Der innere Kompass

Die Küstenseeschwalbe ist eine Orientierungskünstlerin. Im August verlässt sie ihren Brutplatz in der Hocharktis und zieht über die offenen Meere und entlang von Küsten in den Süden. Im Dezember erreicht sie ihren Bestimmungsort: fischreiche Gewässer rund um die Antarktis. Drei Monate später kehrt sie in den Norden zurück. Auf einer anderen Route. Dabei gelingt es ihr, die besten Winde auszunützen. Bringen sie heftige Böen oder Unwetter von ihrer Route ab, korrigiert sie ihre Flugrichtung und fliegt auf einer anderen Strecke ihrem Ziel entgegen. Bis zu 80 000 Flugkilometer lang ist ihre Reise hin und zurück. Das ist ein Rekord im Tierreich.

Auch Buckelwale und Haie ziehen über Tausende von Kilometern in erstaunlich geraden Linien in Meeresgebiete, wo sie sich zur Paarungszeit mit ihren Artgenossen treffen. Meeresschildkröten finden nach einer jahrelangen Odyssee durch die Weltmeere punktgenau zum Strand zurück, an dem sie geschlüpft sind. Der Lachs springt nach etlichen Jahren im Ozean wieder genau jenen Fluss hoch, in dem er geboren wurde.

Seefahrer wissen, wie schwierig es ist, sich auf offenen Gewässern zurechtzufinden. Steigt auf dem Ozean das Navigationsgerät aus, sind sie hilflos. Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts waren sie überhaupt nicht in der Lage, ihre Position zu bestimmen. Sie vermochten zwar anhand der Sonne und der Sterne den Breitengrad auszurechnen. Für die Bestimmung des Längengrads aber musste zuerst eine exakte Uhr erfunden werden. Bis dahin irrten manche Schiffe wochenlang auf dem Meer umher oder gelangten an falsche Küsten.

Was machen Tiere anders, besser? Wie wissen sie, wo sie sich befinden und wo ihr Ziel liegt – ohne Weltkarte, GPS oder Smartphone? Forscher in aller Welt versuchen, das Wunder des tierischen Orientierungssinns zu enträtseln.

Weit fortgeschritten ist die Forschung beim Monarchfalter. Der orange-schwarz gemusterte Wanderschmetterling lebt im Sommer in weiten Teilen der USA. Dabei folgen sich drei Generationen, die jeweils nur kurz leben. Die vierte Generation macht sich ab September auf Wanderschaft: Abermillionen von Faltern ziehen in ihr Winterquartier. Das grösste befindet sich in einem kaum 20 Hektar umfassenden Waldgebiet in der mexikanischen Sierra Nevada, wo sich die Schmetterlinge in riesigen Trauben an die Bäume hängen. Das Erstaunliche ist: Die Falter finden ihren Überwinterungsort, obschon sie noch nie dort waren.

«Die Monarchfalter navigieren vor allem anhand der Sonne», sagt Steven Reppert von der University of Massachusetts Medical School. Der Neurowissenschaftler erforscht die Insekten seit vielen Jahren. «Anhand des Sonnenstands bestimmen die Falter, wo Süden und wo Norden ist.» Einfach ist das nicht, da sich der Stand der Sonne mit jeder Tages- und Jahreszeit ändert. Der Monarchfalter muss die Änderungen ständig mit Hilfe einer inneren Uhr neu berechnen. Der Taktgeber befindet sich in den Fühlern. Entfernt man diese, verlieren die Schmetterlinge ihre Orientierung.

Die Sonne kann allerdings nicht der einzige Punkt sein, an dem sich die Falter orientieren. Die Tiere finden ihr Ziel selbst dann, wenn sich das Gestirn hinter dichten Wolken verbirgt. Das funktioniert, weil sie auch das polarisierte Licht sehen. Sie nehmen es als ringförmiges Muster über dem Horizont wahr, das aufgrund der Brechung des Sonnenlichts in der Atmosphäre entsteht. Wir Menschen benötigen einen Filter, um das polarisierte Licht für unser Auge sichtbar machen zu können. Die Facettenaugen der Monarchfalter erkennen es mühelos und bestimmen daraus den Sonnenstand.

Steven Reppert ist überzeugt, dass der Monarchfalter zur Orientierung zusätzlich über einen Magnetsinn verfügt. Nachdem der US-Amerikaner und sein Team denselben Mechanismus im Auge der Fruchtfliege gefunden hatten, kamen sie einem solchen auch beim Monarchfalter auf die Spur. «Wir glauben, dass im Auge ein Protein namens Cryptochrom beteiligt ist, das sich durch das Magnetfeld beeinflussen lässt», sagt er (siehe Grafik rechts). Tiere wie die Fliege und der Falter können deshalb vermutlich zwischen den beiden Richtungen «polwärts» und «äquatorwärts» unterscheiden. «Es fasziniert mich, wie derart kleine Tiere mit ihren winzigen Gehirnen solche Orientierungsleistungen vollbringen», sagt Reppert.

Sonne, polarisiertes Licht, Magnetkompass: Mit den gleichen Mitteln wie der Monarchfalter navigieren die Vögel. Allerdings verfügen sie über mindestens zwei weitere Methoden. Erstens orientieren sie sich in vertrauten Gebieten anhand von Landmarken wie Bergen, Flüssen und Bahnlinien. Zweitens haben die Vögel gelernt, den Nachthimmel zu lesen.

Bereits kurz nachdem sie aus ihrem Nest ausgeflogen sind, beobachten die Vögel abends den Himmel und merken sich die Konstellationen der Sterne. Dabei registrieren sie, dass der Polarstern stets im Zentrum der rotierenden Formationen steht. Versuche in einem Planetarium zeigen denn auch: Die Vögel sind tatsächlich in der Lage, sich am Nordstern zu orientieren. Und dies, obwohl der Sternenhimmel sich im Lauf der Jahreszeiten ändert. Und obwohl in der nördlichen und in der südlichen Hemisphäre andere Sterne sichtbar sind.

Vögel sind bis jetzt die einzigen Tiere, von denen bekannt ist, dass sie anhand des Nachthimmels navigieren können. In den Süden ziehende Fledermäuse scheinen vor allem das Magnetfeld der Erde zu nutzen. Lachse orientieren sich sowohl am Magnetfeld als auch an Gerüchen, um ihren Heimatfluss wiederzufinden. Ameisen nutzen den Sonnenstand, polarisiertes Licht und Duftspuren.

Anhand der erwähnten Navigationsmöglichkeiten vermögen Tiere zwar zu bestimmen, wo sich Norden und Süden befinden. Gerüche und Duftspuren können zudem über kurze Distanzen eine Hilfe sein. Beides erklärt aber noch nicht, warum weit migrierende Tiere wissen, wo sie sind und wo ihr Ziel ist. Denn wie die Seefahrer wissen: Der beste Kompass nützt nichts ohne Karte. Die Forscher gehen davon aus, dass weit wandernde Tiere über zusätzliche Informationen verfügen müssen. Diese entnehmen sie wahrscheinlich dem Erdmagnetfeld.

Enorm wichtig ist das Magnetfeld für den Europäischen Aal. Dieser Fisch lebt in Flüssen, auch in der Schweiz. Im Alter von sechs bis zwölf Jahren zieht es ihn jedoch plötzlich in Richtung Meer. Dabei vermag er Hindernisse schlangenähnlich über Land zu umgehen und überlebt dank seiner Körperform mit etwas Glück sogar Turbinen. Später folgt eine monatelange, bis zu 6000 Kilometer weite Wanderung durch den Atlantik, bis sich alle Aale zum Laichen in der Sargassosee nahe den Bahamas treffen.

Kaum ist der Aal im Meer, beginnt er sich zu verändern: Er passt sich an das Salzwasser an und färbt sich um, da im Meer eine andere Tarnung nötig ist als in den Flüssen. Gleichzeitig bildet sich sein Verdauungsapparat zugunsten von grossen Fortpflanzungsorganen zurück. Nach der Metamorphose frisst er nichts mehr, und nach dem Laichen sterben alle Aale.

Auf seiner langen Reise durch die Tiefen der Meere kann sich der Aal weder an der Sonne noch an den Sternen orientieren. Forscher stellten deshalb die These eines richtungsweisenden Magnetsinns auf. Und tatsächlich liess sich 1985 ein solcher im Labor nachweisen.

Mittlerweile weiss man, dass zahlreiche Tiere sich am Magnetfeld orientieren. Nachgewiesen werden konnte dies unter anderem auch bei Fledermäusen, Meeresschildkröten, Lachsen, Molchen, Bienen, Wespen und einigen Schmetterlingsarten, beim Haushuhn sowie bei zirka 20 weiteren Vogelarten. «Vermutlich nutzen die meisten höheren Tiere das Magnetfeld als Kompass», sagt die Zoologin Roswitha Wiltschko von der Goethe-Universität Frankfurt.

Die Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass oftmals genetisch vorgegebene Programme den Weg weisen. Tiere erreichen ihr Ziel, indem sie einfach während einer vorgegebenen Zeit konsequent einer Richtung folgen. Ihr Programm lautet dann: «Gehe vier Wochen lang in Richtung Südwesten.» Möglicherweise merken die Tiere auch anhand von äusseren Faktoren wie der Temperatur, wann sie am Ziel sind. Das Programm könnte dann heissen: «Gehe in Richtung Südwesten, bis die Temperatur 30 Grad beträgt.»

Bei jungen Zugvögeln wurde ein solches inneres Programm tatsächlich gefunden: «Die Jungvögel fliegen während einer genau definierten Zeit in eine definierte Richtung und kommen so automatisch im Winterquartier an», sagt Roswitha Wiltschko. Die Forscherin schliesst dies aus dem Verhalten junger Vögel, die in einem Käfig gehalten wurden. Die Tiere hatten in Gefangenschaft genau so lange Zugunruhe gezeigt, bis die freilebenden Artgenossen im Winterquartier angekommen waren.

Das Modell der inneren Programme vermag dennoch nicht ausreichend zu erklären, wie der Monarchfalter sein kleines Waldgebiet in Mexiko findet und wie die Seeschwalbe nach fast einem Jahr Abwesenheit ihr Nest anfliegen kann. Zudem bleibt ungeklärt, wie die Tiere starke Winde oder Strömungen ausgleichen können und wie sie es schaffen, Abweichungen von ihrer Route zu korrigieren.

Vor allem aber bleibt ein Verhalten ungelöst: das sogenannte Homing, also die Fähigkeit, von einem völlig unbekannten Ort aus jederzeit nach Hause zu finden. Gut untersucht ist das Homing bei Brieftauben: Lässt man diese viele hundert Kilometer von ihrem Schlag entfernt frei, finden die meisten mühelos zurück. Katzen, die in die Ferien mitgenommen wurden und verloren gingen, stehen nach Wochen plötzlich wieder vor der Haustür. Per Auto versetzte Stare oder Rohrsänger finden in ihr angestammtes Gebiet zurück. Besonders verblüffend ist das Verhalten von Dachsammern. Forscher fingen die Vögel im Herbst an der Westküste der USA und liessen sie 6000 Kilometer weiter im Osten frei. Das Resultat: Die erwachsenen Vögel fanden den Weg ins Winterquartier, obwohl sie nun statt nach Süden über Tausende von Kilometern nach Westen fliegen mussten. Die Jungvögel hingegen erreichten ihr Ziel nicht, sie flogen gemäss ihrem inneren Programm einfach nach Süden.

Für Roswitha Wiltschko, die zusammen mit ihrem Mann Wolfgang seit den siebziger Jahren das Verhalten der Zugvögel erforscht, ist klar: Zumindest Zugvögel müssen neben ihrem inneren Kompass zusätzlich über einen Kartensinn verfügen.

Gemäss der aktuellen Theorie verfügen Vögel nicht nur über einen Magnetsinn, sondern sogar über deren zwei. Der erste befindet sich wie beim Monarchfalter im Auge und kann den Inklinationswinkel der Magnetfeldlinien messen. Dies ist der Winkel zwischen der Magnetfeldlinie und der Erdoberfläche. Er ist am Äquator gleich null und wird umso steiler, je näher man an die Pole kommt (siehe Grafik Seite 48). Der zweite Magnetsinn wurde im Schnabel und um die Augen entdeckt: In wenigen Zellen fand man dort Magnetitpartikel, die ebenfalls sensibel auf das Magnetfeld reagieren (siehe Grafik rechts). Diese Zellen sind möglicherweise in der Lage, neben der Magnetfeldrichtung auch die Stärke des Magnetfelds zu messen.

Beide gemessenen Werte – Inklinationswinkel und Feldstärke – enthalten laut Theorie mehr Informationen als nur eine Nord- oder Südrichtung. Denn beide ändern sich vom Äquator in Richtung Pole hin kontinuierlich: Der Inklinationswinkel wird immer grösser, die Feldstärke nimmt zu. Die Vögel lernen dies möglicherweise in ihrer Jugend. Wenn sie sich dann an einem Ort befinden, an dem die Intensität des Magnetfelds stärker ist als an ihrem Heimatort, wissen sie, dass sie nach Süden fliegen müssen, um nach Hause zu gelangen.

Einige Forscher gehen noch weiter: Sie vermuten, dass sich die Vögel auf ihren Reisen eine Art magnetische Landkarte aufbauen, in der jede Weltregion eine eigene Kombination aus magnetischen Werten enthält. Dabei könnten sie auch Anomalien im Erdmagnetfeld spüren und nutzen. Weitere Informationen wie Landmarken oder Gerüche würden die innere Karte komplettieren.

Die Thesen sind nicht verifiziert und werden gegenwärtig von den Forschern heiss diskutiert. Unklar ist unter anderem, wie die Magnetsinne genau funktionieren und wie die innere Landkarte aussieht. Dass weit migrierende Tiere über einen Kartensinn verfügen müssen, der wohl vor allem auf dem Magnetfeld basiert, wird heute jedoch von den meisten Forschern angenommen.

Neuere Versuche an der Unechten Karettschildkröte unterstützen diese These. Die Jungtiere lassen sich während Jahren durch die Meere treiben. Danach müssen die Weibchen ihren Geburtsstrand wiederfinden, um die Eier abzulegen. Auf ihrem Weg dorthin trotzen sie starken Strömungen. Auf markante Landmarken können sie sich unter Wasser nicht verlassen. Ohne eine innere Karte scheint das unmöglich.

Forscher um Kenneth Lohmann von der University of North Carolina konnten zeigen, dass die Tiere tatsächlich über eine Karte verfügen, die auf Magnetinformationen basiert. Die Wissenschaftler setzten die Schildkröten in Wassertanks, über denen sie das Magnetfeld ändern konnten. Danach simulierten sie verschiedene Magnetfelder, wie sie an unterschiedlichen Orten der Welt vorkommen. Die Schildkröten änderten ihre Schwimmrichtung intuitiv so, dass sie immer korrekt auf ihr Ziel zuschwammen. Die Tiere scheinen also allein aus den Magnetfeldinformationen die korrekte Richtung ableiten zu können.

Die Frage, wie die Küstenseeschwalbe jeden Sommer ihren Brutplatz findet, ist nicht restlos geklärt. Sonne, polarisiertes Licht, Magnetfeld, Sterne bilden den Kompass. Wie aber ihre Karte aussieht, bleibt Spekulation. Die Forscher sind immer noch daran, das Rätsel, eines der grössten in der Tierwelt, zu lösen.

Das Erdmagnetfeld hat zwei Pole, die fast dem Nord- und dem Südpol entsprechen. Es ist an den magnetischen Polen am stärksten und am magnetischen Äquator am schwächsten. Der Winkel, in dem die von Pol zu Pol führenden Feldlinien die Erdoberfläche durchschneiden, heisst Inklinationswinkel. Er kann von den Tieren wahrgenommen werden. Auch die Feldstärke wird vermutlich zur Orientierung benutzt.

Jüngste Forschungsergebnisse lassen vermuten, dass Vögel das Erdmagnetfeld «sehen» können. Denn das Erdmagnetfeld beeinflusst die Lichtempfindlichkeit der Sehzellen. Bestimmte Proteine, die Cryptochrome in den Sehzellen (1 + 2) der Netzhaut, sind dafür verantwortlich. Im Normalzustand enthalten die Proteine eine gerade Anzahl Elektronen, die Paare bilden. Diese Elektronen drehen sich in entgegengesetzten Richtungen um die eigene Achse (antiparalleler Spin). Trifft blaues oder grünes Licht auf die Proteine, werden einige Elektronen verschoben. Dabei bilden sich Radikale (Moleküle mit einer ungeraden Anzahl Elektronen). In diesem flüchtigen Zustand paaren sich freigewordene Elektronen neu und es entstehen Radikalpaare (3). Die neu verpaarten Elektronen können nun antiparallele oder parallele Spins ausführen. Welcher Spin-Zustand häufiger auftritt, hängt vom Inklinationswinkel des Erdmagnetfelds ab (4). Die Radikale gehen chemische Reaktionen ein. Je nach Spin-Zustand entstehen verschiedene Stoffe (5). Dabei ändert sich je nach Reaktion auch die Lichtempfindlichkeit des Cryptochroms (6). Man vermutet, dass Vögel das Magnetfeld als Licht- und Schattenmuster sehen können, das ihr Blickfeld überlagert (7).

Forscher sind bei mehreren Tieren auf Zellen gestossen, die Magnetitkristalle enthalten (zum Beispiel in der Riechschleimhaut von Forellen). Als man diese Zellen in eine Flüssigkeit legte und sie einem Magnetfeld aussetzte, drehten sie sich parallel zu diesem (1). Bei genauerer Überprüfung fand man Magnetitkristalle, die an den Zellwänden haften (2). Man geht davon aus, dass sie Teil eines Magnetsinns sind.

Ähnliche magnetsensitive Zellen vermutet man auch im Oberschnabel von Tauben. Ausserdem entdeckten die Wissenschaftler, dass bei Tauben auch das Innenohr eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Im Innenohr sitzt das Gleichgewichtsorgan (3), zwischen dessen Haarzellen Magnetitzellen vermutet werden. Die Theorie besagt, dass sich die Magnetitstrukturen ständig am Magnetfeld ausrichten, wobei sie sich drehen und auf die Zellwand drücken (4). Dabei öffnen sich Ionenkanäle, was das elektrische Potential der Membran ändert und einen Nervenimpuls auslöst (5). Vom gleichen Mechanismus geht man bei den Magnetzellen der Forelle aus, wobei vermutlich der Gesichtsnerv bei der Reizübermittlung beteiligt ist (6).