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Esther Appel; Stanislav N. Gorb:

Comparative functional morphology of vein joints in Odonata

2014. 104 pages, 53 figures, 1 table, 23x31cm, 640 g
Language: English

(Zoologica, Heft 159)

ISBN 978-3-510-55046-3, paperback, price: 119.00 €

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Keywords

odonatalibellenwing morphologyflügelmorphologie

Contents

Synopsis top ↑

The authors present a thorough study on the distribution of resilin-bearing wing vein joints in wings of Odonata. 22 species of 20 different families of dragonflies and damselflies, showing various wing morphologies and flight kinematics, are examined and reveal interesting evolutionary trends.

Dragonflies and damselflies show an exceptional high lift production and are some of the most maneuverable flying insects. The important role of their corrugated wing profile in increasing lift production has been shown in various studies. As odonate wings lack internal muscles, their aerodynamic performance relies on passive deformations, such as pleat angle widening and camber formation. The rubber-like protein resilin has been shown to play a crucial role in wing joint flexibility. Thus, it may be assumed that the specific distribution of either stiff or flexible, resilin-bearing vein joints may influence the overall wing deformation during flight.

Using fluorescence light microscopy and scanning electron microscopy, the dorsal and ventral wing sides of different species are compared with respect to the distribution patterns of four types of vein joints, five types of resilin patches, and joint-associated spines. The results reveal a significant difference between dragonflies and damselflies. Variations of the distribution patterns suggest a classification into five different pattern groups. Their occurrence within the two suborders shows some evolutionary trends and gives insight into the wing functionality. In particular, we discussed how the combination of joint morphology, kinematics, and wing morphology may allow different passive wing deformations during flight.

This study, generously illustrated with 53 mostly coloured figures is of great interest to biologists studying insect flight, functional morphology, and evolution of Odonata. Furthermore, the described distribution patterns of different vein joints in combination with wing shape and flight kinematics may possibly inspire their biomimetic imitation in micro air vehicles (MAV).

Bespr.: Mitt. d. Schweiz. Entom. Ges. Bd. 88 (1-2), 2015 top ↑

Libellen (Odonata) als 320 Millionen Jahre alte Vertreter der rezenten palaeoptera sind aufgrund ihrer versteiften Flügelbasis ausserstande, ihre Flügel in ruhelage flach über dem rücken zusammenzulegen. Trotz des archaischen Flügelbaus gehören sie zu den besten Fliegern unter den Insekten. Der Libellenflügel besteht aus einer dünnen Membran, die durch ein netzartiges Fachwerk von Längs- und Queradern aus skelettsubstanzen verstärkt ist. Die wellblechartige Faltblattstruktur in der Längsrichtung des Flügels und die festen Verbindungen zwischen Längsadern, Queradern und Flügelmembran verhindern, dass sich die Flügelfläche bei Belastung transversal verbiegt oder knickt. nun ist bei aller Art von Flugmanövern neben hoher stabilität auch Flexibilität und elastizität bestimmter Flügelteile erforderlich. ermöglicht wird dies durch zahlreiche, auf den Flügeln nach artspezifischen Mustern verteilten, beweglichen gelenken zwischen Längs- und Queradern. Diese Knotenpunkte sind mit resilin verleimt, einem gummiartigen protein, das bei Deformationen elastische energie speichert und fluoreszenzmikroskopisch nachweisbar ist. Je nach gelenktyp ist das resilin unterschiedlich verteilt. In manchen Fällen wird die freie Beweglichkeit der gelenke durch kurze, kräftige Dornen eingeschränkt.
Im vorliegenden Band der renommierten, 1888 begründeten publikationsreihe Zoologica präsentieren die beiden Autoren von der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der universität Kiel eine detaillierte morphologische Analyse der resilinhaltigen Adergelenke und ihrer Verteilungsmuster auf der Flügelfläche. Die Originalstudie beruht auf fluoreszenz- und raster - elektronenmikroskopischen untersuchungen an 22 Libellenarten aus 20 Familien der beiden unter - ordnungen epiprocta und Zygoptera. Insgesamt unterscheiden die Autoren vier Typen von Flügel - ader-gelenken (vein joints), fünf Typen von gelenkkombinationen (joint combinations) und fünf Typen von resilinverbindungen (resilin patches). Bezüglich der Verteilungsmuster der gelenktypen und resilinverbindungen differieren die beiden unterordnungen deutlich. Die untersuchten Taxa lassen sich aufgrund der Verteilungsmuster von resilin und gelenktypen in fünf gruppen klassifizieren. nach diesen Typenkriterien wird die Morphologie der Adergelenke aller Arten detailliert beschrieben, miteinander verglichen und in funktionsmorphologische Zusammenhänge gestellt. Dabei lassen sich auch evolutionäre Trends erkennen. Für alle 22 Libellenarten werden auf je einer Doppelseite mit einem ganzkörperscan eines Libellenpräparates und zwei (Kleinlibellen) oder drei (grosslibellen) Flügeln mit den Verteilungsmustern der verschiedenen gelenkkombinationen (joint combinations) und resilinverbindungs-Typen (resilin patch types) visualisiert; dabei sind auch mikroskopische Detailaufnahmen der arttypischen gelenke mit oder ohne Dornen. Dank des grosszügigen Buchformats und der hohen Druckqualität sowie der farblichen Darstellung der unterschiedlichen Flügelader-gelenktypen sind deren Verteilungsmuster und auch die morphologischen Details klar erkennbar.
Die Kinematik der Flügel während verschiedener Flugmanöver ist erst teilweise verstanden. Für künftige Analysen von hub und Vortrieb sich bewegender, passiv verformbarer Flügel spielt die Kenntnis der resilin enthaltenden Adergelenke und deren Verteilungsmuster auf der Tragfläche eine grundlegende rolle. Weitere studien in dieser richtung dürften nicht nur für die entomologie, sondern auch für die Bionik von Interesse sein, dies etwa im hinblick auf die Verbesserung von Micro Air Vehicles. Deren Flügel benötigen neben Versteifungen auch Flexibilität, dies zur Vermeidung von Materialschäden oder zur Bildung des gewölbten Flügelprofils sowie andere passive Verformungen der Flügelflächen, die zum Auftrieb beitragen.

Hansruedi Wildermuth

Mitteilungen der Schweizerischen Entomologischen Gesellschaft Bd. 88 (1-2), 2015

Table of Contents top ↑

1 Introduction 2
1.1 Motivation 2
1.2 A corrugated wing design 2
1.3 Resilin, a rubberlike protein, in insect flight
systems 3
1.4 Artificial flight systems inspired by dragonfly
wings 3
1.5 Aim of the study 3
2 Material and Methods 4
2.1 Animals 4
2.2 Fluorescence light microscopy (FLM) 4
2.3 Scanning electron microscopy 5
3 Results 5
3.1 Types of vein joints and joint combinations 5
3.2 Spines 6
3.3 Resilin in dragonfly and damselfly wings 7
3.4 Correlation between the joint type and resilin
patch type 7
3.5 Comparative analysis of the distribution of
spines, resilin patch and joint types in different
taxa of Odonata 8
3.5.1 Distribution of spines, resilin patch
types and joint types in different taxa
of Odonata 8
3.5.2 Phylogenetic comparison of different
structures 21
3.5.2.1 Five groups based on wing joint
structures 22
3.5.2.2 General constructional trends 23
4 Discussion 24
4.1 Role of resilin-bearing joint combinations
and lateral resilin patches in the deformability
of wing parts 24
4.2 Different functions of resilin 25
4.3 Comparative analysis of wing morphology,
behavior, and joint morphology 26
4.3.1 Differences between perchers and fliers 26
4.3.2 Differences between Epiprocta and
Zygoptera 26
4.3.3 Differences among the suborders 28
4.4 Functional role of spines 30
5 Conclusions 30
6 Outlook 31
Acknowledgements 31
References 31
Appendix – List of taxa studied 102