Die wasserspeichernden Federn der Flughühner (Pteroclididae)

Abstract

Flughühner (Pteroclididae) leben in den Trockengebieten Afrikas und Asiens. Die Altvögel tragen über große Strecken Wasser zu ihren Jungen, das sie in ihren Brustfedern transportieren. Obwohl bisher schon einige Publikationen zur extremen Wasseraufnahmekapazität der Brustfedern vorliegen, ist die Funktionsmorphologie des Wassertransports bisher ungeklärt.<br /> Ziele der Arbeit sind die Aufklärung der Funktionsmorphologie, der Benetzungseigenschaften sowie der Kapazität der Wasseraufnahme der Flughuhnfedern. Durch Computersimulationen sollten die Strukturparameter für eine ideale Wasserspeicherung ermittelt werden. Die Ergebnisse sollen als Vorlagen für ein bionisches Textil verwendet werden. Zusätzlich sollten Hypothesen zur möglichen Evolution des Wassertransports der Flughühner formuliert werden. <br /> Zur Klärung der Funktionsmorphologie wurde die Anordnung der Federn (Pterylographie) der Flughühner im Brustbereich erfasst und mit anderen Vogelarten verglichen. Es zeigte sich, dass die Brustfedern der Flughühner im Vergleich zu 118 anderen Vogelarten in ihrer Anordnung abweichen. Sie wurden mithilfe von Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie detailliert beschrieben. Wenn die Federmikrostrukturen benetzt werden verändert sich ihre Morphologie. Diese Formveränderung konnte auf eine interne Quellstruktur zurückgeführt werden und ist der erste Nachweis einer gezielten hygroskopischen Bewegung bei Tieren. <br /> Die Benetzungseigenschaften der Federn der Flughühner und der Vergleichsarten wurden untersucht, um zu klären, ob die jeweiligen hydrophilen bzw. hydrophoben Eigenschaften durch die Struktur oder durch die Oberflächeneigenschaften zu erklären sind. Hierzu wurde der materialabhängige Kontaktwinkel sowie die strukturellen Parameter der Federn ermittelt und daraus der eigentliche Kontaktwinkel berechnet. Die Hydrophobie der Vergleichsarten ist auf die Oberflächeneigenschaften und die Federstruktur zurückzuführen. Im Gegensatz dazu ist bei den Flughühnern der hydrophile Kontaktwinkel des Federmaterials für die gute Benetzbarkeit verantwortlich. <br /> Die Wasseraufnahmekapazität der Brustfedern der Flughühner, Vergleichsarten sowie technischen Materialien (z.B. Schwamm & Naturfaser-Viskose) wurde bestimmt. Beim Eintauchen der Flughuhnfedern und der Naturfaser-Viskose in Wasser, erreichen diese sofort ihre maximale Aufnahmekapazität, während allen anderen Federn und Materialien Wasser langsamer aufnehmen. Bei Totalbenetzung erreichen Flughuhnfedern (mit Ausnahme des Schwammes) die größte relative Aufnahmekapazität. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden Flughuhnfedern als vielversprechendes bionisches Vorbild eingestuft.<br /> Für die Computersimulationen wurde digital die Mikrostruktur der Flughuhnfeder nachgebildet, um das extreme Wasserhaltevermögen nachzustellen. Eine digitale Veränderung der natürlichen Strukturen hatte eine Verschlechterung der Wasserhaltefähigkeit zur Folge, sodass die Morphologie der Flughuhnfedern als optimiert betrachtet wurde. Die Simulation diente als Vorlage für einen textilen Nachbau, der durch Beflockungstechnik angefertigt wurde. Dieser Nachbau hat zwar eine geringere Wasseraufnahmekapazität als das biologische Vorbild, jedoch weist er teilweise signifikant höhere Aufnahmekapazitäten auf als heute verwendete Materialien. <br /> Des Weiteren wurde eine Hypothese zum Evolutionsverlauf des Wassertransports der Flughühner vorgestellt. Hierbei wird ein Übergang von einem anfänglichem Kühlungsverhalten der Brut zu einem späteren Tränken der Jungen postuliert.

<strong>The water-retentive feathers of sandgrouses (Pteroclididae) - Functional morphology, wetting properties and technical reproduction</strong><br /> Sandgrouses (Pteroclididae) live in the arid areas of Africa and Asia. The adult birds transport water in their breast feathers over long distances to their young. Although some publications have been available on the extreme water absorption capacity of the breast feathers the functional morphology of the water transport is still unclear. Objectives of the work are to elucidate the functional morphology, the wetting properties and the water absorption capacity of the sandgrouse feathers. Using computer simulations, the structural parameters for the best water storage should be determined. The results will be used as templates for a biomimetic textile replica. In addition, hypotheses on the possible evolution of water transport of the sandgrouses should be formulated. <br /> The Pterylography of sandgrouses has been described and compared with 118 different species. In sandgrouses, the arrangement of the breast and abdominal feathers differs significantly from other taxa. The breast feather structures of sandgrouses and four comparison species were documented. The function of morphology in the transportation of water is analyzed in detail by using light microscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy and structural changes to internal feather structures when wetted, were documented for the first time. <br /> The established determination of wetting properties of feathers could be significantly refined by inclusion of the material-dependent contact angle. Here, it was demonstrated that the surface properties of the feathers, as well as the feather structure are responsible for strong water repellency in non-sandgrouse species. The hydrophilic contact angle of the feather material is responsible for the strong wettability of the sandgrouse feathers. <br /> Water absorption capacity was compared between breast feathers of sandgrouses, non-sandgrouse species and technical materials (e.g. sponge & natural fibre viscose). Sandgrouse feathers and natural viscose reached full capacity within a few seconds, while all other feathers and the technical materials tested showed a linear increase of saturation. In total wetting, the sandgrouse feathers reached the highest relative absorptive capacity with the exception of the sponge. Due to a rapid water intake and a high absorption capacity, the breast feathers of sandgrouses were proposed as an attractive model for new materials adapted for fluid uptake. <br /> In computer simulations, the extreme water retention capacity of the sandgrouse feathers could be simulated. A digital changing of this structure resulted in a disproportional loss of the water-holding capacity, therefore the natural morphology can already be considered as optimized. <br /> Furthermore, this simulation was used as a template for a textile replica, which was produced by flocking. The structural changes observed in the feathers could not be reproduced in the replica, which had a lower water absorption capacity compared to the biological model. The novel textile exhibited structural and functional differences to technical materials used these days and reached in some cases a significantly better absorption capacity.<br /> Moreover, a hypothesis on the evolution of water transport was presented for the first time. Consideration of preadaptations such as a transition from an initial cooling behavior for the brood developing into a later mechanism for water transport to the young birds was postulated.