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Sensory Ecology of Carbon Dioxide Perception in Leaf-cutting Ants

Sensorische Ökologie der Kohlendioxid-Wahrnehmung bei Blattschneiderameisen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-1562
  • The study examines the sensory ecology of CO2 perception in leaf-cutting ants. It begins with the ecological role of CO2 for leaf-cutting ants. Inside the subterranean nests of Atta vollenweideri large amounts of CO2 are produced by the ants and their symbiotic fungus. Measurements in field nest at different depths revealed that CO2 concentrations do not exceed 2 per cent in mature nests. These findings indicate effective ventilation even at depths of 2 m. Small colonies often face the situation of reduced ventilation when they close their nestThe study examines the sensory ecology of CO2 perception in leaf-cutting ants. It begins with the ecological role of CO2 for leaf-cutting ants. Inside the subterranean nests of Atta vollenweideri large amounts of CO2 are produced by the ants and their symbiotic fungus. Measurements in field nest at different depths revealed that CO2 concentrations do not exceed 2 per cent in mature nests. These findings indicate effective ventilation even at depths of 2 m. Small colonies often face the situation of reduced ventilation when they close their nest openings as a measure against flooding. A simulation of this situation in the field as well as in the laboratory revealed increasing CO2 concentrations causing reduced colony respiration which ultimately might limit colony success. Wind-induced ventilation is the predominant ventilation mechanism of the nests of Atta vollenweideri, shown by an analysis of external wind and airflow in the channels. The mound architecture promotes nest ventilation. Outflow channels have their openings in the upper, central region and inflow channels had their openings in the lower, peripheral region of the nest mound. Air is sucked out through the central channels, followed by a delayed inflow of air through the peripheral channels. The findings support the idea that the nest ventilation mechanism used by Atta vollenweideri resembles the use of Bernoulli’s principle in Venturi Tubes and Viscous Entrainment. CO2 is important in a second context besides microclimatic control. A laboratory experiment with Atta sexdens demonstrated that leaf-cutting ants are able to orientate in a CO2 gradient. Foragers chose places with higher CO2 concentration when returning to the nest. This effect was found in all homing foragers, but it was pronounced for workers carrying leaf fragments compared to workers without leaf fragments. The findings support the hypothesis that CO2 gradients are used as orientation cue inside the (dark) nest to find suited fungus chambers for unloading of the leaf fragments. After the importance of CO2 in the natural history of the ants has thus been demonstrated, the study identifies for the first time in Hymenoptera type and location of the sensory organ for CO2 perception. In Atta sexdens a single neuron associated with the sensilla ampullacea was found to respond to CO2. Since it is the only neuron of this sensillum, the sensillum characters can be assumed to be adapted for CO2 perception. A detailed description of the morphology and the ultrastructure allows a comparison with sensilla for CO2 perception found in other insects and provides more information about sensillum characters and their functional relevance. The CO2 receptor cells respond to increased CO2 with increased neural activity. The frequency of action potentials generated by the receptor cell shows a phasic-tonic time course during CO2 stimulation and a reduced activity after stimulation. Phasic response accomplished with a reduced activity after stimulation results in contrast enhancement and the ability to track fast fluctuations in CO2 concentration. The neurons have a working range of 0 to 10 per cent CO2 and thus are able to respond to the highest concentrations the ants might encounter in their natural environment. The most exciting finding concerning the receptor cells is that the CO2 neurons of the leaf-cutting ants do not adapt to continuous stimulation. This enables the ants to continuously monitor the actual CO2 concentration of their surroundings. Thus, the sensilla ampullacea provide the ants with the information necessary to orientate in a CO2 gradient (tracking of fluctuations) as well as with the necessary information for microclimatic control (measuring of absolute concentrations).show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der sensorischen Ökologie der CO2-Wahrnehmung bei Blattschneiderameisen. Im folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse stichpunktartig zusammengefaßt: Messungen in Freiland-Nestern von Atta vollenweideri ergaben selbst in Tiefen von zwei Metern Konzentrationen von weniger als 2 Prozent CO2, obwohl sowohl die Ameisen als auch ihr symbiontischer Pilz große Mengen an CO2 produzieren. Diese Tatsache weist auf eine effektive Belüftung der Nester hin. Kleine, wachsende Kolonien mit flachen NesthügelnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der sensorischen Ökologie der CO2-Wahrnehmung bei Blattschneiderameisen. Im folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse stichpunktartig zusammengefaßt: Messungen in Freiland-Nestern von Atta vollenweideri ergaben selbst in Tiefen von zwei Metern Konzentrationen von weniger als 2 Prozent CO2, obwohl sowohl die Ameisen als auch ihr symbiontischer Pilz große Mengen an CO2 produzieren. Diese Tatsache weist auf eine effektive Belüftung der Nester hin. Kleine, wachsende Kolonien mit flachen Nesthügeln verhindern bei Regen ein Fluten ihrer Nester, indem sie die Eingänge verschließen. Dies führt zum Anstieg der CO2-Konzentration im Inneren der Nester. Eingeschränkte Belüftung der Nester führt zu reduzierter Atmung der Kolonie. Dies kann negative Auswirkungen auf das Wachstum der Kolonie haben. Die Architektur der Nesthügel unterstützt die passive, durch Wind induzierte Belüftung der Nester. Es lassen sich Abluft und Zuluft-Kanäle unterscheiden. Abluftkanäle haben ihre Öffnungen im zentralen, erhöhten Bereich der Nesthügel. Die Öffnungen der Zuluftkanäle liegen im peripheren, tiefer gelegenen Bereich der Nesthügel. Durch Wind wird verbrauchte Luft aus den Abluftkanälen gesaugt, frische Luft strömt verzögert durch die Zuluftkanäle ein. Die physikalischen Mechanismen sind vergleichbar dem Bernoulli Prinzip. CO2 wird von Atta sexdens Arbeiterinnen zur Orientierung genutzt. Arbeiterinnen, welche vom foragieren zu ihrem Nest zurückkehren, bevorzugen in einem Wahlversuch eine erhöhte CO2-Konzentration. Dieser Effekt ist bei Arbeiterinnen die Blattfragmente tragen stärker ausgeprägt. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, daß CO2 beim Orientieren zu den Pilzgärten im dunklen Nest genutzt wird. Sensilla ampullacea auf den Antennen sind die Sinnesorgane der CO2-Perzeption. Eine einzige CO2-Rezeptorzelle innerviert das einwandige Sinneshaar. Das Sinneshaar befindet sich in einer Ampulle, die tief versenkt in der Antenne liegt und nur durch einen langen, dünnen Gang mit der Außenwelt in Verbindung steht. Die Rezeptorzellen zeigen ein phasisch-tonisches Antwortverhalten in dem Bereich von 0-10 Prozent CO2. Geringe und kurzzeitige Schwankungen der CO2-Konzentrationen können erkannt werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine Orientierung in einem CO2-Gradienten. Die CO2-Rezeptorzellen zeigen bei lang anhaltender Stimulation keine Adaptation. Ameisen können demnach kontinuierlich die absolute CO2-Konzentration in ihren Nestern messen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christoph Kleineidam
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-1562
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:1999/10/13
Language:English
Year of Completion:1999
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Blattschneiderameisen; Wahrnehmung; Kohlendioxid
Tag:Arthropoda; Atta sexdens; Atta vollenweideri; Formicidae; Insecta; Kohlendioxid; Morphologie; Sensillum ampullaceum; sensorische Ökologie
Arthropoda; Atta sexdens; Atta vollenweideri; Formicidae; Insecta; carbon dioxide; morphology; sensillum ampullaceum; sensory ecology
Release Date:2002/08/13
Advisor:Prof.Dr. Jürgen Tautz