E16 Magnetorezeption und Orientierung im Erdmagnetfeld

Thema

Magnetorezeption bei Fischen ist die Fähigkeit, das Erdmagnetfeld wahrzunehmen und so Informationen über Breitengrad, Längengrad und Bewegungsrichtung während langer Wanderungen zu gewinnen. Das Erdmagnetfeld an der Erdoberfläche variiert in seiner Intensität zwischen 25 und 65 Mikrotesla und weist zudem eine Inklination auf – den Winkel zwischen Feldvektor und Horizontaler –, die von null Grad am Äquator bis zu 90 Grad an den Polen zunimmt. Diese doppelte Variation dient dem Fisch sowohl als Kompass, der die Nordrichtung anzeigt, als auch als Karte, die eine ungefähre Angabe seines Breitengrades ermöglicht.

Zwei unterschiedliche physikalische Mechanismen wurden für die Wahrnehmung dieses Erdmagnetfelds bei Fischen vorgeschlagen: biogene Magnetite, Kristalle zellulären Ursprungs, die in Forellen, Lachsen und anderen Wanderfischen nachgewiesen wurden; und der Radikalpaar-Mechanismus, der auf der Abhängigkeit des Quantenspins bestimmter photochemischer Reaktionen vom Magnetfeld beruht und möglicherweise durch in der Fischretina vorhandene Proteine, sogenannte Cryptochrome, vermittelt wird.

Biogene Magnetite wirken wie winzige Magnete, die sich so lange drehen, bis sie sich am Erdmagnetfeld ausrichten und dadurch mechanische Signale auf den Sinnesmembranen erzeugen, an denen sie haften. Die Drehung, die das Magnetfeld auf jeden Magnetitkristall ausübt, hängt vom magnetischen Moment des Kristalls und der Stärke des umgebenden Magnetfelds ab. Damit dieser Mechanismus als Sensor funktioniert, muss die Energie, die der Kristall durch die Ausrichtung am Magnetfeld gewinnt, die umgebende thermische Energie überwinden, die diese Ausrichtung zu stören droht. Das Verhältnis dieser beiden Energien – der magnetischen Ausrichtungsenergie und der thermischen Energie – bestimmt genau die Empfindlichkeit dieses Magnetorezeptionsmechanismus.

Der Radikalpaar-Mechanismus, der zweite vorgeschlagene Mechanismus, funktioniert völlig anders als der der biogenen Magnetite: Er beruht nicht auf mechanischer Drehung, sondern darauf, dass das externe Magnetfeld den Quantenspinzustand bestimmter photochemischer Reaktionen in den Kryptochromen der Fischretina verändert. Dadurch ändert sich das Ergebnis dieser Reaktionen in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Magnetfelds relativ zum Fischauge.

Mithilfe der Informationen über das Erdmagnetfeld, die durch diese beiden Mechanismen gewonnen werden, kann der Fisch seine Wanderroute entlang von Isoklinen (Kurven mit konstanter magnetischer Inklination) und Isogonen (Kurven mit konstanter magnetischer Deklination) navigieren. Der Schnittpunkt einer Isokline und einer Isogone definiert eine eindeutige Position in der Erdmagnetfeldkarte, die der Fisch zur Orientierung nutzt.

Erwartungsgemäß bleiben die magnetischen Orientierungsfehler eines Fisches, der sich in einem normalen Erdmagnetfeld bewegt, unter zehn Grad. Diese Fehler nehmen jedoch deutlich zu, wenn der Fisch lokale Erdmagnetfeldanomalien durchquert – also Gebiete, in denen das zu Beginn dieses Modells eingeführte Erdmagnetfeld von seinem normalen Verhalten abweicht und nicht mehr als zuverlässiger Kompass und Orientierungshilfe für die Wanderung des Fisches dient.

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