Die Erde ist heiß und nass. Das Meer ist voller Leben. Frühe Tintenfische, Aale und Seewürmer machten Jagd auf kleinere Tiere. Es gab jedoch keine Bewegung am Boden. Die Tiere sind noch nicht an Land geklettert. So sah die Erde am Ende des Ordoviziums vor etwa 450 Millionen Jahren aus. Warme Gewässer schaffen perfekte Bedingungen für die Tierwelt. Doch das könnte sich bald ändern. Bald darauf begann das Land zu gefrieren und die Eisschilde begannen sich auszubreiten.


Springschwänze sind uralt. Sie tauchten erstmals vor mehr als 400 Millionen Jahren auf und haben möglicherweise einen gemeinsamen Vorfahren mit Insekten. Seitdem haben sie sich jedoch in eine andere Richtung entwickelt als Insekten. Wir wissen heute, dass sie die ersten Tiere waren, die Frostschutzproteine ​​entwickelten. Bildquelle: Philippe Garcelon/Wikimedia Commons

Wasser, das zuvor warm und für Wildtiere gastfreundlich war, wurde kalt und unbewohnbar. Eine Art nach der anderen ging zugrunde. Innerhalb kurzer Zeit wurde im Rahmen des zweitschwersten Massensterbens in der Erdgeschichte die Hälfte allen Lebens ausgelöscht.

Das Leben im Ordovizium sah ganz anders aus als heute. Das Land ist karg und leblos, aber das Meer ist voller Leben. Besonders dominant sind die hier abgebildeten Tintenfische und Seeanemonen. Aber auch Springschwänze gibt es zu dieser Zeit. Bildquelle: FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons

Springschwänze: Überlebende mit Frostschutzproteinen

Eines der überlebenden Tiere war jedoch der Springschwanz. Ein kleines insektenähnliches Tier hat eine spezielle Strategie gegen die Kälte entwickelt. Tierische Zellen haben begonnen, Proteine ​​zu produzieren, die die Zellen vor dem Einfrieren schützen.

Springschwänze waren möglicherweise die ersten Tiere, die Frostschutzproteine ​​produzierten. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass Tiere damit erst viel später beginnen würden. Dies zeigen Untersuchungen der Universität Aarhus und der Queen's University in Kanada.

„Wir wissen, dass Frostschutzproteine ​​sich in der Evolutionsgeschichte viele Male unabhängig voneinander entwickelt haben. Fische haben sie. Insekten haben sie. Einige Spinnen haben sie. Aber bis wir diese Ergebnisse sahen, hatten wir keine Ahnung, dass sie sich so früh in der Tierwelt entwickelten“, sagt Martin Holmstrup.

Er ist Professor am Institut für Ökologische Wissenschaften der Universität Aarhus und einer der Forscher der neuen Studie.

Springschwänze sind überall zu finden – auch in Ihrem Garten

Springschwänze sind kleine Tiere, wobei die größte Art nur sechs Millimeter lang ist. Es hat sechs Beine und zwei Tentakel an der Vorderseite. Auf den ersten Blick sehen sie aus wie Insekten, sind es aber nicht. Tatsächlich hat es einen eigenen Zweig im Evolutionsbaum.

Bisher haben Forscher mehr als 9.000 verschiedene Springschwanzarten entdeckt, und sie sind fast überall zu finden, auch in Ihrem Garten. Springschwanzwürmer leben normalerweise in den oberen Bodenschichten oder in der Laubstreu und ernähren sich von winzigen Pilzen, Bakterien und anderen Mikroorganismen.

Seinen Namen verdankt das Tier seinem gegabelten Schwanz, der wie die Stange eines Katapults unter seinem Körper befestigt ist. Der Schwanz wird auch Gabelschwanz genannt, und wenn ein Feind (z. B. ein Tiger) ihn angreift, kann das Tier seinen Schwanz schnell loslassen und bis zu 10 Zentimeter in die Luft springen.

Springschwänze wirken sich positiv auf die Bodengesundheit aus, da sie dabei helfen, Nährstoffe in die Pflanzen zurückzuführen.

Martin Holmstrup züchtet im Labor fast 20 verschiedene Springschwanzarten. Kleine Tiere brauchen nicht viel Platz. Eine ganze Kolonie könne in einer Glasschale leben, sagte er. „Wir legen sie in eine Petrischale mit Gipsboden, die sie feucht hält. Als Futter geben wir ihnen etwas Trockenhefe. Das ist im Grunde alles, was sie brauchen“, sagte er.

Für das Experiment wurden Springschwänze aus Martins Labor verwendet. Er schickte Proben der Tiere an drei Kollegen in Kanada, die eine Reihe molekularer Experimente durchführten, um herauszufinden, wann die Tiere zum ersten Mal Frostschutzproteine ​​produzierten.

Da Forscher die DNA-Sequenz kennen, die es Zellen ermöglicht, Frostschutzproteine ​​zu bilden, können sie arten-, familien- und klassenübergreifend nach denselben Sequenzen suchen. Sie können auch berechnen, wann die Mutation stattfand, die zur Entstehung des Gens führte: die ordovizische Periode.

„Berechnungen zeigen, dass Springschwänze lange vor anderen Tieren Frostschutzproteine ​​produzierten. Dies geschah erst eine Million Jahre später bei Fischen und Insekten. Allerdings haben Pflanzen und Mikroorganismen wie Bakterien und einzellige Algen möglicherweise schon viel früher ähnliche Mechanismen entwickelt“, sagte er.

So finden Sie Springschwänze

Martin Holmstrup und seine Kollegen vom Department of Ecological Sciences sammelten die Springschwänze selbst für das Labor. Sie versammelten sich in Dänemark, Island und Grönland.

Sie sind nicht schwer zu finden und können sogar in Ihrem eigenen Garten gefunden werden.

Befolgen Sie einfach diese Schritte:

Nehmen Sie eine Handvoll Erde oder Blätter aus dem Garten und geben Sie sie in ein Sieb.

Platzieren Sie das verstellbare Licht über dem Sieb und stellen Sie das Tablett unter das Sieb.

Die Hitze der Lichter veranlasst die Springschwänze, kühlere Umgebungen aufzusuchen. Dadurch fallen sie durch das Sieb in die Schale, wo sie krabbeln.

Obwohl man Springschwänze fast überall auf der Welt finden kann, gibt es in der Arktis mehr Springschwänze als anderswo. Nur eine Handvoll anderer Landtiere können die Kälte Grönlands und Kanadas überleben, sodass sich die Springschwänze ungestört von Bakterien und Pilzen ernähren können.

„Die superstarken Frostschutzproteine ​​der Springschwänze ermöglichen es ihnen, in kalten Gegenden zu überleben, wo sie ihre Nahrung nur mit wenigen anderen Würmern und Insekten teilen müssen. Und sie haben nicht viele natürliche Feinde“, sagt Martin Holmstrup.

Im Winter, wenn die Temperaturen in der Arktis sinken, beginnen Springschwänze mit der Produktion von Frostschutzproteinen. Sie werden auch „eisbindende Proteine“ genannt, weil sie sich an der Oberfläche winziger Eiskristalle festsetzen und deren Wachstum verhindern können. Wenn der Boden gefriert, kommen Landtiere in engen Kontakt mit Eiskristallen. Daher spielen Frostschutzproteine ​​eine wichtige Rolle dabei, zu verhindern, dass sich Eis im Körper des Tieres ausbreitet und es tötet.

„Wie wir und die meisten anderen Tiere können Springschwänze nicht überleben, wenn ihr ‚Blut‘ gefriert. Frostschutzproteine ​​helfen, dies zu verhindern“, sagte er.

Springschwänze gibt es in vielen Formen und Größen und es gibt mehr als 9.000 verschiedene Arten. Dies ist nur die Anzahl der Arten, die wir gefunden haben. Forscher schätzen, dass es doppelt so viele Springschwanzarten oder mehr gibt. Bildnachweis: Andy Murray/Wikimedia Commons

trocken wie Rosinen

Dieses spezielle Protein ist jedoch nicht die einzige Fähigkeit der Springschwänze, die arktische Kälte zu überleben, sondern sie haben eine andere Möglichkeit zu überleben.

„Da jedes Lebewesen Wassermoleküle in seinen Zellen hat, sind wir sehr anfällig für Minustemperaturen. Wenn Wasser gefriert, werden die Zellen zerstört. Um das zu verhindern, trocknen Springschwänze aus und gehen im Winter in eine Art Winterschlaf“, erklärt Martin Holmstrup.

Wenn Springschwänze Winterschlaf halten, verlangsamt sich ihr Stoffwechsel so stark, dass Wissenschaftler dies nicht wirklich messen können. Wenn jedoch der Frühling kommt, nehmen sie wieder Wasser in ihren Körper auf und starten den Stoffwechsel wieder.

„Man kann sie damit vergleichen, dass Weintrauben zu Rosinen getrocknet werden, ein Prozess, der an Gefriertrocknung erinnert. Im Winter schrumpfen die Springschwänze und werden zu kleinen, faltigen Lebewesen. Wenn der Frühling kommt, nehmen sie dann Wasser auf und schwellen auf ihre normale Größe an“, sagte er.

Auch in Fischen zu finden, die eigentlich erfroren sein sollten

Wie bestimmte Tierarten in den kältesten Regionen der Erde überleben, ist seit Jahren ein Rätsel. Erst Mitte des letzten Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler die Frostschutzproteine, die es Tieren ermöglichen, mit Kälte zurechtzukommen.

Seit Jahrzehnten fragen sich Wissenschaftler, wie arktische Fische in Gewässern mit einer Temperatur von bis zu -1,8 Grad Celsius schwimmen können. Meerwasser hat aufgrund seines Salzgehalts einen niedrigen Gefrierpunkt. Fischblut hingegen hat einen Gefrierpunkt von -1 Grad Celsius, was bedeutet, dass sie im Wasser nicht umhin können, zu gefrieren.

„Wie Fische in eiskalten Gewässern überleben, war lange Zeit ein Rätsel. Doch Ende der 1960er Jahre gelang es dem amerikanischen Forscher Arthur DeVries, in arktischen Fischen vorkommende Proteine ​​zu isolieren, die seiner Meinung nach die Bildung von Eis in den Zellen und im Blut des Fisches verhindern, selbst wenn der Fisch sein ganzes Leben lang unterkühlt war“, erklärt Martin Holmstrup.

Seitdem haben Forscher Frostschutzproteine ​​in vielen anderen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen entdeckt. Diese Frostschutzproteine ​​werden heute von der Industrie verwendet.

Geschichte und Anwendungen von Frostschutzproteinen

Heutzutage werden viele Lebensmittel als Tiefkühlgerichte gekauft und verkauft. Das Problem ist jedoch, dass sich gefrorene Lebensmittel verändern können, wenn sich Eiskristalle bilden. Sie beeinträchtigen häufig den Geschmack und die Textur von Lebensmitteln.

Dieser Zustand lässt sich jedoch mit speziellen Frostschutzproteinen verhindern, erklärt Martin Holmstrup:

„Das Gen, das für das Fisch-Frostschutzprotein kodiert, wurde in industrielle Hefezellkulturen kopiert. Dadurch kann die Hefe sehr nützliche Proteine ​​produzieren, die dann verschiedenen Lebensmitteln zugesetzt werden können“, sagte er.

Eines der besonders eiweißreichen Lebensmittel ist Eiscreme.

„Ich weiß, dass Unilever Proteine ​​in seinem Eis verwendet, da diese dabei helfen, eine wirklich schöne Textur zu erzeugen. Eis kann auch aufgetaut und wieder eingefroren werden, ohne dass es zu harten Eiskristallen wird. Längerfristig könnte dieser Effekt für die Kryokonservierung transplantierter Organe genutzt werden. Auch andere Branchen wie die Luft- und Raumfahrt- und Windturbinenindustrie experimentieren mit diesen Proteinen. Sie hoffen, dass diese Proteine ​​Flugzeugflügel vor Eisbildung und der Notwendigkeit einer Enteisung schützen.“