Magnetsinn

Als Magnetsinn oder Orientierung am Erdmagnetfeld wird die Fähigkeit von Tieren bezeichnet, das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen und für die Ortsbestimmung zu nutzen. Die Fähigkeit, sich am Magnetfeld der Erde zu orientieren, wurde erst seit Mitte der 1960er-Jahre bei Tieren und auch bei Bakterien experimentell nachgewiesen. Am besten untersucht ist heute der sogenannte „Magnetkompass“ der Zugvögel, ^[1] dennoch gilt der Magnetsinn noch immer als eine weitgehend unerforschte Sinnesleistung der Tiere.

Historisches

Wolfgang Wiltschko neben einer Versuchsanordnung zum Nachweis des Magnetsinns bei Küken

1965 regte der Ornithologe, Experte für den Vogelzug und damalige Ordinarius für Zoologie der Johann Wolfgang Goethe-Universität, Friedrich Wilhelm Merkel an, die biologischen Grundlagen des Vogelzugs auch experimentell zu untersuchen. Dieser Anregung folgend, konstruierte Wolfgang Wiltschko für seine Doktorarbeit im Keller des Zoologischen Instituts in Frankfurt am Main einen speziellen Käfig, der einerseits vom Erdmagnetfeld genügend stark abgeschirmt werden konnte, um den herum er aber ein schwaches, statisches Magnetfeld künstlich erzeugen konnte. Bei seinem „Modelltier“ Rotkehlchen gelang ihm als erstem Forscher der experimentelle Nachweis, dass Tiere ein statisches Magnetfeld wahrnehmen und ihr Verhalten in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld verändern können; seine Veröffentlichung dieser Befunde markierte den Beginn eines neuen Forschungszweigs in der Verhaltensökologie. ^[2] Später sicherte er seine Befunde durch Studien an Dorngrasmücken ^[3] und Tauben ^[4] ab.

Anfangs stießen die Veröffentlichungen der Frankfurter Ornithologen auf große Skepsis bei ihren Fachkollegen, da es mehreren anderen Arbeitsgruppen nicht gelang, Wiltschkos Befunde zu reproduzieren und so zu bestätigen. Haupthindernis für die Wiederholbarkeit andernorts war, wie sich im Rückblick zeigte, dass einerseits das Erdmagnetfeld abgeschirmt, zugleich aber ein künstliches statisches Magnetfeld aufgebaut werden musste und dessen Intensität nicht allzu stark von der des Erdmagnetfelds abweichen durfte. Erst 1972 wurden die Frankfurter Forschungsergebnisse durch ihre Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Science gleichsam international anerkannt; ^[5] diese Veröffentlichung gilt heute gewissermaßen als die Erstbeschreibung eines neu entdeckten Sinnesorgans in der Tierwelt.

Nach den „Modelltieren“ Rotkehlchen, Dorngrasmücke und Tauben konnte der Magnetsinn inzwischen bei ungefähr 50 Arten ^[6] nachgewiesen werden: so zum Beispiel bei Termiten und Ameisen, bei Wespen und Honigbienen, bei Feldmaikäfern, Drosophila melanogaster und der Hausmutter; bei Weichtieren, Krebstieren, Amphibien und Reptilien, bei europäischen Aalen und diversen Lachsen, bei Waldmäusen, Goldhamstern, Hauspferden und weiteren Säugetieren. ^[7]

2005 gelang der Nachweis, dass Küken des Haushuhns (Gallus gallus) ihre „Mutter“ mit Hilfe des Magnetfeldes wiederfinden können, wenn diese hinter einer Sichtblende versteckt wurde. ^[8]

Magnetsinn bei Vögeln

Ein technischer Kompass weist die Richtung von magnetisch Nord nach magnetisch Süd mit Hilfe der Polung des irdischen Magnetfeldes aus, er unterscheidet also gewissermaßen zwischen Nordpol und Südpol. Der Magnetsinn der Vögel basiert hingegen auf dem Erkennen der Inklination des Erdmagnetfeldes: Vögel bestimmen den Neigungswinkel der Magnetfeldlinien relativ zur Erdoberfläche. Sie unterscheiden also zwischen „polwärts“ und „äquatorwärts“, denn am Pol weisen die Magnetfeldlinien senkrecht nach oben, während sie am Äquator genau parallel zur Erdoberfläche verlaufen.

Physiologische Mechanismen

Der Magnetsinn im Auge funktioniert wahrscheinlich mit Hilfe der so genannten Radikal-Paar-Bildung, die bereits 1976 von dem deutschen Biophysiker Klaus Schulten (heute Professor an der University of Illinois) beschrieben wurde. Diesem Modell zufolge besteht der Magnetrezeptor aus einem Molekülpaar, das durch Licht aktiviert werden kann und anschließend, infolge der Übertragung eines Elektrons, ein sehr kurzlebiges, so genanntes Radikal-Paar bildet. Dieses Paar alterniert ständig zwischen zwei quantenmechanisch möglichen Zuständen. Nach dessen Zerfall können sich Moleküle mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden, je nachdem, in welchem Zustand sich dieses Radikal-Paar zuletzt befand. Dieser Endzustand ist dem Modell zufolge aber abhängig von der Inklination: Wenn die Magnetfeldlinien ausgeprägt senkrecht auf das Radikal-Paar treffen, entsteht ein anderes Verhältnis der beiden chemischen Endprodukte zu einander, als wenn die Magnetfeldlinien relativ flach auf das Radikal-Paar treffen. Im Ergebnis wird diesem Modell zufolge eine physikalische Gegebenheit (das örtliche Magnetfeld) in eine chemische Gegebenheit „übersetzt“ und so ein wesentlicher Schritt zur Wahrnehmung mit Hilfe eines spezialisierten Sinnesorgans zurückgelegt.

Der „Sitz“ des Magnetsinns bei Vögeln ist bis heute nicht mit absoluter Sicherheit nachgewiesen. Als geeignete Moleküle werden von den Forschern insbesondere so genannte Cryptochromen genannt, die in hoher Konzentration u.a. in der Ganglienzellschicht und den Fotorezeptoren von Gartengrasmücken nachgewiesen wurden. Demnach wäre die Netzhaut der Sitz des Magnetsinns. Von Wolfgang Wiltschko stammt die Beobachtung, dass die Orientierung von Zugvögeln am Magnetfeld nur gelingt, wenn ihr rechtes Auge nicht abgeklebt ist, während einäugig links sehende Tiere dann hilflos zu sein scheinen, was auf eine starke Lateralisation der Magnetorezeption hinweist.^[9] Andere Forschungsergebnisse sprechen für eine Magnetorezeption in beiden Augen,^[10] sie werden derzeit (2011) kontrovers diskutiert.^[11] Eine andere Frankfurter Forschergruppe kam ferner zu dem Ergebnis, dass auch im Bereich des Schnabels magnetisch empfindliche Strukturen vorhanden sind.

Alternative Hypothesen

Ein weiteres Molekül, welches als Magnetfeldrezeptor in Frage kommt, ist das Magnetit, das anfangs in magnetotaktischen Bakterien entdeckt wurde, welche sich ebenfalls am erdmagnetischen Feld ausrichten. Dabei handelt es sich um Eisenoxidkristalle (Fe₃O₄), die je nach Größe unterschiedliche magnetische Eigenschaften besitzen. Bei den zwei Typen, die als Magnetrezeptoren in Tieren vermutet werden, handelt es sich einmal um so genannte Single-Domain Teilchen, welche ein permanentes magnetisches Moment besitzen und sich somit am umgebenden Magnetfeld ausrichten können. Unter einer bestimmten Größe sind die Magnetitkristalle hingegen thermisch so instabil, dass deren magnetisches Moment fluktuiert und sich erst bei umgebendem Magnetfeld an dessen Feldlinienrichtung anpasst. Diese Eigenschaft wird als superparamagnetisch bezeichnet. Es wird angenommen, dass die Magnetitkristalle mit der Membran assoziiert sind und durch ihre Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld Aktivitätsänderungen hervorrufen, zum Beispiel dadurch, dass eventuell mechanosensitive Ionenkanäle geöffnet bzw. geschlossen werden können.

In Tauben und Forellen wurden bereits hohe Konzentrationen an Magnetitkristallen in Neuronen im Schnabel bzw. in der Nasengrube lokalisiert. Zudem konnte beim Reisstärling durch elektrophysiologische Untersuchungen gezeigt werden, dass Teile des Drillingsnervs (Nervus trigeminus), der von diesen Neuronen innerviert wird, Aktivitätsänderungen bei sich ändernder Intensität des umgebenden Magnetfeldes zeigen.

Die auf Magnetit basierenden Rezeptoren werden mittlerweile auch bei weiteren Vögeln und einigen anderen Tiergruppen vermutet, beispielsweise bei einigen Insekten und Meeresschildkröten.

Magnetsinn bei Reptilien

Viele Meeresschildkröten, so zum Beispiel die atlantischen Suppenschildkröten, orientieren sich am Magnetfeld der Erde, um Jahre nach dem Schlüpfen erstmals wieder zur Eiablage an den gleichen Strand zurückzukehren. Man vermutet, dass die Inklination der Feldlinien des Magnetfelds am Geburtsort durch Prägung dauerhaft gelernt wird.^[12]

Kürzlich wurde außerdem experimentell bestätigt, dass sich der Gecko Cyrtodactylus philippinicus am Magnetfeld der Erde orientieren kann. Dies ist der erste Nachweis eines erdmagnetischen Sinnes bei Schuppenkriechtieren.^[13]

Magnetsinn bei Rindern und Hirschen

Im Jahr 2008 gelangten Forscher der Universität Duisburg-Essen zu der Ansicht, dass auch Rinder und Hirsche über einen Magnetsinn verfügen. ^[14] Sie werteten Bilder von Google Earth aus, welche Rinderherden zeigten. Es wurde deutlich, dass zwei Drittel der Tiere beim Grasen oder Ruhen in Nord-Süd-Richtung standen oder lagen.^{[15] [16]} Angeregt durch diese Auswertung vermaßen tschechische Forscher im Nationalpark Böhmerwald die Körperachsenausrichtung von Reh- und Rotwild während des Schlafens; auch bei diesen Tieren wurden Hinweise auf eine Bevorzugung der Nord-Süd-Ausrichtung gefunden.

Magnetsinn beim Menschen

Ob auch der Mensch das Magnetfeld der Erde wahrnehmen und zur Richtungsbestimmung bei Ortsveränderungen nutzen kann, wurde bisher kaum erforscht. Die Aussagekraft der veröffentlichten Studien, die einen Magnetsinn beim Menschen bejahen, ist zudem umstritten, da sie aus einer einzigen Arbeitsgruppe stammen.

Ende der 1970er-Jahre hatte Robin Baker an der Universität Manchester mit Experimenten begonnen, bei denen Versuchspersonen zunächst in einem Auto mit verbundenen Augen kreuz und quer umhergefahren und schließlich aufgefordert worden waren, zum Ausgangspunkt der Irrfahrt zu deuten. Seiner Publikation zufolge konnten die Versuchspersonen signifikant korrekter die Richtung weisen als Kontrollpersonen, denen man einen Stabmagnet am Hinterkopf befestigt hatte. ^[17] Diese Testanordnung wurde umgehend von mehreren Arbeitsgruppen wiederholt, jedoch konnten die Ergebnisse andernorts nicht reproduziert werden. ^[18] Robin Baker hingegen variierte seine Vorgehensweise, indem er Versuchspersonen beispielsweise mit verbundenen Augen und auf verschlungenen Wegen durch Wälder führen und sie danach die Richtung nach Norden weisen ließ. Ferner wurden Versuchspersonen mit verbundenen Augen auf Drehstühle gesetzt, unregelmäßig nach links und rechts gedreht und nach einem abrupten Stopp gefragt, in welche Richtung ihr Gesicht schaut. Während Baker zwar ziemlich ungenaue, gleichwohl aber signifikant korrekte Richtungsweisungen nachzuweisen behauptete, ^[19] konnten auch diese Ergebnisse von anderen Forschergruppen nicht bestätigt werden. Ob die Arbeitsgruppe in Manchester einer Selbsttäuschung unterlegen ist oder ob auch der Mensch tatsächlich eine zumindest schwach ausgeprägte Fähigkeit besitzt, das Magnetfeld der Erde für sein Orientierungsverhalten zu nutzen, ist nach Auffassung von Experten eine Frage, die erst nach weiteren Experimenten beantwortet werden kann. ^[20]

Anhang

Quellen

1. ↑ R. Wiltschko, W. Wiltschko: Magnetic orientation in animals. Springer Verlag, 1995, S. 44
2. ↑ W. Wiltschko, F. W. Merkel: Orientierung zugunruhiger Rotkehlchen im statischen Magnetfeld. Verh. der Dtsch. Zoolog. Ges., Band 59, 1966, S. 362–367
3. ↑ W. Wiltschko, F. W. Merkel: Zugorientierung von Dorngrasmücken (Sylvia communis). Vogelwarte, Band 26, 1971, S. 245–249
4. ↑ R. Wiltscko, W. Wiltschko: Relative importance of stars and magnetic field for the accuracy of orientation in night-migrating birds. Oikos, Band 30, 1978, S. 195–206
5. ↑ W. Wiltscko, R. Wiltscko: Magnetic compass of European robins. Science, Band 176, 1972, S. 62–64, doi:10.1126/science.176.4030.62
6. ↑ Kiminori Maeda et. al.: Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature, Band 453, 2008, S. 387–390, doi:10.1038/nature06834
7. ↑ Eine umfassende Übersicht mit zahlreichen weiterführenden Literaturhinweisen geben R. Wiltschko, W. Wiltschko: Magnetic orientation in animals. Springer Verlag, 1995, S. 57–90
8. ↑ Rafael Freire, Ursula H. Munro, Lesley J. Rogers, Roswitha Wiltschko und Wolfgang Wiltschko: Chickens orient using a magnetic compass. Current Biology, Band 15, 2005, R620–R621; Volltext. Die Küken waren vor den Tests auf einen roten Tischtennisball geprägt worden, so dass dieser als „Mutter“ fungierte, ohne hinter der Sichtblende Geräusche oder sonstige Locksignale zu verursachen.
9. ↑ W. Wiltschko, R. Wiltschko: Magnetic compass orientation in birds and its physiological basis. In: Naturwissenschaften. 89, 2002, S. 445–452, doi:10.1007/s00114-002-0356-5.
10. ↑ Christine Maira Hein, Svenja Engels, Dmitry Kishkinev & Henrik Mouritsen: Robins have a magnetic compass in both eyes. Nature 471: Page: E1 Date published: 31. März 2011. DOI:10.1038/nature09875 Abstract online
11. ↑ Gegendarstellung von Wiltschko et al. zu Hein et al
12. ↑ Lohmann, K. J., Lohmann, C. M. F., Ehrhart, L. M., Bagley, D. A., and T. Swing: Geomagnetic map used in sea turtle navigation. Nature 428, 2004, S. 909–910; doi:10.1038/428909a. Eine Inhaltsübersicht gibt independent.co.uk
13. ↑ C. Marek, N. Bissantz, E. Curio, A. Siegert, B. Tacud & D. Ziggel (2010): Spatial orientation of the Philippine bent-toed gecko (Cyrtodactylus philippinicus) in relation to its home range. Salamandra 46(2), S. 93-97
14. ↑ Sabine Begall, Jaroslav Červený, Julia Neef, Oldřich Vojtčch, Hynek Burda: Magnetic alignment in grazing and resting cattle and deer. PNAS, published online before print, 25. August 2008, doi:10.1073/pnas.0803650105
15. ↑ [1] - Meldung auf Winfuture.de
16. ↑ [2] - Pressemeldung der Universität Duisburg-Essen
17. ↑ R. Robin Baker: Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: possible involvement of a magnetic sense. Science, Band 210, Heft 4469, 1980, S. 555–557 doi:10.1126/science.7233200
18. ↑ James L. Gould, Kenneth P. Able: Human homing: an elusive phenomenon. Science, Band 212, Heft 4498, 1981, S. 1061–1063
19. ↑ R. Robin Baker: Human navigation and magnetoreception. Manchester University Press, 1989
20. ↑ Wiltschko und Wiltschko schreiben in ihrem Buch Magnetic orientation in animals resignierend (S. 73, übersetzt): „Es ist nicht einfach, sich eine Meinung zu bilden.“

Literatur

• Roswitha Wiltschko und Wolfgang Wiltschko: Magnetic Orientation in Animals. 1998: Heidelberg (Springer Verlag), ISBN 3-540-59257-1
• Wolfgang Wiltschko: Magnetic Orientation. In: Josef Dudel, Randolf Menzel, Robert F. Schmidt: Neurowissenschaft. Vom Molekül zur Kognition. 2001: Berlin (Springer), ISBN 3-540-41335-9
• Henrik Mouristen und Thorsten Ritz: Magnetoreception and its use in bird navigation. COiN, 2005
• Johnsen und Lohmann: The physics and neurobiology of magnetoreception., 2005, Nature Reviews Neuroscience, September; 6(9):703-12

Weblinks

• Originaltext zum Modell der Radikal-Paar-Bildung von Klaus Schulten
• Kompass im Kopf: Vom Magnetsinn der Vögel Porträt der Forschungsarbeiten von Wiltschko & Wiltschko (Manuskript)

Siehe auch

• Magnetotaxis
• Heimfindeverhalten
• Elektromagnetische Umweltverträglichkeit

Wahrnehmung

Exterozeption (Wahrnehmung der Außenwelt): Geruchs- | Gesichts- | Hör- | Geschmacks-  | Tastsinn: Berührung - Schmerz - Temperatur
Interozeption (Wahrnehmung des eigenen Körpers): Propriozeption (einschl. Tiefensensibilität)  | Viszerozeption
Weitere: Gleichgewichtssinn | Zeitsinn | Magnetsinn