Überlebenskünstler im ewigen Eis
3. April 2012
Das Eis in den Polarmeeren scheint ein unbelebter Ort zu sein. Zwar laufen Eisbären oder Pinguine auf seiner Oberfläche, Fische und Robben schwimmen unter ihm her - das Eis selbst hingegen ist für viele nichts weiter als ein Klumpen gefrorenes Wasser. Aber der Eindruck täuscht!
In winzig kleinen Kanälchen innerhalb des Eises wimmelt es nur so von Leben: Bakterien, Pilze, Algen, Plattwürmer, kleine Krebse und andere fühlen sich dort pudelwohl. Die Hohlräume im Eis sind oft nur so breit wie ein Haar und gefüllt mit extrem salzigem Meerwasser. Denn wenn Wasser gefriert, werden die Salze nicht Bestandteil des Eises, sondern bleiben zurück und reichern sich an.
Temperaturen von -20 Grad Celsius sind keine Seltenheit. Deshalb droht den Anwohnern stets die Gefahr, dass der Hohlraum im Eis - und damit ihr Lebensraum - komplett zufriert und verschwindet. Das wäre, als stände ein Mensch in einem Zimmer, dessen Wände sich immer weiter aufeinander zu bewegen - keine angenehme Vorstellung! Aber die Überlebenskünstler im Eis meistern all diese Schwierigkeiten.
Kristallisiere so, wie ich will!
Sehr viele Organismen, die im Polareis leben, stellen Gefrierschutzproteine her und geben sie an das Wasser ab. Diese Eiweiße binden sich an entstehende Eiskristalle und verhindern, dass diese weiter wachsen können - sie bleiben klein und damit ungefährlich.
Die einzellige Kieselalge namens Fragilariopsis cylindrus produziert ein besonders bemerkenswertes Gefrierschutzprotein. Das haben Forscher am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven entdeckt. Das Eiweiß verändert nicht nur die Größe, sondern auch die innere Struktur der Eiskristalle und damit die Porosität des Eises an sich. "Wir vermuten, dass sich auf diese Weise das Eis so entscheidend verändert, dass die Salzlauge nicht ausgewaschen wird. Sie verbleibt in den Kanälen, weshalb die kleinen Gänge und Hohlräume im Eis es schwerer haben, zuzufrieren", sagt die Forscherin Maddalena Bayer-Giraldi. Das Eis wächst aufgrund des Eiweißes also nicht im stabilen Block, sondern als lockeres Geflecht von Eiskristallen voller Hohlräume und Kanälchen - dem Lebensraum der Alge. Wie die Wissenschaftler festgestellt haben, stellt Fragilariopsis cylindrus große Mengen des Eiweißes her, wenn es um sie herum besonders kalt und salzig wird.
Viele Eisbewohner nutzen noch einen anderen Trick: Sie sondern schleimige Substanzen ab, etwa große polymere Zuckermoleküle, die eine Schutzhülle um sie herum bilden. Diese puffert die Organismen gegen die restliche Umgebung ab - ähnlich einem Neoprenanzug beim Taucher, der den schnellen Austausch von Wasser an der Haut unterbindet.
Der eisigen Kälte Herr werden
Nicht nur das Eis, sondern auch die extreme Kälte an sich macht den Organismen zu schaffen. Die Membranen der Zelle werden steif, spröde und damit funktionsunfähig. Eisbewohner bauen daher besonders große Mengen vielfach ungesättigter Fettsäuren in ihre Membranen ein, die diese weich und geschmeidig machen.
Kälte setzt auch die Geschwindigkeit des Stoffwechsels stark herab: Bei niedrigen Temperaturen arbeiten die Enzyme, die Arbeitseiweiße der Zellen, nur noch langsam oder überhaupt nicht mehr. Die speziellen Enzyme der Eisbewohner haben sich aber im Laufe der Evolution an die geringen Temperaturen angepasst und arbeiten auch in klirrender Kälte noch effizient.
Es gibt allerdings lebenswichtige Eiweiße, die sich auch nach vielen Jahrmillionen der Evolution einfach nicht an Kälte gewöhnen wollen. Von diesen stellen die Überlebenskünstler dann einfach mehr her als üblich. Denn viele Enzyme, die langsam arbeiten, schaffen genauso viel wie wenige Arbeiter, die sich beeilen.
Zu viel Salz ist nicht gut
Eisbewohner haben noch ein weiteres Problem zu lösen: die extrem hohen Salzgehalte in ihrer Umgebung. Die sind im allgemeinen für Lebewesen schädlich, denn wenn sehr viel mehr Salz außerhalb des Organismus vorliegt als in seinem Inneren, strömt Wasser aus den Zellen nach außen, um das Salz zu verdünnen und die Salzkonzentrationen innen und außen anzugleichen. Zu wenig Wasser im Zellinneren bedeutet aber den Tod.
Daher tricksen die Überlebenskünstler dieses Naturgesetz aus: Sie stellen zahlreiche Moleküle her, die sie in ihrem Inneren ansammeln, etwa die Aminosäure Prolin, die zuckerähnliche Verbindung Mannitol und andere. Auch diese Substanzen verlangen danach, verdünnt zu werden, so wie das Salz außen. Daher bleibt das Wasser in der Zelle - das Gleichgewicht ist wieder hergestellt.
Photosynthese nur, wenn es sich lohnt
Die Hälfte des Jahres herrscht an den Polen tiefste Dunkelheit, aber auch wenn die Sonne scheint, gelangt oft nur wenig Licht in die Behausungen der Eisbewohner - vor allem, wenn das Eis sehr dick ist und noch eine Schneeschicht darüber liegt.
Viele Organismen, die von der Photosynthese leben, Algen etwa, haben sich biochemisch an die schlechten Lichtverhältnisse angepasst und stellen entweder besonders effektive Lichtsammler her oder aber große Mengen der benötigten Substanzen. Und sie können sich entscheiden, wie sie sich ernähren wollen: In den sechs Monaten tiefster Finsternis schalten sie die Photosynthese ab und ernähren sich von Nährstoffen, die das Wasser in ihre kleine Salzlaugenkanälchen hereinspült.
Mit vielen Tricks ganz unterschiedlicher Art haben es Bakterien, Algen, Krebse und andere Arten also geschafft, sich eine ökologische Nische zu erobern, die auf den ersten Blick unbewohnbar scheint.