oder unfarbige Muster), die Bienen zum Absetzen motivieren, um dann die Setzerhäufigkeit auf weitere unbekannte Testmuster zu erweitern (Untersuchung von erfahrenen Bienen (Lehrer et al. 1995), Untersuchung von naiven Bienen (Giurfa et al. 1995)). Eine vergleichbare Möglichkeit besteht bei horizontaler Dressur darin, den Dressurtisch mit Zuckerwasser zu besprengen und danach auf unbelohnter Fläche unbekannte Muster auszulegen (Hertz 1935). Es bleibt aber in beiden Fällen schwer abzugrenzen, inwieweit die Vorerfahrung der „Neutral“-Dressur die spontane Wahlentscheidung beeinflusst. Bienen können zwar leicht auf neue Reize umdressiert werden, die erste Sammelerfahrung bleibt jedoch stets erhalten (je länger die Dressur war, umso stärker) (Menzel 1969). Es ist also nicht auszuschließen, dass Vorerfahrung späteres Verhalten beeinflusst. Auch der Kontext der Untersuchung hat einen Einfluss auf die Musterbewertung, so zeigte Hertz in frühen Versuchen, dass Bienen eine spontane Präferenz für stark gegliederte Muster besitzen (Hertz 1929; Hertz 1935). Im Unterschied dazu konnte bei Bienen in Heimkehrstimmung eine Präferenz für konturarme geschlossene Formen nachgewiesen werden (Jacobs-Jessen 1959), die durch eine spontane Präferenz für gegliederte Blütenmuster während der Nahrungssuche bzw. die erlernte Präferenz für das Einflugsloch während der Heimkehr begründet werden könnte (Frisch 1965).

Ohne Vorerfahrung sind nur isoliert gehaltene bzw. sehr junge, gerade geschlüpfte (graue) Bienen (Frisch 1993), die unmittelbar nach dem ersten Verlassen des Stockes mit dem Versuch beginnen (Giurfa et al. 1995; Kisch und Erber 1999; Scheiner et al. 1999). Da in der vorliegenden Arbeit nur erfahrene, freifliegende Bienen zur Verfügung standen, war die einzige Möglichkeit, die Menge an Vorerfahrung einzuschränken, indem durch visuelle Kontrolle auf Beschädigung versucht wurde, möglichst junge und erwartungsgemäß unerfahrenere Bienen auszuwählen. Dabei ließ sich aber nicht generell ausschließen, dass die Bienen keine Mustervorerfahrungen hatten, die sie zum Beispiel während der ersten Orientierungsflügen, vor dem eigentlichen Sammelverhalten, sammelten (Capaldi et al. 2000).

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Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung von Spontanpräferenzen besteht darin, aus dem Verhalten der Bienen in Reziproktests auf zu Grunde liegende Spontanpräferenzen zurückzuschließen (Gould 1986). Wären Mustereigenschaften des Dressurmusterpaars den Bienen aus Vorerfahrungen bekannt, stände zu erwarten, dass Bienen diejenigen Muster bevorzugen, die bekannte Merkmale erfüllen. Diese Vorerfahrungen sollten daher die Zunahme des Lernfortschritts entweder positiv oder negativ beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die Möglichkeit von Spontanpräferenzen durch den Vergleich der Lernkurven reziproker Dressuren überprüft. Zudem wurden unterschiedliche Musterpräferenzen durch den Test einzelner Muster gegen ein unbekanntes ungeordnetes Schachbrett als angenommenes neutrales Muster untersucht. Die Bienen präferierten zu Beginn keiner Dressur TR+ bzw. TR- signifikant (Abbildung 17). Es ließ sich keine die Andressur beeinflussende Spontanpräferenz für eines der verwendeten Dressurmuster aufzeigen. Auch der Verlauf der Lernkurven der reziproken Dressurpaare war ähnlich (Abbildung 16), das heißt beide Versuchsparadigmen wurden von Bienen vergleichbar schnell und erfolgreich gelernt. Dieses Ergebnis wurde durch den Vergleich der ersten Anflugs- bzw. Setzerentscheidungen gestützt. Bienen setzten sich unabhängig vom Dressurparadigma häufiger auf das jeweils belohnte Muster. Einzige Ausnahme bildete das Dressurparadigma B mit einem geringeren Diskriminierungsniveau und einer größeren benötigten Anzahl an Dressuren bis zum Erwerb eines stabilen Diskriminierungslevels. Die Ursache bestand hier jedoch weniger in einer Spontanpräferenz für das unbelohnte Muster, sondern vor allem darin, dass Bienen zum Erlernen von Größenunterschieden mehr Zeit benötigten (Ronacher 1980; Ronacher 1983; Ronacher 1992).

2.6.3.4 Fazit: Relevante Datengrundlagen zur Musterdiskriminierung

Grundsätzlich war davon auszugehen, dass die Versuchsapparatur den Bienen freistellte, welchen Auswertemechanismus bei der Musterbewertung sie anwenden, ob Template-Matching-Mechanismen oder Parameter-Extraktion. Dabei zeigten die Bienen die gelernten Präferenzen nur durch das Absetzen bzw. Berühren der Muster. Da Bienen sich schon bei den ersten Entscheidungen für das jeweils belohnte Muster entschieden, zeigte, dass die ersten Kontakte mit dem belohnten Muster genügten, um eine etwa vorhandene Präferenz zu überlagern. Es war also nicht auszuschließen, dass in Testsituationen Bienen Vorinformationen mit auswerteten. Allerdings war der Einfluss der Vorinformationen eher gering, da er sich sonst auch in der Dressursituation zeigen sollte. Es konnte also davon ausgegangen werden, dass die vorgestellten Ergebnisse weitgehend unbeeinflusst von erworbenen bzw. angeborenen Präferenzen waren.


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05.12.2006