Gesundheit: Punktlandung

Die Fahrt in den Urlaub wird für so manchen staugeplagten Autofahrer zur Qual. Wenn dann noch das Navigationssystem den Dienst quittiert, können die letzten Kilometer zum Ferienhaus zur Odyssee werden. Ein Rotkehlchen dagegen findet seinen Weg ans Mittelmeer ohne Routenplaner und ohne Karte.

Brieftauben machen über Hunderte von Kilometern eine Punktlandung, Störche gelangen nach Afrika und wieder zurück und auch Bienen und Schildkröten finden wie von Zauberhand gesteuert ihren Weg. Wie schaffen es Vögel und andere Tiere, sich auf der Erdoberfläche zurechtzufinden?

Um dem Rätsel auf die Spur zu kommen, arbeiten derzeit in Darmstadt und Frankfurt Physiker und Biologen zusammen. In zwei Punkten herrscht bei den Forschern Einigkeit: Das Erdmagnetfeld spielt eine entscheidende Rolle beim Navigationssystem aus dem Tierreich. Und zweitens: Die Lösung des Rätsels ist komplex und nicht nur „Bio“ sondern auch „Nano“.

„Früher haben alle anderen nur gelacht“, erinnert sich Wolfgang Wiltschko. Als junger Zoologe ließ er damals, vor 40 Jahren, Vögel in verschieden starken und unterschiedlich orientierten Magnetfeldern starten. Seine Ergebnisse klangen zu skurril. Die Natur sollte ein Messsystem hervorgebracht haben, das tausendmal empfindlicher sei als die Stärke des ohnehin schon schwachen Erdmagnetfelds? Und an diesen minimalen Änderungen sollten sich auch noch die Vögel während ihres Fluges orientieren? „Unmöglich“, war die lapidare Antwort.

Heute lacht der grauhaarige Frankfurter Zoologieprofessor über die Ungläubigkeit seiner Kollegen von damals. Heute ist gesichert, was einst nur eine Spekulation war. „Es gibt zwei unabhängig voneinander arbeitende magnetische Orientierungssysteme“, erklärt Wiltschko. Beide wurden schon in allen unterschiedlichen Vogelzugsystemen nachgewiesen. Rotkehlchen, Brieftaube und Buchfink sind nur einige Beispiele.

Das erste System ist eine Art Kompass und verhältnismäßig gut verstanden. Die Vögel können die Richtung des Magnetfelds im Innern des Auges geradezu „sehen“ und unterscheiden dabei zwischen „hin zum Äquator“ und „weg vom Äquator“.

Die Funktionsweise des zweiten magnetischen Systems ist jedoch unklar. Es könnte – so vermuten die Forscher – eine Art Navigationskarte sein, bei der sich die Vögel kleinste Änderungen und Besonderheiten des Magnetfelds an einzelnen Orten einprägen und wiedererkennen.

Um diese Vermutung zu bestätigen, stellen sich Materialwissenschaftler und Vogelforscher mittlerweile gemeinsam ins Labor. In Frankfurt nahmen Biologen vor drei Jahren die obere Schnabelhälfte der Brieftaube unters Mikroskop. Sie sahen winzige, 40 Millionstel Millimeter große, magnetische Strukturen. Lediglich zehn Milliardstel Gramm wiegen die eisenhaltigen Partikel, die in die Nervenenden eingebettet sind, und dort ihre geheimnisvolle Arbeit tun.

Fasziniert war der Physiker Branko Stahl, als er von der Entdeckung der Kollegen von der Nachbar-Universität hörte. Seit Jahren hatte der Materialforscher an der Universität Darmstadt bereits die magnetischen Eigenschaften von extrem kleinen Eisenteilchen untersucht. Seine Ergebnisse zeigten, dass sich die winzigen Nanomagnete ganz anders verhielten als die „großen“ Kollegen aus dem gleichen Material.

Die Kleinheit aber auch die Grenzfläche zu anderen Stoffen haben einen entscheidenden Einfluss auf das magnetische Verhalten in diesen winzigen Dimensionen. „Auf dieser kleinen Skala kann zum Beispiel ein Tropfen Ölsäure um den Nanomagneten dessen Stärke um ein Vielfaches verändern“, erzählt er. Seither suchte er Beispiele, wie die Natur die kleinen Eisenteilchen als funktionierende Sensoren verwirklichte. Mit Hilfe der magnetischen Nano-Effekte – so war Stahl überzeugt – könnte auch das Vogel-GPS funktionieren.

Die üblichen physikalischen Messmethoden stoßen bei der Kleinheit der Teilchen und der winzigen Magnetfelder an ihre Grenzen. Verhaltensexperimente der Biologie beweisen aber, dass die Empfindlichkeit der tiereigenen Magnetsensoren tatsächlich im Bereich von tausendstel Bruchteilen des Erdmagnetfelds liegen muss. Selbst winzige „ 50 Nanotesla“, hat Wiltschko festgestellt, können die Vögel unterscheiden. Bienen haben womöglich noch feinere Sensoren.

Jetzt nähert man sich dem Problem von zwei Seiten. Die Biologen präparieren und mikroskopieren, die Physiker konzipieren neue, genauere Messmethoden und simulieren verschiedene Möglichkeiten, wie das System aus Nanoteilchen im Vogelkopf zur Magnetfeldmessung und Orientierung taugen könnte. Wenn man beobachten könnte, wie sich die magnetischen Teilchen biegen, verschieben oder drehen, wüsste man, wie das System funktioniert.

Doch das ist Zukunftsmusik. Zurzeit lernen beide Disziplinen erst einmal eine „Fremdsprache“, wie Stahl sagt. Trotz gleicher wissenschaftlicher Ziele ist die Verständigung mit den jeweils Anderen nicht immer leicht. Derzeit wird Forschungsantrag über Forschungsantrag formuliert. Denn Visionen gibt es genug.

Das tiefe Verständnis um die Orientierung der Vögel auf der einen und nachgebaute winzige Magnetsensoren für die Elektronik, die Medizin und eine völlig neue Art Navigationssystem auf der anderen Seite sollen einst die Früchte der ungewöhnlichen Wissenschaftssymbiose sein. Bis es allerdings soweit ist, wird wohl noch ein wenig Zeit vergehen, viele Urlauber werden noch fluchend schwitzen und das Rotkehlchen noch einige Male ans Mittelmeer fliegen – um wie von Zauberhand gesteuert wieder zurückzukehren.

Tobias Beck