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Kältewirkungen und Kälteresistenz

Nach den Grenzen der Kälteresistenz und ihren physiologischen Grundlagen unterscheidet man folgende Organismen voneinander:
  • abkühlungsempfindliche
  • gefrierempfindliche
  • gefriertolerante
Abkühlungsempfindliche Lebewesen
Abkühlungsempfindliche Organismen sind Organismen, die schon bei Temperaturen, die über dem Gefrierpunkt liegen, sterben. Als Todesursache wird eine Störung des an höhere Temperaturen angepaßten Stoffwechsels bzw. der Organfunktion angesehen.
Bsp.:      
1) tropische Pflanzen- und Tierarten, z.B. Tabak oder Tomate, Honigbiene.
2) bei Homoiothermen Tieren liegen die unteren Letaltemperaturen oft über dem Gefrierpunkt der Gewebe; der Kältetod tritt meist ein, wenn die Körpertemperatur auf 15 bis 20°C gesunken ist.
Entscheidend für das Ertragen tiefer Augentemperaturen ist also bei den Homoiothermen die Fähigkeit, die Körpertemperatur auf konstanter Höhe zu halten. Wie lange dies möglich ist, hängt von folgenden Faktoren ab: - von der Stoffwechselintensität / Nahrungszufuhr - von der Wärmeisolation durch die Körperdecke - von der Körpergröße ( Bergmann'sche Regel)
 
Kälteresistenz bei Tieren
Die meisten wechselwarmen Organismen ertragen Temperaturen unter dem Nullpunkt problemlos. Gefrierempflindliche Arten überleben nur, wenn sich keine Eiskristalle in ihren Geweben bilden; gefriertolerante Arten überstehen auch die Eisbildung in den Geweben. Manche wechselwarme Arten werden erst bei sehr niedrigen Temperaturen kältestarr ( d.h. die Aktivität des wechselwarmen Tieres hört von seinem bestimmten Temperaturminimum an auf.):Bsp.: Schneeschnake, mitteleuropäische Kurzflügler, manche Spinnen.
Die Temperaturzone der Kältestarre ist nach unten hin, bis zum Eintritt des Kältetodes, relativ breit.
 
Kälteresistenz der Pflanzen
Über die Kälteresistenz der Pflanzen lassen sich bezüglich Gefrierempfindlichkeit / Gefriertoleranz die gleichen Feststellungen wie bei wechselwarmen Tieren treffen, wobei der Kältestarre der Tiere der Wachstumsstillstand bei Pflanzen entspricht. Die Kälteresistenz ändert sich bei den Pflanzen wie bei den Tieren Im Laufe des Jahres. Die Unterschiedlichkeit der Kälteresistenz ist aufgrund der stammesgeschichtlich entstandenen Anpassung an die jeweiligen Umweltverhältnisse erfolgt. Die ökologische Kälteresistenz einer Pflanze bezeichnet diejenige Temperatur, durch die die für den Nachtrieb erforderlichen Meristeme (Bildungsgewebe) nicht abgetötet werden.
 
Vernalisation
Als Vernalisation (oder Jarowisation) bezeichnet man eine künstliche Kältebehandlung, die bei        manchen Pflanzenarten die spätere Blütenbildung beschleunigt.  
Bsp.: Wenn man Körner von Wintergetreide, das normalerweise im Herbst ausgesät wird und erst im Sommer das nächsten Jahres blüht und reift, quellen läßt und sie gequollen einige Wochen Temperaturen von 1-4° C aussetzt, kann man sie auch im Frühjahr aussäen, sie gelangen dennoch zum Blühen und Reifen.
 
Ursachen der Kälteresistenz gefrierempfindlicher Arten
Gefrierempfindliche Arten können nur überleben, wenn sich in ihrem Körper keine Eiskristalle bilden. Viele von ihnen können Temperaturen bis -20°C ertragen. Warum bildet sich bei so tiefen Temperaturen kein Eis in den Geweben?
 
1. Faktor
In den Körperflüssigkeiten von Tieren und P8anzen sind Salze enthalten. Salzlösungen lassen sich bis unter 0°C abkühlen, ohne daß sie gefrieren.
 
2. Faktor
Wichtig ist der Gesamtwasseranteil im Körper. Bei einem Versuchstier wurde bei Aufenthalt in trockener Luft durch Wasserentzug die Kälteresistenz erhöht bzw. durch Verabreichung feuchter Nahrung erniedrigt. Bei Pflanzen wurde festgestellt, daß zum Winter hin im Prozeß der Abhärtung bestimmte Substanzen in den Vakuolen vermehrt werden. Durch diese Vermehrung, wobei es sich hauptsächlich um Zucker handelt, wird der Wassergehalt verringert.
 
3. Faktor
Die Struktur des Wassers, das in den Zellen verbleibt, ist von großer Bedeutung. Ein Teil ist als Hydratationswasser (Verbindungen von Oxyden oder wasserfreien Säuren mit Wasser) an die Proteinmoleküle gebunden. Die Hydrathüllen sind unentbehrlich für lebenswichtige Proteinmolekülstrukturen. In den siebziger Jahren wurden die Glykoproteine entdeckt. Sie überziehen die Eiskeime membranartig und verhindern somit das Wachstum der Kristalle.
 
Eisbildung in den Geweben
l. Häufigster Reaktionstyp
Die oben beschriebenen gefrierempfindlichen Arten sterben beim Unterschreiten einer unteren Temperaturgrenze, weil die Gewebe gefrieren. Durch Zusammenlagerung der Wassermoleküle zu Eiskristallen werden den Plasmaproteinen ihre Hydrathüllen entzogen, was zu einer Denaturierung empfindlicher Proteine und damit zu einer Veränderung in den Biomembranen führt.
 
2. Extremgruppe
Gefriertolerante Arten überleben, obwohl sich Eis in ihrem Gewebe bildet. Wie kann festgestellt werden, welche Arten gefriertolerant oder gefrierempfindlich sind? Mit einem Thermoelement wird die Körper- und Gewebetemperatur gemessen. Wenn Körpersäfte gefrieren, wird Kristallisationswärme frei, die vorübergehend zu einer beträchtlichen Erhöhung der Körpertemperatur führt. Lebewesen, die nicht gefriertolerant sind, können nach diesem Temperatursprung nicht mehr überleben.
 
Künstlich tiefgefrorene Gewebe
Verfahren beim künstlichem Einfrieren und Auftauen am Beispiel von embryonalen Geweben einer Karotte:
  1. Beigabe von Gefrierschutzmitteln (z.B. Glyzerin)
  2. Kühlung im Eisbad, maximal drei Stunden
  3. Senkung der Temperatur bis -70°C bei 1,8°C pro Stunde4
  4. Aufbewahrung in flüssigem Stickstoff bis zu 100 Tage
  5. Schnelles Auftauen in 37°C warmem Wasserbad
Ergebnis: Etwa 65% der Zellen erweisen sich als lebens - und entwicklungsfähig.
Was für Veränderungen bei diesen Tiefgefriertemperaturen, die in der Natur nicht vorkommen, in den Zellen verursacht werden und warum sie überleben können, kann noch nicht erklärt werden.