Nesting behaviour of the paper wasp Polistes dominula - with special focus on thermoregulatory mechanisms | Nistverhalten der Feldwespe Polistes dominula - mit besonderem Augenmerk auf thermoregulatorische Mechanismen

English. Wasps of the genus Polistes comprise over 200 species and are nearly cosmopolitan. They show a lack of physiological caste differentiation and are therefore considered as primitively eusocial. Furthermore, paper wasps are placed between the solitary living Eumenidae and the highly social organized Vespinae. Hence, they are often called a “key genus” for understanding the evolution of sociality. Particularly, Polistes dominula, with its small easy manageable nests and its frequent occurrence and wide distribution range is often the subject of studies. In Europe, the invasion of this species into northern regions is on the rise. Since little was known about the nesting behaviour of P. dominula in Central Europe, the basic principles about nesting were investigated in Würzburg, Germany (latitude 49°) by conducting a comprehensive field-study spanning three consecutive years. Furthermore, the thermoregulation of individual wasps in their natural habitat had not yet been investigated in detail. Therefore, their ability to respond to external hazards with elevated thorax temperatures was tested. In addition, different types of nest thermoregulation were investigated using modern methods such as infrared thermography and temperature data logger. In the present work, the investigation of basic nesting principles revealed that foundress groups (1-4 foundresses) and nests are smaller and that the nesting season is shorter in the Würzburg area than in other regions. The mean size of newly founded nests was 83 cells and the average nesting season was around 4.6 months. The queens neither preferred single (54%) nor multiple founding (46%) in this study. The major benefit of multiple founding is an increased rate of survival. During the three years of observation, only 47% of single-foundress colonies survived, whereas 100% of colonies that were built by more than two queens, survived. However, an influence of the number of foundresses on the productivity of colonies in terms of number of cells and pupae per nest has not shown up. However, the length of the nesting season as well as the nest sizes varied strongly depending on the climatic conditions of the preceding winter during the three consecutive years. In order to investigate the thermoregulatory mechanisms of individual adult P. dominula wasps, I presented artificial threats by applying smoke or carbon dioxide simulating fire and predator attacks, respectively, and monitored the thorax temperature of wasps on the nest using infrared thermography. The results clearly revealed that P. dominula workers recognized smoke and CO2 and reacted almost instantaneously and simultaneously with an increase of their thorax temperature. The maximal thorax temperature was reached about 65 s after the application of both stressors, but subsequently the wasps showed a different behaviour pattern. They responded to a longer application of smoke with moving to the exit and fled, whereas in case of CO2 the wasps started flying and circling the nest without trying to escape. No rise of the thorax temperature was detectable after an air blast was applied or in wasps resting on the nest. Additionally, the thorax temperatures of queens were investigated during dominance battles. I found that the thorax temperature of the dominant queens rose up to 5°C compared to that of subordinate queens that attacked the former. The study of active mechanisms for nest thermoregulation revealed no brood incubation or clustering behaviour of P. dominula. Furthermore, I found out that wing fanning for cooling the nest was almost undetectable (4 documented cases). However, I could convincingly record that water evaporation is most effective for nest cooling. By the direct comparison of active (with brood and adults) and non-active (without brood and adults) nests, the start of cooling by water evaporation was detected above maximum outside temperatures of 25°C or at nest temperatures above 35°C. The powerful role of water in nest cooling was manifested by an average decrease of temperature of a single cell of about 8°C and a mean duration of 7 min until the cell reached again its initial temperature. The investigation of passive thermoregulatory mechanisms revealed that the nest site choice as well as nest orientation appears to be essential for P. dominula wasps. Furthermore, I was able to show that the architecture of the nests plays an important role. Based on the presented results, it can be assumed that the vertical orientation of cells helps maintaining the warmth of nests during the night, whereas the pedicel assists in cooling the nest during the day.

German. Die Wespen-Gattung Polistes ist mit über 200 Arten nahezu auf der ganzen Welt vertreten. Da physiologische Unterschiede zwischen den Kasten fehlen, werden sie als primitiv eusozial eingestuft. Des Weiteren werden sie zwischen den solitär lebenden Eumenidae und den hoch eusozialen Vespinae eingeordnet. Sie werden daher oft als „Schlüssel-Gattung“ für das Verständnis der Evolution von Sozialität bezeichnet. Insbesondere Polistes dominula (Haus-Feldwespe) wird aufgrund der kleinen einfach zu handhabenden Nester, dem häufigen Vorkommen und der weiten Verbreitung vielfach für Studien genutzt. In Europa ist diese Wespenart auf dem Vormarsch in nördlichere Regionen. Bisher war kaum etwas über das Nistverhalten von P. dominula in Zentraleuropa bekannt. Daher wurde eine umfassende, drei aufeinanderfolgende Jahre andauernde Freilandstudie zu den Grundlagen des Nistverhaltens in Würzburg (Deutschland, Breitengrad 49°) durchgeführt. Auch die Thermoregulation der Einzeltiere wurde noch nie im Detail erforscht. Daher wurde ein Experiment durchgeführt, das aufzeigen sollte, ob diese Tiere die Fähigkeit besitzen, mit erhöhten Thoraxtemperaturen auf Gefahr zu reagieren. Zusätzlich kamen neuere Methoden wie die Infrarot-Thermographie und Temperaturdatenlogger zum Einsatz, um die verschiedenen Arten der Nestthermoregulation zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit über die Grundlagen des Nistverhaltens zeigte sich, dass im Vergleich zu anderen Regionen in Würzburg sowohl die Gruppengröße der Nestgründerinnen (1-4 Gründerinnen) als auch die Nester an sich kleiner sind (≈ 83 Zellen) und die Nestsaison kürzer (≈ 4,6 Monate). Die Königinnen bevorzugten weder die Gründung des Nestes allein (54%) noch zusammen mit mehreren Königinnen (46%). Der größte Vorteil einer Gründung der Nester durch mehrere Königinnen liegt in einer erhöhten Überlebensrate der Nester. In der drei Jahre andauernden Studie überlebten nur 47% der Nester, die von einer Königin gegründet wurden, während 100% der Völker, die von mehr als zwei Königinnen gegründet wurden, überlebten. Es konnte jedoch kein Einfluss der Anzahl an Gründerinnen auf die Produktivität (bezüglich der Anzahl von Zellen und Puppen) der Völker festgestellt werden. Allerdings variierten Saisonlängen und Nestgrößen stark in Abhängigkeit der klimatischen Bedingungen des vorangegangenen Winters in den drei aufeinanderfolgenden Jahren. Zur Untersuchung der thermoregulatorischen Mechanismen der adulten Tiere setzte ich künstliche Bedrohungen in Form von Rauch und Kohlendioxid ein, um entweder ein Feuer oder einen Raubtierangriff zu simulieren. Die Thoraxtemperaturen der auf dem Nest sitzenden Feldwespen wurde zeitgleich mit einer Thermokamera überwacht. Die Ergebnisse belegen eindeutig, dass P. dominula-Arbeiterinnen Rauch und CO2 wahrnehmen und beinahe unverzüglich und zeitgleich mit einer Erhöhung der Thoraxtemperatur reagieren. Nach der Applikation der beiden Stressoren war die maximale Temperatur nach durchschnittlich 65 s erreicht, allerdings zeigten die Wespen unterschiedliche Verhaltensmuster. Auf eine längere Rauchapplikation reagierten sie mit Flucht, während sie im Fall von CO2 fliegend das Nest umkreisten, ohne zu fliehen. Nach der Gabe eines Luftstoßes oder bei ruhenden Wespen war kein Anstieg der Thoraxtemperatur nachweisbar. Zusätzlich wurden die Thoraxtemperaturen von Königinnen bei Dominanzkämpfen untersucht. Ich verzeichnete einen Anstieg der Thoraxtemperatur der dominanten Königin um bis zu 5°C im Vergleich zu der Temperatur der untergeordneten Königin, die die dominante angriff. Die Studie der aktiven Mechanismen der Nestthermoregulation belegte, dass bei P. dominula kein Heizen der Brut oder „Clustern“ stattfindet. Des Weiteren war Fächeln zur Kühlung des Nestes so gut wie nicht feststellbar (4 dokumentierte Fälle). Allerdings war ich in der Lage nachzuweisen, dass die Verdunstung von Wasser für die Kühlung des Nestes sehr effektiv ist. Durch den direkten Vergleich von aktiven (mit Brut und adulten Tieren) und nicht-aktiven (ohne Brut und adulten Tieren) Nestern konnte der Beginn des Kühlens bei einer maximalen Außentemperatur von über 25°C oder einer Nesttemperatur von über 35°C ermittelt werden. Die wichtige Rolle, die Wasser für die Nestkühlung spielt, zeigte sich zum Einen durch die mittlere Abkühlung einer einzelnen Zelle von ca. 8°C und zum Anderen durch eine durchschnittliche Dauer von 7 min, bis die Zelle wieder ihre Ausgangstemperatur erreichte. Die Untersuchung der passiven Mechanismen zur Nestthermoregulation zeigte, dass sowohl die Wahl des Nistplatzes als auch die Orientierung des Nestes für die Haus-Feldwespe essentiell ist. Darüber hinaus war ich in der Lage nachzuweisen, dass die Architektur des Nestes eine entscheidende Rolle spielt. Auf der Grundlage der vorgestellten Ergebnisse kann angenommen werden, dass die nach unten ausgerichteten Zellen helfen, das Nest nachts zu wärmen, während der Stiel des Nestes hilft, das Nest tagsüber zu kühlen.