Rotkehlchen mit Quantenkompass

Viele Tiere wie Zugvögel, Schildkröten oder auch einige Fische legen sehr weite Strecken zurück, indem sie sich am Magnetfeld der Erde orientieren. Wie genau die Mechanismen ihres inneren Kompasses funktionieren, ist bislang noch nicht vollständig verstanden. Doch nun gelang Forschern ein wichtiger Schritt, um das Rätsel des Magnetsinns der Tiere zu lösen. Denn sie wiesen nach, dass sich ein spezielles Protein aus der Netzhaut von Rotkehlchen als extrem empfindlicher Magnetsensor eignet. In der Fachzeitschrift „Nature“ erläutern die Forscher die Funktionsweise des Sensors, bei der auch quantenphysikalische Prozesse eine wichtige Rolle spielen.

In ihren Experimenten analysierten Jingjing Xu von der Universität Oldenburg und ihre Kollegen den genetischen Bauplan des lichtaktiven Moleküls Cryptochrom 4, das sich in der Netzhaut von Rotkehlchen befindet. Die Forscher züchteten zunächst größere Mengen des Moleküls in einer Bakterienkultur, um danach mit mehreren Spektroskopiemethoden dessen optische und magnetische Eigenschaften genauer zu bestimmen. „Unsere Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass ein Molekül im Sehapparat eines Zugvogels sensitiv für Magnetfelder ist“, sagt der an den Experimenten beteiligte Henrik Mouritsen von der Universität Oldenburg.

Wenn blaues Licht auf das Molekül Cryptochrom 4 fällt, beobachteten die Forscher in ihren Versuchen, werden einzelne Elektronen angeregt. Diese können dann entlang von vier der insgesamt 527 Aminosäuren ihre Position ändern. Dabei entstehen jeweils Paare aus zwei solcher angeregten Elektronen. Je nach Ausrichtung des Eigendrehimpulses der einzelnen Elektronen – des Spins – nehmen die Paare dann einen von zwei möglichen quantenphysikalischen Zuständen an: Weisen die beiden Elektronenspins in die gleiche Richtung, liegt ein sogenannter Triplett-Zustand vor. Zeigen die Spins dagegen in die entgegengesetzte Richtung, befindet sich das Elektronenpaar in einem Singulett-Zustand.

Genau in diesen beiden quantenphysikalischen Zuständen liegt der Schlüssel für den Magnetsinn der Rotkehlchen. Denn ohne äußeres Magnetfeld wechselt ein Elektronenpaar millionenfach pro Sekunde zwischen dem Triplett- und Singulett-Zustand. Doch schon ein sehr schwaches Magnetfeld – wie etwa das der Erde – kann diesen schnellen Wechsel stören: Befindet sich ein Elektronenpaar in einem Magnetfeld, bleibt es länger im Triplett-Zustand als ohne Magnetfeld.

Ein Rotkehlchen kann allerdings nicht direkt zwischen den beiden Zuständen unterscheiden. Stattdessen verändert sich das Molekül durch biochemische Reaktionen abhängig vom quantenmechanischen Zustand des Elektronenpaars. Und diese abgewandelten Moleküle kann der Vogelorganismus voneinander unterscheiden. Forscher vermuten, dass Cryptochrom 4 über die gesamte Netzhaut des Vogels verteilt ist. Je nach Ausrichtung des Erdmagnetfelds würden dann unterschiedliche Mengen der Reaktionsprodukte in der Netzhaut entstehen. Dieses Verteilungsmuster würde dem Vogel dann als Kompass dienen, um auf seiner langen Reise den richtigen Weg zu finden.

Die Studie von Jingjing Xu und ihren Kollegen liefert somit weitere wichtige Indizien dafür, dass Cryptochrom 4 die Basis für den Magnetsinn von Rotkehlchen bildet. Bei ihren Laborversuchen nutzten die Forscher allerdings Magnetfelder, die etwas stärker waren als das Erdmagnetfeld. Doch die Wissenschaftler nehmen an, dass Cryptochrom 4 im lebenden Vogel eine noch höhere Empfindlichkeit aufweist als extrahiert im Reagenzglas. „Als weiteren Beleg müssten wir zeigen, dass diese Prozesse auch in den Augen der Vögel ablaufen“, so Mouritsen. Allerdings lassen sich diese Versuche bislang technisch noch nicht durchführen.