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Building behavior and nest climate control in leaf-cutting ants: How environmental cues affect the building responses of workers of \(Atta\) \(vollenweideri\)

Bauverhalten und Kontrolle des Nestklimas bei Blattschneiderameisen: Wie Umweltreize die Bauaktivität von Arbeiterinnen der Art \(Atta\) \(vollenweideri\) beeinflussen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-161701
  • The present work investigates the influence of environmental stimuli on the building behavior of workers of the leaf-cutting ant Atta vollenweideri. It focuses on cues related to the airflow-driven ventilation of their giant underground nests, i.e., air movements and their direction, carbon dioxide concentrations and humidity levels of the nest air. First, it is shown that workers are able to use airflow and its direction as learned orientation cue by performing learning experiments with individual foragers using a classical conditioningThe present work investigates the influence of environmental stimuli on the building behavior of workers of the leaf-cutting ant Atta vollenweideri. It focuses on cues related to the airflow-driven ventilation of their giant underground nests, i.e., air movements and their direction, carbon dioxide concentrations and humidity levels of the nest air. First, it is shown that workers are able to use airflow and its direction as learned orientation cue by performing learning experiments with individual foragers using a classical conditioning paradigm. This ability is expected to allow workers to also navigate inside the nest tunnels using the prevailing airflow directions for orientation, for example during tasks related to nest construction and climate control. Furthermore, the influence of carbon dioxide on the digging behavior of workers is investigated. While elevated CO2 levels hardly affect the digging rate of the ants, workers prefer to excavate at locations with lower concentrations and avoid higher CO2 levels when given a choice. Under natural conditions, shifting their digging activity to soil layers containing lower carbon dioxide levels might help colonies to excavate new or to broaden existing nest openings, if the CO2 concentration in the underground rises. It is also shown that workers preferably transport excavated soil along tunnels containing high CO2 concentrations, when carbon dioxide levels in the underground are elevated as well. In addition, workers prefer to carry soil pellets along outflow tunnels instead of inflow tunnels, at least for high humidity levels of the air. The material transported along tunnels providing outflow of CO2-rich air might be used by workers for the construction of ventilation turrets on top of the nest mound, which is expected to promote the wind-induced ventilation and the removal of carbon dioxide from the underground. The climatic conditions inside the nest tunnels also influence the structural features of the turrets constructed by workers on top the nest. While airflow and humidity have no effect on turret structure, outflow of CO2-rich air from the nest causes workers to construct turrets with additional openings and increased aperture, potentially enhancing the airflow-driven gas exchanges within the nest. Finally, the effect of airflow and ventilation turrets on the gas exchanges in Atta vollenweideri nests is tested experimentally on a physical model of a small nest consisting of a single chamber and two nest tunnels. The carbon dioxide clearance rate from the underground was measured depending on both the presence of airflow in the nest and the structural features of the built turrets. Carbon dioxide is removed faster from the physical nest model when air moves through the nest, confirming the contribution of wind-induced flow inside the nest tunnels to the ventilation of Atta vollenweideri nests. In addition, turrets placed on top of one of the tunnel openings of the nest further enhance the CO2 clearance rate and the effect is positively correlated with turret aperture. Taken together, climatic variables like airflow, carbon dioxide and humidity levels strongly affect the building responses of Atta vollenweideri leaf-cutting ants. Workers use these environmental stimuli as orientation cue in the nest during tasks related to excavation, soil transport and turret construction. Although the effects of these building responses on the microclimatic conditions inside the nest remain elusive so far, the described behaviors are expected to allow ant colonies to restore and maintain a proper nest climate in the underground.show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltreizen auf das Bauverhalten von Blattschneiderameisen der Art Atta vollenweideri. Dabei wird der Fokus auf Luftströmungen und deren Richtung, sowie CO2-Konzentration und Feuchtigkeitsgehalt der Luft gelegt, welche alle im Zusammenhang mit dem wind-induzierten Ventilationssystem der riesigen, unterirdischen Nester stehen. Zunächst wird experimentell mit Hilfe von klassischer Konditionierung gezeigt, dass Arbeiterinnen während des Furagierens lernen können, Luftströmungen sowie derenDie vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltreizen auf das Bauverhalten von Blattschneiderameisen der Art Atta vollenweideri. Dabei wird der Fokus auf Luftströmungen und deren Richtung, sowie CO2-Konzentration und Feuchtigkeitsgehalt der Luft gelegt, welche alle im Zusammenhang mit dem wind-induzierten Ventilationssystem der riesigen, unterirdischen Nester stehen. Zunächst wird experimentell mit Hilfe von klassischer Konditionierung gezeigt, dass Arbeiterinnen während des Furagierens lernen können, Luftströmungen sowie deren Richtung zur Orientierung zu nutzen. Diese Fähigkeit sollte Arbeiterinnen auch die Navigation im Nest anhand der auftretenden Strömungsrichtung der Luft, zum Beispiel während Tätigkeiten im Kontext des Nestbaus und der Klimakontrolle, ermöglichen. Weiterhin wird der Einfluss von Kohlenstoffdioxid auf das Grabeverhalten von Arbeiterinnen untersucht. Obwohl CO2 kaum die Grabe-Rate der Ameisen beeinflusst, graben Arbeiterinnen bevorzugt an Orten mit niedrigerer Konzentration und vermeiden höhere Konzentrationen, wenn möglich. Unter natürlichen Bedingungen könnte das Verlagern der Grabeaktivität in Bodenschichten mit niedrigerer CO2-Konzentration Kolonien dabei helfen, neue Nestöffnungen zu graben oder bestehende zu erweitern, wenn die CO2-Konzentration unter der Erde zunimmt. Zusätzlich wird gezeigt, dass Arbeiterinnen ausgegrabene Erde vornehmlich entlang Tunnel transportieren, die eine hohe CO2-Konzentration aufweisen, wenn die CO2-Konzentration im Untergrund ebenfalls erhöht ist. Zudem bevorzugen Arbeiterinnen den Transport von Erdmaterial entlang Ausstrom- anstatt Einstrom-Tunnel, zumindest für hohe Luftfeuchtigkeiten. Material, welches entlang Nesttunnel transportiert wird, aus denen CO2-haltige Luft ausströmt, könnte Arbeiterinnen zum Bau der Ventilationstürme an der Nestoberfläche dienen, was die wind-induzierte Belüftung der Nester verstärken und die Abfuhr von CO2 aus dem Nest fördern sollte. Die klimatischen Bedingungen in den Nesttunneln beeinflussen auch die strukturellen Eigenschaften der Ventilationstürme, die von Arbeiterinnen oberhalb des Nests errichtet werden. Während Luftströmungen und Luftfeuchtigkeit keinen Einfluss auf die Struktur der Türme haben, veranlasst das Ausströmen von CO2-haltiger Luft aus dem Nest Arbeiterinnen dazu, Türme zu bauen, die mehrere Öffnungen und eine vergrößerte Öffnungsfläche besitzen, was den strömungsinduzierten Gasaustausch im Nest begünstigen könnte. Abschließend werden die Auswirkungen von Luftströmungen und Ventilationstürmen auf den Gasaustausch in den Nestern der Blattschneiderameise Atta vollenweideri mit Hilfe eines physikalischen Modells eines kleinen Nests, bestehend aus einer einzelnen Nestkammer und zwei Nesttunneln, untersucht. Die Abfuhr-Rate von CO2 aus dem Untergrund wurde abhängig vom Vorhandensein von Luftströmungen und den strukturellen Eigenschaften der errichteten Ventilationstürme gemessen. CO2 wird schneller aus dem physikalischen Modell entfernt, wenn Luft durch das Nest strömt, was den Beitrag von Luftbewegungen in den Tunneln zur Ventilation der Nester von Atta vollenweideri bestätigt. Ventilationstürme an einer der Nestöffnungen platziert, verstärken zusätzlich die Abfuhr-Rate von CO2 aus dem Nest und dieser Effekt nimmt mit zunehmender Öffnungsfläche der Türme zu. Zusammengefasst beeinflussen Klimavariablen wie Luftströmungen, Kohlenstoffdioxid und Luftfeuchtigkeit stark das Bauverhalten von Blattschneiderameisen der Art Atta vollenweideri. Arbeiterinnen nutzen diese Umweltreize zur Orientierung im Nest während Tätigkeiten, die im Zusammenhang mit Grabeverhalten, dem Transport von Erdmaterial und dem Bau von Ventilationstürmen stehen. Obwohl die Auswirkungen dieser Bauantworten auf die mikroklimatischen Bedingungen im Nest zunächst noch unklar sind, wird angenommen, dass die beschriebenen Verhaltensweisen es Kolonien erlauben, ein geeignetes Nestklima wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten.show moreshow less

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Metadaten
Author: Florian Halboth
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-161701
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Flavio Roces
Date of final exam:2018/05/04
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 577 Ökologie
GND Keyword:Verhalten; Ameisen; Nestbau; Klima; Kohlendioxid
Tag:Atta vollenweideri; airflow; building behavior; carbon dioxide; climate control; leaf-cutting ants; nest climate
Release Date:2018/08/06
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitungen 4.0 International