Immer der Nase nach

„Der Riechsinn ist ein sehr alter chemischer Sinn, der sich deutlich früher entwickelt als zum Beispiel das Sehen“, sagt Stephan Frings. Frings war bis Ende 2022 Professor für Molekulare Physiologie am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg und hat seit den 1980er Jahren das Riechen bei verschiedenen Arten untersucht, unter anderem bei Fröschen und Mäusen. „Schon die Urzellen vor mehr als drei Milliarden Jahren waren in der Lage, chemische Signale in ihrer Umgebung zu detektieren“, sagt Frings. Einzeller können zum Beispiel wahrnehmen, wenn der Säuregehalt im Wasser sich verändert und mit Fluchtbewegung darauf reagieren. Auch beim Riechen werden chemische Stoffe aus der Umgebung aufgenommen, analysiert und weiterverarbeitet.

Entstanden ist der Sinn vor etwa 500 Millionen Jahren. Im Zuge der kambrischen Explosion entwickelten sich damals erste Tiere mit einer klaren Rechts-links-Symmetrie und einer von oben nach unten verlaufenden Längsachse. Oben, im sich herausbildenden Kopf, lagerten sich chemosensorische Zellen an – die Grundlage für die Entwicklung eines Gehirns und des Riechsystems, wie wir es heute kennen.

Fast alle Wirbeltiere riechen ähnlich

Rundmäuler wie Schleimaale und Neunaugen haben sich vor etwa 500 Millionen Jahren von der Entwicklungslinie der übrigen Wirbeltiere getrennt und sind seither weitgehend unverändert geblieben. „Weil auch bei diesen lebenden Fossilien ein Riechkolben vorhanden ist, muss die Entwicklung des Geruchssinns bis in diese Zeit zurückreichen“, sagt Frings. Riechkolben heißt der Teil des Gehirns, in dem die Geruchsinformationen weiterverarbeitet werden. Er findet sich bei allen Wirbeltieren. Und auch das Riechen funktioniert bei Fischen, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren nach dem gleichen Prinzip: Um vom Nervensystem eines Tieres erkannt werden zu können, muss ein Geruchsstoff in der Nase an eine Riechzelle der Riechschleimhaut andocken. In der Riechzelle kommt es zu einer chemischen Reaktion, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der Riechkolben leitet das Signal weiter an höhere Steuerzentralen für Geruchswahrnehmungen im Gehirn.

Im Geruchszentrum des Großhirns werden die Informationen über die Geruchswahrnehmung dann gespeichert und mit bisherigen Geruchsmerkmalen verglichen. „Den primären Signalen, die vom Riechkolben geliefert werden, werden spezifische Bedeutungen zugeordnet, die auf den individuellen Erfahrungen eines Tieres beruhen“, sagt Frings. Sie werden zu Riechobjekten, die von den Tieren genauso klar wahrgenommen und erkannt werden wie eine essbare Frucht oder die Form und Bewegung eines Raubtiers bei der visuellen Wahrnehmung. „Jeder Geruch, der im Gehirn verarbeitet und erkannt wird, ist mit einer positiven oder negativen Emotion verknüpft“, sagt Frings: Der Geruch einer Katze löst bei Mäusen Angst und Fluchtverhalten aus. Umgekehrt ist der Geruch von Mäusen bei Katzen positiv als Nahrung abgespeichert.

Das Riechen – wie das Leben selbst – hat sich im Wasser entwickelt. Mit dem Landgang mussten die Wirbeltiere ihr Riechsystem deshalb grundlegend umstellen: von im Wasser löslichen Geruchsstoffen wie Aminosäuren und Gallensäuren zu den flüchtigen Geruchsstoffen in der Luft. Unter den rund 70.000 Wirbeltierarten spielt der Geruchssinn je nach Lebensweise eine wichtigere oder unwichtigere Rolle. Die Größe des Riechkolbens oder der Riechschleimhaut, die Anzahl der Riechzellen oder der für das Riechen zuständigen Rezeptorgene können zumindest Anhaltspunkte für die Bedeutung des Geruchssinns und für das Riechvermögen einer Art geben: Beim Wildschwein ist die Fläche der Riechschleimhaut mit 290 Quadratzentimetern sogar noch größer als beim Hund (140 bis 210 Quadratzentimeter). Entsprechend der Größe kann dort auch eine größere Zahl von Riechzellen untergebracht werden. Ein Reh kommt auf 90, der Mensch dagegen nur auf 11 Quadratzentimeter Riechschleimhaut.

Der Afrikanische Elefant hat die meisten Rezeptorgene für das Riechen (1948), gefolgt von Ratte (1207) und Rind (1186). Die Zahl der Gene bestimmt mit darüber, wie viele unterschiedliche Geruchsstoffe von den Riechzellen erkannt werden können. Beim Schwein sind 1113 Gene aktiv, beim Hund 811 und beim Menschen 396. Vögel landen in dieser Liste ziemlich abgeschlagen auf den hinteren Plätzen (Haubentaucher 42, Felsentaube 51 Gene).

Die Ergebnisse fallen von der Tendenz so aus, wie zu erwarten war: Der Mensch liegt deutlich hinter den Superspürnasen Schwein und Hund. Und bei den Vögeln scheint der Geruchssinn tatsächlich allgemein eine weniger wichtige Rolle zu spielen als bei den meisten anderen Wirbeltieren. Aber: Auch der Truthahngeier schneidet mit 47 Rezeptorgenen nicht besser als die anderen Vögel ab, obwohl er doch einen ausgezeichneten Geruchssinn hat.

„Viele Vögel haben sich auf ein bestimmtes, für sie wichtiges Segment des Geruchsspektrums spezialisiert, anstatt für möglichst viele Substanzen empfänglich zu sein. Sie sind olfaktorisch eher Spezialisten als Generalisten und unterscheiden sich darin deutlich von den Säugetieren“, sagt Frings. Der Geier braucht nicht viel mehr als eine hohe Geruchsempfindlichkeit für das Gas Ethylmercaptan, das charakteristisch für den Geruch von frischem Aas ist. Auch der neuseeländische Kiwi, der in fast völliger Dunkelheit mit dem Schnabel nach Essbarem stochert, verlässt sich bei der Nahrungssuche auf seine gute Nase.

Ein guter Riecher ist auch für Sturmvögel, Albatrosse und andere Röhrennasen wichtig: Bei der Nahrungssuche über weite Entfernungen lassen sich die Seevögel auch von charakteristischen Nahrungsgerüchen leiten. Das kann direkt der Geruch von Fisch oder Tintenfisch sein (die chemische Verbindung Trimethylamin) oder der von Kadavern (Cadaverin und Putrescin, die bei der Verwesung entstehen). Wenn sich Krill und anderes Zooplankton über Phytoplankton hermacht, entsteht bei der Zerstörung der Zellen eine für uns übel riechende Schwefelverbindung (Dimethylsulfoniopropionat sowie Dimethylsulfid), die als Geruchswolke über jedem Ort konzentrierten Lebens im Ozean steht. Ihr folgen die Seevögel über weite Strecken, auch wenn sie eher an den Fischen interessiert sind, die ihrerseits das Zooplankton fressen.

Hunde erschnüffeln sich die Vergangenheit

Viele Säugetiere dagegen sind beim Riechen Generalisten und unterscheiden eine schier unbegrenzte Zahl von Gerüchen. Hunde können (wie Füchse, Wölfe und andere Hundeartige auch) die Fährte eines Tieres an einem Ort noch aufnehmen, wenn das Tier schon vor Stunden weitergezogen ist. Sie erarbeiten sich mit ihrer Nase quasi ein Bild der Vergangenheit. Dabei orientieren sie sich nicht nur an dem Eigengeruch des Tieres, sondern vermutlich auch an den Geruchsstoffen, die freigesetzt werden, wenn das flüchtige Tier auf seinem Weg eine Pflanze verletzt oder Mikroorganismen und kleine Wirbellose im Boden zerquetscht. Sie können das Alter der Fährte einschätzen und haben eine sehr genaue Vorstellung davon, ob sie da den Weg eines Rebhuhns, eines Kaninchens, einer Maus, eines Rehs oder eines Menschen gekreuzt haben.

Beim Verfolgen einer Spur hilft Hunden und anderen riechstarken Tieren wie Raubkatzen oder Fledermäusen der besondere Aufbau ihres Atem- und Riechsystems, bei dem die Atemluft so geleitet wird, dass die Geruchsstoffe besonders gründlich analysiert werden können: Die Riechschleimhaut liegt in der Nase geschützt in einer Nische und nimmt beim Einatmen Geruchsstoffe auf. Beim Ausatmen wird die Luft dann über einen anderen Weg geführt, so dass die Geruchsstoffe nicht gleich wieder ausgespült werden und die Analyse bis zum nächsten Atemzyklus andauern kann. Diese längere Verweildauer der Geruchsstoffe in der Nase ist ein Grund für die besonderen Riechleistungen.

Ein anderer ist die Zahl der Riechzellen, an denen die Geruchsstoffe andocken können. Beim Menschen sind es 20 bis 30 Millionen. Bei Hunden bis zu 250 Millionen Riechzellen. „Es ist allerdings gar nicht so leicht, einen Hund auf den Geruch einer bestimmten Art zu trainieren“, sagt Anne Berger. Berger arbeitet am Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung in Berlin. Zur Erforschung der hauptstädtischen Igelpopulation hat sie ihre Hündin Fine zum Igelsuchhund ausgebildet. Trainiert wird unter anderem mit Igelstacheln, die die Hündin aufspüren darf.

Wo ein Mensch einfach nur Igelstacheln sieht, erschnüffelt sich der Hund zahllose weitere Informationen. „Die Hunde können am Geruch sicherlich unterscheiden, ob es sich um ein männliches oder weibliches, ein krankes oder gesundes, trächtiges oder nicht trächtiges Tier handelt“, sagt Berger. Die Spürhunde müssen aber lernen, wirklich jeden Igel anzuzeigen. Dafür ist es wichtig, möglichst mit verschiedenen Proben zu arbeiten. Das hilft dem Hund zu verstehen, dass er nicht nur die trächtigen oder männlichen Tiere einer Art anzeigen soll, sondern alle.

Berger ist Vorstandsmitglied des Vereins „Wildlife Detection Dogs“, in dem sich an Artensuchhunden Interessierte zusammengeschlossen haben. Die rund 200 Mitglieder können zusammen mit ihren Hunden dabei helfen, Luchse, Wildkatzen, Goldschakale, Wölfe, Feldhamster, Fischotter, Feuersalamander, Schildkröten, Heuschrecken und andere Arten aufzuspüren. Sie werden in Schutzprojekten, bei der Schlagopfersuche an Windkraftanlagen, im Wolfsmonitoring, für wissenschaftliche Untersuchungen, Artenmonitoring oder Flächenkartierungen eingesetzt. Wahrscheinlich ist der Geruchssinn von vielen Arten, die sie aufspüren, ähnlich gut entwickelt wie ihr eigener. Hunde haben aber beim Aufspüren bestimmter Stoffe und auch bei der Riechforschung die Schnauze so weit vorn, weil sie besser als jede andere Art mit den Menschen interagieren können. Mäuse können das nicht so gut. Aber weil sie leicht zu halten und zu vermehren sind, sind sie für die Geruchsforschung ideale Versuchstiere.

Pheromone lösen Verhalten aus

Bei Mäusen ist daher eine Art zweites Riechsystem gut erforscht, das für die meisten Landwirbeltiere von großer Bedeutung für die innerartliche Kommunikation ist: Pheromone, die ein Individuum über Drüsen absondert, können zum Beispiel Informationen über den sozialen Status oder die Paarungsbereitschaft enthalten.

Pheromone sind oft keine Geruchsstoffe und haben keinen Eigengeruch. Trotzdem werden sie von anderen Individuen derselben Art detektiert. Sie docken allerdings nicht an der Riechschleimhaut an, sondern am Jacobson-Organ, das bei Säugetieren aus zwei winzigen Einbuchtungen auf beiden Seiten der Nasenwand besteht.

Die Reaktion auf Pheromone ist heftig. Sie lösen angeborene stereotype Verhaltensweisen aus oder steuern Entwicklungsprozesse. Weibliche junge Mäuse zum Beispiel kommen früher in die Pubertät, wenn sie die Pheromone fremder Männchen riechen. Bei erwachsenen weiblichen Mäusen wird der Zyklus dadurch verkürzt. Beide Prozesse führen zu einer schnelleren Paarungsbereitschaft der weiblichen Mäuse und dadurch zu einer potenziell höheren Nachwuchsrate. Umgekehrt sorgen die Pheromone weiblicher Familienmitglieder für ein Herauszögern der Pubertät. Und die Pheromone im Urin konkurrierender Männchen können sogar Fehlgeburten auslösen.

Das Flehmen vieler Huftiere, das gegenseitige Beschnuppern bei Hunden – immer geht es darum, Pheromone und damit möglichst viele Informationen über Artgenossen aufzunehmen. Auch beim Trüffelschwein: Die Sauen sind auch deshalb so eifrig bei der Suche, weil der Trüffelgeruch dem eines paarungswilligen Ebers sehr ähnlich ist.

Menschen gehören gemeinsam mit anderen Primaten und Vögeln zu den Arten, die wenig empfänglich für Pheromone sind. Das Jacobson-Organ, das für die Pheromonverarbeitung zuständig ist, ist bei Embryos zwar noch angelegt, bildet sich aber später wieder zurück. Was die Parfüm-Industrie trotzdem nicht davon abhält, ihre Düfte mit Pheromonen wie Kopulin (weiblicher Sexualgeruchsstoff) oder Androstenon (Sexuallockstoff bei Ebern) anzureichern. Geruch ist eben auch eine subtile Waffe.