Nutzen Vögel das Erdmagnetfeld? So funktioniert der Magnetkompass

Ja. Vögel nutzen das Erdmagnetfeld als Kompass, und viele Zugvögel verwenden es wahrscheinlich auch als Teil einer inneren Landkarte. Die Fähigkeit wurde bei Dutzenden Arten experimentell nachgewiesen, beginnend mit Rotkehlchen in Frankfurt am Main in den 1960er-Jahren, und die besten aktuellen Befunde deuten auf ein lichtempfindliches Protein im Auge als Sensor hin: Cryptochrom 4. Wie ein Vogel dieses Signal in ein Gespür für “Norden” und “Zuhause” übersetzt, gehört zu den spannendsten offenen Fragen der Biologie.

Hier lesen Sie, was die Wissenschaft sicher weiß, was noch umstritten ist und was das für die Vögel bedeutet, die in Herbstnächten über Ihren Garten ziehen.

Kurz beantwortet: So nutzen Vögel das Magnetfeld

• Als Kompass. Vögel können die Richtung am Magnetfeld ablesen, auch wenn sie weder Sonne noch Sterne sehen.
• Wahrscheinlich als Karte. Stärke und Neigung des Feldes ändern sich über den Globus hinweg, und Versuche legen nahe, dass manche Zugvögel diese Unterschiede lesen, um ihren Standort zu bestimmen.
• Höchstwahrscheinlich über die Augen. Der Kompass der Singvögel braucht Licht und funktioniert offenbar über eine chemische Reaktion in Netzhautproteinen, den Cryptochromen.
• Zusammen mit anderen Hinweisen. Vögel nutzen außerdem Sonne, Sterne, polarisiertes Licht in der Dämmerung, Landmarken und womöglich Gerüche. Der Magnetsinn ist ein Werkzeug im Werkzeugkasten, nicht der ganze Kasten.

Woher wissen wir, dass Vögel das Magnetfeld spüren?

Die ersten überzeugenden Belege kamen aus Deutschland. Mitte der 1960er-Jahre setzten Friedrich Merkel und Wolfgang Wiltschko in Frankfurt Rotkehlchen während der Zugzeit in runde Orientierungskäfige. Zugvögel in Gefangenschaft werden nachts unruhig und hüpfen in die Richtung, in die sie fliegen würden. Dieses Verhalten heißt Zugunruhe, ein Begriff, den auch die englischsprachige Fachwelt auf Deutsch übernommen hat. Als die Forschenden mit elektrischen Spulen die Richtung des Magnetfelds um den Käfig drehten, änderten die Rotkehlchen ihre Hüpfrichtung entsprechend.

Ein beliebtes Hilfsmittel für solche Versuche ist der Emlen-Trichter, entwickelt von Stephen Emlen und John Emlen. Das ist ein mit Papier ausgekleideter Kegel. Der Vogel steht unten auf einem Stempelkissen und hinterlässt Fußabdrücke, wenn er an den Wänden hochhüpft. Zählt man die Abdrücke, erhält man eine Karte der Richtung, in die der Vogel wollte.

Brieftauben lieferten eine zweite Beweislinie. Anfang der 1970er-Jahre befestigte William Keeton an der Cornell University kleine Magnete an Tauben und ließ sie weit entfernt von ihrem Schlag frei. An sonnigen Tagen fanden die Tauben mit Magneten genauso gut nach Hause wie die Kontrollvögel. Bei bedecktem Himmel waren viele orientierungslos. Das Ergebnis deutete darauf hin, dass Tauben sich an der Sonne orientieren, wenn sie sie sehen, und auf das Magnetfeld ausweichen, wenn nicht.

Seitdem wurde ein Magnetkompass bei einigen Dutzend Arten aus sehr unterschiedlichen Gruppen nachgewiesen, von nachts ziehenden Grasmücken und Schnäppern bis zum Haushuhn. Weil er bei nur entfernt verwandten Vögeln auftaucht, gehen die meisten Forschenden davon aus, dass er weit verbreitet ist.

Was misst der Magnetkompass eines Vogels eigentlich?

Hier unterscheiden sich Vögel vom Kompass im Handschuhfach. Ein Wanderkompass zeigt nach magnetisch Nord, weil seine Nadel auf die Polarität des Feldes reagiert. Der Kompass eines Vogels arbeitet anders.

Was ist ein Inklinationskompass?

Die Feldlinien des Erdmagnetfelds verlaufen nicht flach über den Boden. In Äquatornähe liegen sie ungefähr waagerecht. Zu den Polen hin neigen sie sich immer steiler nach unten, bis sie fast senkrecht in den Boden zeigen. In Mitteleuropa stehen sie schon recht steil. Wolfgang und Roswitha Wiltschko zeigten 1972, dass Rotkehlchen diesen Neigungswinkel lesen, die sogenannte Inklination, und nicht die Polarität.

Praktisch bedeutet das: Ein Vogel kennt nicht “Nord” und “Süd” im magnetischen Sinn. Er kennt “polwärts”, die Richtung, in der die Feldlinien sich zum Boden neigen, und “äquatorwärts”, die Richtung, in der sie ansteigen. Als die Forschenden nur die senkrechte Komponente des Feldes umkehrten, drehten sich die Rotkehlchen um. Als sie die Polarität umkehrten, den Winkel aber gleich ließen, war es den Vögeln egal.

Ein Inklinationskompass hat einen interessanten blinden Fleck. Am magnetischen Äquator verlaufen die Feldlinien waagerecht, sodass polwärts und äquatorwärts gleich aussehen. Vögel, die auf dem Zug den Äquator überqueren, etwa viele europäische Singvögel auf dem Weg ins südliche Afrika, müssen danach ihre bevorzugte Richtung umstellen. Wie genau ihnen das gelingt, wird noch erforscht, doch Versuche legen nahe, dass das Erleben waagerechter Feldlinien diesen Wechsel auslösen kann.

Braucht der Magnetkompass Licht?

Bei Singvögeln ja. Rotkehlchen orientieren sich unter schwachem blauem oder grünem Licht normal und verlieren unter rotem oder gelbem Licht die Orientierung. Diese Lichtabhängigkeit war einer der ersten starken Hinweise darauf, dass der Sensor chemisch arbeitet und im Auge sitzt, nicht in einem Eisenklümpchen irgendwo im Kopf.

Wo sitzt der Magnetsensor im Vogel?

Jahrzehntelang gab es zwei Hauptkandidaten für den Mechanismus. Für den Kompass sprechen die Befunde inzwischen deutlich für einen davon.

Das Auge: Cryptochrome und die Radikalpaar-Idee

1978 schlug der Physiker Klaus Schulten vor, dass Vögel Magnetismus über eine sogenannte Radikalpaar-Reaktion wahrnehmen könnten. Trifft Licht auf bestimmte Moleküle, kann es ein Elektron von einem Teil des Moleküls zu einem anderen schieben. Zurück bleiben zwei ungepaarte Elektronen. Deren Spins lassen sich vom schwachen Erdmagnetfeld beeinflussen, und dieses Gleichgewicht wiederum bestimmt, welche chemischen Produkte entstehen. Sitzen solche Moleküle geordnet in der Netzhaut, hinge das Ergebnis davon ab, wie der Kopf des Vogels zum Feld ausgerichtet ist.

Im Jahr 2000 schlugen Thorsten Ritz und Kollegen vor, dass Proteine namens Cryptochrome die passenden Moleküle sein könnten. Cryptochrome absorbieren blaues Licht und kommen in der Netzhaut von Vögeln vor.

Die bisher stärksten Belege lieferte 2021 ein Team um Henrik Mouritsen von der Universität Oldenburg und Peter Hore von der Universität Oxford. In einer Studie in Nature untersuchten sie Cryptochrom 4, kurz Cry4, von Rotkehlchen. Sie stellten das Protein im Labor her und zeigten, dass seine lichtausgelösten Reaktionen auf Magnetfelder ansprechen. Das Cry4 des Rotkehlchens wirkte magnetisch empfindlicher als die Varianten von Huhn und Taube, die keine Nachtzieher sind. Das passt zu der Idee, dass die Evolution das Protein bei nachts navigierenden Vögeln feinjustiert hat.

Damit ist der Fall noch nicht abgeschlossen. Magnetische Effekte an einem gereinigten Protein im Labor zu messen ist nicht dasselbe wie der Nachweis, dass dieselbe Reaktion das Verhalten eines lebenden Vogels steuert. Aber Cry4 ist heute der führende Kandidat.

Cluster N: eine Hirnregion für die Nachtnavigation

Ein weiterer Hinweis kommt aus dem Gehirn. Bei nachts ziehenden Singvögeln wird eine Region im Vorderhirn namens Cluster N stark aktiv, wenn sich die Vögel nachts magnetisch orientieren. Cluster N erhält Signale aus dem Sehsystem. In einer Studie in Nature aus dem Jahr 2009 fanden Manuela Zapka und Kollegen aus der Oldenburger Arbeitsgruppe heraus, dass Rotkehlchen mit geschädigtem Cluster N ihren Magnetkompass nicht mehr nutzen konnten, sich aber weiterhin an Sternen und Sonne orientierten. Das passt gut zu einem Sensor im Auge.

Der Schnabel: Was wurde aus der Eisen-Hypothese?

Die andere Idee war, dass Vögel winzige Kristalle aus Magnetit, einem magnetischen Eisenoxid, mit Nervenverbindung besitzen. Jahrelang galten Ansammlungen eisenreicher Zellen im Oberschnabel von Tauben als mögliche Magnetrezeptoren. 2012 zeigte ein Team um David Keays in Nature, dass diese Zellen überwiegend Makrophagen sind, also Immunzellen, die Eisen speichern, und keine Sinneszellen.

Ganz tot ist die Eisen-Idee nicht. Einige Studien deuten darauf hin, dass ein Ast des Trigeminusnervs, der Schnabel und Gesicht versorgt, magnetische Informationen übermittelt, die eher dem Kartensinn als dem Kompass dienen könnten. Die Beleglage ist uneinheitlich, und ein solcher Sensor wurde, falls es ihn gibt, bisher nicht gefunden. Die faire Zusammenfassung lautet derzeit: Der Kompass sitzt sehr wahrscheinlich im Auge; ein getrennter magnetischer Kartensinn könnte existieren, seine “Hardware” ist unbekannt.

Nutzen Vögel das Magnetfeld als Landkarte?

Ein Kompass sagt Ihnen, in welche Richtung Sie schauen. Eine Karte sagt Ihnen, wo Sie sind. Vögel, die vom Kurs abgetrieben oder von Forschenden versetzt werden, können ihren Kurs oft korrigieren und das richtige Ziel ansteuern. Dafür brauchen sie ein Gespür für ihre Position.

Das Magnetfeld könnte dabei helfen. Seine Gesamtstärke ist in Äquatornähe geringer und zu den Polen hin größer. Die Inklination ändert sich mit der geografischen Breite. Die Deklination, der Winkel zwischen magnetisch Nord und geografisch Nord, variiert über den Globus so, dass sie bei der Bestimmung der Länge helfen kann. Im Prinzip könnte ein Vogel, der das Muster dieser Werte kennt, seinen Standort errechnen.

Mehrere Versuche stützen das. In einer Studie in Current Biology aus dem Jahr 2017 setzten Nikita Chernetsov und Kollegen Teichrohrsänger in Russland einer veränderten Deklination aus und ließen alles andere gleich. Die Vögel orientierten sich um, als wären sie tatsächlich rund 1.000 km nach Westen versetzt worden, und korrigierten ihre Richtung entsprechend. Studien an Meeresschildkröten und Lachsen zeigen ähnliche magnetische Kartenfähigkeiten, was darauf hindeutet, dass diese Strategie alt ist und von vielen Tieren geteilt wird.

Die Nutzung einer Karte ist schwerer nachzuweisen als die eines Kompasses, deshalb dürfte sich dieses Forschungsfeld weiter wandeln. Man kann aber vernünftigerweise sagen, dass viele Zugvögel magnetische Informationen zur Positionsbestimmung nutzen, vor allem erfahrene Altvögel, die den Weg schon kennen.

Wie passt der Magnetsinn zu anderen Orientierungshilfen?

Kein Vogel verlässt sich allein auf den Magnetismus. Zugvögel jonglieren mit mehreren Systemen und gleichen sie miteinander ab.

Stephen Emlens Arbeiten in den 1960er-Jahren zeigten, dass junge Indigofinken, ein nordamerikanischer Singvogel, den Sternkompass lernen, indem sie beobachten, wie sich der Nachthimmel um den Himmelspol dreht. Spätere Arbeiten von Rachel Muheim und anderen deuteten darauf hin, dass Singvögel das Band polarisierten Lichts bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang nutzen, um ihren Magnetkompass zu eichen. Die Details unterscheiden sich von Art zu Art, und manche Studien widersprechen sich, doch das Gesamtbild ist stimmig: Vögel kombinieren Hinweise und justieren den einen mit dem anderen.

Mehr darüber, wie junge Vögel ihre erste Reise meistern, lesen Sie in unserem Ratgeber, woher Zugvögel wissen, wohin sie fliegen.

Kann menschliche Technik den Magnetkompass stören?

Eine berechtigte Sorge, und eines der interessantesten Ergebnisse auf diesem Gebiet.

2014 veröffentlichten Svenja Engels und Kollegen von der Universität Oldenburg eine Studie in Nature, nachdem ihnen aufgefallen war, dass sich ihre Rotkehlchen auf dem Campus nicht orientieren konnten. Als sie die Holzhütten mit geerdeten Aluminiumabschirmungen auskleideten, die breitbandiges elektromagnetisches Rauschen etwa im Bereich von 2 kHz bis 5 MHz abhielten, orientierten sich die Rotkehlchen normal. Waren die Abschirmungen nicht geerdet oder wurde das Rauschen wieder zugeführt, verloren die Vögel erneut die Orientierung. Die Rauschpegel lagen weit unter allen Grenzwerten für Menschen.

Das störende Signal war schwaches, breitbandiges Hochfrequenzrauschen, wie es gewöhnliche Elektronik in einer Stadt erzeugt, nicht das Magnetfeld von Stromleitungen oder das Signal eines einzelnen Mobilfunkmasts. Wichtig ist auch der Rahmen: Es handelte sich um einen Laboraufbau mit Vögeln in Käfigen. Wie stark städtisches Elektronikrauschen wildlebende Zugvögel beeinflusst, die hoch über Städten fliegen und dabei auch Sterne und Sonne nutzen können, ist nicht bekannt.

Auch die Sonnenaktivität könnte eine Rolle spielen. Einige Radarstudien zum Vogelzug in Nordamerika berichteten bei starken geomagnetischen Stürmen von weniger ziehenden Vögeln oder mehr Vögeln, die vom Kurs abdrifteten, besonders bei Bewölkung. Das sind Zusammenhänge, keine Beweise, und wie wichtig dieser Effekt ist, wird noch untersucht.

Nutzen auch andere Tiere das Magnetfeld?

Vögel sind damit bei Weitem nicht allein. Ein Magnetsinn wurde nachgewiesen oder wird stark vermutet bei:

• Meeresschildkröten, die sich die magnetische Signatur ihres Heimatstrands offenbar einprägen.
• Lachsen, die magnetische Hinweise nutzen könnten, um zur Mündung ihres Heimatflusses zurückzufinden.
• Einigen Säugetieren, darunter Graumulle und möglicherweise einige Fledermäuse.
• Insekten, darunter einige ziehende Schmetterlinge und Nachtfalter.

Der Mensch hat keinen bestätigten Magnetsinn. Einige Versuche berichteten von feinen Hirnreaktionen auf wechselnde Magnetfelder, aber nichts, was uns einen brauchbaren Kompass verschaffen würde.

Mythen und Fakten zu Vogelzug und Magnetismus

Mythos: Vögel haben eine winzige Kompassnadel im Kopf. Fakt: Der Kompass der Singvögel reagiert auf den Winkel der Feldlinien, nicht auf ihre Polarität, und er braucht Licht. Mit einer Nadel hat das wenig zu tun.

Mythos: Die Wissenschaft hat den genauen Magnetsensor gefunden. Fakt: Cryptochrom 4 im Auge ist der führende Kandidat für den Kompass und durch starke Laborbefunde gestützt, doch die vollständige Kette vom Molekül zum Verhalten eines lebenden Vogels wird noch erforscht.

Mythos: Vögel sehen Magnetlinien, die über den Himmel gemalt sind. Fakt: Das ist eine vernünftige Hypothese, weil der Sensor offenbar über das Sehen arbeitet, aber niemand weiß, was der Vogel erlebt. Illustrationen von “Magnetsicht” sind künstlerische Vermutungen.

Mythos: Stromleitungen und Handymasten ruinieren den Vogelzug. Fakt: Dafür gibt es keine guten Belege. In einer bekannten Studie störte schwaches breitbandiges Funkrauschen Rotkehlchen in Käfigen. Kollisionen mit beleuchteten Gebäuden und Glas sind weit besser belegte Gefahren. Mehr dazu in unserem Artikel, warum Vögel gegen Fenster fliegen.

Mythos: Junge Vögel lernen die Route von ihren Eltern. Fakt: Bei vielen Singvögeln fliegen Erstzieher allein und nachts und folgen einem angeborenen Programm aus Richtung und Entfernung. Gänse, Kraniche und Schwäne sind anders: Sie ziehen im Familienverband und lernen die Routen.

Was bedeutet das für Vogelfreunde im Garten?

Die meisten Singvögel, die Sie im Frühjahr und Herbst im Garten sehen, ziehen nachts. Grasmücken, Laubsänger, Rotkehlchen, Singdrosseln, Trauerschnäpper und Gartenrotschwänze starten nach der Dämmerung und fliegen stundenlang, oft in Höhen von mehreren hundert bis über tausend Metern. Jeder dieser Vögel liest dabei eine Kombination aus Sternen, Magnetfeld und gelernten Hinweisen, während er über Sie hinwegzieht.

Einige praktische Konsequenzen:

1. Licht aus zählt mehr als WLAN aus. Helles Kunstlicht in der Nacht lenkt Zugvögel vom Kurs ab und in Städte, wo sie gegen Glas prallen. Unnötige Außenbeleuchtung während der Hauptzugzeiten auszuschalten, in Mitteleuropa grob von März bis Mai und von August bis November, ist eine der einfachsten Maßnahmen.
2. Fenster sichtbar machen. Erschöpfte Zugvögel landen im Morgengrauen in Gärten, um Nahrung zu suchen. Außen angebrachte Punktmuster, Schnüre oder Fliegengitter helfen. Siehe unseren Ratgeber, wie man Vogelschlag an Fenstern verhindert.
3. Eine Raststätte bieten. Heimische Sträucher wie Holunder, Weißdorn und Pfaffenhütchen, Laubstreu und eine saubere Vogeltränke helfen Zugvögeln beim Auftanken. Unser Ratgeber zum kleinen vogelfreundlichen Garten erklärt die Grundlagen.
4. Nachts hinhören. In ruhigen Herbstnächten hören Sie oft die dünnen Flugrufe ziehender Drosseln über sich, besonders die gedehnten, feinen “zieh”-Rufe der Rotdrossel und die kurzen “zip”-Rufe der Singdrossel. Viele Vogelfreunde nehmen sie gern auf. Unser Artikel, warum Vögel nachts rufen und singen, erklärt, was Sie da hören.
5. Beobachtungen melden. Wer Sichtungen über eBird oder das Meldeportal ornitho.de des Dachverbands Deutscher Avifaunisten (DDA) meldet, hilft der Forschung, den Zeitpunkt des Vogelzugs zu verfolgen. So geht es: eBird richtig nutzen.

Beispiele aus aller Welt

• Rotkehlchen. Die Modellart der Magnetkompassforschung, von Frankfurt bis Oldenburg. Nördliche und östliche Populationen ziehen nachts nach Südeuropa und Nordafrika, während viele Rotkehlchen in West- und Mitteleuropa ganz oder teilweise bleiben.
• Gartengrasmücke und Trauerschnäpper. Langstreckenzieher von Europa nach Afrika südlich der Sahara, an denen angeborene Zugrichtungen und der Richtungswechsel am Äquator untersucht wurden.
• Pfuhlschnepfe. Legt Nonstop-Flüge von mehr als 11.000 km von Alaska nach Neuseeland zurück, ohne Landmarken über offenem Ozean. Forschende vermuten eine Kombination aus Himmels- und Magnethinweisen. Siehe welcher Vogel am weitesten zieht.
• Brieftaube. Nutzt an klaren Tagen den Sonnenkompass und bei Bewölkung das Magnetfeld, in Heimatnähe womöglich auch Gerüche.
• Indigofink. Zeigte, dass junge Vögel einen Sternkompass lernen, eine Erinnerung daran, dass Magnetismus nur ein Strang von vielen ist.
• Sturmtaucher und Sturmvögel. Hochseewanderer, bei denen der Geruchssinn offenbar eine große Rolle beim Finden der Brutinseln spielt, zusammen mit magnetischen Hinweisen.

Kurz und bündig

• Das Erdmagnetfeld ist schwach, an der Oberfläche je nach Ort etwa 25 bis 65 Mikrotesla. Ein Kühlschrankmagnet ist Hunderte Male stärker.
• Der erste experimentelle Nachweis eines Magnetkompasses bei Vögeln gelang in den 1960er-Jahren mit Rotkehlchen in Käfigen in Deutschland.
• Der Kompass der Singvögel liest die Neigung der Feldlinien, nicht die Nord-Süd-Polarität.
• Er braucht Licht und funktioniert in Laborstudien unter blauem und grünem Licht.
• Cryptochrom 4 in der Netzhaut ist der führende Kandidat für das Sensormolekül.
• Eine Vorderhirnregion namens Cluster N ist bei ziehenden Singvögeln für die nächtliche Magnetorientierung nötig.
• Schwaches breitbandiges Hochfrequenzrauschen störte 2014 in einer Laborstudie den Kompass von Rotkehlchen.
• Die eisenreichen “Magnetzellen”, die einst im Taubenschnabel beschrieben wurden, erwiesen sich als Immunzellen.

Quellen

• Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird (Xu et al., Nature, 2021)
• Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird (Engels et al., Nature, 2014)
• Schweizerische Vogelwarte Sempach
• NABU, Naturschutzbund Deutschland
• Dachverband Deutscher Avifaunisten (DDA)
• RSPB: Robin species profile
• Cornell Lab of Ornithology: All About Birds