Spitz und hart durchbohren sie empfindliche Gewebestrukturen: Die Bildung von Eiskristallen stellt für Lebewesen eine große Bedrohung dar. Um sich vor dem Erfrieren zu schützen, erzeugen viele Tiere eigene Wärme, isolieren ihre Körper oder verkriechen sich in frostfreie Nischen. Doch Pflanzen können dem Frost nicht entrinnen. „Viele unserer Wildpflanzen haben im Laufe der Evolution deshalb Schutzmechanismen gegen Vereisung entwickelt“, sagt Stanislav Gorb von der Universität Kiel. Die Forschung hat sich dabei bisher vor allem auf die chemischen „Frostschutzmittel“ im Saft von Pflanzen konzentriert. Vor allem ein hoher Zuckergehalt und andere chemische Aspekte schützen dabei die Zellen vor der Bildung von zerstörerischen Eiskristallen bei Minusgraden. Gemeinsam mit seiner Kollegin und Ehefrau Elena Gorb zeigt Stanislav Gorb hingegen die Rolle von pflanzlichen Oberflächenmerkmalen beim Frostschutz auf.
Untersuchung bei minus 140 Grad Celsius
Ihre Ergebnisse basieren dabei auf Untersuchungen mithilfe der sogenannten Kryo-Rasterelektronenmikroskopie. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ermöglicht sie Analysen von biologischen Proben im Gefrierzustand. Denn die Probenkammern dieser speziellen Mikroskope lassen sich auf minus 140 Grad Celsius herunterkühlen. So werden Strukturen von Proben konserviert und bestimmte Reaktionen im Zusammenhang mit Vereisung lassen sich untersuchen. Auf diese Weise konnten die Forscher nachvollziehen, wie sich bestimmte mikroskopische Strukturen bei Pflanzen auf die oberflächliche Bildung von Eiskristallen auswirken. Im Fokus standen dabei unterschiedliche Blättertypen verschiedener Wildpflanzen.
Wie die Forscher berichten, zeichnen sich bisher zwei fast gegensätzlich wirkende Schutzmechanismen auf den Blättern ab: „Pflanzen können eine Vereisung ihrer direkten Blattoberfläche durch Härchen oder eine wachsartige Schicht auf den Blättern vermeiden oder zumindest steuern“, sagt Elena Gorb. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, beruht der Effekt bei den Härchen-Strukturen auf den wasseranziehenden (hydrophilen) Merkmalen dieser sogenannten Trichome. Dadurch bilden sich die Eiskristalle bevorzugt an diesen hervortretenden Strukturen und nicht auf der Blattoberfläche. Die empfindlichen Gewebe bleiben auf diese Weise von der zerstörerischen Wirkung der Eisbildung bewahrt, erklären die Forscher.
Naturforschung mit technischem Potenzial
Bei dem anderen Konzept kommt ein wasserabweisender (hydrophober) Effekt zum Tragen: Speziell strukturierte wachsartige Schichten auf Blattoberflächen sorgen dabei dafür, dass Wassertropfen effektiv abperlen. Nur sehr wenige Wassermoleküle können dadurch hängenbleiben und Eiskristalle ausbilden. Sie können die Wachsschicht dann auch nicht durchdringen und somit bleibt tieferes Blattgewebe geschützt. Eine besonders komplexe Form eines Kälteschutzes aus Wachs fanden die Forscher bei einer Pflanze mit extrem eisiger Heimat: Deschampsia antarctica ist eine der beiden einzigen blühenden Pflanzenarten der Antarktis. Sie weist eine sehr komplexe Form der Wachsbeschichtung auf, die mit ihrer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Frostschäden zusammenhängen könnte, sagen die Wissenschaftler.
