Magnetische Kristalle sind der Schlüssel

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Die Faszination Magnetsinn packte Michael Winklhofer bereits vor 15 Jahren. Schon damals interessierte er sich für das Erdmagnetfeld – und für ganz spezielle Bakterien. Sie mögen es sauerstoffarm, leben in der Sedimentschicht am Boden von Seen oder Meeren. Das Besondere an ihnen: Sie sind magnetisch, denn sie mineralisieren in ihrem Zellkörper winzige Kristalle aus Magnetit, dem wichtigsten magnetischen Mineral, welches in der unbelebten Natur vor allem in magmatischen Gesteinen vorkommt.

Im Zellkörper der Bakterien liegen die Magnetitkristalle kettenförmig aneinander, sodass sie zusammen wirken können wie ein vergleichsweise starker Magnet. „Diese sogenannten Magnetosomen fungieren als Kompassnadel und richten die Zelle immer am Erdmagnetfelds aus“, erklärt der Biogeophysiker. Während sich andere Bakterien zickzackförmig umherbewegen, schießen die von den Magnetfeldlinien geführten Bakterien geradlinig und zielsicher durch ihr Habitat.

Magnetit-Kristallformen, wie sie in den Magnetzellen von Bakterien und Tieren gefunden werden. © nach R. Frankel

Magnetsinn auch im Taubenschnabel

Der Einstieg in die Erforschung des Magnetsinns von Tieren begann für Michael Winklhofer mit einer Anfrage von Wolfgang Wiltschko, einem Ornithologen an der Universität Frankfurt und Pionier bei der Erforschung des Magnetsinns. Dieser hat herausgefunden, dass er den Magnetsinn bei Tauben lahmlegen kann, indem er ihre Schnäbel betäubt; und er hat gehört, dass die Münchner Geophysiker mit einem hochempfindlichen Magnetometer auch geringste Mengen magnetischen Materials aufspüren können.

Winklhofer und dessen Doktorvater, Professor Nikolai Petersen, vermessen daraufhin die magnetischen Eigenschaften der Schnäbel. Im oberen Teil des Schnabels ist die Konzentration magnetischen Materials auffallend hoch. Seine Kollegin Marianne Hanzlik sieht sich die Schnabelregionen daraufhin unter dem Elektronenmikroskop an.

Nervenenden mit Magnetit

Und tatsächlich: Bei hunderttausendfacher Vergrößerung entdecken sie winzige, wenige Nanometer große Magnetitkristalle in den Endigungen der Nervenzellen. Sie sind damit etwa zehnmal kleiner, wenngleich auch zahlreicher als bei magnetischen Bakterien, und sie sind auch nicht zu Magnetosomenketten angeordnet. In seiner Dissertation führt Michael Winklhofer aber theoretisch aus, dass sich die magnetischen Strukturen prinzipiell als Magnetfeldsensoren eignen, und damit sind diese Nervenendigungen ein erster heißer Kandidat für die lange gesuchte Magnetsinneszelle.