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ORNITHOLOGIE/106: Die Farben der Vögel - Teil 1 (Der Falke)


Der Falke - Journal für Vogelbeobachter 1/2009

Die Farben der Vögel (1)

Von Friederike Woog


Wie ein pfeilschneller schillernder Edelstein flitzt der Eisvogel an uns vorbei, sitzt auf seiner Warte, stößt ins Wasser und taucht glitzernd mit einem Fisch im Schnabel wieder auf. Vogelbeobachter wie Angler freuen sich über diesen kleinen Vogel, der so farbenprächtig daherkommt. Aber was macht den Eisvogel eigentlich so bunt?


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So sehr wir im blau schillernden Gefieder des Eisvogels nach blauen Pigmenten suchen, wir finden keine. Zerreiben wir die Feder, verschwindet das Blau. Der Farbeindruck entsteht durch feine Mikrostrukturen innerhalb der Feder, und zwar durch ein ausgeklügeltes System der Lichtbrechung. So wird das Licht in einer Weise von den Mikrostrukturen reflektiert, die den Farbeindruck in unserem Auge verstärken, beim Eisvogel das Blau. Auch andere Vögel wie Eichelhäher, Pfau, Stockente oder Kolibri bedienen sich dieses Prinzips. Generell gilt: Schillert eine Farbe, dann sind Mikrostrukturen innerhalb der Feder im Spiel, sie heißen daher auch Strukturfarben. Durch Zusammenspiel von dünnen Plättchen oder luftgefüllten Hohlräumen und einfallendem Licht entstehen unterschiedliche Farbeindrücke. Je nach dem Feinbau der Strukturen ergeben sich neben schillernden Farben auch stumpfe Farbeffekte, wie beispielsweise beim Wellensittich.


Was macht Vögel bunt?

Die überwiegende Mehrzahl der Vögel wird jedoch durch Pigmente bunt, die in die Federn eingelagert sind. Chemisch handelt es sich vorwiegend um Carotinoide und Melanine, doch gibt es auch eine Reihe ausgefallener Pigmente, die die Vögel quasi "erfunden" haben und die sich sonst nirgendwo im Tierreich finden. Struktur- und Pigmentfarben sind bei Vögeln auch oft gemeinsam anzutreffen, sei es verteilt auf verschiedene Körperpartien oder Abschnitte einer Feder. Manchmal sind Pigmente in Mikrostrukturen eingelagert und ergeben ganz spezielle Farbeffekte.


Schillern und Leuchten - wie funktioniert das?

Schon der Physiker Isaac Newton (1643-1727) vermutete, dass regenbogenartig schillernde Farben durch Lichtbrechung und Reflexion an dünnen Strukturen zustande kommen, klassisches Beispiel dafür ist das Farbspiel in Seifenblasen oder in einem feinen Ölfilm auf einer Pfütze. Fällt Licht auf einen solchen dünnen, durchsichtigen Film, werden manche Lichtstrahlen an der Oberfläche des Films reflektiert, andere erst an der Unterseite des Films, manche Lichtstrahlen durchdringen dagegen den Film. Wie ein Lichtstrahl reflektiert oder durchgelassen wird, hängt vor allem von der optischen Eigenschaft des Ölfilms ab sowie dem einfallenden Licht, insbesondere seiner Zusammensetzung (seiner Mischung von Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen) und seinem Einfallswinkel. Je nach Dicke des Ölfilms und dem Blickwinkel leuchten die Farben. Werden Lichtstrahlen der gleichen Wellenlänge gemeinsam reflektiert, können sie sich gegenseitig positiv verstärken: Es kommt zur sogenannten optischen Interferenz. Da je nach Betrachtungs- oder Einfallswinkel Licht unterschiedlicher Wellenlänge zur Interferenz gelangt, ergeben sich Schillereffekte.

In der Vogelfeder befindet sich natürlich kein Ölfilm, hier sind es dreidimensionale Strukturen aus dem Baustoff der Feder, dem Keratin. Eingebaut in diese Strukturen sind manchmal Pigmente, als Hintergrund (z. B. Schwarz, wie bei einem Spiegel) oder als fein verteilte Pigmentkörnchen. Die Vielzahl der Farbe erzeugenden Mikrostrukturen in der Vogelwelt ist beeindruckend. Ihre genaue Beschaffenheit wird erst in jüngster Zeit von Physikern und Biologen genauer unter die Lupe genommen. Noch längst sind nicht alle Feinstrukturen bekannt. Je nach Anordnung und Bauplan rufen sie einfarbige oder in mehreren Farben schillernde Effekte hervor. Neben der oben genannten Interferenz spielt hierbei auch die wellenlängenabhängige Lichtstreuung (Dispersion) an den Strukturen eine Rolle, die nicht-schillernde Farbeffekte hervorruft (Tyndalleffekt).


Farbigkeit durch Lichtstreuung - Papageien & Co

Bei den Papageien finden sich Strukturen, die das Licht streuen, schon in den Ästen der Federn. Schneidet man diese quer, so erkennt man im Inneren dicht mit dunklen Farbstoffen (Eumelaninen) bepackte Markzellen, die von Riesenzellen umgeben sind, in denen winzige Körnchen aus Melanin fein verteilt sind. Die blaue Farbe von Papageien (z. B. des Wellensittichs) entsteht in diesen Riesenzellen: Dort streuen die Körnchen das Licht, und zwar nur seine kurzwelligen Anteile (ganz ähnlich erscheinen blaue Augen blau). Auch der Eichelhäher und verschiedene Prachtfinken nutzen den Tyndalleffekt.


Fliegende Edelsteine

Das Schillern des Taubenhalses, der Flügel der Rabenvögel und das Glänzen beim Hahn entsteht an Mikrolamellen in abgeflachten und parallel stehenden Federstrahlen. Kolibris haben ebenfalls Mikrolamellen in ihren Federstrahlen, allerdings sind diese nicht abgeflacht, sondern in sich der Länge nach gefaltet und versetzt angeordnet. Die Mikrolamellen auf der Oberseite erzeugen die Schillerfarben und die auf der Unterseite verteilen und verstärken sie. Je nach Einfallswinkel des Lichtes sehen die Vögel von einer Seite aus wie ein Rubin, von der anderen wie ein Smaragd.

Auch viele weiße Federn verdanken ihr Erscheinungsbild der Federfeinstruktur. Der weiße Eindruck entsteht, wenn Licht aller für unser Auge wahrnehmbaren Wellenlängen reflektiert wird. Unter dem Elektronenmikroskop erscheinen die "Weiß" erzeugenden Strukturen kompakt kristallin, mit vielen eingelagerten Luftbläschen.

Einige Vögel haben insbesondere im Bereich der Augen häutige Anhänge oder bunt erscheinende Haut. Während diese bei manchen durch Carotinoide (s. u.) oder den Blutfarbstoff Hämoglobin verursacht werden, gibt es grünliche und bläuliche Färbungen, die allein auf Strukturfarben zurückzuführen sind. Beispiele finden sich beim beim Kopf vom Nacktgesichtkotinga (Procnias nudicollis), den häutigen Kopfanhängen vom Seidenjala (Philepitta castanaea), oder Langschnabelnektarjala (Neodrepanis coruscans) und dem blauen Augenring des Riesentukans (Ramphastos toco).


Photonischer Hightechpfau

Sehr raffinierte Strukturen zur Farbgebung finden sich in der Pfauenfeder: Legt man die Spitzen der feinen Verzweigungen einer Pfauenfeder unter das Raster-Elektronenmikroskop, so werden Schichten dreidimensionaler kristallartiger Strukturen sichtbar. Sie sind mehr als hundertmal dünner als ein menschliches Haar und bestehen aus regelmäßig angeordneten Stäbchen aus Melaninpigment, die mit Keratin verbunden sind.

Auf diese Weise entsteht eine Art Gitter, das in seiner Struktur photonischen Kristallen ähnelt. Photonische Kristalle sind winzige periodische Strukturen, bei denen die einzelnen Elemente ungefähr so groß wie eine Lichtwelle sind. Sie stehen seit einigen Jahren im Zentrum der angewandten Forschung im Bereich der Nanotechnologie, weil man sie zur Leitung von Photonen in der Nachrichten- und Computertechnik benutzen möchte. Die neu entdeckten Federstrukturen der Pfauen könnten hierfür nützlich sein. Kleine Variationen in der gitterartigen Anordnung, den Abständen zwischen den Melaninstäbchen und der Anzahl der Schichten, führen dazu, dass Licht verschiedener Wellenlängen in bestimmter Weise reflektiert oder herausgefiltert wird. Dadurch entstehen die für das Pfauengefieder typischen Farbtöne von metallischblau bis bronzegelb.


Pigmentfarben: Nicht nur in Karotten

Die Farben der über 600 bekannten Carotinoide reichen vom gelben Lutein der Studentenblume bis zum roten Capsorubin der Paprika. Dass wir mit pflanzlichen Beispielen anfangen, hat seinen Grund: Pflanzen können Carotinoide nämlich synthetisieren, Tiere dagegen nicht; sie sind auf die Carotinoide angewiesen, die sie mit der Nahrung aufnehmen.

Neben ihrer färbenden Wirkung sind Carotinoide wichtig für die Gesundheit, auch beim Vogel (der aber nicht wie wir Karotten oder rote Paprika essen muss). Bekannt sind Carotinoide als Vorstufen für das Vitamin A; im Blut wirken sie als Antioxidantien, indem sie freie Sauerstoffradikale binden und so krebserregende Stoffe unschädlich machen.

In den Fällen, in denen Tiere Carotinoide nicht nur aus physiologischen Gründen benötigen, sondern diese auch noch als Farbgeber nutzen, sind sie auf besonders carotinoidhaltige Nahrung angewiesen. So stammt das Rosa im Gefieder der Zwergflamingos aus mit der Nahrung aufgenommenen Pigmenten von Cyanobakterien der Gattung Spirulina. Andere Flamingoarten wie Rosaflamingos fressen kleine Salinenkrebse (Artemia), die Carotinoide mit Algen aufgenommen haben. Da diese spezielle Nahrung bei der Tierhaltung nicht einfach zu beschaffen ist, behelfen sich zoologische Gärten damit, der Nahrung künstliche Farbstoffe zuzusetzen.


Carotinoide bei heimischen Vogelarten

Carotinoide finden sich auch bei unseren einheimischen Vögeln als Farbpigmente: So lassen gelbe Carotinoide das Gefieder der Goldammer und den Flügelstreifen beim Erlenzeisig gelb aufleuchten. Auch das Gelb der Kohl- und Blaumeise beruht auf Carotinoiden, die zur Hauptsache über ihre Insektennahrung aufgenommen werden.

Carotinoide sind auch in unbefiederten Körperteilen anzutreffen. Sie sind an der roten Färbung des Hahnenkamms und des nackten Truthahnhalses beteiligt. Auch der gelb-orange Schnabel der Amsel, der rote Schnabel des Weißstorchs und das gelbe Gesicht des Schmutzgeiers verdanken sich Carotinoiden. Die Rachen von Vogelküken werden ebenfalls durch Carotinoide gelblich bis rötlich; hier beeinflusst jedoch auch die Durchblutung die Intensität der Färbung.


Du bist was du frisst

Bei den Männchen der nordamerikanischen Hausgimpel (Carpodacus mexicanus) variiert die Gefiederfärbung von blassgelb bis leuchtend rot. Die Vögel sind so unterschiedlich gefärbt, da sie während dem Gefiederwechsel unterschiedliche Mengen an Carotinoiden in die Federn einlagern. Warum ist das so? Zum einen kommt es darauf an, was die Vögel in der Zeit des Gefiederwechsels fressen, zum anderen ist jedoch auch ihr Immunsystem Ausschlag gebend: Werden Carotinoide für das Immunsystem benötigt, können sie nicht mehr ins Gefieder eingelagert werden, der Vogel wird dann blasser und behält dieses blasse Federkleid bis zur nächsten Mauser.


Ob rot ob braun - Phäo- und Eumelanine

Anders als die Carotinoide können Wirbeltiere das Pigment Melanin aus der Aminosäure Tyrosin selbst aufbauen. Je nach Syntheseweg werden Eumelanine oder durch Zusatz der Aminosäure Cystein Phäomelanine hervorgebracht. Eumelanine sind für die braunen bis schwarzen Farbtöne verantwortlich (z. B. beim Haussperling, Trauerschnäpper, Eichelhäher, vielen Watvögeln), während Phäomelanine für braunrote bis rote Gefiedertöne sorgen (z. B. bei Hühnern, Rauchschwalben, Turmfalken oder der Stockente). Ist eines der Gene, welches das für die Melaninsynthese notwendigen Enzyme codiert, fehlerhaft (mutiert), so wird ein falsches oder gar kein Enzymprotein hergestellt. Folglich kann der Organismus keinen braunen oder schwarzen Farbstoff Melanin produzieren. Auf diese Weise kommt es zu Albinismus: Die Tiere sind völlig weiß, die Augen erscheinen wegen des fehlenden Melanins rötlich. Das gelegentliche Auftreten weiß-gescheckter Amseln ist dagegen ein Teilalbinismus: Die Augen sind dunkel, und die rezessiven Gene lassen nur in unterschiedlichen Körperpartien weiße Federn entstehen. Ein anderes Beispiel für eine Farbabweichung sind die "Immutabilis"-Tiere beim Höckerschwan. Bei Jungschwänen sind manche Geschwister grau (die "normale" Färbung in diesem Alter), andere weiß. Diese helle Färbung wird durch den Ausfall eines Enzyms zur Eumelaninbildung hervorgerufen und betrifft auch die Beine der Schwäne, die selbst nach dem Erwachsenwerden fleischfarben bleiben.

Werden dagegen mehr Melanine als üblich eingelagert, werden diese Tiere dunkler als gewöhnlich, man nennt sie "melanistisch".


Vogelspezialfarben

Die bunten Turakos aus Afrika (Familie der Musophagidae) haben ihren ganz eigenen Farbstoff entwickelt: das grüne Turacoverdin und das rote Turacin. Zusammen mit Melaninen kann Turacoverdin zusätzlich violette Farbtöne erzeugen. Turacoverdin und Turacin gehören zu der Stoffklasse der Porphyrine, die als Bausteine von Hämoglobin und Chlorophyll wichtig sind. Die Abbauprodukte des Hämoglobins werden in Form der Gallenfarbstoffe Biliverdin und Bilirubin zum Beispiel in Eischalen wieder verwendet: Ooporphyrin ist für die rötliche bis schwarze Färbung von Eischalen verantwortlich, z. B. bei Lachmöwe und Kiebitz. Blaue bis blaugrüne Eifärbungen wie z. B. bei Heckenbraunelle oder Gartenrotschwanz werden durch Oocyan hervorgerufen, das aus Bilirubin gebildet wird.

Weitere Porphyrin-Abkömmlinge sind ein mit Turacoverdin verwandter Farbstoff, der die Straußwachteln (Rollulus roulroul) grün färbt, und das Phasianoverdin, das für den grünen Bauch des Blutfasans (Ithaginis cruentus) verantwortlich ist. Pigmente aus dieser Stoffgruppe sind auch das grüne Zooprasinin einer in Mittel- und Südamerika verbreiteten Blatthühnchenart (Jacana jacana) und das rötliche Koproporphyrin III, das zur Färbung afrikanischer Rotschopftrappen (Eupodotis ruficristata) beiträgt.

Es werden aber nicht nur die Abbauprodukte sondern auch die intakten Porphyrine in Form des Hämoglobins der roten Blutkörperchen als Farbgeber genutzt, indem federlose Hautpartien reich durchblutet sind, wie beim Kehlsack männlicher Fregattvögel.

Als Pigmente treten bei Vögeln noch weitere Stoffklassen in Erscheinung, die einmalig im Tierreich sind: Das Rot und Gelb im Gefieder vieler Papageien (z. B. beim Arakanga Ara macao oder beim Edelpapagei Eclectus roratus) entsteht durch Psittacofulvine, einer ganz eigenen Farbstoffgruppe. Grüne Farbtöne werden bei Papageien durch gelbes Psittacofulvin und eine blau streuende Strukturkomponente in der Feder erzeugt. Bei einigen Papageien, z. B. auch den Wellensittichen, fluoreszieren manche Bereiche des durch Psittacofulvin gelb gefärbten Gefieders im ultravioletten Licht.

Auch Abkömmlinge von Purinen, die Bausteine der Nucleinsäuren sind, dienen als Farbpigmente. Man findet sie in der Iris des Trauerseidenschnäppers (Phainopepla nitens) und des Eichelspechts (Melanerpes formicivorus); die Augen des Uhus erhalten hingegen durch das Pterin ihre Bernsteinfarbe.

Für andere Pigmente ist die chemische Natur noch nicht näher charakterisiert. So ist noch unbekannt, welche Moleküle das spezielle Grün im Gesicht männlicher Eiderenten hervorbringen.


Schminkkasten der Natur

Nicht alle Tiere lagern Farbpigmente ein, teilweise tragen sie sie von außen auf. Normalerweise haben Bartgeier (Gypaetus barbatus) eine helle Brust. Wenn roter Schlamm vorhanden ist, baden sie darin und ihre Brust färbt sich rostorange durch Eisenoxide, die nichts anderes sind als Rost. Zwar färbt das so geschminkte Gefieder ab, aber vollständig entfernen lässt sich die Farbe nicht mehr. Bartgeier auf Kreta und Korsika sind bleich - dort gibt es den roten Schlamm nicht. Die Funktion des Schlammbadens ist unklar. Es könnte gegen Parasiten und Bakterien helfen, ähnlich wie die Carotinoide ein Statussignal sein und eine Rolle bei der Partnerwahl spielen. Ältere Bartgeier sind meist kräftiger rot als jüngere, und Weibchen stärker gefärbt als Männchen.

Auch Schneegänse, Schwäne, Kraniche und andere Wasservögel haben manchmal rötliche Hälse oder Bauchseiten, die durch den Kontakt mit eisenoxidreichen Gewässern verursacht werden. Sehr verwirrend für Vogelkundler sind manchmal auch die Köpfe Nektar fressender Vögel - sie tunken ihre Schnäbel so tief in die Blüten, dass sie vom Blütenpollen ein ganz gelbes Gesicht bekommen.

Wir sehen also: Die Art und Weise, wie Vögel sich färben, sei es durch eingelagerte Pigmente, sei es durch Strukturfarben, ist vielfältig. Wir wissen nun, wie manche der Farben bei Vögeln zustande kommen, aber nur aus unserem eigenen Blickwinkel betrachtet. Sehen Vögel genauso wie wir? Oder sieht ihre Welt ganz anders aus als unsere? Warum sind manche Vögel überhaupt so bunt, während andere unscheinbar daherkommen? Diesen Fragen werden wir in den nächsten zwei Beiträgen nachgehen.


Dr. Friederike Woog ist Kustodin der ornithologischen Sammlung am Staatlichen Museum für Naturkunde Stuttgart. 2004 realisierte sie die Ausstellung "Farben der Natur".

Strukturfarben werden durch Reflexion und Streuung von Licht an feinen Strukturen innerhalb der Feder erzeugt, wie beim Eisvogel, Kolibri oder Kopf der männlichen Stockente.

Pigmentfarben bestehen aus Melaninen (z. B. beim Haussperling), Carotinoiden (z. B. beim Flamingo) oder speziellen Stoffen, die Vögel eigens "entwickelt" haben (z. B. bei den Turakos oder den Papageien).


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Quelle:
Der Falke - Journal für Vogelbeobachter 1/2009
56. Jahrgang, Januar 2009, S. 14-20
mit freundlicher Genehmigung des AULA-Verlags
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veröffentlicht im Schattenblick zum 16. Januar 2009