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Winterlicher Exkurs in die Biophysik

Biologie + Physik = Biophysik

  • Verschneiter Laubwald im Winter. Wenn es Winter wird, verändert sich das Leben im Wald; Rechte: Mauritius

Im Winter treffen zwei Schulfächer aufeinander: die Biologie und die Physik. Draußen ist es dann klirrend kalt. Die Säugetiere im heimischen Wald schützen sich durch ein dichtes Fell, verstecken sich unter Laub, in tiefen Erdlöchern oder weich gepolsterten Baumhöhlen. Fische entgehen dem Frost in plätschernden Bächen oder tauchen auf den Grund zugefrorener Seen. Auch Insekten ziehen sich zurück und trotzen der Kälte mit erstaunlichen Spezialtricks.

Physik schützt Tiere im Winter

Physikalisch betrachtet ist der Winter nicht kalt, sondern nur weniger warm. Die Wissenschaft der unbelebten Natur misst keine Kälte, sondern nur Wärme – mal mehr, mal weniger. Doch obwohl sie Bibbern und Zittern nicht beschreiben kann, so ist es ausgerechnet die Physik, mit der sich Tiere im Winter vor dem Kältetod schützen. Die physikalischen Stichworte lauten dabei zum Beispiel: "Isolation", "Anomalie des Wassers" und "Gefrierpunktserniedrigung".

Obwohl die Sprache in Physik und Biologie so verschieden ist, haben die beiden Wissenschaften viel miteinander zu tun - viel mehr als man für gewöhnlich nach einer Schulstunde Physik und Biologie ahnt. Die folgenden Kapitel geben deshalb einen kleinen Einblick in die Biophysik, das physikalische Verhalten von biologischer Materie, und zwar mitten im eisigen Winter.

Eichhörnchen: Meister der Isolation

  • Aufrecht stehendes Eichhörnchen in winterlicher Landschaft. Das Fell schützt das Eichhörnchen vor Kälte; Rechte: Mauritius

Das Eichhörnchen ist Experte in Sachen Isolation. Sein Markenzeichen ist der plüschige, rotbraune Pelz. Der kleine Nager hält keinen Winterschlaf, sondern nur Winterruhe. Er rollt sich in seinem weich gepolsterten Baumnest, dem Kobel, zusammen und benutzt den Schwanz als kuschelige Bettdecke. Hin und wieder wacht das Eichhörnchen auf, um draußen nach versteckten Nüssen und Tannenzapfen zu graben. Bei diesen Ausflügen in die Kälte muss es seine normale Körpertemperatur von etwa 38 Grad Celsius aufrechterhalten. Dabei hilft ihm sein Pelz.

Luft im Pelz hält warm

Physikalisch betrachtet ist ein Pelz ein besonders schlechter Wärmeleiter, kurz ein Isolator. Es mag überraschen, doch das Wichtigste sind nicht die vielen Haare im Fell des Eichhörnchens. Viel wichtiger ist die Luft, die zwischen den Härchen eingeschlossen wird. Luft ist nämlich ein ganz besonders guter Isolator. Anders als etwa Metalle leiten Gase Wärme äußerst schlecht weiter. Damit sich Heizungswärme in einem Zimmer verteilen kann, muss sich die Raumluft schon mitbewegen. Beim Eichhörnchen kommen hier wieder die Fellhaare ins Spiel: Sie schließen die warme Luft ein und verhindern, dass sie von der Haut des Eichhörnchens wegströmt und es auskühlt. So bleibt es auch bei einem kalten Winterfrühstück schön warm.

Auch Menschen benutzen eingeschlossene Luft als Isolator. Daunenjacken und Wollpullis wärmen unseren Körper im Winter. Und mit lufthaltigen Materialien wie Schaumstoff, Styropor oder Glaswolle können wir unsere Häuser isolieren.

Igel: Winterschlaf im Energiesparmodus

  • Igel, der unter Laubblättern hervorguckt. Im Herbst sucht der Igel schützende Laubhaufen auf; Rechte: dpa
  • Igel, der zusammen gerollt auf dem Rücken liegt. Der Bauch ist ziemlich ungeschützt; Rechte: Mauritius

Auch der Igel kennt sich mit Isolation aus. Er hat aber noch eine Zusatzqualifikation im Fach "Energiesparen". Die benötigt er auch, denn ein Igel trägt am Bauch bloß ein paar Borsten. Der Gartenbewohner ist Winterschläfer. Zum Herbst frisst er sich eine Fettschicht an und zieht sich zum Schlafen in einen Laubhaufen zurück. Dabei schaltet der Igel auf Sparflamme: Die Körpertemperatur sinkt auf fünf Grad Celsius, das Herz schlägt langsam, das Tier verbrennt wenig Fett.

Wie die Pelztiere setzt der Igel auf Isolation. Dabei verwendet er jedoch keine Luft, denn seine Stacheln können diese nicht speichern. Der Igel verlässt sich stattdessen auf seinen Bauchspeck. Zwar leitet Fett Wärme besser als Luft, aber schlechter als Bauchmuskeln. Trotzdem könnte der Igel seine Körpertemperatur von 35 Grad Celsius nicht aufrechterhalten. Dafür reicht die Energie des Winterspecks nicht.

Photonische Kristalle reflektieren Licht

Der Igel senkt deshalb seine Körpertemperatur um 30 Grad Celsius. Und spart dadurch gleich doppelt Energie: Zum einen verbraucht er weniger Heizenergie. Zum anderen verlangsamt sich durch die Abkühlung sein Stoffwechsel. So benötigt er pro Tag weniger Energie für Atmung oder Herzschlag. In der Physik gibt es dafür die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel. Sie besagt, dass eine Reaktion umso langsamer verläuft, je kälter es ist. Das gilt für chemische Experimente ebenso wie für biologische Prozesse. Glück für den Igel, denn so reichen seine Fettreserven für den ganzen Winter. Und er muss mit seinem borstigen Bauch nicht in den Schnee.

Fische: Überleben im anormalen Wasser

  • Zugefrorener See. Wenn der See zufriert, flüchten die Fische in die Tiefe; Rechte: Mauritius
  • Karpfen zwischen Wasserpflanzen. Auch Karpfen ziehen sich in die Tiefe zurück; Rechte: Mauritius

Fische sind dem Wasser ausgeliefert. Das macht aber nichts. Sie können sich darauf verlassen, dass sich das Wasser in jedem Winter völlig normal verhält. Die Fische im See tauchen deshalb bei Frost in die Tiefe hinab. Sie wissen: Hier unten friert es zuletzt.

Was für Fische – und auch für uns – völlig normal ist, ist für Physiker völlig unnormal. Wasser, die wichtigste Flüssigkeit unseres Planeten, hat physikalisch so ungewöhnliche Eigenschaften, dass Physiker von der "Anomalie des Wassers" sprechen. Es beginnt mit der Tatsache, dass Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist. Der engste chemische Verwandte des Wassers, Schwefelwasserstoff, ist bei dieser Temperatur längst gasförmig. Auch beim Gefrieren verhält sich Wasser unvergleichbar.

Schwimmendes Eis ist nicht normal

Wasser gefriert an der Oberfläche. Jeder normale Stoff würde sich beim Abkühlen und Erstarren zusammenziehen. "Normales Eis" würde schwerer werden und sinken. Aber Wasser und Eis sind ja nicht normal. Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus. Es wird leichter und schwimmt auf der Oberfläche. So bildet sich eine geschlossene Eisdecke auf dem See. Sie isoliert das darunter liegende Wasser, so dass ein See nur selten bis auf den Grund zufriert.

Die Fische bevorzugen im Winter die Tiefe. Hier ist das Wasser am wärmsten. Exakt vier Grad Celsius herrschen hier, denn bei dieser Temperatur ist Wasser am schwersten. Die Fische warten hier gelassen auf Tauwetter. Sie wissen nicht, wie ungewöhnlich das eigentlich ist.

Insekten: Frostschutz im Blut

  • Marienkäfer, der über einen kleinen Ast krabbelt. Marienkäfer haben einen natürlichen Frostschutz; Rechte: Mauritius Images

Insekten greifen im Winter in die Trickkiste. Einige Spezies produzieren zum Beispiel ein körpereigenes Frostschutzmittel. Erwachsene Marienkäfer etwa überwintern in großen Gruppen unter Baumrinden oder in Felsritzen. Mit Einbruch der Kälte fallen sie in Winterstarre und kühlen aus. Ihre Körpertemperatur kann sogar unter null Grad Celsius sinken. Das körpereigene Frostschutzmittel Glycerin schützt sie vor dem Kältetod.

Glycerin schützt vor Eiskristallen

Physikalisch betrachtet senkt Glycerin den Gefrierpunkt von Wasser. Die zähe, farblose Flüssigkeit stört den Gefrierprozess, so dass ein Gemisch aus Glycerin und Wasser erst unterhalb von null Grad Celsius erstarrt. So gefriert die Körperflüssigkeit des Marienkäfers bei leichten Minusgraden noch nicht. Dies ist überlebenswichtig. Denn wenn Wasser in den Körperzellen gefriert, dann zerstören Eiskristalle das Gewebe. Stirbt das Tier nicht an der Kälte, so würde es an den inneren Verletzungen sterben. Manch ungewöhnliche Kleinstlebewesen überstehen Tiefsttemperaturen nur, weil sie nahezu ausgetrocknet sind.

Außer Glycerin können auch Traubenzucker und Harnstoff als körpereigene Frostschutzmittel wirken. Besonders beliebt sind solche Stoffe auch in der biologischen und medizinischen Forschung. Wissenschaftler lagern Bakterienkulturen oder Organproben bei minus 80 Grad Celsius. Damit Eiskristalle die Zellen dabei nicht schädigen, verwenden auch sie häufig Glycerin oder verwandte Chemikalien.