A52 Unterkühlung und Erfrierungen

Thema

Insekten, die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt sind, reagieren nicht einheitlich auf die Kälte. Stattdessen wenden sie zwei völlig unterschiedliche Strategien an, um Unterkühlung und Erfrieren zu bekämpfen: Frosttolerante Insekten lassen einen Teil ihres extrazellulären Wassers gefrieren, während frostintolerante Insekten genau das Gegenteil tun: Sie verhindern um jeden Preis die Eisbildung in ihrem Körper und halten ihr Wasser selbst unter dem Gefrierpunkt flüssig – ein Zustand, der als Unterkühlung bekannt ist. Beide Strategien beruhen letztlich auf demselben physikalischen Phänomen: der Eiskeimbildung, dem Moment, in dem sich der erste Eiskristall im Wasser des Insekts bildet. Diese Keimbildung folgt einer stark nichtlinearen Kinetik: Die Geschwindigkeit, mit der neue Kristalle entstehen, hängt exponentiell von einer kritischen Energiebarriere ab, die für die Kristallbildung überwunden werden muss. Diese Barriere wiederum hängt stark von der Oberflächenspannung des Wassers ab – je höher die Spannung, desto höher die Barriere – und nimmt deutlich ab, wenn das Wasser unter seinen Gefrierpunkt abkühlt. Die Abnahme verstärkt sich mit zunehmender Abkühlung unter den Gefrierpunkt.

Diese Energiebarriere, die die Eisbildung verhindert, kann jedoch drastisch reduziert werden, wenn das Wasser des Insekts kleine Keimbildungspartikel wie Bakterien oder Staub enthält, die dem Eis eine Oberfläche bieten, auf der es sich leichter bilden kann. Dieser Prozess, bekannt als heterogene Keimbildung, stellt genau das Risiko dar, das frostempfindliche Insekten am meisten bedroht, da sie auf diese hohe Barriere angewiesen sind, um die Unterkühlung aufrechtzuerhalten.

Sobald die Eisbildung eingesetzt hat, steigt der Anteil des Wassers im Insekt, der gefriert, nicht kontinuierlich an, sondern folgt einer sigmoidalen Kurve, wie sie in der Avrami-Gleichung für Phasenübergänge beschrieben wird: Er schreitet zunächst langsam voran, beschleunigt sich dann und verlangsamt sich schließlich wieder, wenn fast das gesamte verfügbare Wasser gefroren ist. Sowohl frosttolerante als auch frostempfindliche Insekten verfügen zudem über eigene molekulare Abwehrmechanismen: Frostschutzproteine ​​und Kryoprotektiva wie Glycerin und Trehalose senken den Gefrierpunkt des Wassers im Insekt und erweitern so den Temperaturbereich, in dem das Insekt ohne Eisbildung unterkühlt bleiben kann. Gleichzeitig beeinflussen diese Moleküle die Wachstumsgeschwindigkeit der Eiskristalle nach Einsetzen des Gefrierprozesses und ermöglichen frosttoleranten Insekten so eine bessere Kontrolle über die Eisbildung in ihrem Körper.

Wie schädlich das Gefrieren für das Insekt ist – ob es dies als Strategie gewählt hat oder die Unterkühlung fehlgeschlagen ist – hängt primär von der Geschwindigkeit der Eiskristallbildung im Körper ab: Schreitet das Gefrieren langsam voran, bilden sich große Kristalle außerhalb der Insektenzellen. Diese dehydrieren die Zellen durch Osmose, das Insekt kann jedoch überleben. Schreitet das Gefrieren hingegen schnell voran, bilden sich Kristalle innerhalb der Insektenzellen, und diese intrazellulären Kristalle sind tödlich.

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