Chemischer Kompass besteht Labortest

Zugvögel könnten einen chemischen Kompass nutzen, um sich am Magnetfeld der Erde zu orientieren. Diese Ansicht stützen Messungen, die englische und amerikanische Forscher im Magazin “Nature” vorstellen. Das von ihnen studierte Molekül reagierte unterschiedlich schnell, je nachdem, ob und in welcher Orientierung es einem Magnetfeld ausgesetzt war.

Wie schnell das Carotinoid-Porphyrin-Fulleren-Molekül (CPF) nach Anregung in den Grundzustand zurückkehrt, hängt auch von einem externen Magnetfeld ab. Grafik: Courtesy Ilya Kuprov

Obwohl das Konzept eines chemischen Magnetsinnes gut 30 Jahre alt sei, habe bislang niemand überprüft, ob er auch in einem sehr schwachen Magnetfeld wie dem der Erde funktionieren könne, schreiben die Forscher um Christiane Timmel und Peter Hore von der Universität Oxford. Die neuen Resultate lieferten nicht nur den entsprechenden Beleg, sondern auch Hinweise auf die biologische Umsetzung dieses Kompassprinzips.

Rund 50 Tierarten - von Vögeln und Säugern bis hin zu Krebsen und Insekten - können das Erdmagnetfeld wahrnehmen. Wie sie das anstellen, ist noch unklar. Eine Hypothese geht von winzigen Mineralpartikeln als biologischen Kompassnadeln aus. Timmel, Hore und Kollegen prüften nun eine andere Hypothese, die auf dem Einfluss magnetischer Felder auf chemische Reaktionen beruht.

Als Versuchsobjekt diente den Forschern ein großes Molekül mit einem lichtempfindlichen Porphyrin-Ring als Herzstück - ähnlich dem Chlorophyll der Pflanzen. An diesem Ring hängen ein Karotinoid-Schwanz und ein kugelrunder Kopf in Form eines Buckminsterfullerens. Absorbiert das Molekül Licht, wird effektiv ein Elektron aus dem Schwanz in den Kopf verschoben. Wie lange es dort verweilt, hängt auch davon ab, welche “magnetische Kopplung” zwischen dem Elektron und seinem ehemaligen Bindungspartner in der Schwanzgruppe besteht.

Damit wird der angeregte Zustand sensibel gegenüber einem externen Magnetfeld, konnten die Forscher nachweisen. Er hat umso länger Bestand, je stärker das angelegte Magnetfeld ist. Aber auch bei Feldstärken um 50 Mikrotesla, wie sie dem Erdmagnetfeld entsprechen, ist der Effekt noch nachweisbar. Ebenfalls von Bedeutung ist die Orientierung des Moleküls im Magnetfeld. Steht seine Längsachse senkrecht zu den Feldlinien, ist der Effekt maximal. Steht die Achse parallel zu den Feldlinien, ist er praktisch nicht vorhanden.

Im Labortest war das Phänomen nur bei Temperaturen unterhalb von minus 70 Grad Celsius nachweisbar, berichten Timmel, Hore und ihre Kollegen. Es seien jedoch viele Möglichkeiten vorstellbar, wie es in einem biologischen System maximiert sein könnte. Beispielsweise lasse sich das Elektron in einem Pigment-Protein-Komplex leicht über größere Distanzen verschieben.

Entsprechende Komplexe hat die Arbeitsgruppe um Henrik Mouritsen an der Universität Oldenburg bereits in der Netzhaut von Gartengrasmücken nachweisen können. Weitere Beobachtungen der Gruppe stehen ebenfalls im Einklang mit der Vermutung, dass die Vögel die Ausrichtung des Erdmagnetfeldes “sehen” können, wenn sie den Kopf drehen.

Forschung: Kiminori Maeda, Kevin B. Henbest, und Peter J. Hore, Inorganic Chemistry Laboratory und Physical and Theoretical Chemistry Laboratory, Department of Chemistry, University of Oxford; und andere

Online-Veröffentlichung Nature, 30. April 2008, DOI 10.1038/nature06834

WWW:
Timmel Group, University of Oxford
Hore Group, University of Oxford
Der Magnetsinn
Das Erdmagnetfeld
Singlet vs. Triplet Spin States

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