Foraging behavior is a particularly fascinating topic within the studies of social insects. Decisions made by individuals have effects not only on the individual level, but on the colony level as well. Social information available through foraging in a group modulates individual preferences and shapes the foraging pattern of a colony. Identifying parameters influencing foraging behavior in leaf-cutting ants is especially intriguing because they do not harvest for themselves, but for their symbiotic fungus which in turn influences their plant preferences after the incorporation of the substrate. To learn about the substrates’ unsuitability for the fungus, ants need to be able to identify the incorporated substrate and associate it with detrimental effects on the fungus. Odor is an important plant characteristic known to be used as recognition key outside the nest in the context of foraging. Chapter 1 shows that foragers are able to recall information about the unsuitability of a substrate through odor alone and consequently reject the substrate, which leads to the conclusion that inside the nest, odor might be enough to indentify incorporated substrate. Identification of plant species is a key factor in the foraging success of leaf-cutting ants as they harvest a multitude of different plant species in a diverse environment and host plant availability and suitability changes throughout the year. Fixed plant preferences of individuals through innate tendencies are therefore only one factor influencing foraging decisions. On the individual as well as the colony level, foraging patterns are flexible and a result of an intricate interplay between the different members involved in the harvesting process: foragers, gardeners and the symbiotic fungus. In chapter 2 I identified several conditions necessary for naïve foragers to learn about the unsuitability of substrate inside the nest. In order to exchange of information about the unsuitability of a substrate, the plant in question must be present in the fungus garden. Foragers can learn without own foraging experience and even without experiencing the effects of the substrate on the fungus, solely through the presence of experienced gardeners. The presence of experienced foragers alone on the other hand is not enough to lower the acceptance of substrate by naïve foragers in the presence of naïve gardeners, even if experienced foragers make up the majority of the workforce inside the nest. Experienced foragers are also able to reverse their previous negative experience and start accepting the substrate again. The individual behavior of foragers and gardeners with different experiential backgrounds in the presence of suitable or unsuitable substrate inside the fungus chamber was investigated in chapter 3 to shed some light on possible mechanisms involved in the flow of information about substrate suitability from the fungus to the ants. Gardeners as well as foragers are involved in the leaf processing and treatment of the applied leaf patches on the fungus. If the plant material is unsuitable, significantly more ants treat the plant patches, but foragers are less active overall. Contacts between workers initiated by either gardeners or foragers occur significantly more frequent and last longer if the substrate is unsuitable. Even though experienced gardeners increase naïve foragers’ contact rates and duration with other workers in the presence of suitable plant patches, naïve foragers show no differences in the handling of the plant patches. This suggests that foragers gain information about plant suitability not only indirectly through the gardening workers, but might also be able to directly evaluate the effects of the substrate on the fungus themselves. Outside the nest, foragers influence each other the trail (chapter 4). Foraging in a group and the presence of social information is a decisive factor in the substrate choice of the individual and leads to a distinct and consentaneous colony response when encountering unfamiliar or unsuitable substrates. As leaf-cutting ants harvest different plant species simultaneously on several trails, foragers gain individual experiences concerning potential host plants. Preferences might vary among individuals of the same colony to the degree that foragers on the same trail perceive a certain substrate as either suitable or unsuitable. If the majority of foragers on the trail perceives one of the currently harvested substrates as unsuitable, naïve foragers lower their acceptance within 4 hours. In the absence of a cue in the fungus, naïve foragers harvesting by themselves still eventually (within 6 hours) reject the substrate as they encounter experienced gardeners during visits to the nest within foraging bouts. As foraging trails can be up to 100 m long and foragers spend a considerable amount of time away from the nest, learning indirectly from experienced foragers on the trail accelerates the distribution of information about substrate suitability. The level of rejection of a formerly unsuitable substrate after eight hours of foraging by naïve foragers correlates with the average percentage of unladen experienced foragers active on the trail. This suggests that unladen experienced foragers might actively contact laden naïve workers transmitting information about the unsuitability of the load they carry. Results from experiments were I observed individual laden foragers on their way back to the nest backed up this assumption as individuals were antennated and received bites into the leaf disk they carried. Individuals were contacted significantly more often by nestmates that perceived the carried leaf disk as unsuitable due to previous experience than by nestmates without this experience (chapter 6). Leaf-cutting ants constantly evaluate, learn and re-evaluate the suitability of harvested substrate and adjust their foraging activity accordingly. The importance of the different sources of information within the colony and their effect on the foraging pattern of the colony depend on the presence or absence of each of them as e.g. experienced foragers have a bigger influence on the plant preferences of naïve foragers in the absence of a cue in the fungus garden. / Besonders faszinierend ist das Furagierverhalten sozialer Insekten. Entscheidungen von Individuen haben nicht nur direkte Auswirkungen auf individueller Ebene, sondern auch auf Kolonieebene. Soziale Informationen modulieren individuelle Präferenzen beim Furagieren in der Gruppe und beeinflussen dadurch das Aktivitätsmuster der Kolonie. Die Identifizierung der Faktoren, die das Furagierverhalten beeinflussen, ist bei Blattschneiderameisen komplex, da sie nicht für sich, sondern für ihren symbiotischen Pilz furagieren. Dieser wiederum beeinflusst die Pflanzenwahl der Ameisen nach der Einarbeitung des Pflanzenmaterials in den Pilz. Um zu lernen, dass das eingebaute Substrat für den Pilz ungeeignet ist, müssen die Ameisen in der Lage sein, das bereits eingebaute Substrat zu identifizieren und mit den negativen Effekten auf den Pilz zu assoziieren. Duft ist ein bedeutendes Pflanzencharakteristikum, das außerhalb des Nestes als Identifizierungsmerkmal im Furagierkontext verwendet wird. In Kapitel 1 zeige ich, das Pflanzendüfte alleine ausreichen um Furageuren die Information aus dem Pilzgarten über die des Substrates ins Gedächtnis zu rufen. Furageure lehnen auf Grund des Duftes allein das Substrat bereits ab. Dies lässt den Rückschluss zu, dass Duft möglicherweise als Identifizierungsmerkmal des in den Pilz eingebauten Substrats ausreichend ist. Die Identifizierung von Pflanzenarten ist ein wesentlicher Faktor des Furagiererfolgs bei Blattschneiderameisen, da diese eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzenarten ernten, deren Verfügbarkeit und Eignung sich im Jahresverlauf ändert. Angeborene individuelle Präferenzen sind daher nur einer von mehreren Faktoren, die die Furagierentscheidungen beeinflussen. Sowohl auf individueller als auch auf Kolonieebene sind die beobachteten Muster in der Furagieraktivität flexibel und das Ergebnis eines komplexen Wechselspiels aller Beteiligten im Furagierprozess: die Furageure, die Gärtnerinnen und der symbiotische Pilz. In Kapitel 2 habe ich mehrere Bedingungen identifiziert, die notwendig sind, damit naive Furageure im Nest lernen können, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Um Informationen über die Pflanzenqualität austauschen zu können, ist die Anwesenheit des Substrats im Nest erforderlich. Furageure können allein durch die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen lernen, ohne eigene Furagiererfahrung und ohne die negativen Effekte des Substrats auf den Pilz erfahren zu haben. Andererseits ist die Anwesenheit erfahrener Furageure allein nicht genug, um die Akzeptanz des Substrats durch naive Furageure zu verringern, wenn die Gärtnerinnen naiv sind, selbst wenn die erfahrenen Furageure die Mehrzeit der Tiere im Nest stellen. Erfahrene Furageure sind auch in der Lage, ihre früheren negativen Erfahrungen zu revidieren und das Substrat wieder zu akzeptieren. Das Individualverhalten von Furageuren und Gärtnerinnen mit unterschiedlichem Erfahrungshintergrund in der Anwesenheit von geeignetem oder ungeeignetem Pflanzenmaterial im Pilz wurde in Kapitel 3 untersucht. Hierbei sollten mögliche Mechanismen des Informationsflusses vom Pilz zu den Ameisen aufgedeckt werden. Sowohl Gärtnerinnen als auch Furageure sind in die Bearbeitung des Blattmaterials involviert. Ist das Blattmaterial ungeeignet, wird es von signifikant mehr Ameisen bearbeitet, aber die allgemeine Aktivität der Furageure ist geringer als bei der Bearbeitung von geeignetem Substrat. Ist das Pflanzenmaterial ungeeignet, finden signifikant mehr und längere Kontakte zwischen den Ameisen statt. Die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen hat keinen Einfluss auf die Bearbeitungszeit oder Frequenz des geeigneten Blattmaterials durch naive Furageure, sie haben aber einen Einfluss auf die von naiven Furageuren induzierten Kontakte. Diese sind in Anwesenheit von erfahrenen Gärtnerinnen häufiger und länger. Dies lässt vermuten, das Furageure sowohl direkt über den Zustand des Pilzes, als auch indirekt durch Kontakte mit erfahrenen Gärtnerinnen lernen, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Außerhalb des Nestes beeinflussen sich Furageure gegenseitig auf den Erntestraßen (Kapitel 4). Das Furagieren in der Gruppe und die dadurch zur Verfügung stehende soziale Informationen sind ein entscheidender Faktor in der Pflanzenwahl von Individuen und führt zu einer klaren und deutlichen Kolonieantwort bei unbekannten oder ungeeigneten Pflanzenarten. Da Blattschneiderameisen mehrere Pflanzenarten gleichzeitig auf unterschiedlichen Erntestraßen eintragen, unterscheiden sich Furageure in ihren individuellen Erfahrungen. Individuelle Präferenzen innerhalb einer Kolonie können sich so stark voneinander unterscheiden, dass eine Pflanze von unterschiedlichen Furageuren auf derselben Erntestraße sowohl als geeignet als auch als ungeeignet bewertet werden kann. Wenn die Mehrheit der auf der Erntestraße aktiven Furageure negative Erfahrungen mit dem Substrat hat und es als ungeeignet bewertet, dann verringert sich die Akzeptanz dieses Substrates durch naive Furageure ebenfalls signifikant innerhalb von 4 Stunden. Wenn die negativen Effekte im Pilzgarten nicht mehr zu detektieren sind lehnen naive Furageure in Abwesenheit von erfahren Furageuren das Substrat nach ungefähr 6 Stunden ab, da sie bei ihren Nestbesuchen auf erfahrene Gärtnerinnen stoßen. Da Erntestraßen bis zu 100 m lang sein können und Furageure daher lange unterwegs sind, beschleunigt das indirekte Lernen durch erfahrene Furageure auf der Erntestraße die Verbreitung der Information über die Substratqualität innerhalb der Kolonie. Das Maß der Ablehnung des ursprünglich ungeeigneten Substrats durch naive Furageure nach 8 Stunden furagieren korreliert mit dem durchschnittlichen Prozentsatz an unbeladenen, erfahrenen Furageuren auf der Erntestraße. Dies lässt vermuten, dass unbeladene, erfahrene Furageure beladene naive Furageure aktiv kontaktieren und dadurch Informationen über das ungeeignete Substrat übermitteln. Ergebnisse von Individualbeobachtungen unterstützen diese Vermutung. In Kapitel 6 zeige ich, dass beladene Rekruten auf dem Weg zurück zum Nest signifikant häufiger von anderen Furageuren kontaktiert werden, wenn diese negative Erfahrungen mit der vom Rekruten getragenen Pflanzenart haben als wenn die Pflanzenart als geeignet bewertet wird. Blattschneiderameisen bewerten, lernen und bewerten wieder die Qualität geernteten Substrats und passen ihr Furagierverhalten entsprechend an. Die verschiedenen Informationsquellen über die Pflanzenqualität innerhalb der Kolonie haben eine unterschiedliche Gewichtung abhängig von der An- oder Abwesenheit von einer von Ihnen. Zum Beispiel haben erfahrene Furageure in der Abwesenheit von negativen Effekten im Pilzgarten einen deutlich größeren Einfluss auf die Präferenzen naiver Furageure.

Many ant species excavate underground nests. One of the most impressive examples is the Chaco leaf-cutting ant Atta vollenweideri from the Gran Chaco region in South America. The nests excavated by the workers of that species are among the largest insect-built structures on the planet. They are ecavated over years possibly involving millions of working individuals. However, the mechanisms underlying the organisation of collective nest digging in ants remain largely unknown. Considering the sheer dimensions of the nest in comparison to the size and presumably limited perceptual and cognitive abilities of the single worker, the assumption can be made that organising mechanisms are mostly based on responses of individuals to local stimuli within their perceptual range. Among these local stimuli that guide nest digging we can expect environmental variables, stimuli that relate to the requirements of the colony, and stimuli related to the spatial coordination of collective effort. The present thesis investigates the role of local stimuli from these three categories in the organisation of collective digging behaviour in the Chaco leaf-cutting ant. It describes experiments on (1) how workers respond in the context of digging to differences in soil moisture, which comprises an important environmental variable; (2) how available nest space influences nest enlargement; (3) and how the spatial coordination of excavating workers is implemented by responding to stimuli arising from nest mates while engaged in digging behaviour. The experiments on soil water content show that workers prefer to dig in moist materials that allow for fast excavation and transport rates. Accordingly, an unequal distribution of water in the soil around a nest can influence how the nest shape develops. On the other hand, results also indicate that workers strongly avoid excavating in extremely moist materials. Regarding the abundant occurrence of flooding events in the Gran Chaco region, the latter can be interpreted as an adaptation to avoid water inflow into the nest. In the experiments on the effect of nest space, the ants excavated less when presented with larger nests. When a large amount of space was suddenly added to the nest during the digging process, excavation rates decreased according to the new volume. These observations confirm the hypothesis that digging activity is regulated according to space requirements, possibly because crowding conditions inside the nest influence excavation behaviour. However, observations also indicate an intrinsic decrease of digging motivation with time. Moreover, excavation rates correlate with nest size only when comparing nests of similar shape. Distributing a similar nest volume to three smaller chambers, instead of one, resulted in drastically decreased digging rates. A possible explanation for that observation lies in the distribution of workers inside the nest that may vary according to nest geometry: a different distribution of individuals can lead to in different local crowding conditions in similar nest volumes. Furthermore, two different stimuli are described that are used in the spatial coordination of collective digging effort. First, fresh soil pellets deposited close to the digging site on their way from the surface increase the probability that arriving workers join excavation efforts at the same site. The deposition of pellets on the way is a consequence of sequential task partitioning during soil transport. The pellets are carried in transport chains that closely resemble the modalities of leaf transport observed at the surface. Second, workers stridulate while digging. The short-ranged vibrational signals produced thereby also attract nest mates to excavate at the same location. Accordingly, two mutually complementing mechanisms are described that allow to concentrate excavators at one location. In both cases, a local stimulus that is generated by current close-by excavation activity increases the probability of the stimulus receiver to dig close to other excavators. In an environment otherwise poor in digging stimuli, these mechanisms can be especially important to give collective digging efforts a common direction. As a consequence it can be argued that the spatial organisation of collective digging is based on choice copying. Individuals copy nest mate decisions on where to excavate by responding to local stimuli provided by nest mate digging activity. Taken together, responses to local stimuli can determine the direction of nest growth, aid in preventing the inflow of surface water into the nest, guide the adjustment of nest size to colony requirements and spatially coordinate collective digging efforts. Even though it cannot be ruled out that digging responses based e.g. on spatial memory or long-term experience exist, the results presented here clearly demonstrate that responses to local information account for many important aspects of nest development. / Viele Ameisenarten graben unterirdische Nester. Eines der wohl eindrucksvollsten Beispiele ist die Chaco-Blattschneiderameise Atta vollenweideri aus der Gran Chaco Region in Südamerika. Die Nester dieser Art gehören zu den größten von Insekten gebauten Strukturen auf unserem Planeten, und an ihrer Konstruktion sind vermutlich Millionen von Individuen über mehrere Jahre beteiligt. Die Mechanismen, die der Organisation des kollektiven Nestgrabeverhaltens zu Grunde liegen, sind weitgehend unbekannt. Berücksichtigt man allerdings allein die Dimensionen des gebauten Nestes im Vergleich zur Größe, und den vermutlich begrenzten Sinnes- und Kognitionsleistungen der einzelnen Arbeiterin, so liegt die Vermutung nahe, daß den Organisationsmechanismen überwiegend Reaktionen auf lokale Reize innerhalb der Wahrnehmungsreichweite zu Grunde liegen. Zu diesen lokalen Reizen gehören vermutlich Umweltvariablen, Reize, die mit den Bedürfnissen der Kolonie zusammenhängen, und Reize, die der räumlichen Koordination gemeinsamer Bemühungen dienen. Die vorliegende Dissertation untersucht die Rolle lokaler Reize in der Organisation des kollektiven Grabeverhaltens bei Atta vollenweideri auf diesen drei Ebenen. Sie beschreibt Experimente (1) zur Reaktion grabender Arbeiterinnen auf Unterschiede in der Bodenfeuchte, die in diesem Zusammenhang eine wichtige Umweltvariable darstellt, (2) zum Einfluß der verfügbaren Nestgröße auf die Nesterweiterung und (3) zur räumlichen Koordination grabender Arbeiterinnen durch Reize, die von anderen grabenden Arbeiterinnen ausgehen. Die Versuche zur Bodenfeuchte zeigen eine Präferenz für feuchte Materialen, die hohe Grabe- und Transportraten ermöglichen. Demzufolge kann die Verteilung des Wassers im Boden um ein Nest erheblichen Einfluß auf die Entwicklung der Nestform haben. Andererseits zeigen die Ergebnisse aber auch, daß Arbeiterinnen vermeiden, in extrem nassen Materialen zu graben. In Anbetracht der regelmäßigen Überflutungen in der Gran Chaco Region lässt sich diese Ablehnung als eine Adaptation interpretieren, die hilft, Wassereinbrüche ins Nest zu vermeiden. In den Experimenten zum Einfluß der Nestgröße gruben die Ameisen weniger, wenn ihnen ein größeres Nest zur Verfügung stand. Wenn das Nest im Laufe des Grabeprozesses künstlich schlagartig vergrößert wurde, passte sich die Graberate dem neuen Volumen an. Diese Beobachtungen bestätigen die Hypothese, daß die Grabeaktivität abhängig vom Platzbedarf reguliert wird, vermutlich, weil die Individuendichte im Nest das Grabeverhalten beeinflusst. Andererseits zeigen die Beobachtungen aber auch eine zeitabhängige, intrinsische Abnahme der Motivation zu graben. Zudem korreliert die Graberate nur dann mit der Nestgröße, wenn Nester von vergleichbarer Form in Betracht gezogen werden. Die Verteilung eines ähnlichen Nestvolumens auf drei kleinere Kammern statt einer größeren führte zu deutlich niedrigeren Graberaten. Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung liegt in der Verteilung der Arbeiterinnen im Nestinnern, die möglicherweise mit der Nestgeometrie variiert. Unterschiede in der Verteilung der Individuen können bei gleichem Nestvolumen unterschiedliche lokale Individuendichten zur Folge haben. Des weiteren werden zwei verschiedene Stimuli beschrieben, die zur räumlichen Koordination des kollektiven Grabeverhaltens genutzt werden. Zum einen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß eine ankommende Arbeiterin sich den Grabearbeiten an einer bestimmten Stelle anschließt, wenn auf dem Weg dorthin, nahe der betreffenden Stelle, frisch ausgegrabene Bodenpartikel, sogenannte pellets, abgelegt wurden. Das passiert in Folge der sequentiellen Arbeitsteilung beim Transportieren der Erde, denn der Transport der pellets erfolgt in Arbeitsketten, ähnlich wie der Transport von Blattfragmenten an der Oberfläche. Zum anderen stridulieren die Arbeiterinnen beim Graben und erzeugen dadurch Vibrationssignale von kurzer Reichweite, die ebenfalls Nestgenossinnen zum Graben an derselben Stelle motivieren. Es werden also zwei sich gegenseitig ergänzende Mechanismen beschrieben, die es erlauben, grabende Arbeiterinnen an einer bestimmten Stelle zu konzentrieren. In beiden Fällen erhöht ein Reiz, der durch aktuelle Grabeaktivität in unmittelbarer Nähe generiert wird, die Wahrscheinlichkeit, daß der Reizempfänger in der Nähe anderer grabender Arbeiterinnen zu Graben beginnt. Besonders in einem ansonsten, in Bezug auf das Grabeverhalten reizarmen Umfeld können derartige Mechanismen wichtig sein, um den kollektiven Grabebemühungen eine gemeinsame Richtung zu geben. Dementsprechend lässt sich argumentieren, daß die räumliche Organisation des Grabeverhaltens auf der Nachahmung von Entscheidungen basiert. Individuen kopieren die Entscheidungen ihrer Nestgenossinnen, wo gegraben wird, indem sie auf Reize reagieren, die von der Grabeaktivität anderer Arbeiterinnen ausgehen.