Modelle hypothetischer Magnetfeldrezeptoren auf der Grundlage biogenen Magnetits

Die Arbeit geht der Frage nach, wie Tiere [z. B. Vögel, Bienen], die sich am Erdmagnetfeld orientieren, dieses wahrnehmen. Zunächst werden gängige Modelle diskutiert, wie die sog. „Magnetit-Hypothese“, der zufolge die Magnetfeldenergie über biogenes ferromagnetisches Material wie mit einer Kompaßnadel wahrgenommen werde, oder das „KG81-Modell“, nach dem superparamagnetische Magnetit-Teilchen in Wechselwirkung zueinander träten, die als Abstoßungs-/Anziehungskraft physiologisch wahrnehmbar sei. Ausgehend davon werden drei neue Modelle entwickelt, ein magneto-elastischer Rezeptor [Partikel in elastischer Matrix], ein Ferrovesikel-Modell [bewegliche Partikel in viskoser Flüssigkeit in Membranhülle] und ein Ferromembran-Modell [Partikel in Zellmembran]. Davon ist das Ferrovesikel-Modell von besonderem Interesse, weil nur die Membran verformt wird, es sich biologisch sinnvoll einsetzen läßt und die Ausrichtungszeit am äußeren Feld eine rasche Reaktion der Sinneszellen erlaubt. Damit stünde ein leistungsfähiger Rezeptor zur Verfügung, mit dem Achsenrichtung und Intensität eines schwachen äußeren Magnetfelds bestimmt werden könnten. The work investigates the problem of how animals which use the Earth´s magnetic field for navigation during migration and homing [e. g. birds, salmon] can perceive this magnetism. First, current models are discussed, in particular those related to the „magnetite hypothesis“. According to this hypothesis, the magnetic energy is detected through biogenic ferrimagnetic material, which has been identified in tissues of different animals. Ferrimagnetic crystals for example could act as microscopic compass needles, or - as proposed by Kirschvink and Gould [1981] - could interact with each other, thereby producing attractive and repulsive forces that may be perceived physiologically. The main part of the work consists of the development of three new physical models for a possible magnetoreceptor based on superparamagnetic magnetite particles; the magneto-elastic receptor model [particles in elastic matrix], the ferro-vesicle [moving particles in a viscous liquid enclosed by a vesicle membrane] and the ferro-membrane model [particles attached to the cellular membrane]. Of these, the ferro-vesicle is of particular interest as it allows for a fast and sensitive response to changes in the external magnetic field, which is a necessary condition to sense the comparatively weak magnetic field of the Earth.