Kompass im Vogel-Auge: Die Wellenlänge ist entscheidend

Ungewöhnlicher Mechanismus aktiviert den entscheidenden Rezeptor

Veröffentlicht am: Donnerstag, 04. Dezember 2014, 10:51 Uhr (358)

FRANKFURT. Zugvögel und Haushühner orientieren sich im Magnetfeld der Erde mithilfe eines lichtaktivierten Kompasses im Auge. Seit einigen Jahren sind sich Ornithologen sicher, dass der zugrunde liegende Mechanismus auf der lichtaktivierten Bildung von Radikal-Paaren in dem Blaulicht-Rezeptor Cryptochrom 1a (Cry1a) beruht. Radikal-Paare werden im Redox-Zyklus (Abb. 1) von Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) zweimal gebildet: Blaues und UV-Licht reduzieren FAD zu FADH, das mit Tryptophan ein Radikalpaar bildet (FADH/Trp). Blaues, grünes und UV-Licht reduzieren das FADH anschließend vollständig. Das so entstehende FADH- wird in einer lichtunabhängigen Reaktion wieder oxidiert und bildet, vermutlich mit Sauerstoff, das zweite Radikalpaar des Zyklus (FADH/O2•-). Die Arbeitsgruppe um Roswitha und Wolfgang Wiltschko, beide Biologen an der Goethe-Universität, hat nun nachgewiesen, dass bei der Wahrnehmung magnetischer Richtungen Cry1a durch die Reduktion von FADH zu FADH- in den aktivierten Zustand versetzt wird. Das ist ungewöhnlich, da für die Aktivierung der meisten bisher untersuchten Cryptochromen der erste Schritt der Photoreduktion entscheidend ist.

Vor etwa einem Jahr wiesen die Frankfurter Wissenschaftler nach, dass sich aktiviertes Cry1a von genau bei den Wellenlängen nachweisen lässt, bei denen Vögel sich mit ihrem magnetischen Kompass orientieren können: bei grünem, türkisem, blauem und UV-Licht. Allerdings kann grünes Licht FAD nicht zu FADH reduzieren, also den Redox-Zyklus nicht in Gang setzen. Die Forscher zeigten nun in zwei Studien, dass Vögel sich unter grünem Licht so lange orientieren können, bis das zuvor im Tageslicht gebildete FADH aufgebraucht ist. In einer immunhistochemischen Studie setzte Christine Nießner die Hühner jeweils 30 oder 60 min lang den vier verschiedenen Wellenlängen aus. Zuvor waren die Tiere bei Tageslicht gehalten worden. Nach 30 min in grünem Licht wies die Biologin in den Vogelaugen deutlich weniger aktiviertes Cry1a nach als nach 30 min in türkisem, blauem oder UV-Licht. Nach weiteren 30 min Grünlicht konnten sie das aktivierte Cryptochrom überhaupt nicht mehr nachweisen. Diesen Versuch führte das Forscherteam auch mit Hühnern durch, die sie vor Versuchsbeginn in totaler Dunkelheit gehalten hatten. In den Augen dieser Tiere ließ sich schon nach 30 min Grünlicht kein aktiviertes Cry1a finden. In einer parallel durchgeführten verhaltensbiologischen Studie setzten die Frankfurter Wissenschaftler Rotkehlchen zweimal 60 min lang den verschiedenen Wellenlängen aus. Waren die Vögel vor Versuchsbeginn in weißem Licht gehalten worden, konnten sie sich anfangs auch in Grünlicht gut orientieren. Hatte man sie dagegen in totaler Dunkelheit gehalten oder wurden sie dem grünen Licht mehr als 60 min lang ausgesetzt, verloren die Tiere ihr Orientierungsvermögen.

„Aufgrund unserer Versuche – besonders wegen der Orientierung bei grünem Licht, wo das erste Radikalpaar (FADH/Trp) nicht gebildet werden kann – halten wir das zweite Radikalpaar, das während der Reoxidation gebildet wird, für das entscheidende“, erklärt Roswitha Wiltschko. „Dass dies anders ist als bei den meisten bisher untersuchten Cryptochromen, kann daran liegen, dass das Radikalpaar hier eine andere Funktion hat.“ Während Cryptochromen zumeist die Anwesenheit und Intensität von Licht signalisieren, zeigt Cry1a im Magnetkompass der Vögel dagegen magnetische Richtungen an. Das ist möglich, weil die Häufigkeit verschiedener Formen des bei der Re-Oxidation gebildeten Radikalpaars (das Singulett-Triplett-Verhältnis) abhängig ist von der Orientierung des Rezeptors im geomagnetischen Feld. Diese könnte so auch die Effizienz der Re-Oxidierung von FADH- zu FADH beeinflussen. Wenn das zweite Radikalpaar des Flavin-Redox-Zyklus tatsächlich besser zur Richtungsanzeige geeignet ist, liegt der Schluss nahe, dass evolutionäre Prozesse den Mechanismus so verändert haben, dass er optimal an seine Funktion als Magnet-Kompass angepasst ist.
 
Publikationen: Christine Nießner, Susanne Denzau, Leo Peichl, Wolfgang Wiltschko & Roswitha Wiltschko, 2014: Magnetoreception in birds: I. Immunohistochemical studies concerning the cryptochrome cycle. The Journal of Experimental Biology, http://dx.doi.org/10.1242/jeb.110965

Roswitha Wiltschko, Dennis Gehring, Susanne Denzau, Christine Nießner & Wolfgang Wiltschko, 2014: Magnetoreception in birds: II. Behavioural experiments concerning the cryptochrome cycle. The Journal of Experimental Biology, http://dx.doi.org/10.1242/jeb.110981

Bild zum Download unter: www.uni-frankfurt.de/53295508

Weitere Informationen: Prof. Roswitha Wiltschko, Institut für Ökologie, Evolution und Diversität, Goethe-Universität Frankfurt am Main. Tel.: (069) 798-42107; wiltschko@bio.uni-frankfurt.de