Wie Singvögel die magnetischen Feldlinien der Erde lesen
Jahr für Jahr fliegen kleine Zugvögel, die weniger als fünfzig Gramm wiegen, nachts ganz allein Tausende Kilometer und finden dabei mit zentimetergenauer Präzision ihren Weg in ihre saisonalen Überwinterungsgebiete. Sie navigieren anhand der Sterne, markanter Landmarken und ihres Geruchssinns und können somit auch die Richtung des schwachen Magnetfelds der Erde wahrnehmen. Auch nach über fünfzig Jahren Forschung ist der zugrunde liegende biophysikalische Mechanismus dieses bemerkenswerten Magnetsinns weiterhin ungeklärt. Das Team des ERC-finanzierten Projekts QuantumBirds(öffnet in neuem Fenster) lüftet nun das Geheimnis und zeigt, dass die Antwort offenbar in der Quantenphysik zu liegen scheint. Die Forschungsgruppe vereinte Quantenmechanik, Spinchemie, Verhaltensbiologie und Biochemie und testete eine radikale Hypothese, die besagt, dass diese Vögel das Erdmagnetfeld mithilfe kurzlebiger, lichtinduzierter chemischer Zwischenprodukte, sogenannter Radikalpaare, „sehen“, die sich in Cryptochromproteinen in ihrer Netzhaut befinden.
Wie Vögel mit Quantenmechanik navigieren
„Auf den ersten Blick erscheint die Vorstellung, dass eine chemische Reaktion als Kompass dienen könnte, ziemlich absurd“, kommentiert Peter Hore, Hauptforscher des Projekts. Einzelne Moleküle sind so schwach magnetisch, dass ihre Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld eine Million Mal schwächer als eine übliche chemische Bindung ist. Bei diesem thermodynamischen Argument wird jedoch die einzigartige Quantenmechanik kurzlebiger Radikalpaare außer Acht gelassen. „Wenn Licht auf diese Proteine trifft, befinden sich die erzeugten Radikalpaare in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand und führen kohärente Schwingungen aus, die als Quantenschwebungen bekannt sind. Aufgrund dieses empfindlichen Quantenzustands reagiert die Ausbeute der chemischen Reaktion sehr empfindlich auf die Richtung eines externen Magnetfelds. Dadurch werden Navigationsdaten tatsächlich direkt in das visuelle System des Vogels kodiert“, erklärt Hore.
Was ist Cryptochrom-4a in Vogelaugen?
Um hier Beweise zu finden, ging das Team von QuantumBirds drei Fragen nach. Erstens: Können Vogelproteine tatsächlich als magnetische Rezeptoren fungieren? Das Team wies nach, dass sie dazu in der Lage sind, denn es demonstrierte, dass Cryptochrom-4a(öffnet in neuem Fenster) des Rotkehlchens empfindlich auf schwache Magnetfelder reagiert, was der erste direkte Nachweis dafür ist, dass ein für das Sehen zuständiges Molekül über genau diese Eigenschaften verfügt. Zu diesem Zweck wurden hochempfindliche Spektrometer und eine Hochdurchsatzanlage gebaut, die über vierzig Proteinvarianten von verschiedenen Spezies reinigen konnte. Anschließend untersuchte das Team, ob die Netzhautneuronen tatsächlich diese aus Cryptochromen stammenden magnetischen Informationen kodieren. Mithilfe der Anpassung von neurowissenschaftlichen Verfahren, die typischerweise bei Nagetieren zum Einsatz kommen, entwickelte das Team das weltweit erste nichtmagnetische Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebungsinstrument zur Aufzeichnung magnetischer Signale in retinalen Nervenzellen von Vögeln. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die innere Netzhaut unter ständigem Sauerstoffmangel agiert. Diese Tatsache erklärt jahrzehntelange experimentelle Schwierigkeiten und öffnet die Tür zur Bildgebung magnetisch reagierender Zellen. Zu guter Letzt wurde im Zuge von QuantumBirds untersucht, ob Cryptochrome das primäre Kompassmolekül bilden. „Wir stehen kurz davor, anhand eines ausgeklügelten Isotopenaustauschs eine endgültige Antwort zu finden. Computersimulationen ergaben, dass der Austausch von natürlichem Kohlenstoff-12 durch Kohlenstoff-13-Isotope in den Flavinmolekülen des Auges die Reaktion der Vögel auf störende Hochfrequenzfelder verändern würde“, erklärt der zweite Hauptforscher Henrik Mouritsen. „Nachdem eine Pipeline zur Verabreichung dieser Kohlenstoff-13-Flavine an lebende Vögel entwickelt wurde, werden gegenwärtig Verhaltenstests durchgeführt, um festzustellen, ob sich deren Orientierung verändert. Ein erfolgreiches Ergebnis wird den unbestreitbaren Beweis für diesen Quantenkompass liefern“, fügte er hinzu.
Vom Magnetsinn der Vögel inspirierte Zukunftstechnologie
Die Navigationsmechanik der Vögel endlich zu verstehen, könnte es im Naturschutzbereich ermöglichen, gefährdete Zugvogelarten insofern „auszutricksen“, dass sie klimaresiliente Lebensräume als ihre neue Heimat annehmen und so ihren natürlichen Instinkt überwinden können, in verödete Gebieten zurückzukehren. Bemerkenswerterweise liefert eben dieser Vogelkompass auch eine Blaupause für Technologien. Da die gleiche Quantenphysik auch in organischen Leuchtdioden (OLED) wirkt, könnten diese Prinzipien wissenschaftlich nachgebildet werden, um kostengünstige, ungiftige Magnetsensoren zu entwickeln. Parallele Forschung zu Cryptochromen der Vögel könnte den Bau alternativer Navigationssysteme für Umgebungen ermöglichen, in denen das GPS blockiert oder beeinträchtigt ist.
