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Tierisch müde

Die einen schlafen 20 Stunden täglich, andere womöglich im Fluge oder gar nicht. Kann das skurrile Schlummerverhalten von Säugern und Vögeln auch die Evolution des Phänomens Schlaf erklären?
aus SPIEGEL Wissen 4/2009

Kalia will nicht schlafen. Nicht heute. Nicht morgen. Nicht in einer Woche. Am liebsten erst mal gar nicht. Seit sie auf der Welt ist, geht das so mit dem Schwertwal-Baby des »SeaWorld«-Vergnügungsparks in San Diego, Kalifornien.

Ständig in Bewegung ist das Tier, zieht seine Kreise im 6400 Kubikmeter großen Wasserbecken. Und direkt neben ihm schwimmt, rastlos, Kasatka, geschätzte zweieinhalb Tonnen schwer, die Mutter der Kleinen.

»Wir haben alle das Gefühl, dass die Tiere unglaublich müde sein müssten«, sagt SeaWorld-Veterinär James McBain, »aber sie scheinen es nicht zu sein.«

Über vier Wochen lang navigierten Kalia und ihre Mutter nach der Geburt des Walkalbs 2004 ohne Unterlass durch einen Pool des Zoos. Und Jerome Siegel, Schlafforscher an der University of California in Los Angeles, staunt darüber bis heute. »Die Tiere taten wochenlang nichts, was nach Schlaf aussah«, erinnert sich der Forscher, »dies widerspricht fundamental der Vorstellung, dass Schlaf essentiell für die Entwicklung von Gehirn und Körper ist.«

Der Schlaf der Schwertwale ist ein Phänomen. Sind sie jung, schlafen sie fast gar nicht. Später döst immer nur ihr halbes Hirn. Träumen tun sie vermutlich nie. Und mit ihrem extravaganten Schlafgebaren sind sie nicht einmal allein im Tierreich.

Tiere schlafen, wie ihnen Schnabel und Schnauze gewachsen sind. Bis zu sieben Monate im Jahr ruht das Alpenmurmeltier. Die Giraffe bringt es gerade mal auf vier Stunden pro Nacht. Dsungarische Zwerghamster fallen am Tag in den Starrezustand, nachts sausen sie wieselflink durch ihre unterirdischen Gänge. Das Faultier wiederum ist gar nicht so faul. Es schläft mit neuneinhalb Stunden kaum länger als der Mensch.

Nichts scheint unmöglich im Reich der Siebenschläfer und Nachtschwalben. Und die Forscher zerbrechen sich die Köpfe: Wie kommt die Vielfalt zustande? Welchen universellen Sinn mag das Schlafen haben, wenn doch jedes Tier anders schläft? Das große Verhaltensspektrum lasse Rückschlüsse auf die Evolution des Schlafens zu, meint Siegel. Und noch mehr: Aus dem Schlafverhalten der Tiere will Siegel den tieferen Sinn des Kuriosums Schlaf lesen.

»Die wesentliche Frage ist doch, warum Mutter Natur überhaupt so ein eigentümliches Phänomen hervorgebracht hat«, sagt Patrick McNamara, Neuropsychologe an der Boston University. Zusammen mit Kollegen hat der Forscher ein Projekt zur Stammesgeschichte des Schlafs gestartet. In einer Datenbank haben die Gelehrten das Schlafverhalten von bereits rund 150 Säugetierarten dokumentiert. McNamara: »Anders als beim Sex, bei der Jagd oder beim Fluchtverhalten ist die Funktion von Schlaf nicht offensichtlich.«

Allerlei Wundersames hat die Zunft der Somnologen bereits zusammengetragen. Ochsenfrösche etwa sitzen zwar des öfteren bräsig da, schlafen aber nie. Anders der Kuba-Laubfrosch Osteopilus septentrionalis, der Zebrafisch oder die Fruchtfliege: Bei ihnen stellt sich bisweilen eine Art Schläfrigkeit ein.

Schlaf, wie ihn der Mensch kennt, scheint es indes nur bei Säugern und Vögeln zu geben. Längst haben die Forscher ausgefuchste Methoden ersonnen, um die tierischen Schläfer zu belauschen. Elektroden werden ins Gehirn der Tiere implantiert, um die Aktivität des Denkorgans als Elektroenzephalogramm (EEG) aufzuzeichnen. Verhaltensforscher protokollieren minutiös, wie stark die Erektion träumender Ratten ist, ob Flamingos nächtens das Standbein wechseln oder wie oft Löwen im Schlaf mit den Augen zucken.

Eine hochentwickelte Spähtechnik kommt zum Einsatz. Ultraschallsonden und Peilsender setzten Forscher der University of Tasmania ein, um australische Kurzschnabeligel in ihren Winterschlafquartieren zu observieren. Dabei stellten sie fest, dass die Männchen sich häufig an schlafenden Weibchen zu schaffen machen. Der Sex zur Unzeit erhöht für die Störenfriede die Chance auf eigenen Nachwuchs.

Andere Wissenschaftler ergründen mit fies anmutenden Experimenten, wie Tiere auf Schlafentzug reagieren. Berühmt-berüchtigt etwa ist die »diskover-water-method« des US-Schlafforschers Allan Rechtschaffen. In der Mitte eines Wasserbeckens installierte der Wissenschaftler eine drehbare Scheibe, die durch eine quer im Becken fest installierte Wand in zwei Hälften geteilt wurde. Auf eine dieser Hälften setzte der Forscher eine Ratte. Immer wenn das Tier einzuschlafen drohte, ließ er die Scheibe rotieren und zwang die Ratte dadurch zum Laufen. Die Folgen waren fatal: Das Tier verlor an Gewicht. Seine Körpertemperatur stieg. Nach zwei bis drei Wochen kam der Tod.

»Ein diabolischer Apparat«, kommentiert Siegel - doch für die Schlafforschung wertvoll. Eine Zeitlang galt als gesichert, dass Schlafentzug zum Tod führt. Inzwischen sei die These widerlegt, sagt Siegel. Die Versuche seien mit Mäusen wiederholt worden. Keine starb. Forscher setzten Ratten in eine Tretmühle, die immer dann loslief, wenn die Tiere müde wurden. Keine Ratte starb, sagt Siegel. Selbst Vögel scheuchten die Experten inzwischen durchs Gehege, um Schlafentzug zu erreichen. Wochenlang. »Nichts«, sagt Siegel, »noch nicht einmal Gewichtsverlust.«

Ähnlich variabel sind die Ergebnisse der Hirnstrommessungen. Die Forscher unterscheiden zwischen verschiedenen Schlafphasen, etwa dem Tiefschlaf, bei dem das Hirn gleichsam ruht und langwellige Elektroimpulse produziert, und dem sogenannten REM-Schlaf ("Rapid-Eye-Movement"), der mit heftigem Zucken der Augäpfel hinter den geschlossenen Lidern und lebhaften Träumen einhergeht.

REM-Schlaf, so glauben viele Biologen, hilft beim Lernen und ist wichtig für die Hirnentwicklung. Tatsächlich schlafen fast alle neugeborenen Säugetiere sehr viel; der Anteil des Traumschlafs ist bei ihnen ungewöhnlich hoch. Doch was ist mit Schwertwal-Baby Kalia aus Kalifornien? Was mit Delphinen, die nach jahrzehntelanger intensiver Tümmler-Schlafforschung immer noch nicht beim Träumen erwischt wurden? Stattdessen schlafen die Tiere, wenn überhaupt, immer nur mit einer Hirnhälfte. Während die Neuronen in der einen Hälfte des Denkorgans heftig feuern, wird die andere Hälfte stillgelegt. Irgendwann wacht die inaktive Seite auf, die andere beginnt zu schlummern.

Oder die Vögel: Der US-Physiologe Niels Rattenborg vom Max-Planck-Institut für Ornithologie im bayerischen Seewiesen beobachtete bereits vor einigen Jahren, dass nordamerikanische Dachsammern ebenfalls mit sehr wenig Schlaf auskommen können. In Käfigen gehalten, packte die Vögel zur Zugzeit die Unruhe. »Sie hüpften aufgeregt hin und her und ließen zwei Drittel des Schlafs einfach ausfallen«, berichtet der Forscher.

Nun versucht Rattenborg zu ergründen, ob Vögel tatsächlich während des Zugs auf Schlaf verzichten oder ob sie im Flug das eine oder andere Nickerchen halten. Im vergangenen Jahr setzten der Forscher und sein Team Rosenstare in einen 20 Meter langen Windkanal. Dann starteten sie die röhrende Maschine. An Windstärke sechs von vorn mussten sich die Vögel abarbeiten.

Schlummerten die Federtiere beim stundenlangen Testflug? »Nein«, sagt Rattenborg, »aber danach umso mehr.« Nun will der Forscher die Ergebnisse an freilebenden Fregattvögeln überprüfen. Sie tragen winzige EEG-Recorder auf dem Kopf. Die Geräte sollen die Hirnaktivität während des Flugs aufzeichnen.

Für ihre Fischzüge auf dem offenen Meer bleiben die exzellenten Flieger bis zu einer Woche in der Luft. Schalten sie da auch mal auf Autopilot? Rattenborg hält das für möglich. Wie Delphine können Vögel mit halbem Hirn schlafen. Das der wachen Hirnhälfte zugeordnete Auge bleibt offen. »Die eine Hirnhälfte erholt sich, die andere bleibt wachsam«, so der Forscher. Bei Stockenten hat er das kuriose Phänomen bereits beobachtet. Schlafen sie in der Gruppe, halten die außen sitzenden Tiere immer ein waches Auge auf die Welt. Dann und wann drehen sich die Enten um und schlafen auf der anderen Seite weiter.

Die Liste der Extremschläfer lässt sich fortführen. Fast alle Meeressäuger sind auf See Meister im Wenigschlaf: Walrosse können über 80 Stunden wach sein, ohne sich erholen zu müssen. Pottwale schlafen maximal zwei Stunden am Tag, senkrecht im Wasser treibend. Ohrenrobben wiederum scheinen nach Belieben zwischen diversen Schlafmodi hin- und herschalten zu können. Auf ihren Jagdzügen im Ozean schlummern die Tiere offenbar ähnlich wie Delphine immer nur mit halbem Hirn, berichtet der Biologe Oleg Lyamin vom Utrischki-Delphinarium in Moskau. Auf REM-Schlaf können sie dabei über Wochen ganz verzichten. Zurück an Land wechseln sich Tiefschlaf- und Traumphasen wieder ab.

Die Extremisten unter den Schläfern tun kaum etwas anderes. Wenn es kalt wird in den Wüsten Kaliforniens und Arizonas, verzieht sich beispielsweise Hölchoko, »der Schlafende«, in Felsnischen oder unter Kakteen. Von etwa 40 auf nur 5 Grad sinkt dann seine Körpertemperatur. Erst wenn die Insekten im Frühling fliegen, erhebt er sich wieder in die Lüfte. Winternachtschwalbe heißt der kaum 50 Gramm schwere Dauerschläfer, Winterschlaf das Phänomen. Es ist wohl die radikalste Form, den Körper auf Stand-by zu schalten. Kälte, Nahrungsknappheit oder Wassermangel bedingen die Flucht in den Energiesparmodus. Tropische Blütenfledermäuse und Kolibris erstarren bei Mangel an nektarhaltigen Blüten. Halbaffen auf Madagaskar verpennen die Trockenzeit, Kalifornische Erdhörnchen den glühenden Sommer.

Stilllegung lautet das Geheimnis des Lebens auf kleinster Flamme. »Der Stoffwechsel wird zu großen Teilen abgeschaltet«, sagt Gerhard Heldmaier, Zoophysiologe an der Universität Marburg. Bis zu 98 Prozent Energie könnten kleine Tiere durch ein solches Verhalten einsparen. Besonders radikal ist die Veränderung im Gehirn - im Wachzustand der Energiefresser schlechthin. »Auf dem EEG ist keine Hirnaktivität mehr sichtbar«, sagt Heldmaier, ein Zustand, der beim Menschen den Hirntod definiert. Allein einige Bereiche des Hirnstamms bleiben aktiv.

Fast bis ins Absurde hat die Natur die Grenze zwischen Leben und Tod hinausgeschoben. Der Extremist unter den Winterschläfern ist das Arktische Erdhörnchen. Wenn sich im Norden Alaskas der Winter ankündigt, rollt es sich unter der Erde zusammen und erstarrt. Auf bis zu minus 18 Grad Celsius fällt die Bodentemperatur. Doch das Tier widersteht. Bei minus 2 Grad stabilisiert es seine Körpertemperatur - ohne dass sein Blut gefriert. »Supercooling« nennen Biologen diese Fähigkeit.

Ist das noch Schlaf? Gerade weil das Gehirn beim Winterschlaf fast vollständig abgeschaltet ist, halten viele Biologen die Phänomene für nicht vergleichbar. Doch Siegel sieht Parallelen. Der Winterschlaf der Erdhörnchen, die Kältestarre der Winternachtschwalbe, der Halbseitenschlaf der Delphine seien allesamt vor allem Anpassungen an die Lebensumstände der Tiere.

»Ökologische Faktoren haben bemerkenswerten Einfluss auf die Schlafmuster von Tieren«, bestätigt Neuropsychologe McNamara. Giraffen oder Elefanten etwa schlafen wenig, weil sie viel Zeit brauchen, um ausreichend Grünfutter in sich hineinzustopfen. Löwen oder andere Fleischfresser wiederum haben es gar nicht nötig, lange wach zu sein: Sie können mit einer einzigen Jagd ihren täglichen Nahrungsbedarf decken und schalten dann in den Energiesparmodus. Seevögel wiederum, die große Strecken über Wasser zurücklegen, können gar nicht anders, als den Schlaf auf ein Minimum zu reduzieren.

Oder die Große Braune Fledermaus: In Kolonien von bis zu 700 Exemplaren besiedelt das Tier Nord- und Mittelamerika - und lässt sich dabei gewaltig hängen. Bis zu 20 Stunden täglich schläft das Flattertier. Nur in den Abendstunden wird es aktiv und jagt nach Insekten. »Früher am Tag kann die Fledermaus schlecht sehen, es gibt nicht genug zu essen, und sie droht von Vögeln angegriffen zu werden«, sagt Siegel, »es ist für sie einfach sinnlos, länger wach zu sein.«

Siegel glaubt, dass sich Schlaf entwickelt hat, weil er es erlaubt, gleichzeitig Energie zu sparen und Gefahren aus dem Weg zu gehen. Und der Forscher glaubt auch zu wissen, wie das Phänomen einst entstanden ist. Vor mehr als zehn Jahren führte ihn seine Expedition durch die Bettstätten der Tiere in die Schlafhöhle des australischen Schnabeltiers. Das eierlegende Unikum - eine Art Chimäre aus Ente und Biber - steht ganz an der Wurzel der Säuger. Das Verblüffende: Bis zu 60 Prozent seiner Schlafenszeit verbringt Ornithorhynchus anatinus mit REM-Schlaf. Blitze flackern dann durch sein ruhendes Gemüt. Wie auf träumerischer Beutesuche bewegt sich sein Schnabel. Sein Hirn jedoch verhält sich anders als dasjenige von Ratte oder Mensch. Während sich bei diesen der REM-Schlaf auch durch erhöhten Nervenkitzel in den vorderen Regionen des Gehirns bemerkbar macht, bleibt das Feuerwerk im Kopf des Schnabeltiers auf das Stammhirn, den ältesten Hirnteil, beschränkt.

»REM-Schlaf scheint seine Wurzeln in einer lebensnotwendigen, primitiven Gehirnfunktion zu haben«, sagt Siegel und zieht daraus weitreichende Schlüsse. Ist es möglich, dass der REM-Schlaf der Ursprung des Schlafens überhaupt ist? Der Forscher sieht ein Kontinuum. In der Evolution sei zunächst der REM-Schlaf entstanden. Die Hirnaktivität gleicht dabei noch jener des Wachseins. Allein die Muskulatur ist stillgelegt. In der später entstandenen Tiefschlafphase kommt auch das Hirn zur Ruhe. Bei Winterschläfern schließlich wird das Denkorgan komplett eingemottet. Die Energieersparnis ist maximal. So könnte sich der Schlaf entwickelt haben.

Ist Schlaf also kaum mehr als die Spar-Alternative zum Wachsein, ein Zustand, den Tiere immer dann anstreben, wenn sie nichts Besseres zu tun haben?

»Ich glaube nicht, dass Schlafen eine überlebenswichtige physiologische Funktion hat«, sagt Siegel, »Tiere schlafen schlicht dann, wenn sie nicht wach sein müssen.« Doch Widerspruch ist dem Forscher mit derlei Thesen sicher. Denn etliche Publikationen legen zumindest beim Menschen nahe, dass ohne Schlaf das Gehirn leidet und schwere psychologische und neurologische Schäden auftreten.

Siegel akzeptiert diese Ergebnisse. Doch er zweifelt, ob sie tatsächlich die Kernfunktion des Schlafs erfassen. Denn wenn Schlaf für das Gehirn so wichtig ist, wie kann es dann sein, dass einige Tiere offenbar fast ohne ihn auskommen?

»Wale und Delphine gehören zu den Tieren mit den größten Gehirnen überhaupt«, sagt der Forscher, »und sie wachsen heran und lernen vermutlich eine Menge, ohne dass sie jemals richtig schlafen.«

Schwertwal-Babys wie Kalia aus dem SeaWorld-Park in San Diego müssten in den ersten Wochen ihres Lebens hellwach bleiben: »Sonst erfrieren sie, verlieren ihre Mutter oder werden zu Haifischfutter.«

»Irgendwie scheinen diese Säuger einen Weg gefunden zu haben, um mit dauerhaftem Schlafentzug fertigzuwerden«, staunt Siegel. Wie zum Beweis seiner Thesen führt er in einen Nebenraum seines Instituts. In großen Glaszylindern dümpeln dort bleiche Tiergehirne in Formalin. »Elefant, Tiger, Delphin, Weißwal, Robbe« - Siegel schreitet die Regale ab. »Ah, da ist es ja«, sagt er, streift Plastikhandschuhe über und entnimmt einem der Gefäße das imposante Hirn eines Schwertwals.

»Sehen Sie nur«, sagt der Forscher dann, »so groß - und das Tier schläft praktisch nie!«

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