Conflictos aerodinámicos y de buceo por adhesión de agua al plumaje Oceanodroma leucorhoa, Synthliboramphus hypoleucus y Ptychoramphus aleuticus | Biomechanical conflicts between diving and aerial flight due to plumage wettability of Oceanodroma leucorhoa, Synthliboramphus hypoleucus and Ptychoramphus aleuticus

Las aves marinas enfrentan compromisos únicos con relación a la cantidad de agua absorbida por el plumaje y las habilidades tanto de vuelo como de buceo debido a las restricciones impuestas por el hábitat marino y sus historias de vida. En el presente estudio se analizan las propiedades estructurales de las plumas y los efectos mecánicos de despegue y buceo asociados al agua adherida al plumaje de tres especies de aves marinas: dos aves que bucean usando las alas y con carga alar grande, Ptychoramphus aleuticus y Synthliboramphus hypoleucus; y una especie que forrajea en la superficie del mar, con carga alar baja, Oceanodroma leucorhoa (incluida sólo en la parte del vuelo). Se encontró que las plumas mojadas ventralmente de los dos álcidos resisten una presión de aire máxima de 1.25 kPa. Las plumas de S. hypoleucus resistieron una presión de penetración de agua de 1.44 kPa, mientras que para P. aleuticus resistieron 1.36 kPa. Se evaluó el efecto del agua en el plumaje con relación a la habilidad de despegue de S. hypoleucus, P. aleuticus y O. leucorhoa. El plumaje de los álcidos retuvo menos agua que el de O. leucorhoa (~6.7% de la masa del cuerpo mb vs. 9.5%). La evaluación del despegue de estas tres especies, antes y después de mojar experimentalmente el plumaje, indica una reducción en la frecuencia de aleteo, velocidad, potencia por unidad de masa (media y máxima), energía mecánica por aleteo, pero un aumento en la aceleración. Durante el despegue, O. leucorhoa redujo su energía por unidad de masa y por aleteo en un 32%, mientras que para los álcidos fue ≤25%. El ángulo de despegue se redujo en los álcidos, pero no en O. leucorhoa. Los experimentos de carga máxima indican que O. leucorhoa soportó, con relación a mb, una carga extra del 45%, mientras tanto para P. aleuticus fue 23% y para S. hypoleucus fue 21%. La potencia máxima inducida fue 0.7 W para O. leucorhoa, 4.5 W para P. aleuticus y 5.7 W para S. hypoleucus. La habilidad de buceo fue evaluada incrementando experimentalmente el volumen de aire en los dos álcidos (16% más del contenido de aire original con un chaleco de polietileno de baja densidad), y se comparó con dos grupos control (sin carga y con un chaleco con flotabilidad neutra). Además, se cuantificó la pérdida de aire (burbujas) con respecto al tiempo. En ambas especies, los especimenes manipulados redujeron su velocidad de descenso, distancia y trabajo por aleteo en comparación con los controles. En P. aleuticus hubo diferencias significativas en el período de aleteo. En ambas especies no hubo ningún efecto en la pérdida de volumen de aire y en el costo de transporte entre grupos experimentales. Mientras que en las aves manipuladas fue al revés. El volumen de aire perdido por P. aleuticus y S. hypoleucus fue respectivamente de 9% y 8% del contenido original, durante el buceo a 0.7 m de profundidad.

Seabirds face unique tradeoffs between flying and diving, which are generally resolved according to their marine habitats and distinctive foraging modes. These tradeoffs are perhaps most pronounced in diving birds, which must not only contend with conflicting evolutionary pressures associated with flying but also with underwater swimming. Plumage wettability is an important factor in these tradeoffs as birds make transitions from air to water and vice versa. Dry plumage, which depends of feather microstructure, improves flying ability but increases buoyancy, which is a detriment to diving. The properties of wet feathers, and the effects of plumage wettability in flight and diving performance were analyzed in three seabird species: two wing propelled divers with high wing loading, Cassin’s Auklet (Ptychoramphus aleuticus) and Xantus’s Murrelet (Synthliboramphus hypoleucus); and Leach’s Storm-petrel (Oceanodroma leucorhoa), a surface feeder with low wing loading. I approached this issue by determining the mechanical costs of plumage wettability in takeoff and diving, both non-stationary modes of locomotion. Dry feathers did not resist any pressure for air penetration, but one-side wet feathers of both alcids resisted a critical air pressure of 1.25 kPa. Water pressure resistance of one-side wet feathers was 1.44 kPa for Xantus’s Murrelet and 1.36 kPa for Cassin’s Auklet. These results suggest that plumages with wet appearance reduce body heat loss during emersions after diving without losing their resistance to water penetration. Plumage wettability effect on takeoff performance was evaluated. The plumage of alcids held less water than that of the Storm-petrel (~6.7% of body mass vs. 9.5%). Examination of takeoff performance, both before and after experimentally submerging the birds, indicated that wingbeat frequency, speed and mass-specific power (peak and mean), and energy per wingbeat decreased in all species when plumage was experimentally wetted; whereas, mean acceleration increased. Leach’s Storm-petrel was more strongly affected by wet plumage than the alcids, with a 32% reduction in mass specific energy per wingbeat compared to ≤25% in the alcids. Takeoff angle was reduced in alcids, but not significantly so in O. leucorhoa. Mean maximum extra load supported by Leach’s storm petrels was 45% of body mass, 23% by Cassin’s Auklet, and 21% by Xantus’s Murrelet. Mean maximum induced power output was 0.7 W for Leach’s Storm-petrel, 4.5 W for Cassin’s Auklet, and 5.7 W for Xantus’s Murrelet. Diving performance was tested increasing experimentally the air volume (16% of the original content with a low density polyethylene vest) of Cassin’s Auklet and Xantus’s Murrelet, compared with two control groups (one non-manipulated and one with a neutral buoyancy vest). Also, the loss of air, as bubbles, with time was measured. Manipulated birds, loaded with an artificial air vest, reduced their descent speed, distance per flap, and work per flap compared with non-manipulated birds of both alcids. Significant differences were found in the flap duration of auklets only. In contrast, no difference was found in the loss of air volume and the cost of transport between experimental groups of both alcids. Non-manipulated birds presented a higher drag than buoyancy; meanwhile the contrary was found for manipulated birds. The air volume loss by Cassin’s Auklet and Xantus’s Murrelet measured during divings down to 0.7 m depth was 9% and 8% of the total air volume, respectively.