Hunde und Affen besitzen Molekül für Magnetfeld-Wahrnehmung im Auge

Cryptochrome sind lichtempfindliche Moleküle, die in Bakterien, Pflanzen und Tieren vorkommen. Bei Tieren sind sie an der Steuerung der Tagesrhythmik des Körpers beteiligt.

Außerdem ermöglichen Cryptochrome Vögeln die lichtabhängige Orientierung am Erdmagnetfeld: Cryptochrom 1a findet sich in Lichtsinneszellen des Vogelauges und wird vom Magnetfeld aktiviert. Forscher vom Frankfurter Max-Planck-Institut für Hirnforschung haben nun Cryptochrom 1 auch in Lichtsinneszellen mehrerer Säugetierarten gefunden.

Möglicherweise besitzen diese Tiere also ebenfalls einen an das Sehsystem gekoppelten Magnetsinn.

Die Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes hilft vielen Tierarten bei der Orientierung und Navigation. Einen solchen Magnetsinn haben zum Beispiel manche Insekten, Fische, Reptilien, Vögel und Säugetiere. Menschen scheinen dagegen das Magnetfeld der Erde nicht wahrnehmen zu können.

Bei Zugvögeln ist der Magnetsinn besonders gut untersucht: Im Gegensatz zu einem Pfadfinderkompass, der die Himmelsrichtung anzeigt, erkennt der Vogelkompass die Neigung der Magnetfeldlinien zur Erdoberfläche.

Erstaunlicherweise ist dieser sogenannte Inklinationskompass der Vögel an das Sehsystem gekoppelt, denn das Magnetfeld aktiviert das lichtempfindliche Molekül Cryptochrom 1a in der Netzhaut des Vogelauges.

Cryptochrom 1a liegt dort in den blau- bis UV-empfindlichen Zapfenzellen und reagiert auf das Magnetfeld nur, wenn es gleichzeitig durch Licht angeregt wird.

Christine Nießner und Leo Peichl vom Frankfurter Max-Planck-Institut für Hirnforschung haben zusammen mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Goethe-Universität Frankfurt am Main sowie der Universitäten Duisburg-Essen und Göttingen das Vorkommen von Cryptochrom 1 in der Netzhaut von 90 Säugetierarten untersucht.

Das Cryptochrom 1 der Säugetiere ist das Gegenstück zum Cryptochrom 1a der Vögel.

Mit Hilfe von Antikörpern gegen die Licht-aktivierte Form haben sie Cryptochrom 1 nur in einigen Arten aus der Gruppe der Raubtiere und der Affen gefunden. Dort befindet es wie bei den Vögeln in den blau-empfindlichen Zapfen.

Bei den Raubtieren besitzen hundeartige Säuger wie Hund, Wolf, Bär, Fuchs und Dachs das Molekül, katzenartige Raubtiere wie Katzen, Löwen und Tiger dagegen nicht.

Bei Affen kommt Cryptochrom 1 zum Beispiel im Orang-Utan vor. Bei allen anderen der 16 untersuchten Säugetier-Ordnungen konnten die Forscher kein aktives Cryptochrom 1 in den Zapfenzellen der Netzhaut entdecken.

Das aktive Cryptochrom 1 sitzt in den lichtempfindlichen Außensegmenten der Zapfenzellen. Es ist deshalb unwahrscheinlich, dass es von dort die Tagesrhythmik der Tiere steuert, da diese im entfernt liegenden Zellkern geregelt wird. Auch als zusätzliches Sehpigment zur Farbwahrnehmung dient das Cryptochrom 1 wahrscheinlich nicht.

Die Forscher vermuten daher, dass einige Säugetiere das Cryptochrom 1 zur Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes benutzen. Evolutionär gesehen entsprechen die Blauzapfen der Säugetiere den blau- bis UV-empfindlichen Zapfen der Vögel. Es ist also durchaus möglich, dass das Cryptochrom 1 der Säuger eine vergleichbare Funktion hat.

Tatsächlich deuten Beobachtungen an Füchsen, Hunden und sogar am Menschen daraufhin, dass diese das Erdmagnetfeld wahrnehmen können. Füchse zum Beispiel fangen Mäuse erfolgreicher, wenn sie ihre Beute in Nordost-Richtung anspringen.

„Allerdings waren wir sehr überrascht, aktives Cryptochrom 1 nur in den Zapfenzellen von zwei Säugetiergruppen zu finden, denn auf das Magnetfeld reagieren auch Arten, deren Zapfen kein aktives Cryptochrom 1 besitzen, etwa einige Nagetiere und Fledermäuse“, sagt Christine Nießner.

Eine Erklärung dafür könnte sein, dass Tiere das Magnetfeld auch auf andere Art wahrnehmen können: zum Beispiel mit Hilfe von Magnetit, mikroskopisch kleinen eisenhaltigen Partikeln in Zellen.

Ein Magnetit-basierter Magnetsinn funktioniert nach dem Prinzip eines Taschenkompasses und benötigt kein Licht. Die in lichtlosen Tunnelsystemen lebenden Graumulle beispielsweise orientieren sich mit einem solchen Kompass.

Auch Vögel besitzen einen zusätzlichen, auf Magnetit beruhenden Orientierungsmechanismus, mit dem sie ihre Position bestimmen.

Bei der Erforschung des Magnetsinnes sind also noch viele grundsätzliche Fragen offen. Künftige Untersuchungen müssen zeigen, ob das Cryptochrom 1 in den Blauzapfen auch bei den Säugetieren zu einem Magnetsinn gehört oder ob es andere Aufgaben in der Netzhaut übernimmt.

Publikation (Open Access)

Christine Nießner, Susanne Denzau, Erich Pascal Malkemper, Julia Christina Gross, Hynek Burda, Michael Winklhofer, Leo Peichl (2016) Cryptochrome 1 in Retinal Cone Photoreceptors Suggests a Novel Functional Role in Mammals. Scientific Reports 6, 21848; doi: 10.1038/srep21848.