Können Vögel das Erdmagnetfeld sehen?

Ein Kompass, der versagte

Jahrelang fanden die Rotkehlchen im Vogellabor einer deutschen Universität ihren Weg nicht. Sie waren unruhige Zugvögel, bereit zum Aufbruch, doch ihre Kurse wiesen wahllos in alle Himmelsrichtungen. Die Ursache war das schwache elektrische Rauschen der Stadt um sie herum, etwa tausendmal unter dem, was für Menschen als unbedenklich gilt. Als die Forscher die Holzhütten mit geerdetem Aluminium auskleideten, fanden die Rotkehlchen den Weg wieder.

Diese Schwäche ist einer der besten Hinweise darauf, wie der Kompass eines Vogels funktioniert, und die Antwort könnte eine Quantenreaktion in seinem Auge sein.

Blindflug

Allein in Nordamerika ziehen jeden Herbst Milliarden Vögel nach Süden. Viele der kleinen Vögel ziehen im Dunkeln. In einer Studie von 2026 mit 56 Landvogelarten auf vier Kontinenten fanden im Schnitt 82 % der Zugflüge vollständig nachts statt. Manche Vögel legen erstaunliche Strecken zurück.

2022 flog ein junger Watvogel, eine Pfuhlschnepfe, in 11 Tagen von Alaska nach Tasmanien, etwa 13.560 Kilometer ohne Pause. Viele junge Zugvögel absolvieren ihren ersten Zug ohne einen Altvogel, dem sie folgen könnten. Sie können sich an der untergehenden Sonne, an den Sternen und an Landmarken unterwegs orientieren. Doch Sterne verschwinden hinter Wolken, und über dem offenen Meer gibt es keine Landmarken.

Das Erdmagnetfeld ist immer da, Tag und Nacht, bei jedem Wetter. Die Frage ist, ob ein Vogel es spüren kann, und wenn ja, wie.

Ein Trichter und ein Stempelkissen

Um das zu testen, braucht es ein überraschend einfaches Werkzeug. 1966 beschrieben Stephen Emlen und sein Vater John einen Trichter aus weißem Löschpapier über einem Stempelkissen. In der Zugzeit wird ein Zugvogel im Käfig nachts unruhig und hüpft immer wieder an den Trichterwänden hoch. Jeder Sprung hinterlässt einen Tintenabdruck, und am Morgen zeigen die Abdrücke, wohin der Vogel wollte.

Deutsche Forscher hatten Rotkehlchen bereits in geschlossenen Räumen getestet, in denen die Vögel den Himmel nicht sehen konnten. Die Rotkehlchen wählten trotzdem ihre jahreszeitliche Zugrichtung. Und als das Magnetfeld um den Käfig mit elektrischen Spulen gedreht wurde, drehten sich die Vögel mit. Das Feld spielte also eine Rolle, doch der Kompass des Rotkehlchens unterschied sich, wie sich zeigte, stark von unserem.

Ein Kompass ohne Norden

Die Nadel eines Wanderkompasses zeigt nach magnetisch Nord. 1972 zeigten Wolfgang und Roswitha Wiltschko, dass der Kompass des Rotkehlchens magnetisch Nord und Süd ignoriert. Die Feldlinien der Erde verlaufen nicht flach. Nahe dem magnetischen Äquator laufen sie fast parallel zum Boden, nahe den Magnetpolen zeigen sie steil in den Boden hinein oder aus ihm heraus.

Die Rotkehlchen lasen diese Neigung ab. Als die Forscher nur den senkrechten Anteil des Feldes umkehrten, kehrten die Vögel ihre Richtung um. Als sie das ganze Feld umkehrten, sodass Nord zu Süd wurde, die Neigung aber gleich blieb, behielten die Vögel ihre Richtung bei. Der Kompass des Rotkehlchens zeigt also nicht Nord oder Süd an.

Er zeigt polwärts oder äquatorwärts, und das reicht, um eine Zugrichtung zu wählen. Dann kam eine zweite Überraschung: Der Kompass funktionierte nur bei Licht.

Er braucht Licht

In einer Studie von 1993 orientierten sich australische Graumantel-Brillenvögel gut unter blauem oder grünem Licht. Unter rotem Licht verloren sie die Orientierung. Spätere Tests zeigten, dass der Kompass bis zu grünem Licht von etwa 565 Nanometern funktionierte und ab gelbem Licht versagte. Ein Sinn, der von der Farbe des Lichts abhängt, machte das Auge zum naheliegenden Ort für die Suche.

Eine Reaktion, die das Feld spürt

Lange davor, 1978, hatte der Physiker Klaus Schulten vorgeschlagen, wie ein Magnetsinn funktionieren könnte. Seine Idee war eine chemische Reaktion, die durch Licht ausgelöst wird. Trifft Licht auf bestimmte Moleküle, springt ein Elektron von einem Teil zum anderen, und jeder Teil behält ein ungepaartes Elektron, was Chemiker ein Radikalpaar nennen. Jedes Elektron hat eine Eigenschaft namens Spin, die sich wie ein winziger Magnet verhält.

Bevor die Reaktion abgeschlossen ist, wechselt das Paar ständig zwischen zwei gemeinsamen Spinzuständen hin und her. Welches Produkt die Reaktion bildet, hängt davon ab, wie viel Zeit sie in jedem Zustand verbringt. Und ein Magnetfeld verändert dieses Timing, je nachdem, wie das Molekül im Feld liegt. Das Erdmagnetfeld ist schwach, zwischen etwa 22 und 67 Mikrotesla, und ein Kühlschrankmagnet ist ungefähr hundertmal stärker.

Doch in Schultens Modell konnte selbst ein so schwaches Feld den Ausschlag geben. Im Jahr 2000 schlugen Schulten, Thorsten Ritz und Salih Adem vor, das Molekül könnte Cryptochrom sein, ein lichtempfindliches Protein im Auge. Wenn sie recht hatten, müsste die Reaktion eine seltsame Schwachstelle haben: Radiowellen.

Das Rauschen auf dem Campus

Ein magnetischer Kristall würde ein schwaches Funksignal kaum bemerken. Ein Radikalpaar schon, denn Radiowellen können die Elektronenspins durcheinanderbringen. 2004 wurden Rotkehlchen in Frankfurt einem schwachen Hochfrequenzfeld im Megahertzbereich ausgesetzt, viel zu schwach, um irgendetwas zu erwärmen. Sie verloren ihre magnetische Richtung.

Zehn Jahre später kam das seltsame Ergebnis aus Oldenburg, mit dem wir begonnen haben. Das Team von Henrik Mouritsen hatte Rotkehlchen in Holzhütten auf dem Campus getestet, und jahrelang orientierten sich die Vögel nicht. Als die Hütten mit Aluminium ausgekleidet und geerdet wurden, sank das Rauschen zwischen 50 Kilohertz und 5 Megahertz etwa auf ein Hundertstel, und die Rotkehlchen orientierten sich wieder. Wurde die Erdung entfernt oder Rauschen innerhalb der Abschirmung wieder eingespielt, waren sie wieder orientierungslos.

Die Versuche liefen über sieben Jahre, und wer die Vögel auswertete, wusste nicht, ob die Abschirmung geerdet war. Vögel, die außerhalb der Stadt getestet wurden, brauchten gar keine Abschirmung. 2023 testete dieselbe Gruppe einen anderen Singvogel, die Mönchsgrasmücke, und fand, wo der Effekt endet: irgendwo zwischen etwa 80 und 145 Megahertz. Ungefähr dort sollte ein Radikalpaar in einem Protein wie Cryptochrom aufhören zu reagieren.

Das Feld sehen

Sitzt der Sensor im Auge, sollte das Signal über die Sehbahn laufen. 2009 untersuchte die Oldenburger Gruppe ein kleines Areal im Vorderhirn des Rotkehlchens namens Cluster N. Es verarbeitet visuelle Reize und ist nachts aktiv, wenn die Vögel ziehen. Als Cluster N auf beiden Seiten zerstört wurde, verloren die Rotkehlchen ihren Magnetkompass.

Nach Sonne und Sternen konnten sie sich weiterhin richten. Das Durchtrennen eines Nervs, der Signale aus dem Schnabel leitet, änderte am Kompass nichts. Der Kompass scheint also über das Sehen zu laufen. Möglicherweise sehen Vögel das Feld als schwaches Muster, das über ihrem Blickfeld liegt, doch niemand weiß, wie es für sie tatsächlich aussieht.

Der Hauptverdächtige

Hauptverdächtiger ist ein Protein namens Cryptochrom 4. Im Auge des Rotkehlchens sitzt es in den lichtempfindlichen Teilen der Zapfenzellen. Und bei Rotkehlchen wird sein Gen in den Zugzeiten aktiver, was bei Hühnern nicht passiert. 2021 stellte ein Team aus Oldenburg und Oxford das Cryptochrom 4 des Rotkehlchens in Bakterien her und testete es im Labor.

Seine lichtgetriebene Chemie reagierte auf ein Magnetfeld, stärker als dasselbe Protein von Hühnern oder Tauben. In seinem Inneren springt ein Elektron entlang einer Kette aus vier Aminosäuren und bildet so das Paar. Eine Studie von 2024 an 363 Vogelgenomen fand Hinweise darauf, dass die natürliche Selektion bei Singvögeln Veränderungen im Cryptochrom-4-Gen begünstigt hat. Doch das Team hinter dem Experiment von 2021 blieb vorsichtig.

Das Protein wurde isoliert getestet, in Feldern, die stärker waren als das der Erde. Wie Mouritsen sagte, muss noch gezeigt werden, dass das in den Augen von Vögeln tatsächlich geschieht. Und die Frage ist noch lange nicht geklärt. 2023 berichtete eine Studie von magnetischen Effekten in Neuronen von Fruchtfliegen, während eine andere über 100.000 Fliegen testete und keinen magnetischen Effekt auf ihr Verhalten fand.

Das Eisen, das keines war

Es gab auch eine konkurrierende Idee: winzige Eisenkristalle, die wie Kompassnadeln wirken. 1971 klebte William Keeton Brieftauben kleine Magnete auf den Rücken. Bei Sonnenschein 27 bis 50 Kilometer entfernt freigelassen, orientierten sich die erfahrenen Vögel trotzdem Richtung Heimat. Bei völlig bedecktem Himmel waren sie desorientiert, was darauf hindeutet, dass der Sonnenkompass den Magneten ausgeglichen hatte.

Später fanden Forscher eisenreiche Zellen im Schnabel von Tauben und glaubten, die Nadeln gefunden zu haben. 2012 stellten sich diese Zellen als Makrophagen heraus, Immunzellen, die Eisen recyceln. Doch der Nerv aus dem Schnabel könnte trotzdem etwas Magnetisches übermitteln, nicht für den Kompass, sondern für die Karte.

Ein Kompass ist keine Karte

Ein Kompass sagt dir, in welche Richtung du schaust. Er sagt dir nicht, wo du bist. Zwischen 1948 und 1957 fing der niederländische Biologe Albert Perdeck ziehende Stare in den Niederlanden und brachte mehr als 14.000 von ihnen in die Schweiz. Nummerierte Beinringe, die später gefunden wurden, zeigten, wohin die Vögel flogen.

Die Altvögel korrigierten ihren Kurs und flogen zu ihren üblichen Winterquartieren in Nordwesteuropa. Die Jungvögel flogen weiter in ihre angeborene Richtung, nach Westsüdwest, und landeten in Spanien und Südfrankreich. Die Altvögel hatten etwas, das den Jungvögeln noch fehlte: eine Karte. In einer 2013 veröffentlichten Studie wandten sich Teichrohrsänger, die 1.000 Kilometer nach Osten versetzt worden waren, im Trichter in Richtung ihres Brutgebiets.

Vögel, bei denen der Nervenast aus dem Schnabel durchtrennt war, wählten weiter ihre alte Richtung, als wären sie nie versetzt worden. 2017 drehten Forscher in Russland die magnetische Nordrichtung um 8,5 Grad gegenüber der üblichen, während Stärke und Neigung des Feldes gleich blieben. Ein solches Feld gibt es in der Nähe von Schottland, nicht in Russland. Erwachsene Teichrohrsänger änderten ihre Richtung um 151 Grad, als wären sie dorthin versetzt worden.

Nicht alle Versetzungsstudien stimmen überein, und der Kartensinn ist noch weniger verstanden als der Kompass.

Noch ungelöst

Das ist also der Stand der Dinge. Experimente mit Rotkehlchen und anderen Singvögeln zeigen einen Magnetkompass, der die Neigung des Feldes liest, Licht braucht und über das Sehen läuft. Schwaches Funkrauschen kann ihn stören, so wie es bei einer Radikalpaar-Reaktion zu erwarten ist. Ein Protein im Auge des Rotkehlchens verhält sich im Reagenzglas genau richtig.

Noch hat niemand beobachtet, wie es in einem lebenden Vogel arbeitet. Wenn es dort tatsächlich arbeitet, lesen Zugvögel den Planeten mit einer Reaktion, die auf Quantenphysik beruht. Und das schwache elektrische Rauschen unserer Städte könnte schon reichen, um diesen Sinn zu trüben.