Wearing resistance, wettability, morphology and mechanical properties of feathers of the American barn owl (Tyto furcata pratincola)

Ott, Benjamin M.; Wagner, Hermann; Müssig, Jörg

doi:HT019727027

Wearing resistance, wettability, morphology and mechanical properties of feathers of the American barn owl (Tyto furcata pratincola) = Abnutzungsresistenz, Benetzbarkeit, Morphologie und mechanische Eigenschaften von Federn der amerikanischen Schleiereule (Tyto furcata pratincola)

Ott, Benjamin M.^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Biol. Benjamin M. Ott

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xxxiv, 156 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH* ; Müssig, Jörg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-225329
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/726938/files/726938.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/726938/files/726938.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wettability (frei) ; Barn Owl (frei) ; Silent Flight (frei) ; Drop Shape Analysis (frei) ; Material Properties (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die amerikanische Schleiereule (Tyto furcata pratincola) verfügt über morphologische Spezialisierungen, die es ihr ermöglicht, lautlos zu fliegen. Da dies von immenser Bedeutung fur ihren Jagderfolg ist, würde man vermuten, dass die Schleiereule besonders in den Erhalt dieser morphologischen Strukturen investiert. Hierzu zählt zum Beispiel eine deutlich häufigere Mauser als dies bei anderen, ähnlich großen Vögeln, wie zum Beispiel der Haustaube (Columba livia domestica) der Fall wäre. Überraschenderweise ist das Gegenteil der Fall. Die Mauserzyklen der Federn der amerikanischen Schleiereule sind deutlich länger als die der Taube. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass die Federn der Schleiereule inhärent resistenter gegen mechanische Belastung sind, als die der Taube. Im Verlauf dieser Arbeit wurde die Abnahme des Kontaktwinkels nach künstlich induzierter mechanischer Abnutzung als Maß für ebendiese Abnutzung verwendet. Zusätzlich wurden die Proben hinsichtlich makroskopischer Anzeichen von Abnutzung bewertet. Die gewonnenen Daten legten nahe, dass die Federn der Schleiereule tatsächlich resistenter gegen künstlich induzierte mechanische Abnutzung sind als Federn der Taube. Möglicherweise ist dies eine Folge der geringeren Steifigkeit der Schleiereulenfeder gegenüber der Taubenfeder, deren größere Steifigkeit möglicherweise eine Anpassung an hohe Fluggeschwindigkeiten darstellt. Im Rahmen der Kontaktwinkelmessungen zur Bestimmung der Auswirkungen künstlich induzierter mechanischer Abnutzung wurde klar, dass sich die Benetzung von Schleiereulenfedern mit Wasser deutlich von der bei Taubenfedern unterschied. Die Federn beider Arten sind außerordentlich hydrophob hinsichtlich des hohen Kontaktwinkels. Wassertropfen rollten sehr einfach von Taubenfedern herunter. Im Gegensatz dazu ”klebten” Wassertropfen regelrecht an Flugfedern der Schleiereule und waren nur sehr schwer zu entfernen. Quantitativ kann dieses Phänomen mit dem Abrollwinkel und der Kontaktwinkelhysterese beschrieben werden. Die Samtstruktur der dorsalen Seite der Feder, eine der morphologischen Spezialisierungen von Eulenflügeln, die zum lautlosen Flug beitragen, schien fur die außergewöhnlich hohen Abrollwinkel und der hohen Kontakwinkelhysterese auf Flugfedern der Schleiereule verantwortlich zu sein. Messungen dieser Eigenschaften vor und nach Entfernung der Samststruktur durch Rasieren und der Vergleich mit gleich behandelten Federn, die ursprünglich gar nicht über eine ausgeprägte Samtstruktur verfügten, wie zum Beispiel Taubenfedern oder Körperfedern der Schleiereule, legten nahe, dass diese Samstruktur tatsachlich verantwortlich für die hohe Haftung von Wassertropfen an Flugfedern der Schleiereule ist. Die Werkstoffeigenschaften von Federn, insbesondere von lautlos fliegenden Arten wie der amerikanischen Schleiereule, sind bislang nur schlecht untersucht. Da die meiste Interaktion zwischen der Luftströmung und dem Flügel von den Werkstoffeigenschaften und der Morphologie der Federaste abhängt, ist eine Untersuchung beider Eigenschaften von besonderem wissenschaftlichen Interesse. Hierzu wurden die Zugkräfte auf Federäste der neunten Handschwungfeder von Eule und Taube in Zugversuchen gemessen. Zusammen mit der zugehorigen Cortexfläche des Federastes konnte so aus Spannungs-Dehnungs-Diagrammen der Elastizitätsmodul entlang des Federastes bestimmt werden. Überraschenderweise war der Elastizitätsmodul für Federäste keine Konstante sondern nahm von der Basis der Federäste zur Spitze hin zu. Generell war der Elastizitätsmodul höher in den getesteten Federästen der Taubenfedern als in den Federästen der Eulenfedern. Dies ist sehr wahrscheinlich eine Anpassung an die hohen Fluggeschwindigkeiten bei der Taube. Zugleich unterstützt dieses Ergebnis die Hypothese, dass Taubenfedern über eine höhere Steifigkeit, respektive einen höheren Elastizitätsmodul, verfügen und deshalb möglicherweise weniger resistent gegen mechanische Abnutzung sind, weil sie einer Verbiegung durch mechanische Belastung so weniger Widerstand entgegensetzen. Da Federn weder isotrop noch homogen sind, war es zudem wichtig die Morphologie der Federäste zu untersuchen. Fünf morphologische Eigenschaften des Federastquerschnittes (Gesamtfläche, Cortexfläche, Markfläche, innerer- und äußerer Umfang des Cortex) wurden mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Dies war aufgrund der Autofluoreszenz des Federkeratins leicht möglich. Alle morphologischen Eigenschaften wiesen die höchsten Werte an der Basis der Federäste auf und nahmen zur Spitze der Federäste hin linear ab. Unterschiede zwischen beiden Arten konnten hauptsächlich bei Federästen der Vorderfahne gefunden werden. Die Ventralregion der Federäste war bei Federästen der Eule deutlich verlängert und gebogen, während keine solche morphologische Veränderung bei Federästen der Taube zu erkennen war. Ich vermute, dass diese kommaförmige Verlängerung der Ventralregion die Lücken zwischen benachbarten Federästen schließen kann. Das wiederum könnte potenziell einen Einfluss auf die Luftströmung an der ventralen Flügelseite haben. So ist es möglich, dass Wirbel, die zwischen benachbarten Federästen entstehen und Geräusche erzeugen, verringert werden. In diesem Fall wäre dies mutmaßlich eine weitere Anpassung, die lautloses Fliegen bei Schleiereulen ermöglicht.

The American barn owl (Tyto furcata pratincola) evolved morphological specializations that facilitate silent flight. Their hunting success depends on these specializations so one would expect the barn owl to invest more in the maintenance of their overall plumage condition compared to other same sized birds like the domestic pigeon (Columba livia domestica). This would include for example to have significantly shortened molting cycles in order to replace worn and broken feathers. However, molting cycles of barn owls are significantly longer than those of domestic pigeons. One possible explanation would be that barn owl feathers are inherently more resistant against mechanical wear. During this study, the decrease of the water contact angle after artificially induced mechanical wear was used as a proxy for mechanical wear. Additionally, the feather specimens were investigated in regard to macroscopically visible signs of wear by rating them after each step of artificially induced mechanical wear using a feather condition score. The data suggests that barn owl flight feathers are more resistant against mechanical wear than pigeon flight feathers. This occurs most likely due to the higher stiffness of pigeon feathers which is most likely an adaptation to high speed flight. During the contact angle measurements that were done to evaluate the impact of artificially induced mechanical wear on the contact angle, the special wetting properties of barn owl flight feathers came into focus. Although feathers have extraordinary non-wetting properties in terms of high contact angles, water drops roll-off easily from pigeon feathers but stick to barn owl flight feathers. This can be described using the roll-off angle and the contact angle hysteresis. The velvet-like surface structure of flight and body feathers of the barn owl and the pigeon were removed by shaving. A comparison of the roll-off angle and contact angle hysteresis before and after shaving suggested that the velvet-like surface structure is responsible for the adhesion of water drops to barn owl flight feathers. This phenomenon did not distinctly occur on feathers that lack a velvet-like surface structure like pigeon feathers or barn owl body feathers. The material properties of feathers, especially of silently flying species like the American barn owl, are relatively poorly understood. Since most of the interaction between the wing and the air depends on the material properties and morphology of the barbs that form the airfoil, investigation of this is of special interest. The modulus of elasticity of the barbs of the 9th primary feather of the American barn owl and the domestic pigeon were analyzed. Tensile tests were used to measure force and strain of barbs. Together with the measurement of the cortex area of the barbs, the stress was calculated and used to determine the modulus of elasticity. Surprisingly, the modulus of elasticity was not constant along a feather barb but increased from the base of the barb towards the tip. It was generally higher in pigeon flight feather barbs in comparison to barn owl flight feather barbs. This is most likely an adaptation to high speed flight of pigeons and at the same time reinforces the hypothesis that the better wearing resistance of barn owl feathers is due to a lower stiffness, respectively a lower modulus of elasticity which leads to softer and more flexible feathers which reduces the likelihood of breakage. Since a feather barb is neither an isotropic nor a homogeneous structure, it became important to analyze the morphological structure, as well. Five parameters of the barb cross-section (total area, cortex area, pith area, outer and inner perimeter of the cortex) were characterized by fluorescence microscopy utilizing the autofluorescence of feather keratin. All morphological parameters were maximal at the base and decreased linearly towards the barb tip in both species. Differences of the five parameters between the species were mainly found in barbs of the outer vane. The ventral region of the barbs was distinctly elongated and bent in barn owl barbs, while no such elongation was visible in pigeon barbs. I hypothesize that this comma-shaped elongation is capable of covering the gaps that occur between two neighboring barbs. This would have an impact on the airflow over the ventral side of the wing. If this specialization is capable of avoiding sound-generating vortices that emerge between gaps of neighboring barbs, it would be potentially an additional adaptation to enable silent flight in barn owls.

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