Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Computersimulationen erklären präzise die Lichtreflexionen der Federn

19.03.2014

Computersimulationen erklären präzise die Lichtreflexionen der Federn

Für Biologen sind Paradiesvögel mit ihrem farbenprächtigen Gefieder und ihren ausgeprägten Balztänzen schon lange ein interessantes Forschungsobjekt.

Nun hat ein Physikerteam die komplexen optischen Eigenschaften der Nacken- und Brustfedern der Art Parotia lawesii am Computer simuliert. Wie die Jülicher Professorin Kristel Michielsen und Wissenschaftler der Universität Groningen in der Zeitschrift PNAS berichten, stimmten die Ergebnisse der Simulation sehr gut mit zuvor gemessenen Streulicht-Mustern und Streulicht-Spektren überein.

Somit konnten die Wissenschaftler von Grund auf die Farbigkeit der Federn erklären, die durch Lichtreflexion an Nanostrukturen in den Federn hervorgerufen wird. Das Computermodell könnte auch bei der Optimierung fotonischer Materialien helfen.

Männliche Blaunacken-Strahlenparadiesvögel (Parotia lawesii) führen auf sonnigen Waldböden, die sie zuvor als Balzarenen hergerichtet haben, ein verblüffendes Tanzritual auf. Während des sogenannten Ballerina-Tanzes zeigen sie den Weibchen, die von Zweigen in der Umgebung herunterblicken, ihre bunten Brustfedern. Diese Federn leuchten während der Tanzbewegungen mal orange, mal grün und mal blau. Die Nackenfedern dagegen präsentieren sich spiegelnd-silbrig. Ansonsten ist das Gefieder pechschwarz.

Die Physiker aus Jülich und dem niederländischen Groningen haben zunächst die optischen Eigenschaften einzelner Brust- und Nackenfedern mit einem besonderen Streulichtmessgerät bestimmt. Die bunten Farbeindrücke werden durch die Reflexion des Sonnenlichtes an winzigen Strukturen in den Federn – genauer: in den Bogen- und Hakenstrahlen der Federäste – der Vögel hervorgerufen.

In den Federästen sind nanometergroße Körnchen aus dem Pigment Melanin, das bei Menschen für Hautfarbe und Hautbräunung verantwortlich ist, zu regelmäßigen Schichten angeordnet. An jeder einzelnen Schicht werden die Sonnenstrahlen zurückgeworfen, wobei sie sich durch Interferenz auf charakteristische Weise verstärken oder auslöschen. Die Melanin-Körnchen in den Brustfedern sind kleiner und weniger dicht gepackt als die in den Nackenfedern. Außerdem haben die Brustfederäste einen Bumerang-förmigen Querschnitt und sind von einem dünnen Film des Proteins Keratin eingehüllt. Diese Faktoren sind die Ursache für das komplexe Reflexionsverhalten und das Farbenspiel der Brustfedern.

Die Bilder und Spektren, die sich aus den Streulichtmessungen ergaben, waren nahezu identisch mit denen, die das Forscherteam aufgrund von Computersimulationen erhielt. "Das bedeutet: Wir können das Zustandekommen des komplexen Reflexionsmusters der Federn vollständig nachvollziehen und somit erklären", freut sich Kristel Michielsen vom Jülich Supercomputer Centre (JSC).

Ausgangspunkt der Computersimulationen sind Gleichungen, mit denen Physiker die Ausbreitung von Lichtwellen durch ein Medium beschreiben. Michielsen hat einen Programmcode entwickelt, mit dem sich diese sogenannten "zeitabhängigen Maxwell-Gleichungen" lösen lassen. Im Falle der Paradiesvögel mussten unter anderem die genaue Form der Federäste sowie die komplexen Lichtbrechungsindizes von Melanin und Keratin in das Programm eingegeben werden. Doch der Programmcode von Michielsen könnte auch interessant sein, um mit seiner Hilfe am Computer nanostrukturierte Materialien mit interessanten optischen Eigenschaften zu entwerfen.

Die simulierten und gemessenen Spektren belegen eine starke Abhängigkeit der Reflexionen vom Winkel des einfallenden Lichtes. Offensichtlich stimulieren die Reflexionen das Sehsystem der weiblichen Paradiesvögel auf sehr spezielle Weise. Denn in den Augen der Paradiesvögel gibt es vier Arten von Fotorezeptoren, die unterschiedlich empfindlich für verschiedene Wellenlängenbereiche des Lichts sind und mit denen die Vögel auch außerhalb des menschlichen Wahrnehmungsbereiches, im Ultravioletten, sehen können.

Während die Lichtreflexionen der Nackenfedern stets alle Fotorezeptoren beim Weibchen aktivieren, werden durch die Reflexion der Brustfedern abhängig vom Lichteinfallswinkel wechselnde Fotorezeptor-Arten erregt. Erst durch den Tanz, bei dem die Federn unter ständig wechselndem Winkel beleuchtet werden, entsteht in den Augen der Weibchen ein Farbenspiel, das einen Werber einzigartig und attraktiv machen kann.

Originalveröffentlichung:

Bodo D. Wilts, Kristel Michielsen, Hans De Raedt, and Doekele G. Stavenga:
Sparkling feather reflections of a bird-of-paradise explained by finite-difference time-domain modeling. PNAS 2014; published ahead of print March 3, 2014 (DOI:10.1073/pnas.1323611111)

Ansprechpartner:

Prof. Kristel Michielsen
Tel. +49 2461 61-2524
k.michielsen@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, M.A., Pressereferent
Tel.: +49 2461 61-1841
e.zeiss@fz-juelich.de

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Multidisziplinäre Studie regt neue Strategie zur Medikamentenentwicklung an
15.01.2018 | Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH

nachricht Interaktionen zwischen einfachen molekularen Mechanismen führen zu komplexen Infektionsdynamiken
09.01.2018 | Institute of Science and Technology Austria

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2018

17.01.2018 | Veranstaltungen

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

Fachtagung analytica conference 2018

15.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Projekt "HorseVetMed": Forscher entwickeln innovatives Sensorsystem zur Tierdiagnostik

17.01.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt

17.01.2018 | Physik Astronomie

Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

17.01.2018 | Physik Astronomie