Die Fähigkeit, in Eis und Schnee zu überleben, entwickelte sich bei Tieren viel früher, als wir dachten

Der Globus war heiß und feucht. Das Meer war voller Leben. Frühe Tintenfische, aalartige Fische und Meereswürmer jagten kleinere Tiere. Oberirdisch jedoch regte sich nichts. Die Tiere waren noch nicht an Land gekrochen.

So sah die Erde vor etwa 450 Millionen Jahren am Ende der Ordovizium-Zeit aus.

Das warme Wasser schuf perfekte Lebensbedingungen für die Tierwelt. Doch das würde sich bald ändern. Kurz darauf begannen die Landmassen zu gefrieren und eine Eiskappe begann sich auszubreiten.

Das Wasser, das zuvor warm und für die Tierwelt geeignet war, wurde kalt und unwirtlich. Eine Art nach der anderen ging zugrunde. Innerhalb kurzer Zeit wurde im Rahmen des zweitschwersten Massensterbens in der Geschichte des Planeten die Hälfte allen Lebens ausgelöscht.

Eines der überlebenden Tiere war jedoch der Springschwanz. Ein kleines, insektenähnliches Tier, das eine besondere Strategie gegen die Kälte entwickelt hatte. Die Zellen des Tieres hatten begonnen, Proteine ​​zu produzieren, die die Zelle vor dem Einfrieren schützen konnten.

Der Springschwanz könnte das erste Tier gewesen sein, das Frostschutzproteine ​​entwickelt hat. Bisher hatten Wissenschaftler geglaubt, dass Tiere damit erst viel später begannen. Dies zeigen Untersuchungen der Universität Aarhus und der Queen’s University in Kanada.

„Wir wussten, dass Frostschutzproteine ​​sich im Laufe der Evolutionsgeschichte mehrmals unabhängig voneinander entwickelt hatten. Fische haben sie. Insekten haben sie. Einige Spinnen haben sie. Aber bis wir diese Ergebnisse sahen, wussten wir nicht, dass sie sich so früh entwickelt hatten.“ in der Tierwelt“, sagt Martin Holmstrup.

Er ist Professor am Institut für Ökowissenschaften der Universität Aarhus und einer der Forscher hinter der neuen Studie.

Springschwänze sind überall zu finden – auch in Ihrem Garten

Der Springschwanz ist ein kleines Tier und die größte Springschwanzart ist nur sechs Millimeter lang. Es hat sechs Beine und zwei Antennen vorne. Auf den ersten Blick sieht es aus wie ein Insekt, ist es aber nicht. Tatsächlich hat es einen eigenen Zweig im Evolutionsbaum.

Bisher haben Forscher mehr als 9.000 verschiedene Springschwanzarten gefunden, und sie sind fast überall zu finden – auch in Ihrem Garten. Springschwänze leben typischerweise in den oberen Bodenschichten oder in abgefallenem Laub, wo sie sich von mikroskopisch kleinen Pilzen, Bakterien und anderen Mikroorganismen ernähren.

Seinen Namen verdankt das Tier seinem gegabelten Schwanz, den es wie die Stange eines Katapults unter seinem Körper hält. Der Schwanz wird auch Furcula genannt und das Tier kann ihn schnell loslassen und bis zu 10 Zentimeter in die Luft springen, wenn er von einem Feind, z. B. einer Spinne, angegriffen wird.

Springschwänze sind gut für die Gesundheit des Bodens, da sie dabei helfen, Nährstoffe zu den Pflanzen zurückzuführen.

Winzige Tiere in Petrischalen

Martin Holmstrup betreut im Labor fast 20 verschiedene Springschwanzarten. Die Kleintiere brauchen nicht viel Platz. In einer einzigen Glasschale könne eine ganze Kolonie leben, sagt er.

„Wir halten sie in Petrischalen mit Gipsboden, die wir feucht halten können. Als Futter geben wir ihnen etwas Trockenhefe. Das ist im Grunde alles, was sie brauchen“, sagt er.

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

Da die Forscher die DNA-Sequenz kennen, die den Zellen den Aufbau des Frostschutzproteins ermöglicht, können sie über Arten, Familien und Ränge hinweg nach derselben Sequenz suchen. Sie können auch berechnen, wann die Mutation stattfand, die zur Entstehung des Gens führte: die Ordovizium-Periode.

„Die Berechnungen zeigen, dass Springschwänze das Frostschutzprotein lange vor anderen Tieren entwickelt haben. Bei Fischen und Insekten geschah dies erst eine Million Jahre später. Allerdings könnten Pflanzen und Mikroorganismen wie Bakterien und einzellige Algen einen ähnlichen Mechanismus entwickelt haben.“ noch früher“, sagt er.

So finden Sie Springschwänze

Martin Holmstrup und seine Kollegen vom Department of Ecoscience haben die Springschwänze selbst für das Labor gesammelt. Sie wurden in Dänemark, Island und Grönland gesammelt.

Sie sind nicht so schwer zu finden, Sie können sie sogar in Ihrem eigenen Garten finden.

Befolgen Sie einfach diese Schritte:

Nehmen Sie eine Handvoll Erde oder Laub aus Ihrem Garten und legen Sie sie in ein Sieb.

Platzieren Sie eine verstellbare Lampe über dem Sieb und stellen Sie ein Tablett unter das Sieb.

Durch die Wärme der Lampe suchen sich die Springschwänze kältere Umgebungen auf. Dadurch fallen sie durch das Sieb in die Schale, wo sie herumkriechen.

Kapselt Eiskristalle ein und verlangsamt sie

Obwohl man Springschwänze fast überall auf der Welt finden kann, sind sie in der Arktis zahlreicher als anderswo. Nur wenige andere Landtiere können die Kälte Grönlands und Kanadas überleben, so dass sich die Springschwänze ungestört von Bakterien und Pilzen ernähren können.

„Die superstarken Frostschutzproteine ​​der Springschwänze ermöglichen es ihnen, in kalten Regionen zu überleben, wo sie sich dort 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, Frostschutzproteine ​​zu produzieren. Sie werden auch „eisbindende Proteine“ genannt, weil sie sich an der Oberfläche winziger Eiskristalle festsetzen und diese daran hindern können, größer zu werden. Landtiere kommen beim Gefrieren des Bodens in engen Kontakt mit Eiskristallen. Daher spielen Frostschutzproteine ​​eine wichtige Rolle dabei, zu verhindern, dass sich das Eis in das Tier ausbreitet und es tötet.

„Genau wie wir – und die meisten anderen Tiere – können Springschwänze nicht überleben, wenn ihr „Blut“ zu Eis gefriert. Die Frostschutzproteine ​​tragen dazu bei, dies zu verhindern“, sagt er.

Trocken wie eine Rosine

Dieses spezielle Protein ist jedoch nicht die einzige Fähigkeit, die es Springschwänzen ermöglicht, in der rauen Kälte der Arktis zu überleben. Sie haben noch einen weiteren Trick im Ärmel.

„Da jedes Lebewesen Wassermoleküle in seinen Zellen hat, sind wir anfällig für Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Wenn das Wasser gefriert, werden die Zellen zerstört. Um dies zu verhindern, lässt der Springschwanz austrocknen und überwintert eine Art Winterschlaf.“ „, erklärt Martin Holmstrup.

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

„Man kann sie mit einer Weintraube vergleichen, die in einem Prozess, der an Gefriertrocknung erinnert, zu einer Rosine trocknet. Die Springschwänze schrumpfen und werden im Winter zu kleinen, faltigen Lebewesen. Und wenn der Frühling kommt, nehmen sie Wasser auf und schwellen wieder auf ihre normale Größe an.“ ,“ er sagt.

Entdeckt in Fischen, die erfroren sein sollten

Viele Jahre lang war es ein Rätsel, wie bestimmte Tierarten in den kältesten Regionen des Planeten überleben konnten. Erst Mitte des letzten Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler die Frostschutzproteine, die es Tieren ermöglichten, mit der Kälte zurechtzukommen.

Seit Jahrzehnten fragen sich Wissenschaftler, wie arktische Fische in der Lage sind, in Meerwasser mit einer Temperatur von minus 1,8 Grad Celsius zu schwimmen. Der Gefrierpunkt von Meerwasser ist aufgrund seines Salzgehalts niedriger. Das Blut der Fische hingegen hat einen Gefrierpunkt von minus 1 Grad Celsius, was bedeutet, dass sie im Wasser nicht umhin können, zu gefrieren.

„Wie es Fischen gelang, im eisigen Meerwasser zu überleben, war lange Zeit ein Rätsel. Doch Ende der 1960er Jahre gelang es dem amerikanischen Forscher Arthur DeVries, die Proteine ​​in arktischen Fischen zu isolieren, die, wie er entdeckte, die Eisbildung verhindern konnten.“ in den Zellen und im Blut des Fisches, obwohl der Fisch sein ganzes Leben lang unterkühlt war“, erklärt Martin Holmstrup

Seitdem haben Forscher Frostschutzproteine ​​in einer Reihe anderer Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen entdeckt. Und diese Frostschutzproteine ​​werden mittlerweile von der Industrie genutzt.

Frostschutzproteine ​​spielen heute in der Lebensmittelindustrie eine wichtige Rolle

Heutzutage werden viele Lebensmittel als Tiefkühlkost gekauft und verkauft. Das Problem besteht jedoch darin, dass sich gefrorene Lebensmittel verändern, wenn sich Eiskristalle zu bilden beginnen. Sie beeinträchtigen häufig sowohl den Geschmack als auch die Textur der Lebensmittel.

Dies kann jedoch durch die speziellen Frostschutzproteine ​​verhindert werden, erklärt Martin Holmstrup:

„Die Gene, die die Frostschutzproteine ​​in Fischen kodieren, wurden in industrielle Hefezellkulturen kopiert. Dadurch produziert die Hefe die sehr nützlichen Proteine, die dann verschiedenen Lebensmitteln zugesetzt werden können“, sagt er.

Eines der Lebensmittel, bei denen die Proteine ​​besonders wirksam sind, ist Eis.

„Ich weiß, dass Unilever die Proteine ​​in Eiscreme verwendet hat, weil sie dazu beitragen, eine wirklich schöne Textur zu erzeugen. Das Eis kann auch aufgetaut und wieder eingefroren werden, ohne dass es zu einem harten Block aus Eiskristallen wird. Längerfristig könnte dieser Effekt genutzt werden.“ im Zusammenhang mit der Kryokonservierung von Transplantationsorganen.“

„Andere Branchen wie die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Windturbinenindustrie haben ebenfalls mit den Proteinen experimentiert. Sie hoffen, dass die Proteine ​​die Flügel vor dem Einfrieren und der Notwendigkeit einer Enteisung schützen können.“

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.