Die Magnetorientierung von Brieftauben

Die Fähigkeit von Brieftauben auch aus unbekannten Gebieten den Heimatschlag zu finden hat schon immer die Menschen fasziniert. Aus den enormen Heimfindevermögen dieser Tiere hat sich der Brieftaubensport entwickelt, bei dem jede Woche Tausende von Tauben aufgelassen werden um die schnellsten Tiere zu ermitteln.

Auch in der Forschung sind Brieftauben aufgrund ihrer Fähigkeiten als Versuchstiere nicht mehr wegzudenken. Besonders in der psychologischen Forschung, in der es um die Lern - und Kognitionsfähigkeiten von Tieren geht, werden oft Brieftauben als Versuchstiere herangezogen. In manchen Verhaltenstests bei denen es z.B. um das schnelle Erkennen von Gegenständen geht, zeigen Brieftauben besserer Ergebnisse als Menschen.

Jedoch ist bislang noch nicht genau geklärt, wie es die Tiere schaffen aus einem unbekannten Gebiet wieder den Heimschlag zu erreichen.

Das Heimfindeverhalten von Tieren hat sich aus der Notwendigkeit entwickelt, nach der Nahrungssuche wieder auf dem schnellsten Weg das angestammte Nest oder den Bau zu erreichen. Wenn ein Tier sich in einem Zickzackkurs von seinem Heimrevier entfernt, so wäre es ein zu großer Energieaufwand, diesen Zickzackkurs auf dem Rückweg beizubehalten. D.h. der Energieaufwand ist geringer wenn ein Tier nach der Nahrungssuche auf dem direkten Weg das Heimrevier aufsucht. Dies setzt ein großes Maß an Orientierungsfähigkeit voraus und es ist bis heute noch nicht endgültig geklärt, welche Parameter die Tiere dabei verwenden.

Schon in den 70iger Jahren machten amerikanische Wissenschaftler Verhaltenstests mit Brieftauben. Dabei wurden die Tiere an einen Auflassort transportiert von dem die Richtung und die Entfernung zum Heimschlag bekannt war. Dann wurden die Tauben, anders als bei Taubenrennen, einzeln aufgelassen und die Richtung protokolliert, in der die Tiere verschwanden. Die Daten der Verschwinderichtung, der Verschwindezeit und der Ankunftszeit am Heimschlag wurde ermittelt und daraus ein Mass für die Orientierungsfähigkeit beschrieben. Durch verschiedene gezielte Manipulationen der Tauben wollte man feststellen, inwieweit die Orientierungsfähigkeit der Tiere dadurch beeinflusst werden konnte. Durch diese Untersuchungen konnten im Laufe der Jahre verschieden Faktoren beschrieben werden, die wahrscheinlich von Tauben zur Orientierung genutzt werden. So wurden Geruch, Infraschall und das Erdmagnetfeld als Orientierungsfaktoren diskutiert. Neben dem Sonnenstand, den Brieftauben zweifelsfrei als Kompaßsystem nutzen, wurden für die anderen sogenannten Kartenfaktoren immer wieder unterschiedliche Theorien aufgestellt. Besonders das Erdmagnetfeld als Orientierungsfaktor wurde von der Wissenschaft sehr kontrovers diskutiert, da bislang noch kein Rezeptorsystem beschrieben werden konnte, dass den Tieren die Wahrnehmung von magnetischen Parametern ermöglichen könnte.

Der Nachweis eines möglichen Magnetrezeptors bei Brieftauben

Unsere Untersuchungen, die gemeinsam mit Geophysikern von der Universität München durchgeführt wurden, beschäftigen sich zunächst mit dem möglichen Aufbau eines Rezeptorsystems bei Brieftauben, die den Tieren das "Messen" des Erdmagnetfeldes ermöglichen.

Basis unserer Überlegungen war, daß in vielen verschiedenen Organismen Magnetit nachgewiesen werden konnte, das auf Magnetfelder in Erdfeldstärke reagiert und damit die Grundlage für einen Magnetrezeptor auch bei Brieftauben bilden könnte.

Aus diesem Grunde war es notwendig festzustellen ob und wo Magnetit im Gewebe von Brieftauben vorhanden ist und ob es mit Nerven in Verbindung steht. Einen ersten Hinweis auf die Lokalisation des Materials im Gewebe erbrachten elektrophysiologische Untersuchungen an einem bestimmten Gehirnnerven der Vögel. Bei diesen Untersuchungen wird das elektrische Verhalten von Nervenfasern mit Hilfe von Elektroden untersucht. Am Nervus ophthalmicus von Vögeln wurden elektrophysiologische Ableitungen durchgeführt und es zeigte sich, dass die an einzelnen Nervenfasern abgeleiteten elektrische Potentiale sich unter dem Einfluss von einem äußeren Magnetfeld veränderten. Daraus wurde geschlossen, dass dieser Nerv die Information über magnetische Parameter an das Gehirn weiterleitet und damit direkt mit einem möglichen Magnetrezeptor in Verbindung stehen muss.

Der Nervus ophthalmicus versorgt in erster Linie die Oberschnabelhaut der Vögel mit den sich darin befindenden Mechanorezeptoren (wie z.B. Tastkörperchen). Dieser Hinweis veranlaßte uns mit Hilfe von sehr empfindlichen Magnetfeldmessgeräten (SQUID's) das Oberschnabelgewebe von Brieftauben zu untersuchen. Die Messungen zeigten, dass sich wahrscheinlich sehr geringe Mengen Magnetit im Oberschnabelgewebe befinden. Aus dem Umstand alleine, dass das Material vorhanden ist, kann aber nicht geschlossen werden, dass es etwas mit einem Magentrezeptor zu tun hat. In einem nächsten Schritt mußte geklärt werden wie das Magnetit im Gewebe vorliegt und ob es mit Nervenfasern in Verbindung steht. Dazu wurden histologische Untersuchungen durchgeführt.

Das zu untersuchende Gewebe wird in Formol o.ä. fixiert, in Plastik oder Paraplast eingebettet und mit einem Mikrotom in sehr dünne Scheiben (10 µm) geschnitten. Danach werden die Gewebeschnitte mit speziellen Färbelösungen behandelt, je nachdem welche Untersuchung durchgeführt werden soll. Unter dem Lichtmikroskop werden die Ergebnisse der histologischen Untersuchungen dann ausgewertet.

Leider gibt es keinen direkte histologische Nachweismethode für Magnetit. Da es sich bei Magnetit aber um dreiwertiges Eisen handelt, kann über den Nachweis von Fe₂⁺³ (Berlin-Blau-Reaktion) zumindest annäherungsweise festgestellt werden, ob sich Magnetit im Gewebe befindet.

Deshalb wurde zunächst das Oberschnabelhautgewebe von Brieftauben histologisch auf das Vorhandensein von dreiwertigem Eisen untersucht.

Nachdem wir in ganz bestimmten Schichten der Oberschnabelhaut geringe Mengen von dreiwertigem Eisen nachweisen konnten, wurden die Schnitte für weitere elekrtonenmikroskopische Analysen aufgearbeitet. Mit Hilfe der Feinbereichsbeugung, die am Elektronenmikroskop durchgeführt wird, konnten wir die zuvor festgestellten Eisenanreicherungen als Magnetit charakterisieren.

Dabei sind die sehr kleinen Magnetitkristalle (nicht größer als 5 nm) zu Clustern von 1 bis 2 nm zusammengeschlossen. Mehrerer solcher Cluster sind kettenförmig in einer Zelle angeordnet. Diese Zellen wiederum wurden mit immunhistologischen Verfahren als Nervengewebe charakterisiert.

Damit war der morphologische Nachweis für einen Magnetrezeptor bei Brieftauben erbracht: Magnetit befindet sich in Nervenzellen in bestimmten Schichten der Oberschnabelhaut von Brieftauben.

Nun bleibt nur noch festzustellen, wie diese Strukturen im Oberschnabelhautgewebe dem Tier die Aufnahme von magnetischen Reizen ermöglicht. Dazu wurden physikalische Modelle entwickelt um zu analysieren, wie die Magnetitcluster sich unter dem Einfluß eines Magnetfeldes verändern.

Theoretischen Berechnungen sowie Modellversuche konnten zeigen, dass ein Magnetitcluster seine Form in Abhängigkeit vom umgebenden Magnetfeld verändert. Dabei deformiert sich der einzelne Magnetitcluster entsprechend der Stärke und der Achse des Magnetfeldes. Diese Deformation kann an der, den Cluster umgebenden Membran, eine Potentialveränderung induzieren, die dann am fortführenden Nerven eine Erregung auslöst und so die Information zum Gehirn weiterleitet.

Da in einer Zelle immer mehrere Cluster vorhanden sind, wird die durch ein Magnetfeld ausgelöste Membrandeformation verstärkt.

Mit solch einem Rezptorsystem ist es Brieftauben möglich, kleinste Veränderungen des umgebenden Magnetfeldes zu "messen".

Das Magnetfeld der Erde

Wie können magnetische Faktoren von Tauben zur Orientierung genutzt werden? Dazu muss man zunächst die physikalischen Eigenschaften des Erdmagnetfeldes beschreiben.

Nach der Dynamo-Theorie erzeugen Konvektionsströme des flüssigen Erdkerns das primäre Magnetfeld, das durch die Erdrotation (Coriolis-Kraft) in der Rotationsachse ausgerichtet wird. Dadurch ensteht ein weitgehend statisches Dipolfeld, dessen Pole sich in der Nähe der beiden geographischen Pole befinden. Als geographischer Nordpol wird allgemein der in der Arktis gelegene Pol bezeichnet, da die nordwärts gerichtete Spitze einer Kompaßnadel in dessen Richtung zeigt. Aus physikalischer Sicht ist jedoch der am geographischen Nordpol gelegene Magnetpol der magnetische Südpol. Umgekehrt befindet sich der magnetische Nordpol in der Antarktis, nahe dem geographischen Südpol. Die magnetischen Feldlinien treten am magnetischen Nordpol aufwärts gerichtet aus der Erdoberfläche und treten am magnetischen Südpol, in der Nähe des geographischen Nordpols wieder ein. Auf der südlichen Hemisphäre verlaufen die magnetischen Feldlinien aufwärts, auf der Nordhalbkugel abwärts gerichtet. Am magnetischen Äquator verlaufen sie parallel zur Erdoberfläche.

Die Neigung der magnetischen Feldlinien bezogen auf die Horizontalebene wird als Inklination beschrieben. Die Inklination beträgt am Nordpol +90°, am Äquator 0° und am Südpol -90°. Die Stärke des Erdmagnetfeldes ergibt sich aus dem vektoriellen Betrag der Feldlinien der Totalintensität.

Die Stärke des magnetischen Feldes (H) wird allgemein in Tesla (nT) angegeben. Am Pol erreicht die Totalintensität ihren Maximalwert von 70 000 nT und wird nur von der Vertikalintensität bestimmt (Horizontalintensität = 0 nT), da die Feldlinien in einem 90° Winkel in die Erdoberfläche eintreten. Im Gegensatz dazu erreicht am Äquator die Horizontalintensität ihren höchsten Wert von ca. 26 000 nT, da die Feldlinien parallel zur Erdoberfläche verlaufen und keinerlei Vertikalkomponente besitzen.

Die einzelnen Magnetfeldparameter verlaufen nicht in einer absoluten Nord-Süd-Ausrichtung. Aufgrund der im Erdinneren sich bewegenden flüssigen Konvektionsströme verlaufen die Isodynamen (Linien gleicher Totalintensität) in Mitteleuropa von Nordwest nach Südost.

Zusätzlich wird durch teilweise in die Erdkruste eingelagerte magnetische Materialien die ursprüngliche Gleichmäßigkeit des Dipolfeldes mehr oder weniger stark durch magnetische Anomalien moduliert.

Obwohl das Erdmagnetfeld ein statisches Dipolfeld ist, unterliegt es immerhin so großen Schwankungen, daß es in Abständen von mehreren 10⁵ bis 10⁶ Jahren sogar zu Polaritätsumpolungen kommt. Diese Änderungen erfolgen wahrscheinlich so langsam, dass sie in der Lebensspanne von einzelnen Organismen keine Rolle spielen.

Im Gegensatz zu diesen, über lange Zeiträume ablaufenden Prozessen, treten periodische tages- und jahreszeitliche Magnetfeldschwankungen auf, die hauptsächlich durch die Sonne verursacht werden.

Durch die von der Sonne ausgesandte elektromagnetische Wellen- und Korpuskularstrahlung wird die Ionosphäre der Erde regelmäßig beeinflusst. Die elektrisch geladenen Teilchen der Ionosphäre werden durch die Sonnenwinde bewegt und induzieren ein Magnetfeld. Auf der Nachtseite der Erde wird unter dem Einfluß des Sonnenwindes die Ionosphäre stark auseinandergezogen, während sie auf der Tagseite stark komprimiert wird.

Daraus resultiert ein regelmässiger Tagesgang des Erdmagnetfeldes, bei dem in unseren Breiten die Totalintensität während des höchsten Sonnenstandes am Mittag ein Minimum erreicht. Da der Tagesgang von der Sonne beeinflusst wird, besitzt er je nach geographischer Breite und dem relativen Stand der Erde zur Sonne einen unterschiedlichen Verlauf in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. In den Sommermonaten, wenn die Sonneneinstrahlung am Stärksten ist, sind die tageszeitlichen Schwankungen bis zu viermal höher als in den Wintermonaten.

Zusätzlich verändert sich in einem 11jährigen Zyklus die Sonnenaktivität. Die äußerlich sichtbaren Erscheinungen dieser Aktivität sind die Sonnenflecken. Durch die Oszillation des solaren Magnetfeldes kommt es zu der periodischen Variation der Sonnenfleckenzahlen. Während der maximalen Sonnenaktivität mit einer hohen Anzahl an Sonnenflecken kommt es zu einem vermehrten Ausstoß an Wellen- und Korpuskularstrahlung, der die Ionosphäre der Erde und damit das Erdmagnetfeld beeinflußt. Magnetische Stürme in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität beeinflussen die regelmäßigen tages- und jahreszeitlichen Magnetfeldschwankungen.

Die Rolle der Intensität des Erdmagnetfeldes bei der Orientierung von Brieftauben

Die Intensität des Magnetfeldes unterliegt also räumlichen (hervorgerufen durch Gesteinseinlagerungen) und zeitlichen Schwankungen (hervorgerufen durch die Sonnenaktivität), die das Orientierungsverhalten der Brieftauben beeinflussen kann.

Die Verfrachtungsrichtung

Durch die graduelle Abnahme der Totalintensität des Erdmagnetfeldes von Nord-Ost nach Süd-West in Mitteleuropa, lässt sich theoretisch ein, von der jeweiligen Verfrachtungsrichtung abhängiges Orientierungsverhalten der Tiere voraussagen.

Wenn Tauben in der Lage sind, kleinste Veränderungen der Intensität des Erdmagnetfeldes zu registrieren und diese zur Orientierung nutzen, dann spielt die Verteilung der Isodynamen (Linien gleicher Totalintensität) am Auflassort eine wesentliche Rolle bei der Anfangsorientierung. Voraussetzung dafür ist, dass die magnetischen Intensitätswerte am Heimschlag als Referenzwert dienen. Ein postuliertes Rezeptorsystem muss am Heimschlag, also dort, wo die Tiere aufwachsen, eingeeicht werden. Durch Trainingsflüge lernen die Tiere, wie sich die Totalintensität in Bezug auf die Verfrachtungsrichtung verändert.

Ausgehend von den Intensitätswerten am Heimschlag steigen bei einer Verfrachtung nach Norden die Werte der Totalintensität an, während bei einer Verfrachtung in südliche Richtung die Werte abnehmen. Bei Verfrachtungen auf der Ost-West-Achse sind die Veränderungen der Totalintensität weniger stark ausgeprägt und unterscheiden sich kaum von denen am Heimschlag.

Aus diesem Grund ist davon auszugehen, dass die Orientierung für die Tiere bei Verfrachtungen auf der Nord-Süd-Achse einfacher ist. Um ihren Heimschlag zu erreichen, müssen die Tauben nach südlicher Verfrachtung der ansteigenden Intensität und nach nördlicher Verfrachtung der abfallenden Intensität des Erdmagnetfeldes folgen.

In den Verhaltensuntersuchungen, die ich im Rahmen meiner Doktorarbeit durchgeführt habe, konnte diese These bestätigt werden. Es war festzustellen, dass Tauben an Orten auf der Ost-West Achse vom Heimschlag aufgelassen, mehr Schwierigkeiten hatten sich zu orientieren, als an vergleichbaren Orten auf der Nord-Süd Achse.

Im Hinblick auf die Auswahl der Verfrachtungsrichtung bei Taubenrennen könnte man analysieren inwieweit diese einen Einfluss auf die Heimkehrgeschwindigkeit der Tiere hat. Dazu müßten herausgefunden werden ob sich die durchschnittliche Heimkehrgeschwindigkeit bei Rennen auf der Ost-West Achse von denen auf der Nord-Süd Achse unterscheidet.

Die magnetischen Bedingungen am Auflassort

Unter natürlichen Bedingungen verlaufen die Isodynamen nicht gleichmäßig, sondern werden durch geologisch bedingte Gesteinseinlagerungen - magnetische Anomalien - verzerrt.

Diese räumlichen Verzerrungen der Intensität des Erdmagnetfeldes, hervorgerufen durch magnetische Anomalien, führen bei Brieftauben zu Schwierigkeiten innerhalb der Anfangsorientierung. In wissenschaftlichen Untersuchungen, in denen die Tauben am Auflassort alleine aufgelassen werden, kommt es zu gewissen Orientierungsschwierigkeiten in der Anfangsphase. Die Tiere fliegen teilweise in eine falsche Richtung ab und die Verschwindezeit nimmt zu. Dies passiert besonders an Auflaßorten an denen der magnetische Anomaliegradient gegensätzliche Information zum normalen magnetischen Gradienten liefert. Inwieweit dieses Phänomen bei Taubenrennen ein Rolle spielt, kann nicht mit absoluter Sicherheit geklärt werden, da hier immer sehr viele Tauben gleichzeitig aufgelassen werden. Möglich jedoch ist, daß an einem Ort mit einem extrem verzerrten Anomaliegradienten der Taubenschwarm länger verweilt, bis er aus dem Sichtfeld der Beobachter verschwindet.

Die normalen tageszeitlichen Variationen des Erdmagnetfeldes

Die durch die Sonneneinstrahlung hervorgerufenen normalen zeitlichen Variationen des Erdmagnetfeldes haben wahrscheinlich keinen Einfluss auf die Orientierung von Brieftauben während eines Rennens. Diese Magnetfeldschwankungen sind so gering (bis zu 50 nT in ungefähr 3 Std.), dass sie während des Fluges der Tiere keine Rolle spielen.

In wissenschaftlichen Studien mit Brieftauben konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Variationen die Orientierung der Tiere beeinflusst. Dazu wurde die gleiche Taubengruppe einmal morgens (zwischen 7-10 Uhr) und einmal mittags (zwischen 12-15 Uhr) vom selben Ort aufgelassen. Es zeigte sich, dass sich die Abflugrichtung der Tauben zwischen Morgen- und Mittagauflassung veränderte, obwohl die Tiere den Auflassort kannten. Diese Versuche wurden über einen Zeitraum von mehreren Monaten immer am gleichen Ort durchgeführt und es trat immer wieder eine Tagesvariation der Orientierung zwischen Morgens- und Mittagsauflassung auf.

Das unterschiedliche Abflugverhalten zwischen Morgens und Mittags wiederum ist abhängig von der Verfrachtungsrichtung. Aufgrund der Abnahme der Totalintensität in den Mittagsstunden fühlen sich die Tiere (magnetisch) an einen südlicheren Ort verfrachtet und versuchen dies durch eine weiter nördlichere Abflugrichtung zu korrigieren. Für einen westlich vom Heimschlag gelegenen Auflaßort bedeutet dies, dass die Tiere in den Mittagsstunden eine Abweichung im Gegenuhrzeigersinn von der morgendlichen Abflugrichtung zeigen. Umgekehrt wird an einem östlich vom Heimschlag gelegenen Auflassort eine Abweichung im Uhrzeigersinn beobachtet. Bei westlicher und bei östlicher Verfrachtung sind die Unterschiede zwischen den morgendlichen und der mittäglichen Abflugrichtungen aufgrund des Isodynamenverlaufs größer, als bei Verfrachtungen nach Norden oder nach Süden.

Dies zeigt deutlich, daß Tauben schon geringste Magnetfeldveränderungen messen können und ihre Orientierung davon beeinflußt wird. Dabei sind die Ergebnisse dieser Studie besonders erstaunlich, da die Tiere teilweise über 50 mal vom gleichen Ort aufgelassen werden, der Ort den Tieren also bekannt sein müsste. Trotzdem kommt es zu den beschriebenen Abweichung zwischen den Morgens- und Mittagsauflassungen, was zeigt wie wichtig magnetische Intensitätsparameter für den Orientierungsvorgang sind.

Störungen des Erdmagnetfeldes

Besonders in Jahren starker Sonnenaktivität kommt es häufig zu irregulären Störungen des Magnetfeldes. Dabei kann es zu Schwankungen der Intensität von mehr als 1000 nT pro 5 Minuten kommen. Auswertungen von Taubenrennen die an magnetisch gestörten Tagen durchgeführt wurden, zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Stärke der Störung und der Heimkehrgeschwindigkeit der Tiere. Je stärker die magnetische Störung desto langsamer war die Heimkehrgeschwindigkeit.

Die zeitlich auftretenden irregulären Störungen des Erdmagnetfeldes führen offenbar dazu, dass der graduelle Verlauf der Intensität über die Entfernung von den Tauben nicht mehr genau gemessen werden kann, was zu der beschriebenen Desorientierung der Tiere führt. Die von den Tieren gemessenen Intensitätswerte ändern sich zeitlich sehr schnell, so dass sie immer wieder versuchen ihren Kurs zu korrigieren. Es scheint den Tieren nicht möglich, diese starken zeitlichen Magnetfeldänderungen zu kompensieren.

Auch von Gewitterfronten wird die Intensität des Erdmagnetfeldes durch elektrische Entladungen erheblich gestört. Diese magnetischen Turbulenzen treten jedoch nur in unmittelbarer Nähe der Wetterfront auf.

Aufgrund der erhöhten Sonnenaktivität ist in den Jahren 2000 und 2001 wieder mit erheblichen magnetischen Störungen zu rechnen, die Auswirkungen auf den Verlauf von Taubenrennen haben könnten.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass Brieftauben ein Rezeptorsystem besitzen welches ihnen ermöglicht, die Intensität des Erdmagnetfeldes zu messen. Diese Information nutzen die Tiere zur Orientierung. Voraussetzung dafür ist, dass die Tiere in ihrer Jungendphase gelernt haben wie sich, ausgehen vom Heimschlag, die Intensität des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der geographischen Richtung verändert. Nach der Trainingsphase sind die Tiere in der Lage, durch Extrapolieren der erlernten Werte, auch aus unbekannten Gebieten wieder den Heimschlag zu erreichen.

Inwieweit andere Faktoren bei der Orientierung von Brieftauben eine Rolle spielen, kann bislang nicht endgültig geklärt werden. Jedoch wird aufgrund der uns vorliegenden Ergebnisse deutlich, dass die Intensität des Erdmagnetfeldes wahrscheinlich der wichtigste Kartenfaktor beim Heimfindeverhalten ist.

Bei zukünftigen wissenschaftlichen Untersuchungen müssen die räumlichen und zeitlichen Variationen der Magnetfeldintensität, sowie die Funktionsweise der gefunden Rezeptorstruktur berücksichtigt werden um zumindest teilweise verstehen zu können, wie Brieftauben zu solchen Orientierungsleistungen fähig sind.

Ob man damit allerdings alle Geheimnisse des Heimfindeverhaltens dieser erstaunlichen Tiere entschlüsseln kann, bleibt offen.

Dr. Elke Holtkamp-Rötzler
Zoologisches Institut
Goehte-Universität Frankfurt/Main

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