DIE UNBEKANNTEN FLUGOBJEKTE - wissenschaft.de
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DIE UNBEKANNTEN FLUGOBJEKTE

Wenn Vogelschwärme über den Himmel ziehen, scheint es, als hätte eines der Tiere das Kommando. Doch in Wahrheit organisiert der Schwarm sich selbst.

Wenn Andrea Cavagna aus dem Fenster seines Büros schaut, sieht er den Hauptbahnhof von Rom. Im Herbst drehen dort oft Starenschwärme ihre Pirouetten. Tagsüber machen sie die Umgebung der italienischen Hauptstadt unsicher, für die Nacht kehren sie ins Zentrum zurück. Bevor sich die Tiere auf ihre Schlafbäume setzen, tanzen sie am Himmel. Dann kann Andrea Cavagna mitten in Rom Bilder sehen wie auf den hier abgedruckten Fotos, die in Israel entstanden sind. Cavagna ist Vogelforscher, aber ein untypischer: Statt Wanderschuhen und Allwetterjacke trägt er einen eleganten Wollpullover und Jeans. Er ist auch nicht Biologe, sondern Physiker. An den Wänden seines Büros hängt eine Tafel, vollgeschrieben mit komplizierten Vektorgleichungen.

Weil den 40-Jährigen der Anblick des fliegenden Balletts fasziniert, versucht er, den Schwärmen mit Methoden der statistischen Physik beizukommen. Vor rund vier Jahren sprach er mit Kollegen darüber, ihre Bewegungen mithilfe des Computers eins zu eins zu rekonstruieren. Dann schrieb die EU ein Forschungsprojekt aus, „Starflag“ genannt, das der Gruppe die nötigen Gelder gab. Es schien eine simple Sache zu sein. Doch für Cavagna und seine Kolleginnen und Kollegen folgten zwei Jahre mit Überstunden, Rückschritten und der immer wiederkehrenden Angst, am Ende schuld zu sein am Scheitern des großen Projekts mit sieben Standorten in ganz Europa. Die Basis für die Forschung sollten die 3D-Daten aus Rom sein. Mit ihnen sollten Systeme untersucht werden, die aus einer „großen Anzahl interagierender heterogener Agenten bestehen und oft komplexe Verhaltensweisen an den Tag legen, die nicht aus dem Verhalten eines einzelnen Agenten abgeleitet werden können“, wie es in der Projektbeschreibung heißt.

Als Paradebeispiel diente der Starenschwarm. Zunächst war die Frage, ob es in einem Schwarm einzelne Leitvögel gibt. Heute steht die Antwort fest: ein klares Nein. Mit dem dreidimensionalen Modell sollten anschließend die bisherigen Annahmen über Vogelschwärme überprüft werden. Schließlich, und diese Phase des Projekts ist noch nicht abgeschlossen, sollten die Schwarmmuster im Detail interpretiert und die Verhaltensweisen des Kollektivs, soweit möglich, auf Ansammlungen von Menschen übertragen werden. Forscher in dem Verbund untersuchten daher auch andere „heterogene Agenten“, beispielsweise Aktienhändler an der Börse.

Vögel können nur bis sieben zählen

„Das große Problem bei der Erstellung des Modells war das Matching“, sagt Irene Giardina, die nicht nur die Arbeit mit Andrea Cavagna teilt – die beiden sind ein Ehepaar. „Matching“ bedeutet die Zuordnung gleicher Punkte zueinander auf verschiedenen Bildern. „Um die bereits bekannten Techniken dafür einzusetzen, brauchten wir ein Grundgerüst. Aber das hatten wir nicht.“ Die Forscher mussten die dazu nötigen Computerprogramme erst einmal entwickeln (siehe Kasten „Schwärme im Rechner – das römische Modell“).

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Wenn Andrea Cavagna jetzt auf seinen Computer-Bildschirm schaut, kann er die Vogelschwärme vom Bahnhof sehen. Die Tiere sind stark abstrahiert: Schwarze Punkte bewegen sich in einem Raum, der außer drei Koordinaten nichts zu bieten hat. Die Studien sind abgeschlossen, mit Erfolg, und die Physiker haben mit ihren Bits und Bytes einige Annahmen der Biologen tatsächlich widerlegt. „Früher dachte man, die Vögel würden sich an den Tieren orientieren, die innerhalb eines bestimmten Abstands zu ihnen fliegen“, sagt Cavagna. „Heute wissen wir, dass die Vögel sich nach den sieben Tieren ausrichten, die ihnen am nächsten sind, unabhängig von deren Entfernung.“ Ein Schwarm würde sonst schnell instabil werden, wenn er sich ausdehnt. Und warum genau sieben? Das wisse man nicht sicher, sagt Andrea Cavagna.

An der Begrenzung des Blickwinkels liegt es nicht, denn die Vögel haben meist 15 bis 20 Artgenossen im Blick. Vielleicht hat es damit zu tun, mutmaßt der Physiker, dass Vögel die Zahl von Gegenständen nur dann unterscheiden könnten, wenn diese nicht höher ist als sieben. Das haben Experimente gezeigt. Außerdem stellten die Forscher fest, dass die Tiere im Schwarm sich nicht näher kommen als eine Flügelspanne, also etwa 40 Zentimeter. Und: Der Vogel, der am nächsten zu einem anderen Vogel fliegt, befindet sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit seitlich von diesem Tier.

DIE FLANKE WIRD ZUM NEUEN KOPF

Die Forscher in Rom wollen jetzt die Bewegungen einzelner Vögel nachvollziehen. Das 3D-Modell hat schon gezeigt, dass ein Schwarm nicht als Ganzes eine Kurve fliegt, sondern dass er sich ganz neu ausrichtet: Der Vogel, der vorher den äußersten seitlichen Punkt des Schwarms bildete, wird zum Kopf, und was früher Anfang und Ende des Schwarms war, bildet die neuen Seiten. Doch es bleiben Fragen: Etwa, wo Richtungsänderungen beginnen und wie sie im Detail zustande kommen.

Es ist überraschend, dass über Vogelschwärme noch längst nicht alles gesagt ist. Die wissenschaftliche Vogelkunde in Europa ist schon 300 Jahre alt, und seit noch viel längerer Zeit bestaunen Menschen dieses Phänomen überall auf dem Erdball. Rund 50 Milliarden Zugvögel gibt es auf der Welt. Die meisten von ihnen reisen im Schwarm, wenige im Familienverbund und noch weniger allein. Wenn sich Schwärme auf die Reise machen, kommen Superlative zustande: Zuweilen umfassen sie mehrere Millionen von Individuen. Die Tiere fliegen bis zu 10 000 Meter hoch, ohne dass ihnen das etwas ausmacht. Einige Arten legen Strecken von über 50 000 Kilometer pro Jahr zurück. Die nonstop geflogenen Wege summieren sich manchmal auf 7500 Kilometer! Um die Energie für die Langstrecken aufzubringen, „verzehren“ einige Vögel sogar Teile ihrer eigenen Organe.

Den Biologen Peter Berthold hat das Thema seit Langem gepackt. Der 69-Jährige sieht mit seinem dichten langen Bart ein wenig aus wie ein Märchenerzähler. Und aus seinem Fenster schaut er auf eine fantastische Landschaft: Seine Arbeitskammer befindet sich in einem kleinen Schloss, das von einer Mauer und viel verwunschenem Grün umgeben ist. Wenn sich die Gegend dann noch, wie so oft am Bodensee, nebelverhangen und geheimnisvoll zeigt, ist das Bild perfekt. Aber es trügt: Berthold kann zwar tatsächlich fabelhaft von Staren erzählen, aber er ist ein renommierter Wissenschaftler. Das Schloss gehört auch keinem Märchenprinzen, sondern ist Sitz der Vogelwarte Radolfzell. Sie ist ein Teil des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen. In Radolfzell wurden grundlegende Versuche durchgeführt. So haben die Forscher wandernde Mönchsgrasmücken mit nicht-wandernden Verwandten von den Kapverdischen Inseln gekreuzt. Sie wollten wissen, ob die Neigung zur Migration vererbt wird. Ergebnis: 40 Prozent der Jungvögel wollten auf Wanderschaft gehen. Auch was die Richtung anbelangte, ergab sich ein ähnliches Bild: Die Kreuzungen von Vögeln mit unterschiedlicher Zugrichtung wählten weder Vaters noch Mutters Richtung, sondern einen Mittelweg.

GENE DIRIGIEREN DEN VOGELZUG

Daraus lässt sich nicht nur folgern, dass die Neigung zum Vogelzug und auch dessen Richtung vererbt wird, sondern auch, dass die Richtung nicht über ein einfaches dominantes Gen weitergegeben wird. Wäre dem so, würden sich alle gekreuzten Tiere gleich verhalten. Im Genom ist ein Großteil des Vogelzugs codiert: die Richtung, der Abflugtermin, die Flugdauer, ja selbst die zeitliche Verteilung der Flugaktivität und die körperliche Vorbereitung. Über die Prozesse, die vom Gen zu der letztlich eingeschlagenen Flugrichtung seines Trägers führen, ist noch sehr wenig bekannt. Höchstwahrscheinlich werden die Vorgaben zur Reise nicht über einzelne Gene vererbt, sondern sind das Resultat eines Zusammenspiels mehrerer Gene. Das erklärt auch, warum Vögel ihr Zugverhalten binnen weniger Jahrzehnte an Umweltveränderungen wie den Klimawandel anpassen können. Peter Berthold hat 1964 in seiner Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen dem Vogelzug und dem Brutverhalten von Staren untersucht. Später war er Direktor der Vogelwarte, seit drei Jahren ist er emeritiert. Seinen Schreibtisch im Schloss hat er behalten, er kommt fast täglich ins Büro.

Doch er arbeitet nach wie vor viel draußen – und kennt daher auch eine üble Seite des Vogelkollektivs: „Wenn die Stare aus Angst koten und man darunter steht, kann man die Kleidung wegwerfen. Das fühlt sich an wie ein Regenguss, und der Kot stinkt wie die Hölle.“ Früher, sagt Berthold, seien die Starenschwärme größer gewesen: „Hier im Bodenseegebiet hatten wir nach der Brutzeit Schwärme, die weit mehr als eine Million Individuen stark waren.“ Doch vom ursprünglichen Bestand der Stare ist nur etwa ein Viertel übrig geblieben. In Rom freut das die Beamten der Stadtverwaltung, denn sie versuchen seit zehn Jahren jeden Herbst, die ungeliebten Übernachtungsgäste zu vertreiben. Dazu imitieren sie den Warnruf der Stare („Spetz! Spetz! Spetz!“), was die Anwohner amüsiert.

DEN FEIND IN DIE MITTE NEHMEN

Biologe Berthold sieht im Schrumpfen der Schwärme ein Zeichen dafür, dass es den Staren an Nahrung fehlt. In extrem kargen Gegenden wie in Finnland leben so wenige Stare, dass die Tiere sich alleine auf die Reise ins Winterquartier machen müssen, berichtet er. Wenn sie dabei auf einen Schwarm stoßen, schließen sie sich ihm an. Denn Stare neigen zur Geselligkeit. Freilich geht es dabei um handfeste Vorteile. Denn gemeinsam können die Stare Angriffe von Todfeinden besser abwehren. Entdeckt ein Vogel im Schwarm einen Feind, stößt er entweder einen lauten Warnruf aus, sodass alle anderen informiert sind, oder er dreht abrupt ab und die anderen Tiere folgen ihm. Anschließend verdichtet sich der Schwarm. Berthold hat sogar schon beobachtet, dass ein Schwarm den Angreifer in seine Mitte genommen hat. Die Tiere flogen dann so dicht beieinander, dass der Greifvogel unfähig war, sie zu attackieren. Greifvögel konzentrieren sich beim Beutefang nämlich immer auf einzelne Tiere. „Oft wurde schon beobachtet, dass der Beutejäger unten einfach herausfiel, weil er in der Masse der Tiere flugunfähig war“, berichtet Berthold. „Die Stare schießen dann mit vielleicht 70 Kilometern pro Stunde davon – und weg sind sie!“ Auch bei der Nahrungssuche profitieren letztlich alle Tiere vom Schwarm, weil dieser den größeren Überblick hat. Und: Die Tiere sparen Energie durch den Formationsflug. Denn sie nutzen den Auftrieb durch den Flügelschlag des vorausfliegenden Vogels. Deshalb wechseln die Tiere auf längeren Strecken regelmäßig die Position.

Das Anfliegen der nächtlichen Ruhestätte bestimmen die Feinde mit. Das von Cavagna fotografierte Tanzen ist letztlich die Folge davon, dass die Fressfeinde natürlich wissen, wann es etwas zu holen gibt – nämlich dann, wenn die Vogelmassen auf dem Flug zum Schlafplatz sind. Um die Gefahr zu mindern, erfolgt das Anfliegen und Sondieren der Schlafgelegenheiten deshalb in der Gruppe. Oft brechen die Tiere den Anflug ab, wenn ein Feind in Sicht ist. Erst wenn alles sicher ist, beginnen die Vögel sich niederzulassen – und übrigens auch erst, wenn es dunkel genug geworden ist. Damit endet dann das Pirouettendrehen.

Aus Fossilfunden weiß man, dass sich das Zugverhalten schon sehr früh in der Evolution entwickelt hat: So haben Forscher in Kanada Fossilien von Fisch fressenden Vögeln gefunden, die dort im Winter kein Futter gefunden hätten. Es mussten also Zugvögel sein. Das Zugverhalten entstand nicht etwa, wie man meinen könnte, in Regionen mit unterschiedlichen Jahreszeiten, sondern in den Tropen und Subtropen – vermutlich, weil die Populationen dort so stark anwuchsen, dass einzelne Tiere ihr Futter weiter entfernt zu suchen begannen. Die Theorien gehen hier allerdings weit auseinander.

FLUCHT AUS DEM EISKELLER EUROPA

Ein Erklärungsansatz für den Vogelzug in Europa liegt in der letzten Kaltphase der Eiszeit vor 15 000 Jahren. Die Vögel hätten sich damals in wärmere Gebiete zurückgezogen, lautet die Hypothese. Nach dem Ende der Eiszeit seien sie nach und nach wieder in ihr Stammgebiet zurückgekehrt, was die Nahrung dort knapper machte. Als Folge setzte die Herbstmigration ein – der jährliche Flug in Gegenden, wo mehr Nahrung zu finden ist.

Die Stare auf unseren Fotos gehören zur Unterart „Sturnus vulgaris vulgaris“. Sie leben während des Sommers in östlichen Gebieten: in Russland etwa oder in der Türkei. In ihrem Winterquartier in Israel steuerten sie früher vorzugsweise landwirtschaftliche Plantagen an. Heute verbringen sie die Nacht in der Negev-Wüste. Sie fliegen vor allem zur Stadt Beer Sheva, weil es dort wärmer ist. Tagsüber schlagen sie sich bei den Müllkippen sechs Kilometer vor der Stadt die Bäuche voll. Vogelkundler schätzen die Gesamtzahl der Vögel aller Arten, die Israel im Herbst und im Frühjahr passieren, auf eine halbe Milliarde – das sind so viele wie wohl an keinem anderen Ort.

Doch Yossi Leshem, Ornithologe an der Universität von Tel Aviv, hat festgestellt, dass die Zahl der Stare mittlerweile extrem gesunken ist: „Bis vor 20 Jahren kam eine Population mit rund fünf Millionen Individuen hierher. Dann waren es nur noch einige 10 000 bis 100 000 Tiere. Wir wissen nicht, wie es dazu kam. Inzwischen werden es aber wieder mehr Stare.“

Doch wenn es mit dem Klimawandel so weitergehen sollte wie bisher, könnte es bald mit dem uralten Phänomen des Vogelzuges vorbei sein, befürchten die Experten. Auch in Israel: wenn nämlich die Stare zu Hause im warmen Russland das ganze Jahr über genügend Futter finden und keinen Grund mehr haben, sich auf die lange und beschwerliche Reise gen Süden zu machen. ■

EITAN HADDOK (links) ist als Fotoreporter spezialisiert auf Wissenschafts- und Umwelt-Themen. Er lebt im französischen Triel-sur-Seine. SANDRO MATTIOLI stammt aus Heilbronn und arbeitet als Reporter und Wissenschafts- journalist in Rom.

von Eitan Haddok (Fotos) und Sandro Mattioli (Text)

Ohne Titel

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Peter Berthold VOGELZUG Eine aktuelle Gesamtübersicht Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt 2008, € 29,–

INTERNET

Informationen zum EU-Projekt „Starflag“: angel.elte.hu/starling/

KOMPAKT

· Forscher in Rom haben zum ersten Mal genaue Daten von Vogelschwärmen mit mehreren Tausend Tieren gesammelt.

· Die Stare im Schwarm orientieren sich an ihren sieben nächsten Nachbarn, egal wie weit entfernt diese voneinander sind.

· Ein Vogelschwarm fliegt keine Kurve, sondern richtet sich völlig neu aus.

SCHWÄRME IM RECHNER – DAS RÖMISCHE MODELL

Ein Vogelschwarm-Modell wurde erstmals 1986 in den USA im Rechner erstellt. Computertechnisch war die Simulation von Craig Reynolds ein Meilenstein, doch der Schwarmforschung half sie nicht weiter. Sie diente lediglich dazu, in Filmen Schwärme darzustellen.

Das 3D-Modell, das der römische Physiker Andrea Cavagna mit seinem Team erarbeitet hat, gibt dagegen die Realität wieder. Der Italiener hat mit dem Computer auf Fotografien der römischen Vogelschwärme nach Mustern gesucht. Bis zu 50 Vögel bildeten die Grundlage für ein solches Muster. Für das sogenannte Matching identifizierte der Computer das Muster auf einem Kamerabild und suchte es dann auf dem Bild einer zweiten Kamera daneben. Das menschliche Gehirn fahndet übrigens ganz ähnlich nach Mustern in der Menge. Mit einem weiteren Algorithmus wurde für jeden Einzelpunkt – also für jeden Vogel – berechnet, wo sich die nächsten Nachbarpunkte befanden.

Bei der römischen Untersuchung waren drei Kamerapaare im Einsatz, acht Sekunden Schwarmverhalten wurden aufgezeichnet. Damit hatte man zum ersten Mal überhaupt Daten von Schwärmen mit mehreren Tausend Staren erfasst. Davor beruhte die Schwarmforschung auf Laborversuchen und auf Beobachtungen kleinerer Gruppen.

GUT ZU WISSEN: SCHWÄRME IM TIERREICH

· Schwärme sind in der Tierwelt weit verbreitet. Es gibt sie nicht nur bei Vögeln, sondern auch bei Insekten und Fischen. Ein Schwarm ist keine willentliche Gruppenbildung, sondern ein Phänomen der Selbstorganisation.

· Neben reingeselligen Schwärmen, die ausschließlich aus Tieren einer Art bestehen, gibt es mischgesellige aus mehreren Arten. Manchmal kommt es auch zu einer Scheingeselligkeit, zum Beispiel wenn Vögel, die nicht zusammen auf der Reise sind, eine Thermik gemeinsam nutzen.

· Schwärme bieten mehrere Vorteile: geringeres Risiko, Opfer eines Angreifers zu werden, Hilfe anderer Tiere bei der Nahrungssuche und zeitweilige Kräfteersparnis durch das Bilden von Formationen. Zudem „betreut“ ein Schwarm unerfahrene Jungtiere, beispielsweise auf dem Vogelzug.

· Vogelschwärme können mehrere Millionen Tiere umfassen, doch in Europa zählen die größten Schwärme nicht mehr als eine Million Tiere.

· Nicht alle Vögel bilden Schwärme, vor allem solche nicht, die das ganze Jahr an ihrem angestammten Ort bleiben.

· Auch beim Menschen gibt es Schwarmverhalten: Ist zum Beispiel ein Flugzeug gelandet, so informiert sich nicht jeder Passagier, wo es zum Gepäckband geht, sondern nur ein paar finden das heraus. Die anderen laufen einfach hinterher.

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