Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Bild 1 (Foto: Blume)

Es fällt gerade jetzt im kalten Februar immer wieder auf: Da stehen im Winter Schneeglöckchen und Krokusse in voller Blüte. Wie schaffen die das, dass sie nicht erfrieren? Gleiches gilt für immergrüne Pflanzen wie dem Rhododendron. Seine Blätter bleiben trotz starken Frosts grün. Andere Pflanzen dagegen überleben schon +4 °C nicht.

Was bewirkt Eis in den Zellen der Pflanzen?
Eis hat ein ca. 10 % größeres Volumen als flüssiges Wasser. Außerdem sind seine Kristalle nadelförmig. Beides sorgt dafür, dass beim Gefrieren die feinen Zellstrukturen zerrissen werden. Das merkt man, wenn man Gemüse oder Obst in der Kühltruhe einfriert: Nach dem Auftauen ist es schlapp und unansehnlich geworden. (Zur Vollständigkeit sei jedoch Folgendes erwähnt: Wenn man pflanzliches Gewebe schockgefriert (z. B. auf mit Kohlensäureschnee auf -79 °C oder mit flüssigem Stickstoff auf -196 °C), so bilden sich keine Nadeln, sondern eine glasartige Eismodifikaktion: Die Zellen bleiben intakt, und nach dem Auftauen sind die Pflanzen knackig wie frisch gepflückt.)

Vielleicht ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass nach einer Starkfrostnacht mit Temperaturen unter -5 °C die Schneeglöckchen nicht mehr wie sonst stolz und aufrecht stehen, sondern schlapp am Boden liegen. Wenn es wärmer wird, richten sie sich wieder auf, als wäre nichts gewesen. Man fühlt förmlich, wie sie sich den Schnee oder Raureif von den Schultern klopfen…

Bild 2: Schneeglöckchen bei strengem Frost (-6 °C) und bei frostfreiem Winterwetter (+8 °C)
(Fotos: Blume)

Dagegen sind die Blätter des Rhododendrons nach einer Frostnacht nur mehr oder weniger zusammengerollt. Sie wirken aber wie abgestorben und vertrocknet.

Das schlappe oder vertrocknete Aussehen der Pflanzen kann verschiedene Gründe haben. Oftmals fehlt den Blumen einfach das Wasser. Denn es ist im Boden eingefroren und kann als Eis nicht so einfach über die Wurzeln aufgenommen werden. Aber es gibt noch einen anderen, wesentlichen Grund.

Die winterharten Pflanzen haben einen natürlichen Frostschutz erfunden
Einige Pflanzen produzieren bei strengem Frost in großen Mengen Substanzen, die wie Frostschutzmittel wirken.

Solche Substanzen kennen wir schon aus der Technik; sie (vor allem Glykol) schützen Autokühler und Fensterwaschanlagen. Im richtigen Leben handelt es sich vor allem um echte „Bio-Alkohole“ wie Glycerin, Traubenzucker oder Sorbit.

Um diese Stoffe herzustellen, schalten die Pflanzen, wenn es zu kalt wird, ihren Stoffwechsel um. Sie stellen statt Glucose Glycerin her, und sie zerlegen Stärke zu Glucose. Dadurch erhöhen sie die Anzahl der Moleküle in ihrem Gewebe ganz beträchtlich. Was dann passiert, kennen wir unter dem Stichwort „Gefrierpunktserniedrigung“.

Diese Substanzen lösen sich im Wasser der Zellen und binden das Wasser so fest, dass es nicht bei 0 °C gefrieren kann. Um es zum Gefrieren zu bringen, muss erst eine zusätzliche Energie aufgewendet werden. Diese dient dazu, die Bindungen zwischen gelöstem Stoff und dem Wasser aufzubrechen. Denn Wassereis besteht immer aus Reinstwasser, bildet also keine Mischkristalle mit anderen Substanzen!

Da die Energie zur Aufhebung der Wechselwirkungen aus der Umgebung (man sagt: „aus dem System“) genommen wird, kühlt die Lösung ab, ohne dass das Eis gefriert. Erst ab einer viel tieferen Temperatur kann sich schließlich reines Eis bilden.

Je mehr Teilchen im Wasser gelöst sind, desto stärker ist der den Gefrierpunkt senkende Effekt. Wir sprechen von einer „kolligativen Eigenschaft“ (lat. colligo, vereinigen). Deshalb bringt es schon etwas, wenn die Pflanze aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle Glycerin macht. Oder statt einem Molekül Stärke gar 1000 Moleküle Glucose!

Versuch: Konzentrationsreihe Glycerin/Wasser Der Versuch eignet sich hervorragend als Gruppenarbeit! Wir stellen eine Konzentrationsreihe von Glycerin in Wasser her, indem wir 10, 20, 30 (usw.) ml Glycerin in jeweils 50 ml Wasser geben. Gut vermischen! Davon füllen wir jeweils soviel in Reagenzgläser, dass sie zu einem Drittel gefüllt werden. In die Reagenzgläser geben wir ein Thermometer mit der Möglichkeit zur Ablesung von Minusgraden. Dann bereiten wir eine Gefriermischung aus Eis und Kochsalz zu. Die sollte mindestens -20 °C kalt sein. Wir stecken ein Reagenzglas samt Thermometer in die Kältemischung und bewegen das Thermometer in der Flüssigkeit auf und ab. Wir können stattdessen auch eine Drahtschleife in die Flüssigkeit stecken und bewegen – wie im Folgenden Bild zu sehen ist. Dabei lesen wir die Temperatur ab. Wenn das Thermometer schließlich festhängt, ist die Mischung gefroren; diese Temperatur wird notiert. Wir tragen in einem Diagramm die Konzentration von Glycerin in mol/l gegen die Temperatur des Gefrierpunkts auf. Statt Glycerin können wir auch Sorbit oder Glucose verwenden.

Nun verstehen wir auch, warum viele Leute darauf schwören, dass man Grünkohl erst ernten (und essen) soll, wenn er einmal kräftig dem Frost ausgesetzt gewesen ist. Denn dann hat er seine Stärke in wohlschmeckenden Zucker verwandelt.

Warum die Pflanzen schlapp werden
Wie kommt man auf die Theorie vom Frostschutz? Dafür gibt es ein untrügliches Kennzeichen: Es gibt deutliche Auswirkungen auf den osmotischen Druck.

Denn es gibt neben der Gefrierpunktserniedrigung noch weitere kolligative Eigenschaften, die auf der Wechselwirkung zwischen Wasser und darin gelösten Stoffen beruhen. Dazu gehören die Siedepunktserhöhung und – für die Pflanzen wichtig - der osmotische Druck.

Anhand des osmotischen Drucks können wir endlich auch erklären, weshalb die Pflanzen so schlapp aussehen: Durch die Erhöhung der molaren Konzentration der gelösten Stoffe in den Zellen wird Wasser aus dem stützenden Gewebe der Pflanzen in die Zellen abgezogen. Die Zellwände sind die für die Osmose unverzichtbaren semipermeablen Membranen. Die Zellen werden zwar schön dick und rund. Aber das Stützgewebe macht schlapp, die Pflanze liegt am Boden.

Wenn es wieder warm wird, macht die Pflanze aus der Glucose wieder Stärke und verringert damit beträchtlich die Molzahl der gelösten Teilchen. Der osmotische Druck in den Zellen sinkt, und die Zellen geben das Wasser an das Stützgewebe zurück; die Schneeglöckchen-Pflanze richtet sich wieder auf. Oder die Rhododendron-Blätter entrollen sich wieder.

Weitere Informationen zum Frostschutz von Pflanzen (auch auf künstlichem Wege z. B. durch Beregnung) finden Sie hier.

Und wie schützen sich die wildlebenden Tiere vor dem Frost?
Die zittern sich warm. Durch anhaltende Muskelbewegung wird Wärme produziert. Dieses „Vor Kälte zittern“ ist ein spontaner, also unwillkürlicher Prozess. Gegen diesen „Schüttelfrost“ kann man nichts machen – wie jeder Fieberkranke weiß. Hierzu ein Motto aus großen Zeiten: „Der Deutsche Soldat friert nicht. Er zittert vielmehr vor Wut!“.

Zwar ist der Wirkungsgrad h biochemischer Prozesse wesentlich höher als der von durchschnittlichen technischen Systemen. Aber dennoch wird immer noch ein beträchtlicher Teil des Energiegehalts von ATP in die „nutzlose“ Energieform Wärme umgesetzt.

Wenn die durch Muskelzittern freigesetzt Wärme nicht ausreicht, wird die Atmungskette entkoppelt. Dann wird die beim Atmen gewonnene chemische Energie nicht in der Form von ATP gespeichert, sondern als Wärme freigesetzt. Dieser Vorgang wird (wie auch das Zittern) hormonell gesteuert. Ganz wesentlich ist die Schilddrüse daran beteiligt.

Vögel und Pelztiere plustern sich dazu noch auf und schaffen sich so eine warme Isolierungsschicht gegen das Eindringen kalter Umgebungsluft. Denn Luft ist ein schlechter Wärmeleiter.

Aus diesem Grunde benötigen Vögel viel chemische Energie, letztlich also Futter. Ein kleiner Singvogel muss bei seinem hohen Stoffwechselniveau täglich sogar das Drei- bis Vierfache seines Körpergewichts an Pflanzensamen, Regenwürmern oder Insekten verputzen. Das ist doch wohl mehr als ein hinreichender Grund, weshalb man die armen Kerlchen im Winter unbedingt füttern sollte.

Bild 3 (Foto: Blume)

Einige Naturschützer (die sich als „Tierfreunde“ ausgeben) polemisieren gegen das Füttern von Vögeln: Sie sagen, das würde die natürliche Auslese stören. In meinen Augen ist es eher das sinnlose Abholzen von Bäumen und Büschen (übrigens momentan eine der prägnantesten Spezialitäten der Bielefelder und Lipper Umweltbehörden), was die natürliche Auslese der Tiere stört. Bei uns in der Nachbarschaft sind von Privathand vor zwei-drei Jahren Dutzende alter Bäume gefällt worden. Dort lebten Spechte und viele andere Vögel. Nun kommen die zu uns und holen sich hier ihr Futter. Uns gefällt´s…!.

Einige Ergänzungen
Man muss noch darauf hinweisen, dass auch andere Substanzen als Glycerin oder Glucose zu Zwecken des Frostschutzes synthetisiert werden. Da gibt es zum Beispiel in manchen Kleinorganismen wie Eis-Kieselalgen die Aminosäure Hydroxyprolin, die bei höheren Tieren eigentlich nur im Kollagenverbund aus dem Prolinrest hergestellt wird. Klicke hier.

Fische wie der Dorsch, die bei minus 1-2 °C im Meer leben, erstarren ebenfalls nicht. Bei denen sind jedoch makromolekulare Glykoproteine für die Kälteabwehr verantwortlich. Das widerspricht zwar der thermodynamischen Regel der Gefrierpunktserniedrigung, bei der man von einer Vielzahl kleiner, im Wasser gelöster Moleküle ausgeht. Nur muss man sich daran erinnern, dass es beim Gefrierschutz ja schlicht nur um die Verhinderung der innergeweblichen und intrazellulären Eiskristallbildung geht. Glykoproteine sind wie alle Proteine zunächst einmal Polyelektrolyte. Dazu tragen sie noch viele verzweigte und deshalb besonders wasserbindende Zuckerreste. All das verhindert Eisbildung – wie es sonst die in Wasser gelösten kleinen Salz-Ionen oder Alkohole auf „brav thermodynamische Art und Weise“ tun.

Schnaps, also Ethanol, ist auf keinen Fall als Frostschutz geeignet, denn das ist ein Zellgift. Dass manche Leute dazu noch meinen, dass es einem bei Alkoholgenuss warm wird, ist ein oftmals tödlicher Irrtum: Der Alkohol bewirkt, dass die Peripherie des Körpers, also Haut und Glieder, besser durchblutet werden. Damit kühlen diese aber besonders stark aus. Trinker sind deshalb stets vom Erfrieren bedroht.

Anders die Schmetterlinge: Die überwintern sogar im Freien – ohne Aufplustern, Verstecken oder dicke Fettschicht. Das machen sie auf konventionell-thermodynamische Art, indem sie vermehrt Wasser ausscheiden oder sogar biochemisch binden. Das steigert den osmotischen Druck ihres Zellsaftes, der dann besser vorm Einfrieren geschützt ist. Und je trockener biologisches Gewebe ist, desto weniger ist es vom Einfrieren bedroht.

Das jedoch ist fast schon eine Überleitung zum Thema „Gefriertrocknen“…

Rüdiger Blume

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