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Mechanismen zur Regulierung der Nestgröße während des Koloniewachstums bei Blattschneiderameisen

Mechanisms of nest size regulation during colony growth in leaf-cutting ants

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-46311
  • Die Strukturen der Ameisennester, so wird seit einiger Zeit vermutet, entstehen aufgrund eines selbstorganisierten Prozesses, bei dem die einzelne Ameise nur über lokale Informationen verfügt, ohne eine Übersicht über das globale Muster zu haben. Die Gesamtstruktur resultiert demnach viel eher durch multiple Interaktionen, die entweder direkt zwischen den Individuen oder zwischen den Individuen und ihrer Umgebung stattfinden. Ziel dieser Arbeit war es, die Kriterien zu untersuchen, nach denen sich die Blattschneiderameisen während des NestbausDie Strukturen der Ameisennester, so wird seit einiger Zeit vermutet, entstehen aufgrund eines selbstorganisierten Prozesses, bei dem die einzelne Ameise nur über lokale Informationen verfügt, ohne eine Übersicht über das globale Muster zu haben. Die Gesamtstruktur resultiert demnach viel eher durch multiple Interaktionen, die entweder direkt zwischen den Individuen oder zwischen den Individuen und ihrer Umgebung stattfinden. Ziel dieser Arbeit war es, die Kriterien zu untersuchen, nach denen sich die Blattschneiderameisen während des Nestbaus richten, um so die Frage zu beantworten, ob es für die Entstehung der Strukturen nur der Interaktion mit der Umgebung bedarf oder ob direkte soziale Interaktionen auch einen Einfluss darauf haben. Betrachtet wurde dazu die Kontrolle der Nestgröße während verschiedener Stadien der Kolonieentwicklung: in der Gründungsphase, in der die Königin die Entscheidungen alleine und ohne soziale Interaktionen fällt; in der darauf folgenden Etablierungsphase, in der Arbeiterinnen entweder alleine oder in kleinen Gruppen die bereits existierenden Strukturen verändern; sowie im adulten Stadium, in der die Bautätigkeit von mehreren Tausend Arbeiterinnen ausgeführt werden kann. Königinnen graben unverzüglich nach dem Hochzeitsflug ein Gründungsnest, das aus einem vertikalen Tunnel und einer horizontalen Kammer besteht, in welcher die erste Brut und der Pilz gezüchtet werden. Um ein Gründungsnest zu graben, muss die Königin zuerst mit ihren Mandibeln kopfüber am Boden graben. Hierbei legt sie einen Tunnel an, der einen etwas größeren Durchmesser als sie selbst besitzt. Ist dann die gewünschte Tunnellänge erreicht, so wechselt sie vom vertikalen Tunnel zum horizontalen Kammergraben, worauf anschließend der Tunnel verschlossen wird. Die Frage, die sich nun stellt, ist, wie Atta vollenweideri Königinnen die Länge des Tunnels bewerten, um den Wechsel zum Kammergraben einzuleiten. Aufgrund der Ergebnisse wird angenommen, dass die Königinnen sowohl die Länge des Tunnels, wahrscheinlich über Propriozeption, als auch die Grabezeit abschätzen und mit einer internen Referenz vergleichen. Wurde demnach weder die erwartete Länge noch die maximal schon investierte Zeit erreicht, so fuhren die Königinnen fort den Tunnel zu verlängern. Der Wechsel vom Tunnel zum Kammergraben wurde dann eingeleitet, wenn die Königinnen, in Abhängigkeit von den jeweiligen Bodenbedingungen, entweder zuerst die erwartete Länge oder die zu investierende Zeit erreicht hatten. Daraufhin fingen sie an die Kammer zu bauen, wobei sie die nun ausgegrabenen Lehmpartikel dazu benutzten, den Tunnel zu verschließen. Diese wurden von oben bis unten komplett verschlossen, womit die Kammergrößen von den Tunnellängen abhängig waren. Wurden die Königinnen jedoch mit Tunneln konfrontiert, die experimentell über die erwartete Länge hinaus verlängert wurden, so wurden diese nicht mehr über die komplette Strecke, sondern in mehreren Teilabschnitten verschlossen. Dies deutet darauf hin, dass bei der Regulierung der Kammergröße ein weiterer Mechanismus involviert ist. Nach 2-3 Monaten schlüpfen in der Regel die ersten Arbeiterinnen, womit die Kolonie in die Wachstumsphase eintritt. Mit dem Wachsen der Kolonie wird das Gründungsnest verändert, wobei die Arbeiterinnen die bereits existierende Pilzkammer vergrößern und neue Tunnel anlegen. Nach welchen Kriterien sie sich dabei richten, war allerdings nicht bekannt. Gezeigt werden konnte, dass Acromyrmex lundi Arbeiterinnen anfangen ein Nest zu vergrößern, wenn sich der frei für die Ameisen zur Verfügung stehende Platz innerhalb des Nestes reduziert und dass sie aufhören, wenn wiederum genügend Platz vorhanden ist. Eine Zunahme in der Gruppengröße (1, 2, 6 und 12 Tiere) bewirkte somit, einen proportionalen Anstieg des ausgegrabenen Volumens und damit der Arbeitsleistung der Kolonie. Ob beim Graben aber eher die schon vorhandenen Pilzkammer vergrößert oder neue Tunnel angelegt werden, hing von der Stimuluskombination ab. So bewirkte ein Platzmangel, ausgelöst durch eine, relativ zur Nestgröße, große Zahl an Arbeiterinnen, das bereits existierende Tunnel verlängert oder neue angelegt wurden. Eine Kammervergrößerung konnte dagegen nur beobachtet werden wenn Pilz vorhanden und der Platz in der Kammer reduziert war. Die Arbeiterinnen reagierten dabei, auf dieselben Stimuli mit denselben Verhaltensmustern, unabhängig davon ob sie alleine oder in einer Gruppe gruben. Je mehr Ameisen sich aber in der Gruppe befanden desto mehr wurden die Kammern zunächst vergrößert, wobei sich jedoch keine Korrelation mit der Gruppengröße zeigte. Dies lässt darauf schließen, dass die Vergrößerung von den sich gleichzeitig am Graben beteiligenden Ameisen abhängt, die die Kammern so lange vergrößern bis genügend Platz vorhanden ist. Die Zahl der Ameisen die sich jedoch am Graben beteiligen nimmt mit steigender Gruppengröße zu, weswegen die Kammern bei großen Ameisenzahlen größer wurden. Gleichzeitig mit dem Vergrößern fingen die Ameisen jedoch an ausgegrabene Lehmpartikel in der Kammer zu deponieren. Dies bewirkte, dass vor allem größere Kammern im Nachhinein verkleinert wurden, bis ein bestimmter Abstand zum Pilz erreicht war, bei dem eventuell zwei Ameisen aneinander vorbeilaufen konnten. Somit hatte die Einlagerung der Lehmpartikel in der Kammer zur Folge, dass die Kammergröße im Nachhinein besser dem Pilzvolumen angepasst wurde. Ähnlich wie bei der Kammervergrößerung verhielt es sich beim Anlegen der Tunnel. Auch diese wurden umso breiter je mehr Tiere sich gleichzeitig am Graben beteiligten und wurden dann im Nachhinein durch Einlagerung von Lehmpartikeln auf eine bestimmte Breite reduziert. Zusätzlich wurden die Tunnel aber auch umso länger je mehr Ameisen sich in der Gruppe befanden, weshalb die Nestgröße über die Größe der Gruppe reguliert wurde. Acromyrmex lundi Nester bestehen in der Regel aus einer großen zentralen Pilzkammer und aus mehreren Tunneln, die diese mit der Erdoberfläche verbinden. Wie die Ameisen in dem adulten Stadium die Größe der Pilzkammer regulieren, wurde bisher noch nicht untersucht. Als mögliche Kriterien, nach denen sich die Ameisen richten könnten, wurde sowohl das vorhandene Pilzvolumen als auch die Anzahl an Arbeiterinnen in Betracht gezogen. Gezeigt werden konnte, dass die Kammern umso größer werden, je mehr Pilzvolumen vorhanden ist. Aufgrund dessen wird angenommen, dass der Pilz beim Bau der Pilzkammer als Vorlage dient und somit das Grabeverhalten räumlich organisiert. Eine Erhöhung der Ameisenzahlen bewirkte dagegen eine Vergrößerung des Nestvolumens durch das Anlegen von Tunneln. Dadurch nahm das insgesamt ausgegrabene Volumen und damit die Grabeaktivität mit der Größe der Kolonie zu. Allerdings stieg es nicht, wie bei den kleinen Gruppen beobachtet werden konnte, proportional zur Koloniegröße an. Vermutet wird, dass sowohl die Kammer- als auch die Nestvergrößerung über die Individuendichte reguliert wird. Demnach würden die Tiere anfangen zu graben, wenn die Individuendichte über einen Schwellenwert ansteigt und aufhören, wenn die Dichte wiederum unter diesen Schwellenwert fällt. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass die Grabeaktivität nicht nur über die Individuendichte, sondern zusätzlich noch durch ein rhythmisches Graben in der Nacht geregelt zu sein scheint. Zusammengenommen konnte also gezeigt werden, dass Königinnen auf Stimuli in ihrer Umgebung reagieren, indem sie die Tiefe des Gründungsnestes durch das Abschätzen der schon gegrabenen Tunnellänge bestimmen. Das Nestgraben erfolgt allerdings nicht nach einem einfachen Stimulus-Antwort-Mechanismus, sondern die Königinnen richten sich zusätzlich noch nach der Zeit, was einen internen Messfaktor darstellt. Ebenfalls scheint die Kammergröße durch mindestens zwei Mechanismen reguliert zu werden. Somit fließen sowohl bei der Bestimmung der Tunnellänge als auch bei der Regulation der Kammergröße mehrere Kriterien in die Entscheidung mit ein. Ebenso wie die Königinnen reagieren einzelne Individuen auf unterschiedliche Stimuli in ihrer Umgebung, wodurch unterschiedliche Neststrukturen entstehen können. So fangen Ameisen an ein Nest zu vergrößern, wenn sich der zur Verfügung stehende Platz innerhalb des Nestes reduziert. Wächst der Pilz so reduziert sich der Abstand zwischen Pilz und Kammerwand, was für die Tiere ein Signal ist, die Kammer zu vergrößern. Dabei wird der Pilz als Vorlage verwendet, der das Graben räumlich organisiert. Ist der Platz innerhalb des Nestes dagegen aufgrund des Koloniewachstums reduziert, so fangen die Arbeiterinnen an Tunnel auszugraben, so dass die Nestgröße der Koloniegröße angepasst wird. Allerdings, so wird vermutet, hängt die Anzahl der sich am Graben beteiligenden Ameisen sowie auch deren Arbeitsleistung von der Größe der Gruppe ab. Demnach sind die Individuen nicht nur sensitiv auf die Stimuli, die aus ihrer Umgebung kommen, sondern ändern ihr Verhalten auch in Abhängigkeit von dem sozialen Umfeld, in dem sie sich befinden.show moreshow less
  • The emergence of ant nest structures is discussed as a self-organized process in which the single ant has only local information without an overview over the global system. The entire structure rather results from numerous interactions between the individuals directly or between the individuals and their environment. The aim of this work was to investigate the criteria leaf-cutting ants comply with during nest construction in order to answer the question if nest structures can emerge solely from interactions of the ants with their environmentThe emergence of ant nest structures is discussed as a self-organized process in which the single ant has only local information without an overview over the global system. The entire structure rather results from numerous interactions between the individuals directly or between the individuals and their environment. The aim of this work was to investigate the criteria leaf-cutting ants comply with during nest construction in order to answer the question if nest structures can emerge solely from interactions of the ants with their environment or if direct social interactions are additionally necessary. For this purpose the control of nest size during different stages of colony ontogeny was considered: in the colony founding phase in which the queen has to make her decisions alone and without social interactions, in the following establishing phase in which the workers modify the structures either alone or in small groups as well as in the adult phase in which the building activity can be performed by several thousand ants. Founding queens dig a founding nest immediately after the nuptial flight. The founding nest consists of a vertical tunnel and a horizontal chamber, in which the first brood and the fungus are reared. A queen starts by digging headfirst into the ground with her mandibles excavating a tunnel slightly wider than her own diameter. Once the desired tunnel length is reached, she switches from vertical tunnel to horizontal chamber digging and starts to close the tunnel with the now excavated clay particles. It is unclear how Atta vollenweideri queens estimate the tunnel length in order to initiate the switch to chamber digging. The results of this study suggest that queens estimate both the tunnel length, probably through proprioception, as well as the digging time and compare them with an internal reference. Accordingly, the queens continued tunnel digging if neither the expected length nor the maximal invested time was reached. The switch from tunnel to chamber digging was initiated as, depending on soil conditions, the queens reached first either the expected tunnel length or the invested time. The queens then started chamber digging and used the now excavated particles to close the tunnels. As the tunnels were closed from top to bottom chamber sizes varied in dependence on the tunnel length. However, if the queens were confronted with tunnels that had experimentally been elongated beyond the desired length, then these tunnels were not closed over the whole distance but in several sections, indicating that a further mechanism is involved in the regulation of chamber size. The first workers generally eclose after 2-3 month at which point the colony enters the growth phase. With the growth of the colony, the founding nest is altered through the enlargement of the already existing fungus chamber and construction of new tunnels. The rules that guide worker digging behaviour are unknown. This study shows that Acromyrmex lundi workers start to enlarge a nest if the available free space within the nest is reduced and that they stop when enough space is available. An increase in group size (1, 2, 6 and 12ants) resulted in an increase of excavated volume, so that the digging effort of the colony rose proportionally with group size. However, whether the pre-existing fungus chamber was enlarged during the digging process or new tunnels were built depended on the stimulus combination. A lack of space triggered through a large number of workers relative to nest size, lead to lengthening of already existing tunnels or building of new ones. On the other hand chambers were only enlarged if fungus was present and the space inside the chamber reduced. Workers reacted to the same stimuli with the same behaviour pattern independent of whether they were digging alone or within a group. However, with increasing group size the chambers were increasingly enlarged but not in proportion to group size. This suggests that the enlargement depends on the number of ants participating in digging simultaneously who enlarge the chamber until they have enough space. The number of ants participating in digging however increases with increasing group size which is why the chambers were bigger in larger groups. Simultaneously with the enlargement of the structure the ants started to deposit the excavated clay particles in the chamber. As a consequence, especially the bigger chambers were reduced in size afterwards until a defined distance between chamber wall and fungus was reached. This distance was approximately the width of two ants. The deposition of the clay particles thus resulted in a better adaptation of the chamber size to the fungus volume. Similar results could be seen for tunnel construction. These were also enlarged according to the number of ants simultaneously participating in digging and reduced in width afterwards through the deposition of clay particles. But tunnels additionally increased in length in dependence on the group size, so that group size regulates the nest size. Grown Acromyrmex lundi nests consist of a big central chamber and of several tunnels connecting the chamber with the surface. How the size of the fungus chamber is regulated in the adult phase was so far unknown. Both the existing fungus volume and the number of ants were considered as possible criteria. The results of this study show that the chambers increased in size as more fungus volume was available. This suggests that during chamber construction the fungus volume serves as a template organising the digging behaviour in space. In contrast, an increase in the number of ants caused an enlargement of the nest volume through the building of tunnels. Thus the overall excavated volume and hence the digging activity increased with group size. However, this increase was not proportional to colony size as could be shown in the small groups. It is assumed that both the chamber as well as the nest enlargement is regulated over the density of the individuals. Thus the digging process would be initiated if the density exceeds a threshold value and stopped if it in turn falls below the threshold value. However there is evidence that the digging activity may be regulated additionally by a rhythmical digging during the night. Taken together it could be shown that the queens react to stimuli in the environment by assessing the depth of the founding nest through the estimation of the tunnel length already dug. Nest construction, however, is not regulated over a simple stimulus response mechanism as queens’ additional factor in the already invested digging time indicating an internal cue. Chamber size also seems to be regulated by at least two mechanisms. Thus in the assessment over the tunnel length as well as in the regulation of the chamber size more than one criteria was integrated into the decision process. Like the queens, single individuals reacted to different stimuli in their environment whereby different nest structure emerged. The ants start to enlarge a nest if the available space within the nest is reduced. When the fungus grows the distance between the fungus and the chamber wall is reduced which is a signal for the ants to enlarge the chamber. The fungus is thereby used as a template coordinating the digging process in space. If, on the other hand, the space is reduced due to colony growth, ants start to construct tunnels whereby nest size is adjusted to colony size. However, it is assumed that the number of digging ants as well as their digging effort depends on group size. According to this, individuals are not just sensitive to stimuli of the environment but change their behaviour additionally in dependence of the social context.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kerstin Fröhle
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-46311
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2010/03/05
Language:German
Year of Completion:2009
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 59 Tiere (Zoologie) / 590 Tiere (Zoologie)
GND Keyword:Nestgröße; Koloniegröße; Blattschneiderameisen; Grabeverhalten; Ameisenstaat
Tag:colony size; digging behavior; leaf-cutting ants; nest size
Release Date:2010/03/17
Advisor:Prof. Dr. Flavio Roces