Dem Magnetsinn beim Rotkehlchen auf der Spur

Abb. 1: Rotkehlchen (Erithacus rubecula). (Nicky Rhodes, Adobe Stock)

Die Fähigkeit, das Erdmagnetfeld zur Orientierung bei Fortbewegung auf dem Land, im Wasser oder in der Luft zu nutzen, ist bei vielen Tieren beobachtet und beschrieben worden. Das Zugverhalten von Vögeln ist dafür ein bekanntes Beispiel. Versuche, die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuzeigen und zu verstehen, führten zu verschiedenen Modellen (Binder 2017). Deren grundsätzliche Wirksamkeit kann im Laborexperiment (bei vergleichsweise hohen Magnetfeldstärken) demonstriert werden. Ob sie aber auch unter den natürlichen Bedingungen bei den geringen Feldstärken des Erdmagnetfeldes funktionieren, wird nach wie vor kontrovers diskutiert.

Aus der physikalischen Chemie ist bekannt, dass chemische Reaktionen, bei denen Systeme mit Radikalpaaren auftreten (Moleküle mit zwei einzelnen ungepaarten Elektronen), durch Magnetfelder beeinflussbar sind. Ein auf solchen Radikalpaaren beruhender Mechanismus ist für den Kompass in der Retina (Netzhaut) von Zugvögeln vorgeschlagen worden. In Proteinen, die man als Cryptochrome bezeichnet, können solche Radikalpaare durch Licht induziert werden; dabei werden Elektronen nacheinander über mehrere Tryptophane aus dem Polypeptid auf ein nicht kovalent gebundenes Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) – ein wichtiges Koenzym zur Elektronenübertragung – schrittweise übertragen.

Das Europäische Rotkehlchen (Erithacus rubecula) ist als Nachtzieher bei der Erforschung des Magnetsinns ein etabliertes Untersuchungsobjekt. Ein internationales Forschungsteam hat das Cryptochrom 4 aus der Retina von E. rubecula biotechnologisch produziert. Durch verschiedene spezielle spektroskopische Methoden haben die Autoren gezeigt, dass im Cryptochrom 4 Elektronen schrittweise über 4 Tryptophane zum FAD übertragen werden können. Zu Vergleichszwecken wurde in vier modifizierten Proteinen jeweils eines dieser Tryptophane durch die Aminosäure Phenylalanin ersetzt (durch entsprechende ortsspezifische Mutationen). Die Lebensdauer der Radikale im Wildtyp-Protein ist im Vergleich zu den mutierten Formen am längsten und damit auch die Möglichkeit am größten, als magnetischer Sensor zu wirken. Im Labor zeigt ein Vergleich mit dem entsprechenden Cryptochrom 4 von Felsentaube (Columba livia) und Bankivahuhn (Gallus gallus; Wildform des Haushuhns), die beide nicht ziehende Vögel sind, dass das Protein aus E. rubecula deutlich höhere magnetische Empfindlichkeit aufweist.

In weiteren Experimenten konnte auch gezeigt werden, dass das potenzielle Sensorprotein in Gegenwart von Luft und Sonnenlicht (durch Oxidation des FAD) wieder in den Ausgangszustand versetzt wird, damit regeneriert und wieder als Sensor verfügbar ist. Damit das Cryptochrom als Magnetsensor im lebenden Organismus (in vivo) bei den vorherrschenden geringen Stärken des Erdmagnetfeldes (ca. 50 µT = Mikrotesla) wirken kann, d. h. sowohl die Funktion des Sensors als auch des entsprechenden Signalgebers erfüllen kann, muss die Lebensdauer des Radikalpaares um eine Größenordnung größer sein, als in den Experimenten mit gelöstem Protein gezeigt werden konnte (größer als 1µs im Vergleich zu 100 ns). Xu et al. (2021) spekulieren darüber, dass dies durch entsprechende Fixierungen des Proteins in der natürlichen Umgebung und Kooperation mit anderen Proteinen möglich sein könnte. Es bleibt also noch eine ganze Reihe von Fragen offen.

Xu et al. (2021) haben mit ihrer Arbeit erstmals experimentell gezeigt, dass das Cryptochrom 4 aus der Retina von E. rebecula der Grundbaustein des Magnetsinns beim Rotkehlchen sein könnte. In diesem Protein können durch Licht angeregte Radikalpaare gebildet werden, die sich als magnetisch sensitiv erweisen. Schon jetzt aber wird erkennbar, dass in den Organismen, in denen dieser Mechanismus für den Magnetsinn möglicherweise realisiert ist, die molekularen Anordnungen hoch spezifisch und in einer noch unbekannten Weise optimiert sein müssen.

H. Binder

[Binder H (2017) Magnetfeld-basiertes GPS im Tierreich. Stud. Integr. J. 24, 104-107 • Xu J et al. (2021) Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature 594, 535–540.]