Der Sperber, der nur 25-28 Gramm wiegt, kann während seiner jährlichen Frühjahrswanderung mehr als 4.000 Kilometer von Mexiko nach Alaska fliegen, wobei er manchmal fast 500 Kilometer in einer einzigen Nacht zurücklegt. Die Küstenseeschwalbe legt eine noch längere Reise von 16.000 Kilometern oder mehr vom Polarkreis bis in die Antarktis zurück, während die Bekassine über nahrungsarme Wüsten und Meere wandert und manchmal 6.700 Kilometer in vier Tagen ohne Zwischenstopp zurücklegt.

Während der Brutzeit werden die Mitglieder vieler Vogelarten zu ausdauernden "Ultraläufern", die ganze Kontinente durchqueren. "Sie bewegen ihre Flügel bis zu acht Stunden lang mehrmals pro Sekunde", sagt Soren Coulson, der an der Universität von Memphis die Physiologie der Migration erforscht. Eine vergleichbare Leistung wäre für den Menschen nur möglich, wenn er tagelang ohne Nahrung, Wasser oder Ruhepausen durchlaufen könnte, was undenkbar ist.

- sagt Paulo Mesquita, ein Forscher an der Oklahoma Medical Research Foundation, der sich in seiner Arbeit mit der mitochondrialen Physiologie und der Muskelalterung beschäftigt.

"Sofortige" Athleten

Experten sind seit langem fasziniert von den physiologischen Veränderungen, die Vögel vor und während der Brutzeit durchlaufen. Einige Arten fressen vor ihrer Reise so viel Fett, dass sich ihr Körpergewicht verdoppelt. Manche Vögel vergrößern ihr Herz, um mehr Blut zu pumpen, oder ihr Verdauungstrakt vergrößert sich und schrumpft nach der Wanderung wieder. Doch erst in jüngster Zeit haben Forscher begonnen, genauer zu erforschen, wie ziehende Vögel die Energie erhalten, die sie brauchen, um tagelang ohne Nahrung in der Luft zu bleiben.

Im vergangenen Jahr haben zwei unabhängige Forscherteams Untersuchungen veröffentlicht, in denen sie die Physiologie von Zugvögeln im Labor und im Freiland untersuchten, um herauszufinden, was auf zellulärer Ebene geschieht, damit die Vögel so weite Strecken zurücklegen können. Beide Teams fanden die Antworten auf ihre Fragen in der grundlegendsten Maschine der Biologie, den Mitochondrien.

Ihre Studien zeigten, wie kleine Veränderungen in der Anzahl, Form, Effizienz und Konnektivität der Mitochondrien enorme physiologische Auswirkungen haben können und zu den Langstreckenflügen der Vögel über Kontinente hinweg beitragen.

"Bewegungsphysiologieforscher untersuchen Mitochondrien, weil sie die Energie liefern, die für die Aufrechterhaltung gesunder Zellen und einer ordnungsgemäßen Zellfunktion erforderlich ist, aber auch die Energie, die für Bewegung im Allgemeinen benötigt wird", sagt Mesquita. "Es ist diese Energie, die die Bewegung antreibt."

Pionierstudien über die mitochondriale Leistung und den Vogelzug haben gezeigt, dass nicht die körperliche Vorbereitung, sondern die jahreszeitliche Reaktion auf wechselnde Lichtverhältnisse die entscheidenden subzellulären Veränderungen auslöst, sagt Wendy Hood, Forscherin für physiologische Ökologie an der Auburn University in Alabama. Mesquita hat mit ihr und anderen Forschern während ihres Promotionsstudiums an diesen Problemen gearbeitet. Wie Hood sagt, müssen Menschen lange Zeit trainieren, bevor sie Veränderungen in der Leistung ihrer Mitochondrien feststellen.

Die jüngsten Studien bestätigen, dass lebende Organismen allein als Reaktion auf die Umwelt sehr starke Veränderungen erfahren können, ohne dass die zugrunde liegende genetische Ausstattung verändert wird, sagt Scott McWilliams, ein Experte für Ökologie und Physiologie von Wildtieren an der Universität von Rhode Island, der nicht an den neuen Forschungen beteiligt war. Diese phänotypische Flexibilität bei Vögeln variiert je nach Jahreszeit und Population, und diese Studien gehören zu den ersten, die sie auf mitochondrialer Ebene über Arten und Unterarten hinweg nachweisen, sagt er und fügt hinzu, dass dies von zentraler Bedeutung ist, um zu verstehen, wie Vögel in der Lage sind, diese "athletischen Leistungen" während der Migration zu vollbringen.

Keine Mitochondrien aus dem Lehrbuch

Mitochondrien werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie sind Organellen oder Zellorganellen, die Sauerstoff und Moleküle aus der Nahrung, wie Glukose und Fettsäuren, aufnehmen, um den Brennstoff für die meisten Stoffwechselprozesse, Adenosintriphosphat (ATP), zu erzeugen. Zumindest ist das das, was wir in der Schule über Organellen lernen. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass Mitochondrien viel komplexer und dynamischer sind, als man bisher dachte.

"Früher ging man davon aus, dass alle Mitochondrien mehr oder weniger gleich sind", sagt Christopher Guglielmo, Direktor des Centre for Animal Movement an der Western University. "Aber diese Ansicht hat sich, vor allem in den letzten zehn Jahren, erheblich geändert.

Neue Instrumente, die es den Forschern ermöglichen, die Aktivität der Mitochondrien zu untersuchen, haben eine überraschende Vielfalt offenbart. Einige Mitochondrien produzieren mehr ATP als andere oder sind bei der Produktion effizienter. Die Organellen können verschmelzen oder auseinanderbrechen und dabei ihre Form und Leistung verändern. In einigen Fällen können Mitochondrien sogar zwischen Zellen wandern oder sich auf verschiedene Funktionen spezialisieren.

Diese Entdeckungen über Mitochondrien haben zu einem neuen Verständnis der Evolution bestimmter tierischer Verhaltensweisen geführt. "In den letzten zehn Jahren haben immer mehr Forscher begonnen, Mitochondrien aus ökologischer und evolutionärer Sicht zu untersuchen", sagt Hood. "Mitochondrien sind sicherlich wichtige Ziele für evolutionäre Prozesse."

Guglielmos Kollege Jim Staples, der sich an der Western University mit dem Stoffwechsel von Tieren befasst, hat beispielsweise gezeigt, dass Streifenhörnchen im Winterschlaf ihren Stoffwechsel verlangsamen, indem sie die Leistung ihrer Mitochondrien drastisch reduzieren, so dass sie weniger molekulare Energie verbrauchen und den Winter praktisch ohne Nahrung überstehen. Guglielmo, ein Experte für Zugvögel, ließ sich von seinem Kollegen inspirieren, um zu untersuchen, ob die Veränderungen in den Mitochondrien auch die Fähigkeit der Vögel zum Langstrecken-Superflug erklären könnten.

Coulson, der zu dieser Zeit Doktorand von Staples und Guglielmo war, untersuchte die Gelbschenkel-Kittiwake . Dieser Singvogel nistet in Kanada und überwintert in den Vereinigten Staaten, Mexiko und der Karibik. Zunächst fingen sie während des Herbstzuges der Vögel Individuen ein, die nach Süden flogen, und brachten sie ins Labor. Dort kontrollierten sie, ob sie Licht und Dunkelheit ausgesetzt waren, und bildeten zwei Laborgruppen, eine "brütende" und eine "nicht brütende" Gruppe. Anschließend untersuchten sie die Mitochondrien der eingeschläferten Vögel.

Sie isolierten die Mitochondrien aus den Flugmuskeln und führten dann Labortests durch, um den Sauerstoffverbrauch der Organellen zu messen, der angibt, wie viel ATP die Mitochondrien zur Kontraktion der Muskeln produzieren können. "Wir stellten die Hypothese auf, dass die Flugmuskeln der Vögel einen sehr hohen Energiebedarf haben, wenn sie sich bewegen, um Energie für die Muskelkontraktionen bereitzustellen", sagt Coulson. "Einige dieser Vögel können mehrere Stunden pro Nacht mit sehr hoher Bewegungsintensität fliegen.

Dies deutet laut Coulson darauf hin, dass die Mitochondrien der Vögel während des Zuchtprozesses "angekurbelt" wurden. Nach dem Ende der Reise kehrten die Mitochondrien in ihren normalen Zustand zurück.

"Alle hochregulierten Mitochondrien wurden zu normalen Mitochondrien, und die Zellen wurden die überschüssigen Organellen los", sagt Coulson. "Die Vögel verschwendeten also keine Energie für Funktionen, die sie zu dieser Jahreszeit nicht brauchten."

Die Abenteuer des MitoMobils

Emma Rhodes, Doktorandin in Hoods Labor, simulierte nicht wie die kanadischen Forscher die Bedingungen der Migration in einem Labor, sondern sammelte mit ihren Kollegen Zugvögel, um ähnliche Fragen zu stellen. Ist die Leistung der Mitochondrien bei Zugvögeln anders als bei nicht ziehenden Vögeln?

Um die Vögel zu finden, die sie untersuchen wollten, mussten Rhodes und sein Kollege Mesquita selbst mit ihrer Laborausrüstung wandern. Sie reisten von Alabama nach Kalifornien und zurück - zweimal - in einem mittelgroßen Wohnmobil. Darin befanden sich eine Liege, eine gekühlte Zentrifuge, Labortische und andere wissenschaftliche Geräte zur Analyse von Mitochondrien. Trotz der Probleme mit den Generatoren ermöglichte das mobile Labor, MitoMobile genannt, den Forschern, an verschiedenen Orten Kammspatzenlarven zu sammeln und ihre Mitochondrien vor Ort zu untersuchen.

Rhodes und seine Kollegen machten sich eine bekannte Besonderheit der Kammspatzen-Unterarten zunutze: Einige Arten brüten, andere nicht. Der Gambelsperber zum Beispiel fliegt saisonal zwischen Kalifornien und Alaska, während der Nuttalsperber das ganze Jahr über an der kalifornischen Küste verbringt. Die Forscher fingen wandernde Gambelsperber in der Nähe des Yosemite-Nationalparks, wo die Vögel während der Migration rasten, und nicht wandernde Nuttalsperber wurden in den Marin Headlands nördlich von San Francisco gesammelt.

Wie das kanadische Team stellten Rhodes und seine Kollegen fest, dass die Flugmuskeln der ziehenden Sperber mehr Mitochondrien haben und effizienter sind, da sie mehr Sauerstoff verbrauchen als die Zellkerne der nicht ziehenden Vögel.

Mit denselben Vögeln untersuchte Mesquita, welche Mechanismen für die erhöhte mitochondriale Produktion verantwortlich sein könnten. Seine Forschung konzentrierte sich auf Proteinmarker, die an der Umwandlung von Mitochondrien beteiligt sind, wenn die Organellen ihre Form durch Verschmelzung oder Teilung verändern.

Mesquita und seine Kollegen identifizierten Proteinmarker für dynamische mitochondriale Veränderungen in den Brustmuskeln brütender Vögel, die für den Flug entscheidend sind, während sie in den Beinmuskeln oder in den Muskeln nicht brütender Vögel weniger fanden. Diese Marker könnten damit zusammenhängen, wie gut die Mitochondrien Sauerstoff verbrauchen und damit wie viel Energie sie produzieren.

Die Theorie besagt, dass einige Mitochondrien fusionieren, um ihre ATP-Produktion zu verbessern, während andere abgebaut werden, um die Teile, die nicht richtig funktionieren, loszuwerden. "Wir wissen nicht, ob genau das passiert, aber es ist klar, dass es zu morphologischen Veränderungen kommt", sagt Hood. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Veränderungen in der Form der Mitochondrien eine direkte Rolle dabei spielen könnten, den Vögeln die Energie zu liefern, die sie für lange Flüge benötigen. Diese zelluläre Anpassung hilft zu erklären, wie so winzige Vögel so weite Strecken zurücklegen können.

Doch die verstärkten Mitochondrien haben auch eine Kehrseite. Wenn sie mit Energie versorgt werden, produzieren die Mitochondrien schädliche Moleküle, sogenannte reaktive Sauerstoffspezies, die unter anderem zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können. Wenn Zuchtvögel mehr und stärkere Mitochondrien bilden, wie gehen sie dann mit diesem Problem um?

Ihre Experimente haben auch gezeigt, dass das Antioxidans Vitamin E in die Mitochondrien in den Flugmuskeln von im Labor gezüchteten Vögeln gelangen kann. Dies könnte möglicherweise dem oxidativen Stress auf zellulärer Ebene entgegenwirken. Es sind jedoch noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um besser zu verstehen, wie die Mitochondrien die Vögel mit zusätzlicher Energie versorgen, ohne zu viele reaktive Sauerstoffspezies zu produzieren, sagt McWilliams.

***

Mesquita beschäftigt sich derzeit mit Menschen und nicht mit Vögeln. Ob die Untersuchung von Zugvögeln auf subzellulärer Ebene wirklich auf den Menschen übertragbar ist, ist noch umstritten, aber Mitochondrien sind zweifellos wichtig für die menschliche Alterung, die Mesquita untersucht. Die Forscherin möchte herausfinden, ob ein menschliches Trainingsprogramm oder sogar ein Medikament entwickelt werden könnte, um die Gesamtzahl und Effizienz der Mitochondrien zu erhöhen - und sie damit denen der Zugvögel ähnlich zu machen.

Unabhängig davon, ob dies möglich ist oder nicht, ist er davon überzeugt, dass die Mitochondrien das Zentrum des Universums sind, zumindest was diesen Bereich betrifft, sagt er. Mit der Entwicklung besserer Instrumente zur Untersuchung der zellulären Maschinerie wird immer deutlicher, dass viele physiologische Anpassungen und Krankheiten von der Funktion der Mitochondrien abhängen. Alles, von der menschlichen Fortbewegung bis zum Vogelzug, hängt damit zusammen, sagt Mesquita.