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 Neues Nano-CT-Gerät liefert hochauflösende Aufnahmen von winzigem Stummelfüßer-Bein
07.11.2017 | Technische Universität München

nachricht Neues Verbundprojekt erforscht die neurodegenerative Erkrankung Morbus Alzheimer
12.09.2017 | Universitätsklinikum Würzburg

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie