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Sensory Ecology of Foraging in Bumblebees

Sensorische Ökologie bei Sammelnden Hummeln

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-1179692
  • Pollinating insects exhibit a complex behavior while foraging for nectar and pollen. Many studies have focused on ultimate mechanisms of this behavior, however, the sensory-perceptual processes that constrain such behavior have rarely been considered. In the present study I used bumblebees (Bombus terrestris), an important pollinating insect, to investigate possible sensory constraints on foraging behavior. Additionally, I survey inter-individual variation in the sensory capabilities and behavior of bumblebees caused by the pronounced sizePollinating insects exhibit a complex behavior while foraging for nectar and pollen. Many studies have focused on ultimate mechanisms of this behavior, however, the sensory-perceptual processes that constrain such behavior have rarely been considered. In the present study I used bumblebees (Bombus terrestris), an important pollinating insect, to investigate possible sensory constraints on foraging behavior. Additionally, I survey inter-individual variation in the sensory capabilities and behavior of bumblebees caused by the pronounced size polymorphism among members of a single colony. In the first chapter I have focused on the sensory-perceptual processes that constrain the search for flowers. I measured search time for artificial flowers of various sizes and colors, a key variable defining the value of a prey type in optimal foraging theory. When flowers were large, search times correlate well with the color contrast of the targets with their green foliage-type background, as predicted by a model of color opponent coding using inputs from the bee's UV, blue, and green receptors. Targets which made poor color contrast with their backdrop, such as white, UV-reflecting ones, or red flowers, take longest to detect, even though brightness contrast with the background is pronounced. When searching for small targets, bumblebees change their strategy in several ways. They fly significantly slower and closer to the ground, so increasing the minimum detectable area subtended by an object on the ground. In addition they use a different neuronal channel for flower detection: instead of color contrast, they now employ only the green receptor signal for detection. I related these findings to temporal and spatial limitations of different neuronal channels involved in stimulus detection and recognition. Bumblebees do not only possess species-specific sensory capacities but they also exhibit inter-individual differences due to size. Therefore, in the next two chapters I have examined size-related effects on the visual and olfactory system of Bombus terrestris. Chapter two deals with the effect of scaling on eye architecture and spatial resolving power of workers. Foraging efficiency in bees is strongly affected by proficiency of detecting flowers. Both floral display size and bee spatial vision limit flower detection. In chapter one I have shown that search times for flowers strongly increases with decreasing floral display size. The second factor, bee spatial vision, is mainly limited by two properties of compound eyes: (a) the interommatidial angle Çå and (b) the ommatidial acceptance angle Çá. When a pollinator strives to increase the resolving power of its eyes, it is forced to increase both features simultaneously. Bumblebees show a large variation in body size. I found that larger workers with larger eyes possess more ommatidia and larger facet diameters. Large workers with twice the size of small workers (thorax width) have about 50 per cent more ommatidia, and a 1.5 fold enlarged facet diameter. In a behavioral test, large and small workers were trained to detect the presence of a colored stimulus in a Y-maze apparatus. The stimulus was associated with a sucrose reward and was presented in one arm, the other arm contained neither stimulus nor reward. The minimum visual angle a bee is able to detect was estimated by testing the bee at different stimuli sizes subtending angles between 30° and 3° on the bee’s eye. Minimum visual detection angles range from 3.4° to 7.0° among tested workers. Larger bumblebees are able to detect objects subtending smaller visual angles, i.e. they are able to detect smaller objects than their small conspecifics. Thus morphological and behavioral findings indicate an improved visual system in larger bees. Beside vision, olfaction is the most important sensory modality while foraging in bees. Bumblebees utilize species-specific odors for detecting and identifying nectar and pollen rich flowers. In chapter three I have investigated the olfactory system of Bombus terrestris and the effect of scaling on antennal olfactory sensilla and the first olfactory neuropil in the bumblebee brain, the antennal lobes. I found that the pronounced size polymorphism exhibited by bumblebees also effects their olfactory system. Sensilla number (I measured the most common olfactory sensilla type, s. placodea), sensilla density, volume of antennal lobe neuropil and volume of single identified glomeruli correlate significantly with worker’s size. The enlarged volume of the first olfactory neuropil in large individuals is caused by an increase in glomeruli volume and coarse neuropil volume. Additionally, beside an overall increase of brain volume with scaling I found that the olfactory neuropil increases disproportionately compared to a higher order neuropil, the central body. The data predict a higher odor sensitivity in larger bumblebee workers. In the last chapter I have addressed the question if scaling alters foraging behavior and rate in freely foraging bumblebees. I observed two freely foraging B. terrestris colonies and measured i) trip number, ii) trip time, iii) proportion of nectar trips, and iv) nectar foraging rate of different sized foragers. In all observation periods large foragers exhibit a significantly higher foraging rate than small foragers. None of the other three foraging parameters is affected by workers’ size. Thus, large foragers contribute disproportionately more to the current nectar influx of their colony. To summarize, this study shows that understanding the mechanisms of visual information processing and additionally comprising inter-individual differences of sensory capabilities is crucial to interpret foraging behavior of bees.show moreshow less
  • Blüten bestäubende Insekten zeigen während ihrer Suche nach Nektar und Pollen ein komplexes Sammelverhalten. Bisher wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt um die ultimaten Mechanismen dieses Verhaltens aufzuklären; jedoch die diesem Verhalten zugrundeliegenden sensorischen Leistungen und Limitierungen wurden dabei nur selten berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit habe ich das Sammelverhalten von Hummeln (Bombus terrestris) und potentielle, das Verhalten limitierende sensorischen Zwänge untersucht. Zusätzlich konnte ich Unterschiede imBlüten bestäubende Insekten zeigen während ihrer Suche nach Nektar und Pollen ein komplexes Sammelverhalten. Bisher wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt um die ultimaten Mechanismen dieses Verhaltens aufzuklären; jedoch die diesem Verhalten zugrundeliegenden sensorischen Leistungen und Limitierungen wurden dabei nur selten berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit habe ich das Sammelverhalten von Hummeln (Bombus terrestris) und potentielle, das Verhalten limitierende sensorischen Zwänge untersucht. Zusätzlich konnte ich Unterschiede im sensorischen System individueller Hummeln aufdecken, die durch den ausgeprägten Größenpolymorphismus dieser Tiere verursacht werden. Im ersten Kapitel habe ich die visuellen Prozesse, die die Suche nach Blüten limitieren betrachtet. Hierfür habe ich die Suchzeiten von Hummeln für künstliche Blüten verschiedener Größe und Farbe in einer Flugarena bestimmt. Bei großen Blüten korrelieren die gemessenen Suchzeiten mit dem Farbkontrast zwischen der Blüte und dem blatt-grünen Hintergrund. Bei Blüten mit geringem Farbkontrast benötigen die Tiere am längsten um sie zu detektieren, obwohl die Blüten einen starken Helligkeitskontrast aufweisen. Diese Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen eines Farbseh-Modells überein, das die Information von den UV-, Blau- und Grünrezeptoren der Hummel verrechnet. Bei der Suche nach kleinen Blüten allerdings ändern die Hummeln ihre Strategie. Sie fliegen jetzt signifikant langsamer und näher am Untergrund um dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, die Blüten zu detektieren. Zusätzlich benutzen die Hummeln einen anderen neuronalen Kanal für die Blütenerkennung: anstatt des Farbkontrastes nutzen sie jetzt nur noch die Informationen des Grünrezeptors, d.h. den Kontrast zwischen Blüte und Hintergrund, der durch den Grünrezeptor wahrgenommen wird. Ich konnte zeigen, dass der Wechsel zwischen den beiden neuronalen Kanälen durch zeitliche und räumliche Eigenschaften dieser Kanäle verursacht wird. Die sensorischen Leistungen einer Hummel sind nicht nur durch ihre Artzugehörigkeit festgelegt, sondern weisen beträchtliche Unterschiede zwischen großen und kleinen Tieren auf. In den nächsten zwei Kapiteln habe ich deshalb Größeneffekte auf das visuelle und olfaktorische System von Bombus terrestris untersucht. Im zweiten Kapitel beschäftige ich mich mit den Auswirkungen des Größenpolymorphismus auf die Augenmorphologie und das räumliche Auflösungsvermögen von Hummelarbeiterinnen. Das räumliche Auflösungsvermögen des Hummelauges wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: (a) dem Divergenzwinkel zwischen zwei Ommatidienachsen Çå, und (b) dem Öffnungswinkel eines Ommatidiums Çá. Beide Faktoren sind von der Zahl und dem Durchmesser der vorhandenen Ommatidien in einem Komplexauge beeinflußt. Ich konnte nachweisen, daß sich große und kleine Hummeln stark in der Zahl und dem Durchmesser ihrer Ommatidien unterscheiden. Große Hummeln mit der doppelten Thoraxbreite im Vergleich zu ihren kleinen Nestgenossinnen weisen 50 Prozent mehr Ommatidien und einen 1.5-fachen Linsendurchmesser auf. In einem Verhaltensversuch habe ich den kleinsten Sehwinkel, mit dem ein farbiges Objekt von einer Hummel noch erkannt werden kann bestimmt. Auch hier zeigte sich ein starker Größeneffekt. Um so größer die Hummel ist, um so kleiner ist der Sehwinkel unter dem sie ein Objekt gerade noch wahrnehmen kann. Sowohl morphologische Daten als auch Verhaltensdaten zeigen deutlich, dass größere Hummeln ein besseres visuelles System besitzen. Neben dem Sehen ist der Duft die wichtigste sensorische Modalität, die Hummeln während des Sammelns nutzen. Im nächsten Kapitel habe ich mich daher mit möglichen Größeneffekten auf das olfaktorische System beschäftigt. Ich konnte zeigen, daß die Zahl der wichtigsten olfaktorischen Sensillen auf der Antenne, Sensilla placodea, mit zunehmender Körpergröße ansteigt. Das erste olfaktorische Neuropil im Gehirn, die Antennalloben, skalieren ebenfalls mit der Körpergröße. Die Volumenzunahme des Neuropils ist auf eine Volumenzunahme der einzelnen Glomeruli und der Zahl der Interneurone zurückzuführen. Außerdem konnte ich nachweisen, daß das Volumen des olfaktorische Neuropils im Vergleich zu zentralen Hirnregionen überproportional zunimmt. Die Ergebnisse lassen eine höhere Sensitivität des olfaktorischen Systems bei großen Hummeln erwarten. Im letzten Kapitel habe ich mögliche Auswirkung der Körpergröße auf das Sammelverhalten von Hummeln unter natürlichen Bedingungen untersucht. Ein überlegenes visuelles und olfaktorisches System bei größeren Hummeln läßt eine bessere Blütenerkennung, und damit auch eine höhere Sammeleffizienz vermuten. Hierfür habe ich Nektarsammelraten von verschieden großen Tieren im Freiland bestimmt. Größere Tiere zeigen dabei eine höhere Sammelrate (Nektareintrag pro Zeit) im Vergleich zu ihren kleineren Nestgenossinnen. Größere Tiere tragen damit überproportional zum täglichen Nektarinflux einer Kolonie bei. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass das Sammelverhalten bei Blüten besuchenden Insekten nur dann richtig verstanden und interpretiert werden kann, wenn man die dem Sammeln zugrundeliegenden sensorischen Prozesse und mögliche individuelle Modifikationen kennt und mit einbezieht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Johannes Spaethe
URN:urn:nbn:de:bvb:20-1179692
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2001/10/24
Language:English
Year of Completion:2001
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Hummeln; Nahrungserwerb; Wahrnehmung
Tag:Arbeitsteilung; Bombus terrestris; Farbsehen; Größenvariation; Hummel; Olfaktorik; Sammelverhalten
Behavior; Bombus terrestris; Bumblebees; Color Vision; Division of Labor; Foraging; Olfaction; Scaling
Release Date:2002/08/26
Advisor:PD Dr. Lars Chittka