Biologie

Kältekünstler mit eigenem Frostschutzmittel

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Matthias Glaubrecht

Foto: PA

Tiere haben die unterschiedlichsten Mechanismen entwickelt, um in frostiger Umgebung zu überleben: Sie stellen den Stoffwechsel um, schotten sich mit Isolierwänden ab und imprägnieren ihr Federkleid. Manche haben sogar Frostschutzmittel im Körper.

Wenn draußen der Frost klirrt und Seen und Teiche zufrieren lässt, überleben in ihnen wahre Kältekünstler des Tierreichs. Heimische Grasfrösche und Molche, viele aquatische Schnecken und Muscheln, aber auch die Larven von Wasserkäfern, Libellen und anderen Wasserinsekten überwintern im Schlammboden von zugefrorenen Gewässern. Dort verharren sie für Wochen und Monate fast unbeweglich auf den Grund zwischen abgestorbenen Pflanzen und den herabgesunkenen Blättern der Ufervegetation.

Ihr Trick: Sie fahren ihre Lebensaktivitäten herunter und überleben die frostigen Perioden in Kältestarre. Eine besondere physikalische Eigenschaft des Wassers kommt ihnen entgegen: Weil die Temperatur auch die Dichte des Wassers beeinflusst, erreicht Süßwasser bei plus vier Grad die größte Dichte und sinkt deshalb zu Boden; kälteres Wasser dagegen ist leichter, bleibt an der Oberfläche und gefriert zu Eis. Dieser Umstand schützt das relativ wärmere Tiefenwasser vor einer weiteren Abkühlung und bietet so einen erträglichen Überwinterungsraum für die bei uns heimischen Wassertiere.

Tatsächlich sind unterhalb von null Grad Celsius nur noch ganz wenige Tiere aktiv – zumindest unter den wechselwarmen Tieren, also jenen Lebewesen, deren Körpertemperatur von der Umgebung abhängig ist. So ein Kältekünstler unter den heimischen Tieren ist beispielsweise die Sumpfdeckelschnecke. Die bis zu 2,5 Zentimeter große Schnecke lebt in stehenden und langsam fließenden Gewässern und vermag dort im Laufe des Winters sogar für einige Zeit einzufrieren.

An Land verschließen etwa Weinbergschnecken ihre Gehäuse mit einem Kalkverschluss, einem sogenannten Epiphragma. Auch sie fahren ihren Stoffwechsel auf ein Minimum herunter, bis die wärmende Sonne im Frühjahr und Regen sie wieder aufwecken.

Wahre Überlebenskünstler finden sich unter den mitteleuropäischen Insekten. Sie setzen ihren Stoffwechsel während der kalten Periode herab. Während sich einige in solch einem Stadium latenten Lebens sogar einfrieren lassen, brauchen andere, wie zum Beispiel Marienkäfer, Florfliegen, Tagpfauenauge und Zitronenfalter, frostgeschützte Orte, um zu überwintern. Sie sind deshalb auch die ersten, die uns zum Beginn des Frühjahrs begegnen. Die meisten anderen Insekten überdauern geschützt und inaktiv im Eigelege, als Larve eingebohrt ins Holz der Bäume oder eingegraben im Boden.

Wer auch bei Minusgraden aktiv bleiben will, dem schieben die Naturgesetze schnell einen Riegel vor. Denn unter tiefen Temperaturen verlangsamen sich nicht nur sämtliche biochemische Abläufe in den Zellen und damit die Stoffwechselvorgänge; wichtiger noch: Sobald das freie Wasser in den Zellen und Geweben der Organismen friert, sterben diese.

Einen besonderen Trick haben deshalb beispielsweise die antarktischen Eisfische aus der Familie der Channichthyidae und der Nototheniidae entwickelt. Bei ihnen entdeckten Zoologen Glykopeptide als eine Art Gefrierschutzmittel in den Zellen. Damit drücken Eisfische den Gefrierpunkt ihrer Körperflüssigkeiten herab und vermögen sogar in den kalten Meeren rund um die Antarktis bei Wassertemperaturen von bis zu minus zwei Grad zu überleben.

Eine noch extremere Temperaturtoleranz weisen ansonsten nur die Dauerformen einiger wirbelloser Tiere auf, darunter die von Krebsen, Schwämmen und etwa der winzigen Rädertierchen, die sich mit einem ganz geringem Wasseranteil einfrieren lassen.

Wahre Überlebenskünstler sind dabei die mit 1,5 Millimetern winzig kleinen Bärtierchen oder Tardigraden. Diese bewohnen das Lückensystem zwischen den Bodenpartikeln in Gewässern, in der Erde und in Pflanzenpolstern. Trockenperioden überstehen auch sie nur in einem Zustand latenten Lebens, indem sie sich regelrecht austrocknen lassen und nur noch etwa ein Prozent des im aktiven Zustand vorhandenen Wassergehalts in ihrem Körper aufweisen. Unter solchen Bedingungen können sie – wie Experimente zeigen – Kälte bis zu minus 200 Grad und Hitze bis plus 65 Grad überleben. Dabei zeigen sie keine Zeichen von Leben mehr, da sämtliche Stoffwechselvorgänge zum Stillstand kommen beziehungsweise nicht mehr messbar sind.

Verglichen damit ist die Temperaturtoleranz der meisten gleichwarmen Tiere wie Vögel und Säuger inklusive des Menschen ausgesprochen gering. Beim Menschen etwa liegt die untere tödliche Grenze der Körpertemperatur bei etwa 34 Grad. Wie andere gleichwarme Lebewesen produzieren wir einen erheblichen Teil der Wärme selbst und können so unsere Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur konstant halten. Viele ebenfalls gleichwarme Organismen haben sich damit relativ unabhängig vom ökologischen Faktor Temperatur gemacht und überleben auch in winterkalten Klimazonen Bedingungen weit unter dem Gefrierpunkt.

Allerdings geht auch das nur Dank einiger Tricks: Geradezu patentreif ist beispielsweise die Erfindung von Thermounterwäsche und Taucheranzug bei Pinguinen. Zum einen isoliert eine dicke Fettschicht sie gegen eisige Polartemperaturen. Zum anderen bilden ihre wie Dachziegel eng an der Haut liegenden Federn ein dichtes Daunenkleid, das die Körperwärme kaum nach außen dringen lässt. Daher bleibt sogar Schnee auf ihrem Gefieder liegen ohne zu schmelzen.

Derart ausgestattet vermögen diese antarktischen Kältespezialisten Temperaturen bis minus 70 Grad zu trotzen. Außerdem dichten Pinguine ihr Gefieder mit einem Gemisch aus Öl und Wachs ab, das in der Bürzeldrüse an der Schwanzwurzel gebildet wird. Damit machen sie aus ihrem Federkleid einen Wasser abweisenden Taucheranzug, der sie in den antarktisch kalten Meeren munter nach Nahrung suchen lässt.

Auch bei anderen meeresbewohnenden Vögeln und Säugetieren – darunter Seehunden, Seelöwen und Walen – wirkt vor allem eine dicke Fettschicht und ein isolierendes Haarkleid dem Wärmeverlust durch das eisige Wasser entgegen.

Große Tiere haben dabei den Vorteil, dass im Verhältnis zum Körpervolumen ihre Körperoberfläche und damit auch der Wärmeverlust relativ klein sind. Es ist deshalb kein Zufall, dass die beiden größten lebenden Walarten, der Blauwal und der Finnwal, vor allem polare Meere besiedelt.

Perfekt an die Kälte im eisigen Wasser und zu Land angepasst sind auch Eisbären. Im arktischen Winter leben sie auf dem Packeis, wo sie ihrer Lieblingsbeute – fetten Robben – auflauern. Ihr dichtes Fell, dessen Haare hohl sind und so gut isoliert, dass kaum Wärme verloren geht, sowie eine zehn Zentimeter dicke Speckschicht unter der Haut lässt sie selbst tiefste Temperaturen bis ebenfalls minus 70 Grad tolerieren. Die Haut ist übrigens schwarz. Dadurch kann sie mehr Wärme speichern, wenn die Sonne aufs Fell scheint und die hohlen Haare das Licht zur Haut leiten.

Andere Säugetiere, darunter neben Bären vor allem die in Mitteleuropa heimischen Murmeltiere, Siebenschläfer, Feldhamster und Igel halten Winterschlaf, um monatelange Kälte und Nahrungsmangel zu überdauern. Nachdem sie sich vorher ein reichliches Fettdepot angefuttert haben, senken sie ihre Körpertemperatur deutlich, von etwa 33 Grad auf nunmehr 1,5 Grad beim Igel. Das geht nur, weil Igel ihren Stoffwechsel sehr weit herunter regulieren, wobei der Herzschlag von eigentlich 190 auf nur noch 21 Schläge pro Minute sinkt.

Während Igel auf diese Weise fünf Monate des Jahres verschlafen, frieren sich andere Tiere durch die langen Winternächte. Wer sich beispielsweise unter den Vögeln nicht längst gen Süden davon gemacht hat, um den Unbilden des Winters zu entfliehen, muss wie Kohl- und Blaumeise oder Goldhähnchen und Rotkehlchen der Kälte und dem Nahrungsarmut trotzen.Zwar helfen auch ihnen ihr Körperfett als wärmende Unterwäsche und ihr dicker Daunenmantel durch die klirrende Kälte. Vor allem aber müssen sie tagsüber ständig in Bewegung bleiben – und ständig für ausreichend Nahrung sorgen.