Wie Tiere ihren Weg über die Welt finden

Im Winter 1976 stieg der Biologe Lincoln Brower in die Oyamel-Tannenwälder im transvulkanischen Gürtel Zentralmexikos hinauf und reckte den Hals zu Ästen empor, die sich unter dem Gewicht von Orange bogen. Die Bäume waren über und über mit Monarchfaltern bedeckt, Millionen davon, so dicht zusammengedrängt, dass sich die Zweige bogen. Brower war nicht des Schauspiels wegen dort. Er suchte nach winzigen Klebemarken, nicht größer als ein Konfettifleck, die er und seine Kollegen den Monarchfaltern im September zuvor in Ontario auf die Flügel gedrückt hatten. Auch nur eine einzige zu finden würde etwas fast Unglaubliches beweisen: dass ein papierdünnes Insekt mehr als dreitausend Meilen geflogen war, von einem kanadischen Straßenrand zu einer bestimmten Bergkette, die es nie gesehen hatte, geleitet von nichts, das es je hätte lernen können.

Die Marken tauchten auf. Die Reise war real. Und die tiefere Frage, die sie aufwarf, ist eine der erstaunlichsten in der gesamten Biologie. Wie überquert ein Tier Kontinente und Ozeane, oft allein, oft zum ersten und einzigen Mal in seinem Leben, und kommt genau am richtigen Ort an?

Was Migration ist und warum sie sich lohnt

Bevor wir darüber sprechen können, wie Tiere navigieren, hilft es, genau zu sein, was sie eigentlich tun. Migration ist eine saisonale Wanderung über große Entfernungen zwischen verschiedenen Lebensräumen, ausgelöst durch vorhersehbare Verschiebungen bei Ressourcen, Fortpflanzungsbedingungen oder Klima. Das Wort umfasst eine enorme Bandbreite an Verhalten, doch die Logik ist immer dieselbe. Ein Flecken der Welt, der zu einer Jahreszeit reich an Nahrung oder sicher für die Aufzucht von Jungen ist, wird zu einer anderen arm oder gefährlich, während weit entfernt das Gegenteil zutrifft. Ein Tier, das sich zwischen beiden bewegen kann, erntet das Beste aus beiden.

Der Haken ist, dass das Hinkommen teuer ist. Die energetischen Kosten der Migration sind enorm, sie zehren an den über Monate aufgebauten Fettreserven und setzen den Reisenden unterwegs Stürmen, Räubern und Erschöpfung aus. Migration besteht fort, bei Insekten, Vögeln, Fischen und Säugetieren gleichermaßen, weil der Fortpflanzungsgewinn noch größer ist. Ein Tier, das die Reise überlebt, hinterlässt mehr Nachkommen als eines, das bleibt und verhungert oder sich in einem überfüllten, ausgezehrten Lebensraum fortpflanzt. Die natürliche Selektion führt die Rechnung, und über die evolutionäre Zeit hinweg gehen die Bücher zugunsten der Reisenden auf.

Ein Skelett, gebaut für die weite Strecke

Für die Tiere, die fliegend wandern, beginnt die Reise nicht mit einem Kompass, sondern mit einem Gerüst. Anhaltender Wanderflug hängt von einem Skelett ab, das für den Widerspruch im Herzen des Fliegens konstruiert ist, nämlich die Notwendigkeit, zugleich stark und leicht zu sein. Vögel lösen das mit mehreren Kniffen zugleich. Viele ihrer Knochen sind pneumatisiert, teilweise hohl und sogar mit den Luftsäcken des Atmungssystems verbunden, was Gewicht abträgt, ohne Festigkeit aufzugeben. Becken- und Flügelskelett sind zu starren Einheiten verschmolzen, die die Flugfläche zu einer stabilen Plattform fixieren, die sich unter Last nicht verbiegt oder Energie verschwendet.

Die Raffinesse reicht bis in den Aufbau des Knochengewebes selbst hinab. Knochen kommt in zwei Anordnungen vor. Kortikaler Knochen ist die dichte, kompakte Außenschicht, die dem Verbiegen widersteht und die Hauptlast mechanischer Beanspruchung trägt, während trabekulärer Knochen das schwammige, gitterartige Material im Inneren ist, ein Netz winziger Streben, das die Kraft über das Innere verteilt. Zusammen angeordnet, geben beide maximale Festigkeit bei minimaler Masse, dasselbe Prinzip, das ein Ingenieur nutzt, wenn er eine Brücke baut, die ein großes Gewicht tragen muss, ohne unter dem eigenen zusammenzubrechen. Der wandernde Vogel trägt ein Skelett, das im Grunde ein fliegendes Fachwerk ist.

Die Reisenden und die Strecken, die sie zurücklegen

Die ikonischen Wanderungen erstrecken sich über jeden Lebensraum der Erde und reichen in jede große Tiergruppe hinein. Die mehrgenerationale Schleife des Monarchfalters umfasst mehr als dreitausend Meilen. Die Küstenseeschwalbe, ein Seevogel kaum so groß wie eine Taube, fliegt in einem einzigen Jahr fast vierzigtausend Kilometer und jagt dem Sommer von einem Pol zum anderen und zurück hinterher, sodass sie mehr Tageslicht sieht als jedes andere lebende Geschöpf. Buckelwale schwimmen rund sechzehntausend Kilometer zwischen den kalten, ergiebigen Gewässern, in denen sie fressen, und den warmen tropischen Untiefen, in denen sie sich paaren und ihre Kälber gebären. In den Ebenen Ostafrikas ziehen mehr als eine Million Gnus einen Rundkurs von etwa achtzehnhundert Kilometern um die Serengeti, dem Regen und dem Gras folgend. Und der pazifische Lachs vollbringt vielleicht die zielsicherste Leistung von allen, indem er aus der weiten Anonymität des offenen Ozeans genau zu dem Süßwasserbach zurückkehrt, in dem er geschlüpft ist.

Was diese Reisen verbindet, ist nicht ihre Entfernung, die ungeheuer schwankt, sondern die Präzision, mit der sie ausgerichtet sind. Keines dieser Tiere wandert ziellos umher. Jedes steuert auf etwas Bestimmtes zu, und der Rest der Geschichte handelt von den Instrumenten, die es dorthin bringen.

Sonne und Sterne lesen

Der erste Navigationshinweis, der in einem kontrollierten Experiment entschlüsselt wurde, war der offensichtlichste am Himmel. 1949 zeigte Gustav Kramer, der am Max-Planck-Institut in Wilhelmshaven arbeitete, dass gekäfigte Stare, die unruhig zum Wandern bereit waren, ihren versuchten Aufbruch in eine gleichbleibende Richtung ausrichteten und dass diese Richtung der Sonne folgte. Als er mit Spiegeln die scheinbare Position der Sonne verschob, verschoben die Vögel pflichtbewusst ihre Ausrichtung um denselben Winkel. Bemerkenswerter noch wies Kramer nach, dass die Vögel die Bewegung der Sonne über den Himmel im Verlauf des Tages korrigierten. Da sich der Azimut der Sonne, ihre Kompassrichtung entlang des Horizonts, von der Morgendämmerung bis zur Abenddämmerung fortwährend ändert, ist ein Sonnenkompass ohne eine Uhr zu seiner Deutung nutzlos. Die Stare trugen diese Uhr in sich, einen inneren zirkadianen Rhythmus, der ihnen sagte, welche Zeit es war und damit, wo Süden lag.

Doch viele Singvögel wandern bei Nacht, wenn die Sonne verschwunden ist, und es stellte sich heraus, dass sie einen anderen Himmel lesen. 1967 brachte Stephen Emlen gefangene Indigofinken in ein Planetarium an der Cornell University und ließ sie einen künstlichen Nachthimmel betrachten. Die Vögel richteten sich danach aus. Als Emlen die projizierten Sterne so drehte, dass sich der künstliche Himmel um einen falschen Himmelspol wendete, verschoben die Finken ihre Ausrichtung entsprechend. Sie lernten weniger einzelne Sternbilder auswendig, als dass sie die Geometrie des Himmels lasen, den festen Punkt, um den sich der ganze Himmel zu drehen scheint. Auf der Nordhalbkugel liegt dieser Punkt nahe dem Polarstern, und die ihm am nächsten gelegenen Sterne bewegen sich am wenigsten und markieren den wahren Norden für einen Indigofinken so zuverlässig wie für einen Seemann.

Ein innerer Kompass für das Magnetfeld der Erde

Klarer Himmel ist ein Luxus, und die Tiere, die über viele Nächte und durch schlechtes Wetter wandern, können sich nicht allein auf Sonne oder Sterne verlassen. Sie tragen eine Reserve mit sich, die im Dunkeln und durch Wolken hindurch funktioniert, einen Sinn für das Magnetfeld der Erde. Der entscheidende Nachweis kam von Wolfgang und Roswitha Wiltschko, die 1972 an der Universität Frankfurt begannen, die Magnetorezeption bei Rotkehlchen (Erithacus rubecula) zu dokumentieren. Sie versetzten Rotkehlchen in den Griff der Zugunruhe, jener Wanderunruhe, die gekäfigte Vögel in der Jahreszeit ergreift, in der sie normalerweise reisen würden, und veränderten dann mit Spulen das Magnetfeld um den Käfig. Die Vögel orientierten sich im Gleichschritt mit dem Feld neu, vorhersehbar und wiederholbar, was nur bedeuten konnte, dass sie einen inneren magnetischen Kompass besaßen.

Wie dieser Kompass funktioniert, hat sich als weit schwerer festzunageln erwiesen als die Tatsache, dass er existiert, und die führende Erklärung greift in ein Gebiet hinein, von dem die meisten Menschen nicht erwarten würden, dass die Biologie es berührt. Henrik Mouritsen und seine Mitarbeiter an der Universität Oldenburg, die direkt auf den Erkenntnissen der Wiltschkos aufbauen, haben argumentiert, dass der Magnetsinn im Auge des Vogels sitzt, vermittelt durch ein lichtempfindliches Protein namens Cryptochrom-4 in den Photorezeptoren der Netzhaut. Der vorgeschlagene Mechanismus ist wahrhaft eigenartig. Wenn blaues Licht auf das Cryptochrom-Molekül trifft, spaltet es ein Elektronenpaar in das, was Chemiker ein Radikalpaar nennen, zwei ungepaarte Elektronen, deren quantenmechanische Spinzustände vom schwachen Magnetfeld der Erde fein beeinflusst werden. Die folgende Chemie hängt von diesen Spinzuständen ab, und so, lautet das Argument, könnte der Vogel das Magnetfeld buchstäblich als ein über sein Sehen gelegtes Muster sehen. Dies ist einer der wenigen Orte, an denen die Physik des sehr Kleinen, das Reich der Quantenmechanik, im Alltag eines warmblütigen Tieres aufzutauchen scheint, und es bleibt ein aktives und noch nicht vollständig geklärtes Forschungsgebiet.

Lachse, die sich nach Hause riechen

Nicht jeder Navigator arbeitet mit dem Kompass. Die Heimkehr des pazifischen Lachses beruht auf einem Sinn, den wir selten mit langen Reisen verbinden, dem Geruchssinn. Ein Lachs, der in einem bestimmten Bergbach geschlüpft ist, streift jahrelang durch den offenen Ozean, mitunter Tausende von Meilen von seinem Ursprungsort entfernt, und kehrt dann nicht nur zum richtigen Flusssystem zurück, sondern zu eben dem Nebenfluss seiner Geburt. Arthur Hasler an der University of Wisconsin tüftelte in den 1950er Jahren aus, wie das geht. Jeder Bach trägt eine eigentümliche gelöste Chemie in sich, eine Mischung aus Mineralien, Erde und verrottender Vegetation, die dem Wasser einen charakteristischen Geruch verleiht. Als junger Lachs prägt sich der Fisch diesen Geruch ein und verankert ihn im Gedächtnis während eines kurzen, sensiblen Fensters früh im Leben. Jahre später, wenn er die Küstenzugänge mit anderen Mitteln durchquert, folgt er seiner Nase den sich verzweigenden Fluss hinauf und wählt an jeder Gabelung den Arm, der nach Heimat riecht. Dies ist olfaktorische Prägung, und sie verwandelt das abstrakte Problem, einen Bach unter Tausenden zu finden, in die konkrete Aufgabe, einen erinnerten Geruch wiederzuerkennen.

Das erstaunlichste Detail und ein hartnäckiges Missverständnis

Kehren wir nun zum Monarchfalter zurück, denn seine Geschichte birgt das tiefste Rätsel. Der östliche Monarchfalter vollendet seinen Jahreszyklus nicht in einem Leben, sondern über vier Generationen hinweg. Drei kurzlebige Sommergenerationen pflanzen sich über die nördlichen Vereinigten Staaten und Kanada hinweg fort, jedes erwachsene Tier lebt nur wenige Wochen. Dann, wenn der Herbst naht, geht eine vierte Generation hervor, die biologisch anders ist. Diese Supergeneration lebt acht bis neun Monate statt Wochen, verzögert die Fortpflanzung und unternimmt den gesamten dreitausend Meilen langen Flug nach Süden zu denselben mexikanischen Wäldern, überwintert in jenen Oyamel-Tannen und beginnt im folgenden Frühjahr erneut die Reise nach Norden.

Die entscheidende Tatsache ist, dass kein einzelner Monarchfalter je die Hin- und Rückreise macht und kein nach Süden fliegender Monarchfalter je in Mexiko gewesen ist, auch nicht sein Elternteil, auch nicht sein Großelternteil. Es gibt keinen Älteren, dem man folgen, und keine Route, die man lernen könnte. Das prallt frontal mit einem verbreiteten und nachvollziehbaren Irrglauben zusammen, der Vorstellung, dass wandernde Tiere einem Anführer hinterherziehen, einen gelernten Pfad nachahmen oder auf irgendein Leuchtfeuer zusteuern, das sie weiterruft. Die meisten wandernden Arten tun nichts davon. Die Route, die Dauer, die Richtung und das Ziel sind in ein ererbtes Navigationsprogramm eingeschrieben, in den Genen kodiert und durch ebenjene Kompasse ausgedrückt, die wir beschrieben haben. Der Monarchfalter weiß nicht, wo Mexiko ist, in keinem Sinn, den wir als Wissen anerkennen würden. Er tut einfach, wofür sein Körper gebaut ist, und das genügt.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Migration ist eine saisonale Wanderung über große Entfernungen zwischen Lebensräumen, deren enorme energetische Kosten von einem noch größeren Fortpflanzungsgewinn aufgewogen werden, und sie tritt im gesamten Tierreich auf, von der mehrgenerationalen, dreitausend Meilen langen Schleife des Monarchfalters über den vierzigtausend Kilometer langen Pol-zu-Pol-Rundkurs der Küstenseeschwalbe, die sechzehntausend Kilometer des Buckelwals, den achtzehnhundert Kilometer langen Serengeti-Rundzug der Gnus bis hin zur punktgenauen Rückkehr des pazifischen Lachses zu seinem Geburtsbach. Fliegende Wanderer sind mit Skeletten ausgestattet, die auf Festigkeit bei minimaler Masse abgestimmt sind, mit pneumatisierten Knochen, verschmolzenen Becken- und Flügelstrukturen und kortikalem sowie trabekulärem Knochen, die auf Effizienz hin angeordnet sind, während die Navigation selbst auf ein ererbtes Werkzeugbündel von Kompassen zurückgreift, das über Jahrzehnte des Experimentierens entschlüsselt wurde, nämlich Kramers uhrkorrigierter Sonnenkompass bei Staren, Emlens Sternenkompass bei Indigofinken, der magnetische Kompass der Wiltschkos bei Rotkehlchen und sein vorgeschlagener quantenmechanischer, cryptochrombasierter Mechanismus, den Mouritsen erforscht hat, sowie Haslers olfaktorische Prägung beim Lachs. Am entscheidendsten ist, dass diese Reisen nicht angeführt, gelehrt oder nachgeahmt, sondern ererbt werden, wie der viergenerationale Monarchzyklus zweifelsfrei beweist, denn das Tier, das zu einem Ort fliegt, den es nie gesehen hat, trägt die Route als Teil seiner Biologie und nicht seines Gedächtnisses.