Winter’s coming – Ausstellung des Naturmuseums Thurgau

10/12/2018 von / 0 Kommentare
Titelbild: Schneehase. Foto: Marcel Castelli.
31 großartige Strategien durch den Winter zu kommen, stellt das Naturmuseum Thurgau bis 17. Februar 2019 vor.Wer des Wintersports überdrüssig ist und sein Hirn aus der Winterruhe hochfahren möchte, der kann in einer warmen, weißen Winterlandschaft entdecken, was andere Erdlinge im Winter umtreibt.


Der Bartgeier (Gypaetus barbatus) scheint ziemlich beschäftigt zu sein (Abb. 1), während die Schleie (Tinca tinca) vor sich hindümpelt (Abb. 2).

Zwischen zauberhafter Zaubernuss (Hamamelis, Abb. 3) und einem „ausgestopften“ Schneeglöckchen (Galanthus, Abb. 4) kann man sich multimedial mit dem komplexen und spannenden Thema der Überwinterung auseinandersetzen.

The Big White

Der Grund für das erhöhte Kuschelsockenaufkommen in unseren Wohnzimmern ist die Dysbalance unserer Erde. Nicht gerade, sondern schräg – ekliptikschief – gondelt sie durch das All. Die 23,4° Neigung der Erdachse reichen aus, dass die im Winter in unseren Breiten entsprechend flach und immer flacher einfallenden Sonnenstrahlen keine wohlige Wärme mehr herbeizaubern.

Abb. 5: Samtfußrübling - manche mögen’s kalt! (Foto: Tomasz Przechlewski / wikimedia)

Abb. 5: Samtfußrübling – manche mögen’s kalt! (Foto: Tomasz Przechlewski / wikimedia)

Und auch wenn in den kommenden Jahren der Winter immer mehr zur braunen anstatt zur weißen Jahreszeit wird, kalt ist es trotzdem. Der moderne Mensch ist auf diesen Kälteeinbruch vorbereitet. Wir begegnen tiefen Temperaturen mit einem erhöhten Flausch-Faktor unserer Kleidung und tauschen uns nur mehr im Radius von Heizpilzen aus. Umgekehrt treibt es der Samtfussrübling (Flammulina velutipes). Auch er schätzt eine wohltemperierte Umgebung, steckt seine Fortpflanzungsorgane – die Fruchtkörper – aber nur bei Kälte ins Freie (Abb. 5).
Strategien gibt es viele. Wer beweglich ist, kann sich davon machen oder verfällt in annähernd völligen Stillstand. Wenn das nicht zur Wahl steht, muss man an Ort und Stelle erfinderisch werden.

Die Chemiker

Arten die mit „Frostschutzmitteln“ arbeiten, können zwei Wege beschreiten: Frostvermeidung oder Frosttoleranz. Je nachdem gilt es die eigenen Zellen entsprechend auszustatten.
Frostvermeidende Arten schützen ihre Körperflüssigkeiten gegen Gefrieren. Dafür werden Kälteschutzmittel wie Anti-Freeze-Proteine (AFP), Glycerin und Zucker in und zwischen die Zellen eingelagert. AFPs binden an entstehende Eiskristalle und verhindern deren Wachstum, welches zur Zerstörung der Zellen und damit zum Tod des Organismus führen würde. Sie können auch Zellmembranen und Makromoleküle stabilisieren und so Frostschäden minimieren. Glycerin bildet starke Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen, konkurriert so zu Bindungen zwischen Wassermolekülen, und verhindert Eiskristallwachstum. Zucker, wie Glukose, helfen einem Wasserverlust der Zelle vorzubeugen, haben also osmotische Wirkung, und können auch als Stoffwechselsubstrat dienen.
Organismen, die solche „Frostschutzmittel“ einsetzen, sind fähig bis weit unter den Gefrierpunkt abzukühlen („Supercooling“). Beispiele sind Pflanzen wie die Fichte (Picea abies), die Temperaturen bis – 40°C aushält, oder die Alpenrose (Rhododendron ferrugineum, R. hirsutum). Für beide reicht aber allein diese Anpassung nicht aus. Die Fichte schützt ihre Nadeln zusätzlich mit einer dicken Wachsschicht vor Vertrocknung. Die Alpenrose benötigt eine dicke Schneedecke, die gegen zu tiefe Temperaturen isoliert, Dunkelheit und feuchte Luft schafft, damit die Photosynthese-Aktivität ruht und die Spaltöffnungen geschlossen bleiben, sodass die Pflanze nicht vertrocknet.

Abb. 6. Zitronenfalter halten sich frisch. (Foto: xulescu_g / flickr)

Abb. 6. Zitronenfalter halten sich frisch. (Foto: xulescu_g / flickr)

Der Zitronenfalter (Gonepteryx rhamni) überwintert exponiert frei im Geäst hängend ebenfalls dank einem „Frostschutz-Mix“ aus Glycerin, Sorbit und AFPs und überlebt so Temperaturen bis mindestens – 20°C (Abb. 6).

Ein bekannter Weltmeister der supercoolen Säuger ist das Arktische Ziesel (Urocitellus parryii), welches während seines Winterschlafs seine Körpertemperatur auf bis zu – 2,9°C absenkt.

Abb. 7. Ein Schneefloh in Weihnachtsstimmung. (Foto: Andy Murray / flickr)

Abb. 7. Ein Schneefloh in Weihnachtsstimmung. (Foto: Andy Murray / flickr)

Anders gehen die Schneeflöhe (Ceratophysella sigillata) vor. Sie produzieren ihren Anti-Freeze-Cocktail nicht selbst, sondern nehmen ihn über die Algen, die sie an Baumstämmen abweiden, auf (Abb. 7).

Frosttolerante Arten gehen der Eisproblematik nicht aus dem Weg, sondern lassen sich in Ruhe durchfrieren. Doch auch hier müssen die Zellen geschützt werden. Die Flüssigkeiten in der Körperhöhle dürfen erstarren, doch gefriert das Innere der Zelle, bedeutet das auch für die ganz Harten den Tod. Der Eisbildungsprozess wird gesteuert durch spezielle Ice-Binding Proteine (IBP), die an entstehende Eiskristalle binden und Rekristallisierung verhindern, jedoch andere Eigenschaften als AFPs haben, sowie durch Ice-Nucleating Proteine (INP), die als Kondensationskeime für Eiskristalle dienen. Mit IBPs wird also verhindert, dass kleine – gewollte – Eiskristalle unkontrolliert wachsen. Mit INPs können Temperaturschwelle und Ort der Eiskristallbildung gesteuert werden. So können die Tiere bereits bei hohen Minusgraden in gewünschten Körperregionen die Eiskristallwachstumsrate lenken und es kommt nicht zu unkontrollierter Eisausbreitung. Der Schutz der Zellen funktioniert wiederum über Erhöhung der Zuckerkonzentration, Stabilisierung von Zellmembranen durch IBPs und Einlagerung weiterer „Frostschutzmittel“, wie Harnstoff und Glycolipiden.
Beispielhafte Könner sind der Waldfrosch (Lithobates sylvaticus), verschiedene Insekten, wie Drachenkäfer (Pytho deplanatus), und Pflanzen, wie der Bittersüsse Nachtschatten (Solanum dulcamara).

Winternachtstraum

Der Winterschlaf ist ein komplexes physiologisches Phänomen. Gerade im Bereich der Steuerung des Eintretens in den Winterschlaf und des Wiedererwachens sind noch viele – chronobiologische – Fragen offen. Ein wichtiger Signalgeber für die innere Uhr der Winterschläfer ist vermutlich das UV-Licht. Durch Lichtveränderung im Herbst wird der Hormonhaushalt umgestellt und das Tier begibt sich in den Winterschlaf. Viele tieferliegende, auch genetische Mechanismen und ihre Wechselwirkungen sind aber noch ungeklärt.
Heute wird nicht mehr strikt zwischen Winterschlaf und Winterruhe unterschieden, sondern davon ausgegangen, dass viele Säugetiere und einige wenige Vögel – homoiotherme Tiere – ähnliche Mechanismen entwickelt haben. Zu unterscheiden ist die Kältestarre von poikilothermen – also wechselwarmen – Tieren, die keine aktive Regulation der Körpertemperatur ist. Die Reaktion auf ein Fallen der Umgebungstemperatur, dem ganz automatisch die eigene Körpertemperatur folgt, ist meist ein „Frostschutzmix“, wie beim Waldfrosch. Auch die Absenkung der Körpertemperatur – von 37 auf 15°C – beim Rothirsch (Cervus elaphus) ist eher ein in Kauf zu nehmendes Beiprodukt des radikalen Energiesparprogramms, das diese Tiere kurzfristig fahren können.

Winterschlaf zeichnet sich durch Torpor-Phasen aus. Der Torpor ist ein energetischer Sparzustand, in dem der Stoffwechsel und der Energieumsatz auf ein Minimum reduziert werden. Herzschlag und Atemfrequenz werden verlangsamt, die Körpertemperatur gesenkt, Organfunktionen reduziert oder völlig eingestellt. Nahrung und Flüssigkeit werden in diesen Starre-Phasen nicht aufgenommen, auf Außenreize wird kaum reagiert. Torpor-Phasen können in verschiedenen Intensitäten und Längen auftreten und dienen allgemein der Überdauerung von Mangelzeiten.

Winterschläfer können diese Sparzustände aktiv regeln. Eine von vielen physiologischen Anpassungen ist das Braune Fettgewebe, das im Gegensatz zum Weissen Fettgewebe, viele Mitochondrien enthält und dazu dient, die Energie, welche im – beim gut vorbereiteten Winterschläfer massig vorhandenen – weißen Fett gespeichert ist, schnell in Wärme umzusetzen, um die Körpertemperatur in den Wachphasen wieder zu erhöhen.

Abb. 8: Siebenschläfer unter den perspektivischen Verhältnissen von 1827. (Foto: Biodiversity Heritage Library, The class Mammalia, Printed for Geo. B. Whittaker,1827.

Der Winterschlaf kann aus einer langen Torpor-Phase mit nur seltenen kurzen Wach-Phasen bestehen. Beispiele sind hier der Siebenschläfer (Glis glis, Abb. 8), der mindestens drei, meist aber acht oder sogar bis zu zehn Monate im Torpor verbringt, und die Zwergfledermaus (Pipistrellus pipistrellus).

Zu oft dürfen diese Winterschläfer nicht erwachen. Das Erhöhen der Körpertemperatur und der Herz- und Atemfrequenz in den kurzen Wachphasen benötigt enorm viel Energie. Werden die Tiere zu oft im Winterschlaf gestört, verhungern sie.

Murmeltiere (Marmota marmota) etwa halten sozialen Winterschlaf in einem Haufen – die kleinen, magereren Jungtiere innen, die großen, fetten Erwachsenen außen. Die Familie erwacht immer gleichzeitig, um so Energie zu sparen.

Strategie Radikal

Eine weitere interessante Strategie verfolgt die Teichlinse (Spirodela polyrhiza). Die Mutterpflanze bildet einen Turion („Überwinterungsknospe“), in Form eines kurzen, mit Stärke angereicherten Sprosses, aus. Dieser sinkt auf den Grund des Gewässers (Teich oder sehr langsam fliessendes Gewässer) ab und überdauert bis zum Frühjahr im 4°C „warmen“ Tiefenwasser, während die Mutterpflanze durch die Vereisung abstirbt. Im Frühjahr ist die Stärke aufgebraucht, der Turion steigt zur Wasseroberfläche auf und treibt Blätter aus (Abb. 9).

Teichlinse Turion

Abb. 9: Turion einer Teichlinse. (Foto: Stefan Lefnaer via Wikimedia

Weitwandern

Abb. 10: Rauchschwalben bei der Jagd. (Foto: J. M. Garg/Wikimedia

Weltweit sind ca. 50 Milliarden Zugvögel auf der Walz, denn ungefähr die Hälfte der bekannten Vogelarten sind keine Standvögel. Nicht alle ziehen aber tausende Kilometer zwischen Brut- und Überwinterungsgebiet hin- und her, wie die Rauchschwalben (Hirundo rustica), die, je nachdem wo in Europa sie brüten, Strecken von bis zu 12.000 km, bewältigen (Abb. 10).
Kurzstreckenzieher, wie das Rotkehlchen (Erithacus rubecula), wandern nur verhältnismässig kurze Distanzen. Jetzige Gäste dieser Art stammen aus Nord- und Nordosteuropa, während die im Sommer hier brütenden Vögel gerade Urlaub am Mittelmeer machen.
Nicht nur Vögel ziehen in den Süden. Auch Schmetterlinge, wie der Admiral (Vanessa atalanta), wandern zwischen Sommer- und Überwinterungsgebieten hin- und her. Mitteleuropäische Admiräle wandern im Sommer bis Südskandinavien und kehren zum Überwintern nach Mitteleuropa zurück.
Die Wanderlust ist genetisch festgelegt. Welche biochemischen und physiologischen Mechanismen dann aber den Startschuss geben, wird derzeit noch intensiv erforscht. Zur Orientierung werden unterschiedliche Informationen genutzt: Magnetsinn, Orientierung am Sternenhimmel, Sonnenstand sowie Landmarken weisen den Wanderern den Weg.

Spare in der Zeit …

Die international anerkannte Energiewährung ist Fett. Je fetter, desto lebendiger gilt für alle Sparefrohs vor und während der Herrschaft von Frau Holle. Die Anlageform kann variieren. Entweder lagert man seine Reserven unter der Matratze, gleich unter der eigenen Haut oder man betreibt Outsourcing.
Ein wahrer Schatzmeister ist der Feldhamster (Cricetus cricetus). Bis zu 90 Kilogramm Pflanzenmaterial kann ein einzelner Hamster für den Winter zusammentragen. Während der Winterruhe erwacht der Hamster immer wieder und legt eine Jausenpause ein.

Abb. 11: Bienenschwarm (Foto: Schmodde / Wikimedia, CC-BY-SA-3.0)

Abb. 11: Bienenschwarm (Foto: Schmodde / Wikimedia, CC-BY-SA-3.0)

Auch die Honigbiene (Apis mellifera) sorgt ordentlich vor. Mit ca. 20 Kilogramm Honig hat sich der Schwarm einen ordentlichen Vorrat an Brennstoff angelegt. Dieser wird über den Winter hinweg buchstäblich verheizt. Die Arbeiterinnen bilden eine Traube, lassen ihre Flugmuskulatur im Leerlauf zittern und heizen ihren Brustbereich so auf über 40°C. Im Inneren dieser Wintertraube sitzt die Königin bei kuscheligen 25°C (Abb. 11).

Braunbären (Ursus arctos) stehen ihren Vorräten noch näher. 50 bis 100 Kilogramm Fett futtern sie sich für den Winter auf die Rippen. Spätestens Anfang Dezember ziehen sie sich zur Winterruhe zurück und dösen bis zum Frühling. In dieser Zeit wird völlig auf Recycling umgestellt. Der Fettpolster wird abgebaut, dabei wird Wasser produziert, sodass der Bär nicht austrocknet. Der Harnstoff, der durch den Stoffwechsel entsteht, wird zerlegt und wieder zu neuen Proteinen verbaut. So kann der Bär ohne Aufnahme von Futter oder Wasser und Abgabe von Kot oder Urin den Winter überdauern. Da er seine Körpertemperatur nur um ca. 4°C absenkt, ist Meister Petz im Ernstfall aber sofort hellwach.
Wer Köpfchen hat, der nützt es – Eichelhäher (Garrulus glandarius), Tannenhäher (Nucifraga caryocatactes) und Rabenkrähe (Corvus corone) legen ebenfalls Kapital an, verteilen es aber lieber weiträumig. Tausende Nüsse, Eicheln und andere Nahrungsbrocken werden jährlich gebunkert. Der Spitzenanleger ist der Tannenhäher mit bis zu 20.000 Verstecken in denen bis zu 100.000 Nüsse (Zirbel- & Haselnüsse) gebunkert werden. Die Gedächtnisleistung, die das Merken all dieser Plätze bei gleichzeitiger Veränderung der (Sommer- zu Winter-)Landschaft erfordert, ist enorm. Nutznießer von einzelnen Gedächtnislücken des Hähers ist die Zirbe (Pinus cembra), die sich nur dank vergessener Schatzdepots weiterverbreiten kann.

Wer nun auch Lust bekommen hat glitzernde Schätze zu finden, der kann dies in einem der der schönsten Naturmuseen der Schweiz (Abb. 12)!

Naturmuseum Thurgau, Leuchtiglu der Wissensvermittlung. (Foto: Jürgen Zimmermann, Zürich)

Abb. 12: Naturmuseum Thurgau, Leuchtiglu der Wissensvermittlung. (Foto: Jürgen Zimmermann, Zürich)

Quellen

  • Buck, C. L. and Barnes, B. M. (2000): Effects of ambient temperature on metabolic rate, respiratory quotient, and torpor in an arctic hibernator. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology 279. 255–262.
  • Carey, H. V., Andrews, M. T. and Martin, S. L. (2003): Mammalian Hibernation: Cellular and Molecular Responses to Depressed Metabolism and Low Temperature. Physiological Reviews 83: 1153–1181.
  • Duman, J. G. (2015): Animal ice-binding (antifreeze) proteins and glycolipids: an overview with emphasis on physiological function. The Journal of Experimental Biology 218, 1846-1855.
  • Duman, J.G. (2001): Antifreeze and ice nucleator proteins in terrestrial arthropods. Annual Review of Physiology 63, 327-357.
  • Gough, Z. (2015): www.bbc.com/earth/story/20150218-arctic-ground-squirrels-supercool-slumber
    Larson, D. J., Middle, L., Vu, H., Zhang, W., Serianni, A. S., Duman, J. and Barnes, B. M. (2014): Wood frog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezing tolerance. The Journal of Experimental Biology 217, 2193-2200.
  • Menninger, H. (2011): blogs.scientificamerican.com/guest-blog/winter-stoneflies-sure-are-supercool/
  • Poncet, A. (2013): Überwintern – 31 grossartige Strategien. Begleitbroschüre zur Sonderausstellung des Natur-Museums Luzern. Veröffentlichungen aus dem Natur-Museums Luzern Nr. 16.
  • Ring, R. A. (1982): Freezing-tolerant insects with low supercooling points. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology 73, 605-612.
  • Romuld, M. (2016): thescienceexplorer.com/nature/cryoproteins-and-supercooling-how-some-animals-survive-bitter-winter-temperatures
    schmetterlinge.bund-rlp.de/wissenswertes/ueberwinterung_bei_tagfaltern/
  • www.vogelwarte.ch
  • www.welt-der-schmetterlinge.de/schmetterling-schmetterlinge_im_winter.html (Websites: Stand Okt. 2018)