Frostschutzmittel Warum der Alaska-Käfer keine kalten Füße bekommt

Manche Tiere trotzen selbst extremen Minusgraden. Ausgeklügelte Tricks der Natur helfen ihnen dabei. Einen davon haben Forscher jetzt beim Alaska-Käfer untersucht. Die Insekten produzieren ihr eigenes Frostschutzmittel - ein chemisches Molekül mit besonderen Eigenschaften.

Vitaliy Ivanovich Gumenyuk

Notre Dame - Man muss schon hart gesotten sein, wenn man bei diesen Temperaturen überleben will. Doch selbst minus 60 Grad können diesem Käfer nichts anhaben: Upis ceramboides krabbelt durch Alaska und schützt sich durch eine chemische Substanz gegen die klirrende Kälte.

Wissenschaftler kennen diesen Trick der Natur: Damit sich keine Eiskristalle im Blut bilden und es dadurch gefriert, produzieren manche Tierarten eine Art Frostschutzmittel. Auf diese Weise überleben zum Beispiel Schwarzfische über mehrere Wochen in zugefrorenen Tümpeln. Auch einige Schmetterlingsarten kommen so durch den Winter. Jetzt haben US-Forscher von der University of Notre Dame (US-Bundesstaat Indiana) aber eine neue Art Frostschutzmittel entdeckt.

Im Gegensatz zu den meisten bisher bekannten Substanzen handelt es sich beim Käfer Upis ceramboides um eine rein chemische Substanz, die Kent Walters und seine Kollegen aus dem Insekt isoliert haben. Das ist außergewöhnlich, denn in den meisten Fällen nutzen die Tiere spezielle Proteine als Gefrierschutzmittel. Die Substanz, die Upis ceramboides vor dem Kältetod bewahrt ist jedoch ein Vielfachzucker. Xylomannan heißt das Riesenmolekül.

Eiskristalle im Keim ersticken

Konventionelle künstliche Frostschutz-Mittel bestehen meist aus kleinen Molekülen, die in hohen Konzentrationen den Gefrierpunkt senken. Bei großen Molekülen wie Xylomannan genügen dagegen geringe Mengen. Sie binden sich in die Eiskristallgitter ein und verhindern so, dass diese immer größer werden und die Zellen zerstören, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin " Proceedings of the National Academy of Sciences" berichten.

Doch der Käfer-Frostschutz bremst in dem schwarzen Alaska-Käfer nicht nur das Anwachsen von Eiskristallen - der Vielfachzucker hält auch durch Wechselwirkungen mit der Zellmembran Eis vom flüssigen Wasser in den Zellen fern. Sein Frostschutzeffekt entspricht dabei dem wirkungsstärksten Antigefrier-Protein, das bisher in Insekten gefunden worden ist.

Antifrost-Eiweißmoleküle wurden vor rund 60 Jahren zuerst im Blut von Fischen in der Antarktis entdeckt. Inzwischen kennen Biologen weitere Organismen, die den ähnliche Tricks zur Frosttoleranz nutzen, darunter verschiedene Pflanzen, Insekten und andere Gliederfüßler. Allerdings fehlt nach Ansicht des Forscherteams um Walters bei den meisten Proteinen die genaue Analyse der chemischen Zusammensetzung: Bei Insekten zum Beispiel sind zwar über 50 Arten mit Gefrierschutz bekannt, doch nur für fünf der Proteine wurde die Molekülstruktur präzise beschrieben.

Beispielsweise sei für den braunen Steinläufer-Hundertfüßer (Lithobius fortificatus) zwar belegt, dass ein Antigefrier-Protein das Überleben seiner Zellen bei Frost absichert, der eigentliche Mechanismus bleibe jedoch unklar. Für Xylomannan haben die Wissenschaftler dagegen die genaue chemische Zusammensetzung und Struktur aufgeklärt und damit nach eigener Einschätzung eine neue Klasse von natürlichen Forstschutzmitteln ohne Proteine entdeckt.

cib/ddp



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