Sie wiegen unter 50 Gramm, fliegen nachts Tausende Kilometer und finden ohne Karte in ihre Überwinterungsgebiete. Seit über 50 Jahren rätselt die Wissenschaft, wie Zugvögel das schwache Erdmagnetfeld wahrnehmen. Das Team von QuantumBirds prüft eine Antwort wie aus der Science-Fiction: Der Kompass könnte im Auge sitzen und dank Quantenphänomenen funktionieren – und am Ende kannst du testen, was für ein Navigator du bist, wenn dein Handy keinen Empfang hat.
Zugvögel unter den Singvögeln sind echte Leichtgewichte. Sie wiegen weniger als 50 Gramm und legen dennoch jedes Jahr nachts Tausende Kilometer zurück, um ihre Überwinterungsgebiete zu erreichen. Unterwegs nutzen sie mehrere Navigationssysteme gleichzeitig: Sie orientieren sich an den Sternen, merken sich Landmarken und folgen ihrem Geruchssinn. Dazu kommt, dass sie die Richtung des schwachen Magnetfelds der Erde wahrnehmen können.
Und hier beginnt das Problem. Die Forschung zu diesem Sinn läuft schon seit über 50 Jahren, und der Mechanismus ist bis heute ungeklärt. Man weiß, dass er funktioniert. Man weiß nicht, wie.
Genau dieser Frage widmete sich das Projekt QuantumBirds, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert und von der University of Oxford koordiniert wurde. Sieben Jahre lang arbeiteten darin Fachleute aus sehr unterschiedlichen Gebieten zusammen: Quantenmechanik, Spinchemie, Verhaltensbiologie und Biochemie.
Die Hypothese, die sie prüften, ist kühn. Vögel würden das Magnetfeld buchstäblich sehen, und zwar dank chemischer Reaktionen im Auge. Peter Hore, einer der Hauptforscher des Projekts, verhehlt nicht, dass das seltsam klingt: „Auf den ersten Blick erscheint die Vorstellung, dass eine chemische Reaktion als Kompass dienen könnte, ziemlich absurd“.
Das ist kein Wunder. Wie Hore erklärt, beträgt die Stärke der Wechselwirkung eines einzelnen Moleküls mit dem Erdmagnetfeld nur ein Millionstel der Stärke einer typischen chemischen Bindung. Ein solcher Reiz scheint viel zu schwach, um irgendetwas zu verändern.
Der Schlüssel liegt in Proteinen namens Cryptochrome, die in der Netzhaut von Vögeln vorkommen. Nach Ansicht der Forschenden entstehen in ihnen unter Lichteinfluss Radikalpaare – kurzlebige Molekülsysteme, in denen Dinge geschehen, die man eher aus Lehrbüchern der Quantenphysik als aus der Biologie kennt.
„Wenn Licht auf diese Proteine trifft, befinden sich die erzeugten Radikalpaare in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand“, erklärt Peter Hore. Und er fügt hinzu: „Aufgrund dieses empfindlichen Quantenzustands reagiert die Ausbeute der chemischen Reaktion sehr empfindlich auf die Richtung eines externen Magnetfelds“.
Mit anderen Worten: Wie effizient die Reaktion abläuft, hängt davon ab, wie der Vogel zum Feld der Erde ausgerichtet ist. Und weil sich alles im Auge abspielt, gelangt die Information sofort dorthin, wo sie gebraucht wird. „Dadurch werden Navigationsdaten tatsächlich direkt in das visuelle System des Vogels kodiert“, sagt Hore.
Theorie ist das eine, doch es brauchte Beweise. Das Team zeigte, dass das Cryptochrom-4a des Rotkehlchens empfindlich auf schwache Magnetfelder reagiert. Die Forschenden werten das als ersten direkten Nachweis, dass dieses Molekül eine solche Eigenschaft besitzt. Für die Hypothese vom Quantenkompass ist das ein starker Anhaltspunkt.
Um so tief in das Vogelauge zu blicken, mussten die Forschenden zuerst eigene Werkzeuge bauen. Dazu gehörten:
Das Letzte ist besonders wichtig, weil man damit nicht nur die Proteine selbst beobachten kann, sondern auch die Reaktion der Nervenzellen.
Nebenbei kam etwas Überraschendes ans Licht. Der innere Teil der Vogelnetzhaut arbeitet unter ständigem Sauerstoffmangel. Diese Entdeckung erklärt, warum die Untersuchung dieses Teils des Auges in den letzten Jahrzehnten so mühsam verlief: Die Bedingungen im Labor entsprachen schlicht nicht denen im lebenden Organismus.
Jetzt bereiten die Forschenden ein Experiment vor, das die Sache entscheiden soll. „Wir stehen kurz davor, anhand eines ausgeklügelten Isotopenaustauschs eine endgültige Antwort zu finden“, kündigt Henrik Mouritsen an, der zweite Hauptforscher.
Die Idee besteht darin, in den Flavinmolekülen im Vogelauge den natürlichen Kohlenstoff-12 durch schwereren Kohlenstoff-13 zu ersetzen. Computersimulationen haben gezeigt, dass ein solcher Austausch verändern sollte, wie Vögel auf Störungen durch Radiowellen reagieren. Das Team hat bereits einen Weg entwickelt, Flavine mit Kohlenstoff-13 in die Vogelaugen einzubringen, und führt Verhaltenstests durch, die zeigen sollen, ob die Veränderung den Orientierungssinn beeinflusst.
Der Einsatz ist hoch. „Ein erfolgreiches Ergebnis wird den unbestreitbaren Beweis für diesen Quantenkompass liefern“, betont Mouritsen.
Obwohl es sich um Grundlagenforschung handelt, könnten ihre Ergebnisse in überraschend praktischen Dingen nützlich sein. Zu verstehen, wie Zugvögel ihre Richtung wählen, könnte helfen, sie in klimaresiliente Lebensräume zu lenken statt in verödete Gebiete. Ähnliche Mechanismen wirken auch in organischen Leuchtdioden, daher könnten auf dieser Grundlage kostengünstige und ungiftige Magnetsensoren entstehen. Eine weitere Idee sind Navigationssysteme, die dort funktionieren, wo das GPS-Signal blockiert oder gestört ist.
Singvögel tragen womöglich einen Kompass in den Augen, der dank Quantenphysik funktioniert. Das Team von QuantumBirds zeigte, dass das Protein Cryptochrom-4a des Rotkehlchens auf ein schwaches Magnetfeld reagiert, baute neue Geräte zur Untersuchung der Netzhaut und entdeckte, dass deren innerer Teil unter Sauerstoffmangel lebt. Das Experiment mit dem Kohlenstoffaustausch soll die endgültige Antwort liefern und nebenbei Ideen für den Naturschutz und für Navigation ohne GPS hervorbringen.
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