Modell für einen biochemischen Kompass

Mit magnetfeldabhängigen chemischen Reaktionen lässt sich der Kompass der Zugvögel erklären.

Viele Tierarten orientieren sich mithilfe des Erdmagnetfeldes. Diesen Magnetsinn hat man besonders intensiv bei Zugvögeln untersucht. Sie können sowohl die Richtung des Magnetfeldes als auch lokale Anomalien wahrnehmen. Eine mögliche Erklärung dafür sind winzige Magnetitpartikel in den Schnäbeln. Experimente mit bestimmten Vogelarten haben jedoch gezeigt, dass ihr Magnetsinn nur funktioniert, wenn die Vögel kurzwelligem Licht ausgesetzt sind, wie es auch der Nachthimmel liefert. In rotem Licht oder bei völliger Dunkelheit werden sie orientierungslos. Deshalb vermutet man, dass ihr Kompass durch eine photochemische Reaktion erklärt werden kann. Dass das schwache Erdmagnetfeld einen merklichen Einfluss auf den Ablauf chemischer Reaktionen haben kann, zeigen jetzt Experimente von Kiminori Maeda und Kevin Henbest in Oxford.

Die Forscher haben eine photochemische Reaktion untersucht, die der von den Vögeln vermutlich genutzten Reaktion sehr ähnlich ist. Die Netzhaut des Vogelauges enthält das für grünes und blaues Licht empfindliche Pigment Cryptochrom. Wird ein Pigmentmolekül von einem Photon angeregt, so wird im Molekül ein Elektron von einem Donor zu einem Akzeptor transferiert, die dann je ein ungepaartes Elektron tragen. Zunächst bilden die Spins dieser beiden Elektronen ein Singlett (↑↓–↓↑). Durch Hyperfeinwechselwirkung der Spins mit den Kernspins im Molekül können sich jedoch das Singlett und die drei Tripletts (↓↓), (↑↓+↓↑) und (↑↑) ineinander umwandeln. Seine biologische Wirkung entfaltet das Cryptochrom aber nur vom Singlettzustand aus. Im Magnetfeld erhalten die beiden Triplettzustände (↓↓) und (↑↑) eine Zeeman-Energie und entkoppeln schließlich von den übrigen Zuständen, sodass sich die Wirkung des Cryptochroms mit zunehmender Feldstärke erhöht.

Dass das relativ schwache Erdmagnetfeld die photochemische Wirkung des Cryptochroms tatsächlich beeinflusst, konnte bisher in vitro noch nicht gezeigt werden. Solch ein Einfluss erscheint aber durchaus möglich, wie die Forscher in Oxford jetzt anhand eines anderen Pigmentmoleküls nachweisen konnten, das dem Cryptochrom in seinen photochemischen Eigenschaften sehr ähnlich ist. Das Molekül besteht aus drei Teilen: einem Carotenoid, einem Porphyrin als Zwischenstück und einem Fulleren. Bei Bestrahlung mit grünem Licht gibt das Porphyrin ein Elektron an das Fulleren ab und erhält umgehend ein Elektron vom Carotenoid. Dann sitzt sowohl auf dem positiv geladenen Carotenoid als auch auf dem negativen Fulleren ein ungepaartes Elektron, deren Spins zunächst ein Singlett bilden.

Die Hyperfeinwechselwirkung wandelt das Singlett und die drei Tripletts ineinander um, wobei die Umwandlung durch ein äußeres Magnetfeld behindert werden kann. Vom Singlettzustand kehrt das angeregte Molekül langsamer in den Grundzustand zurück als von den Triplettzuständen aus. Durch den spektroskopischen Nachweis der positiv geladenen Carotenoidgruppen lässt sich verfolgen, wie viele Moleküle noch nicht in den Grundzustand zurückgekehrt sind. So kann man den Einfluss des Magnetfeldes auf diesen photochemischen Reaktionsablauf nachweisen.

In ihrem Experiment haben die Forscher die Moleküle in einer gefrorenen Lösung mit gepulstem grünem Laserlicht von 532 nm Wellenlänge angeregt und mit Infrarotlicht die Absorption durch positiv geladene Carotenoidgruppen bei 950 nm gemessen. Es zeigte sich, dass die Lichtabsorption umso langsamer abfiel, je stärker das Magnetfeld war. Das Magnetfeld behinderte somit die Entstehung der langlebigen Triplettzustände. Dieser Effekt des Magnetfeldes ließ sich auch noch für Feldstärken von 50 µT nachweisen, was etwa der Stärke des Erdmagnetfeldes entspricht. Um auf diese Weise nicht nur die Stärke des Magnetfeldes zu messen sondern auch seine Richtung, müssen die Pigmentmoleküle räumlich ausgerichtet sein, wie die Cryptochrommoleküle in der Netzhaut.

Die Forscher in Oxford ordneten ihre Pigmentmoleküle, indem sie sie in der nematischen Phase eines Flüssigkristalls unter einem sehr starken Magnetfeld einfroren. Das Magnetfeld hatte dann die stärkste Wirkung auf die Reaktionskinetik der Moleküle, wenn es senkrecht zu ihnen ausgerichtet war. Die Wirkung änderte sich wie (sinθ)² wenn θ der Winkel zwischen der Molekülachse und der Magnetfeldrichtung war. Mit diesem chemischen Kompass könnte man also die Richtung des Erdmagnetfeldes zunächst nur modulo 180 Grad ermitteln. Da auf der Nordhalbkugel die Feldlinien in Nordrichtung zum Boden hin geneigt sind, ließe sich die Feldrichtung völlig bestimmen. Das Experiment der Forscher in Oxford untermauert die Theorie, dass den Vögeln ein chemischer Kompass zur Verfügung steht. Sie könnten die Ausrichtung der Feldlinien dann direkt „sehen“.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Kiminori Maeda et al.: Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature (Online veröffentlicht 1.5.2008).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06834
• Gruppe von Peter Hore an der University of Oxford:
  http://hore.chem.ox.ac.uk/
• Gruppe von Christiane Timmel an der University of Oxford:
  http://timmel.chem.ox.ac.uk/group/

Weitere Literatur:

• Möller et al.: Retinal cryptochrome in a migratory passerine bird: A possible transducer for the avian magnetic compass. Naturwissenschaften 91, 585 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1007/s00114-004-0578-9
• Wolfgang Wiltschko, Roswitha Wiltschko: Magnetic compass orientation in birds and its physiological basis. Naturwissenschaften 89, 445 (2002).
  http://dx.doi.org/10.1007/s00114-002-0356-5
• Thorsten Ritz, Salih Adem und Klaus Schulten: A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds. Biophys. J. 78, 707 (2002).
  http://www.biophysj.org/cgi/content/abstract/78/2/707
• Christiane R. Timmel und Kevin B. Henbest: A study of spin chemistry in weak magnetic fields. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362, 2573 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2004.1459