Elektrische Rekorde der Natur Mit dem Kompass im Auge um die ganze Welt

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Jeder weiß, dass sich Zugvögel am Erdmagnetfeld orientieren. Wie das genau geht und welche anderen Lebewesen dieses Prinzip ebenfalls nutzen, verrät dieser zweite Artikel unserer Serie ‚Elektrische Rekorde der Natur‘.

Während wir uns in fremden Umgebungen oft nur mithilfe von Straßenkarten, Navigationssystemen oder Apps zurechtfinden, benötigen Zugvögel keine technische Unterstützung, denn sie besitzen ein angeborenes Orientierungsvermögen. Der Nachwuchs vieler Arten finden völlig auf sich gestellt den Weg in das Winterquartier. Dabei können sie nur auf ihr eigenes Kompasssystem – bestehend aus Sonnen-, Sternen- und Magnetkompass – vertrauen. Die drei Orientierungsmechanismen sind in ein komplexes System integriert, fällt einer von ihnen aus, übernehmen die anderen sofort.

Am besten von ihnen untersucht ist der Magnetkompass [1]. Im Gegensatz zu unserem technischen Kompass, der zwischen magnetischen Nord- und Südpol unterscheidet, bestimmen die Vögel den Neigungswinkel (Inklination) der Magnetfeldlinien zur Erdoberfläche: Die Vögel unterscheiden zwischen „polwärts“ (hier stehen die Magnetfeldlinien senkrecht in den Boden) und „äquatorwärts“ (hier verlaufen die Feldlinien parallel zur Erdoberfläche).

Aber was passiert, wenn die Vögel den Äquator überfliegen? „Polwärts“ liefert nun keine eindeutige Richtungsinformation mehr und die Magnetfeldlinien neigen sich jetzt in Richtung des gegengesetzten Pols – was auf der Nordhalbkugel „Norden“ anzeigt, bedeutet nun „Süden“. Forscher schätzen, dass der Aufenthalt in einem Bereich mit horizontalem Magnetfeld den Vögeln als Signal dient, die Zugrichtung anzupassen [2, 3].

Mit welchem Sinnesorgan ist den Vögeln diese erstaunliche Reise möglich? Für uns ist Sehen (Lichtquanten) und Hören (Schallwellen) selbstverständlich, für die Wahrnehmung des Magnetfelds fehlt uns jedoch jedes Gespür – und somit wissen auch Forscher nicht, wo und wonach sie suchen müssen. Verschiedene theoretische Modelle beschreiben, welche biophysikalischen Eigenschaften potenzielle Magnetrezeptoren haben müssten, um bei den geringen Feldstärken des Erdmagnetfels (ca. 50 µT) überhaupt zu funktionieren.

Umwandlung physikalischer Information in chemisches Signal

Eine davon ist der Radikal-Paar-Mechanismus. Nach diesem Modell besteht der Magnetrezeptor aus einem Molekülpaar, das durch Licht aktiviert wird und anschließend durch die Übertragung eines Elektrons ein so genanntes Radikal-Paar bildet. Dieses pendelt in seiner Lebenszeit von wenigen 1000stel Sekunden zwischen zwei möglichen quantenmechanischen Zuständen. Je nachdem, in welchem Zustand es sich beim Zerfall befindet, bilden sich Moleküle mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften.

Dabei verschiebt sich das Gleichgewicht zu Gunsten des einen oder anderen Zustands je nachdem, in welchem Winkel die Magnetfeldlinien auf das Radikal-Paar treffen – und somit das Verhältnis der chemischen Endprodukte zueinander. Diese Umwandlung der physikalischen Information in ein chemisches Signal, könnte der erste Schritt auf dem Weg zur Sinneswahrnehmung sein. Die Lichtabhängigkeit der Radikal-Paar-Theorie legt nahe, dass der Inklinationskompass an das Sehsystem gekoppelt ist.

Weiterhin haben Forscher herausgefunden, dass Vögel zur Orientierung eine geringe Menge kurzwelliges Licht dem Bereich von etwa 370 nm bis 565 nm benötigen und zumindest auf einem Auge sehen können muss [3]. Die Netzhaut des Auges ist ein vielversprechender Kandidat, da sie die Form einer Halbkugel besitzt, auf der die Rezeptoren gleichmäßig verteilt in alle Raumrichtungen ausgerichtet sein können. So wären immer nur wenige Rezeptoren genau in Richtung der Magnetfeldlinien ausgerichtet und würden dem Vogel eine eindeutige Information über den Neigungswinkel der Magnetfeldlinien liefern (Bild 2).

Und tatsächlich finden Forscher die lichtempfindliche Cryptochrome in der Netzhaut der Vogelaugen, sie reagieren nur auf das Magnetfeld, wenn sie gleichzeitig durch Licht angeregt werden.

Wo und wie genau die magnetischen Informationen im Gehirn verarbeitet werden und wie der Vogel die magnetische Referenzrichtung bestimmt, ist noch nicht geklärt. Forscher vermuten, dass die Vögel ein virtuelles Bild vom Magnetfeld erzeugen, welches das normale Sehen des Vogels überlagert [2].

Auch andere Tiere nutzen das Erdmagnetfeld

Nicht nur Vögel nutzen das Erdmagnetfeld, auch eine Reihe ganz unterschiedlicher Lebewesen sind auf die eine oder andere Weise in der Lage, die Magnetfeldlinien zu detektieren. Neben Zugvögeln besitzen auch Pflanzen, Bakterien und hundeartigen Raubtieren die lichtempfindlichen Cryptochrome [5].

Ähnlich wie Vögeln nutzen Meeresschildkröten ihren Magnetfeldsinn zur Orientierung. Zudem erkennen sie offenbar das charakteristische Muster des Erdmagnetfeldes am Ort ihrer Geburt und speichern dieses ab, um so zur Eiablage wieder an „ihren“ Strand zurückzufinden. Wie die Meeresbewohner das machen, ist allerdings unklar [6, 7].

Einige Bakterien besitzen sogenannte Magnetosomen. Das sind aus magnetischen Mineralien zusammengesetzte Partikel, die wie Kompassnadeln reagieren und so den Bakterien helfen, oben und unten zu unterscheiden. Ameisen nutzen ihre Antennen als Multifunktionsorgan: Sie tasten, riechen und schmecken mit ihnen. Die brasilianische Ameise Pachycondyla Marginata kann wahrscheinlich die Nord-Süd-Achse des Erdmagnetfelds erkennen: Sie besitzt Magnetit-Kristalle in den Fühlern.

Fledermäuse orientieren sich mit Ultraschall – zumindest in ihrem näheren Umfeld. Zudem sollen sie einen Polaritätskompass und eine mentale Landkarte der Erdmagenfeldstärke besitzen, mit der sie ihre geografische Lage relativ genau ermitteln.

Und auch Rinder sollen einen Magnetsinn besitzen. Grasen sie nicht unter Hochspannungsleitungen, richten sie sich bevorzugt entlang einer Nord-Süd-Achse aus. Zu diesem Ergebnis kamen Forschende der Universität Duisburg-Essen durch die Auswertung von Satellitenbildern. Wie Kühe die Magnetfelder wahrnehmen und wozu ihnen das nutzt, ist noch nicht bekannt [8].

Rotfüchse zeigen bei der Jagd ein spezielles Verhalten, das sogenannte Mausen: Der Fuchs springt hoch und überrascht seine Beute von oben (Bild 3). Dabei scheint das Gehör der primäre Sinn für die präzise Ortung der Beutetiere zu sein, denn sehen kann er seine Beute in hoher Vegetation oder unter Schnee nicht.

Es zeigte sich, dass Füchse beim Sprung auf ein Beutetier erfolgreicher sind, wenn sie sich an der nordsüdlichen Kompassachse ausrichten – mit einer Erfolgsquote von 80 Prozent im Gegensatz zu 15 Prozent bei anderen Ausrichtungen. Ein Hinweis darauf, dass der Fuchs einen Magnetsinn besitzt, den er jedoch nicht nur zur Orientierung nutzt: Er „berechnet" vermutlich die Distanz anhand des Neigungswinkels der Magnetfeldlinien. Seine Jagderfolg liegt somit in einer Kombination aus dem guten Gehör (für die Richtung) und dem Magnetsinn (für die Entfernung) begründet [9, 10].

Welches Tier nun den besten Magnetsinn hat, ist nicht erforscht. Zugvögel sind trotzdem rekordverdächtig [11, 12, 13]:

• Der kleine Mauersegler erreicht Geschwindigkeiten von 160 km/h.

• Streifengänse überqueren Gebirge in bis zu 9000 Metern Höhe, wo die Luft so dünn ist, dass sie ständig mit den Flügeln schlagen müssen.

• Die Pfuhlschnepfe schafft 11.000 km in neun Tagen – ohne eine einzige Pause.

• Die Küstenseeschwalbe ist der Zugvogel mit der längsten Zugstrecke: Sie legen einfach mehr als 20.000 km von Brutgebieten an den Küsten Grönlands und Alaskas bis zum Winterquartier in die Antarktis zurück.

In Teil 1 dieser Artikelserie erfahren Sie, welche unglaublichen elektrischen Fähigkeiten Zitteraale und Haie besitzen.  (jw)

Elektrische Rekorde der Natur

Zitteraal und Hammerhai – dem Elektrosinn auf der Spur

Quellen und Hintergrundinformationen

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetsinn

[2] http://www.presse.uni-oldenburg.de/einblicke/42/mouritzen.pdf
Der Magnetkompass der Zugvögel; Von Julia Stalleicken und Henrik Mouritsen; EINBLICKE Nr. 42 / Herbst 2005 Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

[3] https://www.zobodat.at/pdf/Vogelwarte_55_2017_0029-0051.pdf
Wiltschko R & Wiltschko W 2017: The avian navigational system. Vogelwarte 55: 29-51.

[4] A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds, T. Ritz et al. Biophyiscal Journal 78: 707-718

[5] https://www.mpg.de/10319313/magnetfeld-kompass-auge

[6] https://www.spektrum.de/wissen/10-aussergewoehnliche-sinne/1289498

[7] https://www.faz.net/aktuell/wissen/magnetsinn-bei-schildkroeten-daheim-ist-daheim-13372772.html

[8] https://www.spektrum.de/wissen/wahrnehmung-10-lebewesen-die-das-magnetfeld-anziehend-finden/1651972

[9] J. Červený et al. Directional preference may enhance hunting accuracy in foraging foxes. Biol. Lett. 7:355-357. https://doi.org/10.1098/rsbl.2010.1145

[10] https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/orientierung-beim-jagen-fuechse-haben-kompass-im-kopf-a-739147.html

[11] https://www.planet-wissen.de/natur/voegel/zugvoegel/pwiezugvogelrekorde100.html

[12] https://naturdetektive.bfn.de/lexikon/tiere/voegel/rekorde-der-zugvoegel.html

[13] https://www.welt.de/wissenschaft/article1759896/Zugvoegel-hoeher-und-weiter-als-ein-Airbus.html

* Dr. Anna-Lena Gutberlet arbeitet als freiberufliche Autorin, unter anderem für die ELEKTRONIKPRAXIS. Hier betreut sie neben dem Schwerpunkt Elektronikfertigung aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft.

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