Magnetfeld und Leben 1 - Forschung zur Magnetrezeption

Der in diesem Kapitel angegebene Text ist eine gekürzte Version des Buches und enthält keine Literaturhinweise

1855 veröffentlichte der russische Naturwissenschaftler Aleksandr Middendorf die Abhandlung „Die Isepiptesen Russlands“ über den Vogelzug, in der erstmals geäußert wurde, dass sich Tiere am Erdmagnetfeld orientieren könnten. 1886 vertrat Joseph Jastrow die Meinung, dass ein Magnetsinn existieren könnte.
Die ersten experimentellen Untersuchungen zur Wahrnehmung elektromagnetischer Felder (EMF) fanden aber erst im 20ten Jahrhundert statt.
Erste Untersuchungen zur Elektrorezeption von Welsen machten G. H. Parker und A. P. Van Heusen 1917, bei denen sie herausfanden das die Fische metallische und nichtmetallische Stangen voneinander unterscheiden konnten.
1948 erfolgte eine Arbeit die sich mit Schollen befasste, nämlich „Water movements and earth currents: electrical and magnetic effects“ in „Nature 161“ von N. Barber und M. S. Longuet-Higgins.
1951 veröffentlichte H. W. Lissmann seine Forschungen zum Hecht mit „Continuous electrical signals from the tail of a fish, Gymnarchus niloticus Cuv.“ in „Nature 167“.
1958 erschien „On the function and evolution of electric organs in fish“ in „Journal of Experimental Biology 35“ von Lissmann und in der gleichen Zeitschrift befindet sich der Artikel „The mechanism of object location in Gymnarchus niloticus and similar fish“ von Lissmann und Machin.
Mit der Arbeit „Evidence for a category of electroreceptors in the lateral line of gymnotid fishes“ 1961 von T.H. Bullock, S. Hagiwara, K. Kusano und K. Negishi war eine experimentell fundierte Grundlage für die Elektrorezeption gegeben.
Anfang der 60er Jahre erfolgten einige Untersuchungen auf neurologischer Ebene, und zwar hinsichtlich der Lorenzinischen Ampullen in Haien. Die Lorenzinischen Ampullen sind winzige Sinnesorgane, die sich auf der Haut am Kopf der Haie befinden, und praktisch einzigartig sind. Sie ermöglichen Haien die Wahrnehmung von kleinen elektrischen und magnetischen Spannungen sowie auch von Temperaturunterschieden.
Hierzu sind die Arbeiten von R. W. Murray 1960 in „Nature 187“ und von die Publikation von R. W. Murray 1962 in „Journal of Experimental Biology 39“ zu nennen. Und ebenso die Forschungsergebnisse von S. Dijkraaf, und A. J. Kalmijn veröffentlichte 1963 in „Zeitschrift vergleichende Physiologie 47“ und 1966 in der gleichen Zeitschrift Volume 53. Sowie auch die Publikation von B. Waltmann 1966 in „Acta physiol. scand. 66“.
Ab Mitte der 60er folgten dann wieder allgemeinere Arbeiten wie „Electroperception in sharks and rays“ 1966 in „Nature 212“ von Kalmijn und „Electroreception in the catfish, Amiurus nebulosus“ in „Experientia 24“ 1968 von Dijkraaf.
Es wären noch die Untersuchungen über die elektrischen Sinnesorgane des Katzenwels von A. Roth zu nennen, die er 1968 in „Z. vergl. Physiol. 61“ und 1969 in der gleichen Zeitschrift Volume 65 veröffentlichte.
1971 erschien dann “The Electric Sense of sharks and rays“ im „Journal of Experimental Biology 55“ von A. J. Kalmijn.
1974 publizierte er noch „The Detection of Electric Fields from animate and Animate Sources Other Than Electric Organs“ in “Handbook of Sensory Physiology“ mit der die Betrachtungen über Elektrorezeption auf magnetische Phänomene ausgedehnt wurde.

Anfang der 60er unternahmen H.M. Webb und F.A. Brown, als einer der ersten auf dem Gebiet der magnetischen Rezeption, Versuche in denen sie Plattwürmern wie etwa Dugesia oder Planaria, sowie Einzellern wie dem Pantoffeltierchen, mit elektromagnetischen Feldern behandelten.

Ebenfalls Anfang der 60er unternahm Heinz A. Lowenstam Experimente mit Käferschnecken.

Es folgte 1963 die Publikation von Günther Becker “ Magnetfeld-Orientierung von Dipteren“ in der Zeitschrift „Naturwissenschaften 50“ und im gleichen Jahr erschien eine Untersuchung über die elektrische, magnetische und geographisch-ultraoptische Orientierung des Maikäfers in „Viert. Naturf., Ges. Zurich, 108“ von F. Schneider.
1964 erschien noch „Untersuchungen über die Magnetfeld-Orientierung von Dipteren“ im „Journal of Comparative Physiology 49“ von Günther Becker und Ulrich Speck. Dipteren sind Zweiflügler wie etwa Fliegen.
Von A.T. Krebs und B.W. Benson stammt die Veröffentlichung „Electron spin resonance in Formicidae“ 1965 in „Nature 207“.
Schon seit Mitte der 50er Jahre machte M.F. Barnothy Versuche mit Mäusen, indem sie die Tiere mit magnetischen Feldern bestrahlte und Veränderungen an deren Verhalten als auch am Blut und an den Organen feststellte.

Im Buch dazu weitere 12 Literaturhinweise

Das Heimfindeversuche von Vögeln und Erdmagnetismus zusammen hängen, äußerte A. Daanje schon 1941 mit dem Artikel „Homing and Earth Magnetism“ in der Zeitschrift „Vogelzug 12“. 1948 erschien der Artikel „Homing pigeon in electromagnetic fields“ in „J. Appl. Physics 19“ von C.L. Clark und R. A .Pale und 1954 folgte „Test of the magnetic theory of homing“ in „Science 120“ von A. R. Orgel und S.C. Smith.
Hauptsächlich in den 60er Jahre aber auch bis Mitte der 80er erfolgten eine Reihe von Veröffentlichungen, hauptsächlich über Brieftauben und deren magnetischer Empfindlichkeit.

Aber erst Wolfgang Wiltschko, Zoologe und Verhaltensforscher speziell auf dem Gebiet der Ornithologie, entwickelte Anfang der 1960er Jahre eine Apparatur, mit deren Hilfe Vögel einem bezüglich der Nord-Süd-Ausrichtung veränderlichen, künstlichen Magnetfeld ausgesetzt wurden. Damit gelang dem Forscher der experimentelle Nachweis, dass sich Vögel am Magnetfeld der Erde orientieren, also über einen Magnetkompass verfügen.

Im Buch dazu 67 Literaturhinweise

Anfang der 60er Jahre unternahm A. J. Kalmijn, wie schon dargestellt, seine ersten Untersuchungen mit Haien und Rochen, hauptsächlich über deren elektrische Wahrnehmungsfähigkeit. Es folgte 1978 eine Veröffentlichung über die geomagnetische Orientierung ebenfalls von Haien und Rochen. (siehe dazu „Experimental evidence of geomagnetic orientation in elasmobranch fishes“ in „Animal Migration, Navigation and Homing“).
1981 und 1982 wurden zwei Artikel über die Biophysik der elektrischen und magnetischen Wahrnehmung bei Elasmobranchii von Kalmijn herausgegeben. Elasmobranchii sind Plattenkiemer und stellen eine Unterklasse der Knorpelfische dar. Heute gehören zu ihnen nur noch die Haie und Rochen mit ca. 800 Arten.

Im Buch dazu 5 Literaturhinweise

1978 erfolgten die magnetsensorischen Untersuchungen von M.C. Arendse an Tenebrio wie Mehlwürmer und Amphipoda wie Talitrus oder Flusskrebse . Im gleichen Jahr veröffentlichten Gould, Kirschvink und Deffeyes einen Artikel über den Magnetismus der Bienen.

1980 unternahmen P. Semm, T. Schneider und L. Vollrath Untersuchungen über Effekte des Erdmagnetfeldes auf Zirbeldrüsengewebe von Vögeln. Ebenfalls 1980 machten D. Presti und J D. Pettigrew ihre Untersuchungen mit muskulärem Gewebe bezüglich geomagnetischen Einflüssen.
Es folgten weitere Arbeiten 1882 und 1983 hinsichtlich Drüsengewebe von Brieftauben und Nagetieren von Semm. Sowie 1984 von Semm, Nohr, Demaine und Wiltschko eine allgemeinere Arbeit zur neuronalen Basis eines magnetischen Kompasses. Zur Zirbeldrüse von Tauben wurde 1983 noch eine Untersuchung von Maffei, Meschini und Papi veröffentlicht. Weiterhin kamen 1985 von Demaine und Semm eine Arbeit ebenfalls hinsichtlich Brieftauben heraus und 1986 erschien von Semm und Demaine noch einmal eine Untersuchung zu dem Thema Zirbeldrüsengewebe von Vögeln.

Anfang der 80er Jahre folgten allgemeinere Arbeiten wie “Biomagnetic magnetite as a basis for magnetic field detection in animals“ in „Biosystems 13“ von Joseph L. Kirschvink und J. L. Gould aus dem Jahr 1981.
1983 erschien „Biogenic ferrimagnetism: A new biomagnetism“ und 1985 wurde das Buch „Magnetite Biomineralization and Magnetoreception in Orga-nisms: A New Biomagnetism“ von Kirschvink, Jones und MacFadden publiziert, in dem auch Artikel anderer Forscher wie Bauer, Banerjee, Buskirk, Demitrack, Frankel, Gould, Lowenstam, Mann, Mather, Moskowitz, Perry, Presti, Walker u.a. enthalten sind.

Im Buch dazu weitere 15 Literaturhinweise

Als Biomineralisation wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem als Folge der Lebenstätigkeit von Organismen mineralische Produkte in den Zellen entstehen. Da in der Regel Magnetit, und damit verbundene Prozesse, eine erhebliche Rolle bei der Umsetzung von physikalischer Registrierung in physiologische Prozesse spielen, hat die Biomineralisation ein gewisses Gewicht in der Rezeption von Magnetfeldern.
Zum Thema Biomineralisation und Magnetit existiert mittlerweile eine umfangreiche Sammlung von Publikationen. Erwähnenswert sind hier die Arbeiten von Farina, Dunin-Borkowski, McCartney und Pósfai, die magnetische Mikrostrukturen von magnetotaktischen Bakterien unter anderem mittels Elektronenmikroskopen und Elektroholographie untersuchten.

Im Buch dazu 59 Literaturhinweise

Als weitere wichtige Arbeiten sind die Veröffentlichungen von R.B. Frankel, D.A. Bazylinski, und D. Schüler, und der Forscher aus ihrem Umkreis, aus den 90er Jahren zu nennen. Diese Werke beschäftigen sich hauptsächlich mit Bakterien, Zellen und Zellbestandteilen, wie Mizellen, Membranen oder Magnetosome, und liefern eine Begründung des Magnetsinnes auf mikrobiologischer Ebene. Als Magnetosome bezeichnet man magnetische Partikel (meist Magnetit) in den Zellen von Lebewesen. Sie bilden die Basis für die Orientierung in Magnetfeldern. Mizellen (auch Assoziationskolloide genannt) sind Aggregate aus sogenannten amphiphilen Molekülen und spielen in Zellprozessen eine Rolle.

Im Buch dazu 43 Literaturhinweise

Magnetotaktische Bakterien sind zu einem feststehenden Begriff in der heutigen Biologie geworden. (siehe dazu auch das Buch „Mikrobiologie des Meeres“ Seite 148 von Lutz-Arend und Meyer-Reil aus dem Jahr 2005)
Das 1975 von R. P. Blakemore entdeckte Magnetospirillum magnetotacticum bzw. Aquaspirillum magnetotacticum wird in der heutigen Biologie als ein gramnegatives, mikroaerophiles, spiralförmiges, durch Geißel bewegliches und zur Aerotaxis fähiges Bakterium beschrieben.
1992 entdeckten Schüler und Köhler sogar eine neue magnetotaktische Bakterienart, die sie im „Zentralbl. Mikrobiol. 147“ veröffentlichten und im selben Jahr erschien auch das Buch „Magnetospirillum“ von Schleifer, Schüler and Ludwig. Um das Bakterium Magnetospirillum herum gruppieren sich mittlerweile zahlreiche eigenständige Veröffentlichungen, viele davon aus der jüngeren Zeit.

Im Buch dazu 51 Literaturhinweise

Im Zusammenhang mit magnetotaktischen Bakterien und Magnetit ist hier noch der 1,9 kg schwere Meteorit ALH 84001 zu nennen. Der Meteorit wurde 1984 im Allan-Hills-Eisfeld in der Antarktis gefunden. Aber erst 1993 geschah die Identifizierung als Marsmeteorit. (den sogenannten SNC-Meteoriten)

Im Vergleich zu anderen Marsmeteoriten, die meistens ein relativ junges geologisches Alter haben, entstand ALH 84001 bereits vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Aufgrund von Messungen des Bestrahlungsalters wurde ALH 84001, vermutlich durch den Aufschlag eines größeren Asteroiden auf dem Mars, vor etwa 15 bis 17 Millionen Jahren, von der Marsoberfläche weggeschleudert. Vor etwa 13000 Jahren soll er dann auf der Erde gelandet sein.

1993 erfolgte eine Untersuchung des Meteoriten durch Bradley, Harvey, und McSween. Sie fanden dünne längliche kristalline Gebilde, die auch als Haarkristalle bezeichnet werden und Strukturen die sie als Thrombozyten (Blutplättchen) interpretierten.

1997 erfolgte eine Untersuchung durch Kirschvink, Maine, und Vali die zu dem Schluss kam, das die im Meteoriten enthaltenen Karbonate bei niedrigen Temperaturen entstanden sind.
Zwischen 1994 bis 1999 fanden auch eine Reihe allgemeiner Untersuchungen statt, in denen der Meteorit auf Alter, Carbonate, Isotope und Gase hin überprüft wurde.

Das Alter der im Meteoriten enthaltenen Karbonatbläschen ist bei den genannten Untersuchungen auf etwa 4 Milliarden Jahren bestimmt worden. Wenn die Magnetosomen in den Karbonatbläschen organischen Ursprungs sind (es ließ sich bei den Untersuchungen nicht genau bestimmen ob die Magnetosome organischen oder anoranischen Ursprung besitzen) wäre das der älteste Beweis für Leben der bisher gefunden wurde. (Die ältesten fossilen Funde auf der Erde sind alle etwa 500 Millionen Jahre jünger) Vorausgesetzt die Magnetosomen in den Karbonatbläschen sind organischen also bakteriellen Ursprungs impliziert das Alter der Magnetosomen im Meteoriten, dass Magnetrezeption das ursprüngliche also erste Sensorsystem überhaupt darstellt.

Im Buch dazu 42 Literaturhinweise

Hinsichtlich Detektion, Rezeption und Orientierung an magnetischen Feldern ist inzwischen, bei einer ganzen Reihe von Lebensformen, die entsprechende Sensorik gefunden worden. Und zwar bei:

Aale
Ameisen
Amphipoda wie Talitrus oder Flusskrebse
Bakterien
Bienen und Hummeln
Dipteren also Zweiflüglern wie Fliegen
Fledermäuse
Insekten
Langusten
Lurche wie Salamander
Mollusken also Weichtiere wie Muscheln oder Schnecken
Nagetiere
Prokaryoten
Rotkehlchen
Regenwürmer
Salmonidae wie Forellen oder Lachse
Schildkröten
Schmetterlinge
Sing- und Zugvogelarten wie Gartengrasmücken, Stärlinge, Fliegenschnäpper, Rohrsänger, Honeyeater, Ammern, Spatzen, Möwen
subterrane Säugetiere wie Graumulle, Blindmäuse
Tauben
Tenebrio wie Mehlwürmer
Wasserwirbeltiere wie Fische, Frösche

Im Buch dazu 312 Literaturhinweise

Die Arbeiten von Bazylinski, Frankel, Kalmijn, Kirshvink, Lohmann, Mann, Schüler, Schulten, Semm, Walker und Wiltschko sowie der Wissenschaftler aus ihrem Umfeld, begründen und belegen die Wahrnehmung von magnetischen Feldern auf molekularer, mikrobiologischer und physiologischer Ebene und gehören daher zu den grundlegenden Werken zum Magnetsinn.
Allgemein wird in der Biologie Magnetotaxis als die Orientierung der Bewegungsrichtung von Lebensformen in einem Magnetfeld bzw. am magnetischen Feld der Erde beschrieben. (siehe auch „Lehrbuch der Botanik“ begründet von Strasburger, Noll, Schenck und Schimper, 34. Auflage, S. 427)
Der Magnetsinn (wie er inzwischen in der Biologie genannt wird), also die Fähigkeit das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen und sich in ihm zu orientieren, wird seit Mitte der 1960er Jahre, also seit 45 Jahren, an vielen Lebensformen experimentell nachgewiesen, wie gezeigt werden konnte.
Man weiß inzwischen auch, dass bereits kleinere Schwankungen des natürlichen Erdmagnetfeldes die Orientierung der Tiere beeinflussen können. Das Magazin „Proceedings“ der britischen Royal Society (Ausg. 269 Nr. 1487) berichtet, dass Forscher aus Großbritannien vor kurzem zeigen konnten, dass Mäuse ohne ein natürliches Magnetfeld in ihrer Umgebung schmerzempfindlicher reagieren. Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass ein verstärktes Magnetfeld die Schmerzempfindlichkeit von Nagetieren senkt.

Nervensysteme scheinen empfindlich gegenüber Änderungen
im natürlichen Magnetfeld zu sein

Das legt die Annahme nah, dass bereits geringfügige Änderungen im Feld der Erde, sich auf das Nervensystem auswirken können.

Das weiterführende Buch: Planetare Systeme der Erde

Die Theorie, die in diesem Buch entwickelt wird, basiert auf der Neuauflage und Erweiterung einer alten Idee. Es handelte sich um die Idee eines Zentralkörpers, vorzugsweise in Kugelgestalt, um den herum und/oder in dem sich konzentrische Schichtungen gebildet haben. Demokrit war der erste der diese Idee mit seiner Atomtheorie vertrat und sich dabei die Atome als feste und massive Bausteine vorstellte.
Wird für das Atom ein Wellenmodell zugrunde gelegt, dass es gestattet konzentrische Schichtungen als Ausdruck eines räumlichen radialen Oszillators zu interpretieren, so gelangt man zum derzeit geltenden Orbitalmodell der Atome.

In diesem Buch wird nun gezeigt, dass diese oszillatorischen Ordnungsstrukturen auch auf die Erde und ihre Schichtungen (geologisch und atmosphärisch) umsetzbar sind. Darüber hinaus lässt sich die Theorie auch auf konzentrische Systeme anwenden, die nicht kugelförmig sondern flächig sind, wie das Sonnensystem mit seinen Planetenbahnen, den Ringen die manche Planeten besitzen und die Monde von Planeten oder auch die Nachbargalaxien der Milchstrasse. Auch auf Früchte und Blumen ist dieses Prinzip anwendbar, wie Pfirsich, Orange, Kokosnuss, Dahlie oder Narzisse.

Das lässt den Schluss zu, dass die Theorie eines Zentralkörpers als räumlicher radialer Oszillator auch auf andere kugelförmige Phänomene angewendet werden kann, wie z.B. kugelförmige galaktische Nebel, schwarze Löcher oder sogar das Universum selber.
Das wiederum legt die Vermutung nahe, dass die Idee des Zentralkörpers als räumlicher radialer Oszillator ein allgemeines Prinzip der Strukturgebung in diesem Universum darstellt, sowohl makroskopisch, als auch mikroskopisch und submikroskopisch.

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