Geheime Zeichen am Himmel

Die Sonne brennt, die Luft flimmert. Kein Baum, kein Strauch, der Schatten spenden könnte. Die Salzwüste in Tunesien, obwohl nicht weit vom Mittelmeer entfernt, ist eine unwirtliche Gegend. Obwohl ein leichter Wind von der Küste herüberweht, wird der Boden bald 70 Grad Celsius erreicht haben. Dann werden die Ameisen verschwunden sein, die diese Trostlosigkeit bevölkern. Doch solange die Temperaturen noch halbwegs erträglich sind, flitzen die langbeinigen Jäger der Spezies Cataglyphis fortis unermüdlich hin und her, um Futter für den immer hungrigen Nachwuchs zu beschaffen. Dabei entfernen sie sich im Zickzacklauf schon mal über 100 Meter weit vom unterirdischen Nest. Zurück ins Heim nehmen sie aber immer den kürzesten – schnurgeraden – Weg. Wie schaffen es die winzigen Tiere, sich in der Wüste zurechtzufinden? Würde man diese Leistung auf den Menschen hochrechnen, könnte er Dutzende von Kilometern in Gebieten ohne auffällige Orientierungspunkte herumlaufen und schließlich auf direktem Weg zum Ausgangspunkt zurückfinden. Keine leichte Aufgabe. Die Wüstenameisen bewältigen Vergleichbares mit Leichtigkeit.

In den letzten Jahren nahmen Forscher Sinne und Gehirne vieler Tiere genauer unter die Lupe, um herauszufinden, wie sie für den Menschen verborgene Zeichen in der Natur erkennen und sich damit in schwierigem Gelände – oder im Meer – zurechtfinden. Wie gelingt es den Wüstenameisen? Sind sie Augentiere wie wir Menschen? Oder Nasentiere wie männliche Schmetterlinge, die mit ihren Antennen Pheromone riechen können, die von kilometerweit entfernten Weibchen stammen? Oder können sie sich am Erdmagnetfeld orientieren wie Tauben?

Seit drei Jahrzehnten untersuchen Forscher unter der Leitung von Rüdiger Wehner, Zoologe an der Universität Zürich, wie die Wüstenameisen sich zurechtfinden in einer Gegend, wo die Hitze Duftspuren verdampfen lässt und in der es kaum Anhaltspunkte zur Orientierung gibt. „Wie alle sozialen Insekten müssen Wüstenameisen in der Lage sein, stets zu ihrem Nest zurückzukehren. Damit ihnen dies gelingt, sind sie auf perfekte Navigation angewiesen“, sagt Wehner. Er hat entdeckt, dass die Tiere einen Sonnenkompass haben. Mit speziellen Sehzellen am oberen Rand ihrer Komplexaugen können sie das „ Polarisationsmuster“ der Sonne sehen. In Verbindung mit dem Sonnenstand können die Tiere aus diesem Muster die richtige Richtung bestimmen.

Sonnenlicht ist von Natur aus unpolarisiert, das heißt, seine Photonen schwingen in allen Richtungen. Wenn es jedoch die Atmosphäre durchdringt, geht diese gleichmäßige Verteilung verloren. Es entstehen typische Schwingungsmuster, die sich im Lauf des Tages mit dem Sonnenstand verändern.

Wasser- und Blattoberflächen produzieren spezielle Muster aus polarisiertem Licht durch Reflexion. Diese Muster leiten Schmetterlinge zu Pflanzen mit geeignetem Laub für die Eiablage und bewahren wasserscheue Wüstenheuschrecken davor, in einem Tümpel zu ertrinken. Auch Fische können polarisiertes Licht wahrnehmen – sie lassen damit die Tarnung von Beutetieren auffliegen, die bei normalem Sonnenlicht unsichtbar erscheinen. Polarisationsmuster können aber auch in die Irre führen. Das erklärt die Kamikaze-Attacken mancher fliegender Wasserkäfer, die ein glitzerndes Autodach mit einer Wasseroberfläche verwechseln, und die Verwirrtheit von Eintagsfliegen, wenn sie ihre Eier auf einer Asphaltstraße statt im Wasser ablegen.

Wüstenameisen haben nur ein winziges Gehirn. Trotzdem können sie komplizierte navigatorische Leistungen vollbringen, wie die Schweizer Forscher herausfanden. Die Insekten verrechnen auf abschüssigem Gelände den Steigungswinkel mit der Streckenlänge. Exakt ginge das nur mittels Geometrie. Da die Tiere aber weder Sinus- noch Cosinusregeln beherrschen – Wehner bezeichnet sie deshalb als „Vor-Pythagoras’sche Wesen“ – müssen sie zwangsläufig andere Rechenoperationen durchführen. Verhaltensforscher nennen diesen Orientierungssinn den „ tierischen Integrator“. „Er schaltet sich ein, sowie die Tiere das Nest verlassen“, sagt der Biologe Markus Knaden, Mitarbeiter in Wehners Team. Da der Ameisen-Integrator nicht ganz fehlerfrei arbeitet, machen die Tiere noch einen 360 Grad weiten optischen Schnappschuss, bevor sie das Nest verlassen. Mit ihm prägen sie sich Landmarken wie Gesteinsbrocken ein. Kommen sie auf dem Heimweg in die Nähe ihres Nestes, helfen ihnen diese Orientierungspunkte, ihre unterirdische Wohnung anzusteuern.

Voraussetzung für das Funktionieren des Integrators ist, dass die Tiere Entfernungen messen können. Es ist noch nicht ganz klar, wie ihnen das gelingt, doch manche Forscher glauben, dass die Ameisen eine Art Schrittzähler besitzen. Manche Tierarten ermitteln die Marschdistanz möglicherweise über die dabei verbrauchte Energie. Genaueres weiß man heute über die Bienen. Obwohl seit mehr als 50 Jahren bekannt ist, dass sie ihren Kolleginnen Richtung und Distanz zur Futterquelle mit dem Schwänzeltanz mitteilen, hat ein deutsch-australisches Forscherteam erst vor wenigen Jahren entdeckt, wie sie die Informationen sammeln: Offensichtlich summieren Bienen das im Flug vorbei ziehende Bild ihrer Umgebung – Bäume und Blumen, Hügel und Bäche –, um festzustellen, wie weit sie geflogen sind.

Was das Auflösungsvermögen angeht, sind die meisten tierischen Augen weniger leistungsfähig als die menschlichen, sieht man vom sprichwörtlichen Auge der Adler und anderer Vögel ab. Viele Tiere müssen deshalb für die Orientierung weitere Sinne einsetzen. Nachtaktive etwa verlassen sich auf ihren Geruchs- und Hörsinn. Die ausgezeichneten Augen der Eulen beispielsweise nutzen beim Jagen im Finstern kaum. Bei der Mäusehatz setzen die lautlosen Meisterflieger deshalb auf ihr Gehör. Das hat Hermann Wagner, Zoologe und Tierphysiologe an der RWTH in Aachen, bei Schleiereulen genau untersucht. Deren Ohren sitzen im hellen, herzförmigen Gesichtsfeld. Spezielle Federn bilden eine wannenförmige Ohrmuschel, fangen den Schall auf und leiten ihn in die Ohröffnungen, die hinter den Augen liegen. Diese Wannen sind auf beiden Seiten unterschiedlich ausgerichtet, sodass die Tiere feststellen können, ob ein Geräusch von oben oder von unten kommt. Ob eine Maus links oder rechts raschelt, erkennen die Jäger an den Laufzeitunterschieden, mit denen das Geräusch an den beiden Ohren ankommt. Mit einer Genauigkeit von wenigen Grad finden die Eulenohren den Verursacher eines Geräuschs – eine Maus hat da kaum eine Chance.

Auch Insekten können sehr gut Geräusche orten. Bei den meisten Insekten sitzen die „Ohren“ an den Beinen, am Brustkorb – oder auch an beiden. Mit vier Ohren an den Vorderbeinen hören weibliche Grillen, ob ein Männchen um ihre Gunst zirpt. Doch der Lärm, den die männlichen Grillen veranstalten, lockt nicht nur Sexpartner, sondern auch Feinde an. Dem Zirpen folgend finden parasitäre Fliegen der Spezies Ornia ochracea ihre Wirte und legen dort ihre Larven ab, die die Grillen von innen heraus auffressen.

Manche Gejagte nutzen ihre Ohren auch zur Verteidigung. Nachtmotten stehen auf dem Speiseplan diverser Fledermausarten. Oft gelingt es den Motten, der nahenden Gefahr auszuweichen, weil sie die Ultraschalllaute wahrnehmen können, mit denen die Fledermäuse ihre Beute orten. Das gibt ihnen eine Fluchtchance. Einige besonders trickreiche Mottenarten produzieren sogar selber Ultraschalllaute und gaukeln damit ihren Räubern vor, sie seien eine kleine Fledermaus. Auf die gleiche Weise können zwei Heringsarten und der amerikanische Maifisch ihre Fressfeinde – Wale und Delfine – hören und ihnen aus dem Weg schwimmen. Aber: Jede Beute, die wegläuft oder -schwimmt, löst dabei kleine Wasserwellen oder Erschütterungen aus. Viele Jäger können aus diesen Vibrationen berechnen, wo sich ihr Futter befindet. Mit dieser Methode finden Raubinsekten wie Wasserläufer und Rückenschwimmer heraus, wo unfreiwillig im Wasser gelandete Insekten zappeln. Genauso orten Wüstenskorpione die Verursacher winziger Erschütterungen im Sand. Und die im Wasser lebenden Taumelkäfer hängen ihre Antennen ins Wasser, um über sie Wellen zu spüren, die ein anderes Tier erzeugt hat. Fische und Seehunde (bild der wissenschaft 9/2002, „Spürhunde mit sensiblem Bart“) fühlen ebenfalls Strömungsveränderungen, die ihre Beutetiere im Wasser hinterlassen. Die wohl beeindruckendste Orientierungsleistung von Tieren sind die Weltreisen der Vögel. Die Rekordhalter sind die Küstenseeschwalben. Die kleinen Vögel verbringen den Sommer in der Arktis und ziehen im Winter an den Nordrand der Antarktis. Entfernung: rund 20 000 Kilometer. Auch Albatrosse können einen Rekord vorweisen: Sie sind zwar keine Zugvögel, aber auf der Nahrungssuche legen sie bis zu 15 000 Kilometer bei einem Beutezug zurück.

Forscher haben inzwischen herausgefunden, dass Vögel gleich drei Arten von Kompasse einsetzen: einen Sonnenkompass, einen Sternenkompass und einen magnetischen Kompass. Welchen davon sie bei welcher Gelegenheit benutzen, ist noch nicht geklärt. Sicher ist aber, dass der Sternen-

kompass beim Nachtflug zum Einsatz kommt. Tagsüber nutzen Vögel wahrscheinlich die Sonne zur Bestimmung der Flugrichtung. Dazu müssten die Vögel den Sonnenstand mit einer inneren Uhr erfassen. Ist der Himmel bedeckt, könnten sie auf den Magnetkompass umsteigen. Nicht nur Vögel haben einen Magnetsinn, sondern auch Schnecken, Krebstiere, Insekten, Fische, Amphibien, Reptilien und Säugetiere. Und vor allem Meerestiere: Er hilft Schildkröten, Langusten, Lachsen und Aalen auf dem Weg zu Küsten, ins offene Meer oder zu ihren Brutplätzen.

Das irdische Magnetfeld enthält mehrere Arten von Informationen, die Tiere nutzen können: Polarität, Inklination und Feldstärke. Aus der Polarität des Magnetfeldes und seiner Inklination – dem Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes zur Horizontalen – können sie ablesen, wo Norden ist. Welcher Kompass eingesetzt wird, ist von Tier zu Tier unterschiedlich. Langusten, Meeresschildkröten und Insekten sowie Nacktmulle – unterirdisch lebende afrikanische Nagetiere – benutzen einen Polaritätskompass, Vögel einen Inklinationskompass.

Außerdem ist die Stärke des Magnetfelds von Ort zu Ort unterschiedlich groß. Es gibt magnetische Hügel und Täler – und damit Orientierungspunkte. Viele Tiere messen die Intensität des lokalen Erdmagnetfeldes mit einer Art biologischem Magnetometer. Diese Magnetfühler befinden sich je nach Tierart in unterschiedlichen Körperteilen. Besonders gut untersucht wurde der Magnetsinn an Brieftauben, Grasmücken und Rotkehlchen. Bei den Tauben liegt das Magnetometer im Schnabel. Über kleine Eisenoxid-Moleküle messen die Vögel die Intensität des Magnetfeldes.

Andere Untersuchungen haben ergeben: Der Inklinationskompass sitzt bei Rotkehlchen im rechten Auge. Mit diesem Befund überraschte das Forscherehepaar Wolfgang und Roswitha Wiltschko von der Universität Frankfurt am Main vor Kurzem die Fachwelt. „ Wie er molekular und neurophysiologisch funktioniert, wissen wir noch nicht. Aber anscheinend ist Licht für ihn sehr wichtig“, erklärt Roswitha Wiltschko. Zufällig stellte sie bei Versuchen fest, dass der Kompass kurzfristig ausfiel, als sie die Tiere mit starkem einfarbigem Licht beleuchtete. Dieser Befund und der Sitz des Inklinationskompasses im Auge der Rotkehlchen legen den Verdacht nahe, dass magnetische Information in visuelle Information umgewandelt werden könnte: Die Tiere sehen das Magnetfeld der Erde. Wie kann das funktionieren?

Henrik Mouritsen von der Universität Oldenburg ist sicher, ein Puzzleteil des vermutlich komplexen neurophysiologischen Prozesses gefunden zu haben. Bekannt ist, dass bestimmte Biomoleküle die magnetische Feldstärke messen können: die so genannten cryptochromen Proteine, kurz CRY-Proteine genannt. Man findet sie bei vielen Tieren in der Netzhaut, wo sie unter anderem den Tag-Nacht-Rhythmus steuern. CRY-Proteine reagieren aber auch auf Magnetfelder. Dafür müssen sie eine chemische Reaktion durchführen – und dazu brauchen sie Licht. „ Möglicherweise wird die magnetische Information von den Tieren optisch wahrgenommen“, spekuliert Mouritsen. Vielleicht sehen sie sie so klar wie ein Mensch eine Straße sieht.

Ein weiteres Indiz für die These: Bei standortgebundenen Vögeln schwankt die Menge von CRY-Proteinen je nachdem, wann sie unterwegs sind, mit der Tageszeit – bei Zugvögeln wie den Grasmücken, die sich ständig orientieren müssen, jedoch nicht. Mouritsen glaubt, die Gehirnregion ausfindig gemacht zu haben, in der magnetisch-optische Informationen verrechnet werden. „Wir finden bei den Zugvögeln im so genannten Cluster N im Großhirn eine besonders hohe Aktivität. Und zwar nur nachts, also dann, wenn sie sich auf ihren Magnetkompass verlassen müssen“, sagt der Forscher. Doch bislang ist das nur eine Hypothese.

Anscheinend müssen manche – wenn auch nicht alle – Tiere ihren Kompass regelmäßig eichen, denn er ist während des Flugs nicht fest auf den magnetischen Norden ausgerichtet. Das ist sinnvoll, da zum einen geographischer und magnetischer Nordpol nicht am selben Ort liegen und zum anderen die Magnetfeldlinien der Erde fast nie genau nach Norden zeigen, sondern mehrere Dutzend Grad nach Osten oder Westen abweichen können. An manchen Orten zeigt die Kompassnadel sogar nach Süden. Seefahrer bezeichnen dieses Phänomen als Missweisung. Seekarten informieren sie über Ausmaß und Richtung dieser Missweisung. Amerikanische Drosseln benutzen dazu die untergehende Sonne, wie Henrik Mouritsen mit amerikanischen Kollegen zeigte. Mouritsen ist überzeugt: „Die Tiere wissen, dass die Sonne immer im Westen untergeht, und daran richten sie ihren magnetischen Kompass aus.“

Mit ihren überraschenden Sinnes- und Orientierungsfähigkeiten können Tiere sich rasch in unbekannten Gebieten zurechtfinden. Das macht sie zu einem Vorbild für neue Typen von Robotern, an denen weltweit für Rettungs- oder Militäreinsätze und für Exkursionen auf fernen Planeten gearbeitet wird. Diese Maschinen sollen sich selbstständig zurechtfinden. Einen Prototyp hat ein Schweizer Forschungsteam in Zusammenarbeit mit Rüdiger Wehner bereits gebaut: „Sahabot“ braucht bloß die Sonne und ihr Polarisationsmuster, um sich zu orientieren – wie eine Ameise. ■

Karin Hollricher ist Biologin und freie Wissenschaftsjournalistin in Neu-Ulm. Bei ihrer Recherche über den tierischen Orientierungssinn hat sie am meisten beeindruckt, zu welchen Leistungen das winzige Ameisengehirn fähig ist.

Karin Hollricher