Vereisungsschutz von Pflanzenblättern Haarig und gewachst: So trotzen Pflanzen dem Frost

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Minusgrade stellen Pflanzen vor eine Belastungsprobe. Plötzlich wird Wasser zu Eis, dessen Kristalle die Zellen auf der Blattoberfläche wie kleine Skalpelle zerstören können. Um sich zu schützen, haben Pflanzen verschiedene Strategien entwickelt, um frostige Temperaturen ohne Schaden zu überstehen. Moderne Mikroskopie zeigt die Frostschutztricks.

Flugzeuge werden zum Schutz vor Vereisung mit speziellen Flüssigkeiten behandelt oder mit beheizbaren Flächen ausgestattet. An neuen geeigneten Beschichtungen für die Luftfahrt forschen Wissenschaft und Wirtschaft weltweit. „Viele unserer heimischen Wildpflanzen hingegen haben im Laufe der Evolution einen eigenen, natürlichen Schutz gegen Vereisung entwickelt“, sagt Professor Stanislav Gorb, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Seit über 20 Jahren erforscht der Zoologe zusammen mit seiner Ehefrau Dr. Elena Gorb die Oberflächen von Pflanzen.

„Gefangenes Wasser“

Mit diesem Clou gefriert Wasser nie zu Eis

Zur Frage, wie sich Pflanzen vor zu starker Vereisung schützen, hat sich die Forschung bisher vor allem auf den Zuckergehalt und andere chemische Prozesse in den Pflanzenzellen konzentriert. Das Kieler Forschungsteam zeigte nun, dass auch die Oberflächenstruktur der Blätter eine wichtige Schutzfunktion bei Kälte einnimmt. Dafür untersuchten sie die Bildung von Eiskristallen auf verschiedenen Blättertypen heimischer Wildpflanzen. „Mit Härchen oder einer wachsartigen Schicht auf den Blättern kann die Pflanze eine Vereisung ihrer direkten Blattoberfläche vermeiden oder zumindest steuern. Denn bildet sich dort eine Eisschicht, erfrieren in Kürze auch die Zellen der Pflanze“, sagt Elena Gorb.

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Haare und Wachs als Kälteschutz

Durch Untersuchungen in der Natur und im Labor haben die beiden Forscher drei unterschiedliche Schutzmechanismen auf den Blättern ausgemacht:

1. Pflanzenblätter mit Härchen („Trichome“) wie beim Gänseblümchen (Bellis perennis) sind in der Regel hydrophil. Hier bilden sich Eiskristalle also zuerst – und sie schmelzen hier auch schnell wieder, sobald die Außentemperaturen erneut steigen. Die empfindliche Blattoberfläche darunter bleibt somit eisfrei und unbeschädigt.

2. Wachsartige Schichten auf der Blattoberfläche, wie bei manchen Tulpenarten (Tulipa gesneriana), sind dagegen superhydrophob: Wassertropfen perlen sofort ab, auch bekannt als Lotuseffekt. Eiskristalle können sich hier nur bilden, wenn Wassermoleküle an einem Defekt in der Wachsschicht „hängenbleiben“. Doch selbst dann beschädigen sie die Wachsschicht nicht und das Blatt darunter bleibt intakt.

Einen Kälteschutz aus Wachs fanden die Kieler Forscher nicht nur bei Pflanzen aus Norddeutschland, sondern auch am südlichen Polarkreis: Die Deschampsia antarctica, eine der beiden einzigen blühenden Pflanzen, die in der Antarktis beheimatet sind, hat gleich doppelt vorgesorgt. Auf beiden Blattseiten besitzt sie eine auffällige, so genannte epikutikuläre Wachsschicht, die aus zwei übereinanderliegenden Schichten besteht. Die Wissenschaftler vermuten, dass diese zwei Wachsschichten die Widerstandsfähigkeit gegen Kälte, Vereisung, schädliche UV-Strahlung und Austrocknung erhöhen und damit zur Anpassung der Pflanze an die harten Umweltbedingungen in der Antarktis beitragen.

3. Pflanzen mit relativ glatten Blättern wie die Lorbeerkirsche (Prunus laurocerasus) sind auf den ersten Blick am wenigsten geschützt: Eiskristalle können sich auf der gesamten Oberfläche bilden. Unter Sonneneinwirkung sammelt sich das Schmelzwasser in tiefergelegenen Stellen des Blattes. Sinken die Temperaturen wieder, gefrieren diese Pfützen und können so die Zellen der Pflanzen nachhaltig beschädigen. „Aber da auch solche Pflanzen den Winter überstehen, denken wir, dass sie einen ausreichenden chemischen Schutz haben“, sagt Stanislav Gorb.

Geheimnis der Blattformen entschlüsselt

Forscher geben Pflanzenblättern neue Form

Kalte Mikroskopie bringt Geheimnisse der Pflanzen ans Licht

Erforschen konnte das Team die nanoskaligen Eiskristalle dank seines Kryo-Rasterelektronenmikroskops. Im Gegensatz zu anderen Verfahren werden biologische Proben hier nicht getrocknet, sondern sehr schnell gefroren. So bleiben ihre Strukturen gut erhalten und sie lassen sich in fast natürlichem Zustand untersuchen. Dafür tauchte das Team die Blätter kurz in flüssigen Stickstoff bei minus 196 Grad. Bei Raumtemperatur begannen sie anschließend zu vereisen. In dem auf minus 140 Grad heruntergekühlten Mikroskop ließen sich nun hochaufgelöste Bilder der entstandenen Eiskristalle erstellen. Der Vorgang lässt sich wiederholen, um ein zwischenzeitliches Schmelzen – zum Beispiel tagsüber durch die Sonne – und erneutes Vereisen zu simulieren.

„Pflanzen haben im Laufe der Evolution sehr viele Möglichkeiten entwickelt, sich vor Kälte zu schützen“, fasst Stanislav Gorb zusammen. Insbesondere was bei der Interaktion mit Wasser an der Blattoberfläche passiert, verspreche spannende Erkenntnisse, auch für die Entwicklung von technischen Anti-Eis-Oberflächen. „Doch noch wissen wir sehr wenig über diese Prozesse.“ (clu)

Originalpublikationen:

Stanislav N. Gorb, Elena V. Gorb: Anti-icing strategies of plant surfaces: the ice formation on leaves visualized by Cryo-SEM experiments, The Science of Nature, volume 109, 24 (2022); DOI: 10.1007/s00114-022-01789-7

Elena V. Gorb, Iryna A. Kozeretska, Stanislav N. Gorb: Hierachical epicuticular wax coverage on leaves of Deschampsia antarctica as a possible adaptation to severe environmental conditions, Beilstein Journal of Nanotechnology, volume 13, 807–816 (2022); DOI: 10.3762/bjnano.13.71

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