Kosten und Nutzen des Formationsfluges von Vögeln

Ein wesentlicher Teil der weltweiten Vogelpopulation unternimmt saisonale Wanderungen über große Distanzen, wobei vor allem größere Vögel häufig in auffälligen Staffel- oder V-Formationen fliegen. Dieser Formationsflug kann dazu beitragen, den Energieaufwand während des Fliegens zu verringern. Da allerdings nicht alle Vögel in einer Formation in gleicher Weise profitieren können, entsteht aus der Frage, wer in der unvorteilhaften Führungsposition fliegen soll, ein soziales Dilemma. In einer vorangegangenen Studie konnten wir zeigen, daß die Vögel das Kooperationsproblem durch paarweise Reziprozität lösen. In diesem Projekt wollen wir zwei konkurrierende Hypothesen testen, wie diese Kooperation proximat errreicht werden kann: (a) durch direkte Reziprozität im Sinne einer "tit-for-tat" Strategie, oder (b) durch generalisierte Reziprozität die auf der räumlichen Nähe der tiere fußt. Um diese Hypothesen zu testen werden wir das Flugverhalten von drei Scharen juveniler Waldrappe (Geronticus eremita) während ihrer ersten menschengeleiteter Herbstmigration untersuchen. AlleVögelwerdenmit Daten-Loggernmit Präzessions-GPS-Empfängern, Beschleunigungs- und EKG-Sensoren ausgestattet, die es uns erlauben, die relative Position der Vögel zueinander, sowie deren Energieverbrauch zu bestimmen. Indem wir das Flugverhalten der Vögel über die gesamte Zugstrecke verfolgen werden, wird es uns auch zum ersten Mal möglich sein, Einsichten in die soziale Dynamik während der Migration und in die Entwicklung der Kooperationskompetenz junger Vögel zu gewinnen. Dieses Projekt soll es uns ermöglichen wichtige Einblicke im Gebiet der Evolutionären Ökologie zu gewinnen: Die Evolution von Kooperation ist immer noch eines der großen Rätsel der Evolutionsbiologie, da sie dem allgemeinen Grundsatz, daß Evolution nur "egoistische Gene" fördert, widerspricht. Der Formationsflug von Zugvögeln ist ein prominentes Beispiel tierischer Kooperation und ist aus mehreren Gründen (hoher Selektionsdruck, hohes Energieeinsparungspotenzial, eine günstige Kosten-Nutzen Struktur und ausreichende Möglichkeiten für wiederholte Interaktionen) ein hervorragend geeignetes Studiensystem um die Evolution der Kooperation zu erforschen.

Seit langem wird angenommen, dass die Hauptfunktion des Formationsflugs darin besteht Energie zu sparen, indem sie den vom vorausfliegenden Vogel erzeugten Aufwind nutzen. Diese Annahme wird in der Literatur oft als gesicherte Tatsache darstellen, obwohl sie bislang primär nur durch theoretische Modelle und Simulationen gestützt wurde, während empirische Daten mangels adäquater technischer Möglichkeiten weitgehend fehlten. Das österreichische Waldrappteam erforscht in Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Partnern seit vielen Jahren den Formationsflug bei Waldrappen (Geronticus eremita). Dabei wird die einzigartige Möglichkeit der menschengführten Migration zur Auswilderung dieser bedrohten Zugvogelart genutzt. Bei diesen Flügen werden handaufgezogene Jungvögel mit Ultraleicht-Fluggeräten über eine Distanz von rund 800 km in die Toskana geführt. In einer Studie (Portugal et al. 2014; NATURE) konnte das Team zeigen, dass sich Waldrappe im Formationsflug sehr präzise koordinieren, was weitgehend den Annahmen theoretischer Modelle entsprach. Eine direkte Evidenz durch Messung des Energieaufwandes fehlte allerdings weiterhin. Quantitative Messungen während der Migrationsflüge war daher eine wesentliche Zielsetzung des vom FWF finanzierten Forschungsprojektes. Darüber hinaus sollte untersuchen werden, durch welche Mechanismen eine stabile Kooperation während des Formationsfluges gewährleistet ist. Dafür statteten wir alle 30 Vögel der Formation mit eigens dafür entwickelten, aerodynamisch geformten Datenloggern aus. Diese beinhalteten neben einer Bewegungssensorik auch hochfrequente GNSS Logger, die eine Positionsbestimmung mit wenigen Zentimetern Abweichung ermöglichten. Zudem wurden fünf Vögel mit einem nicht-invasiven EKG zur kontinuierlichen Herzfrequenzmessung ausgestattet. Die so gesammelten, rund 1.2 MIO Position und 45.000 Herzfrequenzmessungen sind der erste Ansatz zur empirischen Datenaufnahme bei Zugvögeln während der Migration. Wir fanden heraus, dass sich die Vögel während der Flüge meist in einem schmalen Bereich seitlich versetzt hinter einem Artgenossen positionierten. Diese Ergebnisse stimmen mit den gängigen Theorien im Wesentlichen überein. Allerdings überlappten sich die seitlich hintereinander versetzt fliegenden Vögel fast um eine halben Flügelspannweite, während die meisten Modelle von nur wenigen Prozent Flügelspitzenüberlappung ausgehen. Eine plausible Erklärung dafür ist, dass sich diese simplifizierten Modelle nur auf die auftriebserzeugenden Flügel konzentrierten und den Einfluss der Aerodynamik des Vogelrumpfes nicht ausreichend berücksichtigen. Unsere Daten liefern auch erstmals quantitative Ergebnisse zur Energieeinsparung durch Formationsflug. Die Herzfrequenzmessungen in Kombination mit der dynamischen Gesamtkörperbeschleunigung (ODBA) zeigen, dass sich die Herzfrequenzen der Vögel signifikant reduzieren, wenn sie in Formation fliegen. Überraschenderweise erhöhte sich auch die Anzahl kurzer, intermediärer Gleitsequenzen, wenn die Vögel in Formation fliegen. Dies legt die Vermutung nahe, dass ein Teil der Energieeinsparungen während des Formationsfluges auf einen erhöhten Anteil an Gleitfügen zurückzuführen ist. Dies ist eine neue und überraschende Erkenntnis, die unser Verständnis des Formationsfluges maßgeblich beeinflusst.