Dennis L.
Tauben finden selbst aus unbekannten Gebieten zurück zu ihrem Schlag. Eine neue Studie aus Deutschland zeigt nun, dass ihr Magnetkompass womöglich nicht im Schnabel oder Auge sitzt, sondern in der Leber. Eisenreiche Makrophagen könnten dabei helfen, das Magnetfeld der Erde bei bewölktem Himmel als Orientierungssignal zu nutzen.
Der Orientierungssinn von Tauben gehört zu den bekanntesten Rätseln der Biologie, weil die Tiere aus großer Entfernung erstaunlich zuverlässig heimfinden. Sie nutzen dabei nicht nur vertraute Landschaftsmerkmale, Gerüche und den Sonnenstand, sondern auch das Magnetfeld der Erde. Dieses Feld ist schwach, aber stabil genug, um Tieren eine Richtungsinformation zu liefern. Lange war jedoch unklar, wo ein solcher biologischer Sensor im Körper liegen könnte. Frühere Modelle konzentrierten sich auf lichtabhängige Prozesse im Auge, eisenhaltige Strukturen im Schnabel oder Signale aus dem Innenohr. Die neue Arbeit eines Teams der Universitätsklinik Bonn, der Universität Bonn, der Universität Duisburg-Essen und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie verschiebt den Blick nun auf ein unerwartetes Organ: Die Universität Bonn beschreibt, dass spezielle Immunzellen in der Leber magnetische Eigenschaften besitzen und bei der Orientierung der Vögel eine Rolle spielen könnten.
Im Zentrum stehen Makrophagen, also Immunzellen, die alte rote Blutkörperchen abbauen und dabei Eisen aufnehmen. In der Leber können diese Zellen Eisen in winzigen Partikeln speichern. Werden die Partikel klein genug und besitzen sie eine passende kristalline Struktur, können sie superparamagnetische Eigenschaften zeigen. Solche superparamagnetische Partikel reagieren auf äußere Magnetfelder, ohne dauerhaft selbst magnetisiert zu bleiben. Genau diese physikalische Eigenschaft macht sie biologisch interessant, weil sie ein schwaches Signal aus der Umwelt in eine messbare Veränderung im Gewebe übersetzen könnte. Für die Tiernavigation wäre das bedeutsam, weil ein innerer Sensor nicht nur eine Richtung anzeigen müsste, sondern seine Information auch an Nervenbahnen und schließlich an das Gehirn weitergeben müsste. Passend dazu berichten die Forscher von eisenreichen Makrophagen in der Nähe von Nervenfasern. Der Befund ergänzt ältere Arbeiten über Magnetfelder und biologische Orientierung um einen neuen möglichen Mechanismus.
Für die Studie untersuchten die Forscher mehrere Gewebe der Tauben, darunter Augen, Schnabel, Gehirn, Milz und Leber. Die stärkste magnetische Antwort fanden sie in der Leber. Dort identifizierten sie Makrophagen als zentrale Zellgruppe. Die Zellen sind normalerweise Teil des Immunsystems und beseitigen Zellreste, Krankheitserreger oder gealterte Blutbestandteile. Ihre Rolle im Eisenstoffwechsel ist dabei entscheidend, weil beim Abbau roter Blutkörperchen Eisen frei wird und in den Zellen gespeichert werden kann. Die Universität Duisburg-Essen hebt hervor, dass die Forscher die stärkste magnetische Reaktion im Lebergewebe fanden, während andere untersuchte Körperregionen keine vergleichbaren Signale zeigten. Damit rückt die Leber von einem reinen Stoffwechselorgan in ein mögliches Sinnesnetzwerk für die Orientierung.
Die physikalische Besonderheit liegt nicht darin, dass die Leber große Mengen Eisen enthält, sondern in der Form, in der ein Teil dieses Eisens vorliegt. In sehr kleinen Partikeln können Eisenoxide auf Magnetfelder empfindlicher reagieren als größere mineralische Strukturen. Das ist für die Magnetorezeption wichtig, weil das Magnetfeld der Erde mit etwa 25 bis 65 Mikrotesla sehr schwach ist. Ein biologischer Sensor muss deshalb winzige Änderungen erfassen können, ohne durch normale Körperprozesse überlagert zu werden. Die Studie zeigt nicht nur magnetische Eigenschaften einzelner Zellpopulationen, sondern verbindet diese Eigenschaften mit dem Verhalten der Tiere. Dadurch unterscheidet sich der Befund von früheren Hinweisen auf eisenhaltige Strukturen, bei denen oft unklar blieb, ob sie tatsächlich als funktionierende Sensoren arbeiten. Auch ältere Beiträge über den GEO-Magnetsinn zeigen, wie schwierig der Nachweis solcher Sinnesleistungen bei Wirbeltieren ist.
Besonders aussagekräftig wurde der Befund in Verhaltensversuchen mit Brieftauben. Die Tiere wurden darauf trainiert, aus einer Entfernung von etwa 20 Kilometern zu ihrem Schlag zurückzufliegen. Anschließend verglichen die Forscher Flüge bei sonnigem Wetter und bei bewölktem Himmel. Wenn die Sonne sichtbar war, konnten sich die Vögel auch dann orientieren, wenn die eisenreichen Makrophagen vorübergehend beeinträchtigt waren. Das spricht dafür, dass sie in solchen Situationen andere Hinweise nutzen, vor allem den Sonnenstand und visuelle Orientierungspunkte. Bei bewölktem Himmel änderte sich das Bild deutlich: Ohne funktionierende Makrophagen verloren die Tiere ihre übliche Richtungsfähigkeit. Der Magnetkompass scheint also besonders dann wichtig zu werden, wenn optische Hinweise fehlen oder weniger zuverlässig sind.
Der Versuch ist biologisch interessant, weil er ein Körpergewebe, eine physikalische Eigenschaft und ein konkretes Verhalten miteinander verbindet. Tauben besitzen mehrere Orientierungssysteme, die je nach Wetter, Gelände und Erfahrung unterschiedlich stark genutzt werden können. Ein einzelner Sensor erklärt daher nicht die gesamte Heimfindeleistung. Dennoch zeigt das Experiment, dass Makrophagen in der Leber für die magnetische Richtungsfindung notwendig sein könnten. Das passt zu der Idee, dass Vögel nicht auf einen einzigen Kompass angewiesen sind, sondern mehrere Informationsquellen kombinieren. Ähnliche Fragen stellen sich auch bei Zugvögeln, die über Tausende Kilometer wandern und dabei ebenfalls magnetische Informationen nutzen. Die neue Studie liefert dafür keinen vollständigen Bauplan, aber einen konkreten Ort im Körper, an dem ein Teil dieser Information entstehen könnte.
Eine offene Kernfrage bleibt, wie die magnetische Information aus der Leber in das Nervensystem gelangt. Die Forscher fanden Hinweise darauf, dass die eisenreichen Makrophagen in der Nähe von Nervenfasern liegen. Diese räumliche Nähe ist wichtig, weil ein Magnetsensor nur dann für Verhalten relevant wird, wenn seine Reaktion in ein biologisches Signal übersetzt wird. Denkbar sind mechanische, elektrische oder chemische Zwischenschritte, doch der genaue Weg ist noch nicht geklärt. Die Arbeit zeigt deshalb nicht, dass die Leber allein ein vollständiges Sinnesorgan bildet. Sie zeigt aber, dass dort Zellen sitzen, die magnetisch reagieren und deren Beeinträchtigung die Orientierung unter bestimmten Bedingungen stört. Für die Biologie ist diese Verbindung ungewöhnlich, weil Immunzellen damit nicht nur Schutz- und Reinigungsaufgaben übernehmen könnten, sondern auch Informationen aus der Umwelt zugänglich machen.
Die Veröffentlichung in Science macht den Befund besonders relevant, weil sie verschiedene Methoden kombiniert. Dazu gehören magnetische Messungen, mikroskopische Analysen, Untersuchungen der Zelltypen und Feldversuche mit fliegenden Tieren. Diese Breite stärkt die Aussage, ersetzt aber nicht weitere Tests an anderen Arten und unter anderen Umweltbedingungen. Sollten ähnliche Mechanismen auch bei Zugvögeln, Fischen oder anderen wandernden Tieren vorkommen, hätte die Tiernavigation ein neues gemeinsames Prinzip. Auch technisch ist der Befund bemerkenswert, weil biologische Systeme mit sehr schwachen Magnetfeldern arbeiten, ohne große Sensoren oder externe Energieversorgung zu benötigen. Die Leber der Tauben wird dadurch zu einem Beispiel dafür, wie eng Stoffwechsel, Immunabwehr und Sinnesleistung verbunden sein können.
Science, Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions; doi:10.1126/science.ady2486