Vielleicht liegt es an den Sommern, die ich auf dem College verbracht habe, um Libellen und Schmetterlinge zu zählen und zu bestimmen. Oder vielleicht waren es die Hunderte von Stunden, die ich während meines Studiums damit verbracht habe, mit dem Gesicht gefährlich nahe an einer Pfanne voller Schlamm zu stehen, um Tausende von winzigen Bachinsekten herauszuzupfen. Ich vermute, es ist einfach die lebenslange Neugier auf alles, was sechsbeinig ist, die ein Suchbild für Insekten dauerhaft in mein Gehirn eingebrannt hat.

Kein Wunder also, dass mein Blick bei einer Winterwanderung zu einem meiner Lieblingswasserfälle in der Nähe von Ithaca, New York, von der malerischen Eislandschaft zu den winzigen, dunklen Flecken wanderte, die sich flink über den Schnee bewegten: Wintersteinfliegen waren in Bewegung!

Wintersteinfliegen sind merkwürdige kleine Kreaturen. Mitten im Winter kriechen die Larven oder Nymphen der Steinfliegen von ihrem felsigen Grund durch Risse und Spalten im Schnee und Eis, die die Oberfläche des Baches bedecken, in dem sie das letzte Jahr verbracht haben, und schlüpfen als Erwachsene. Obwohl die erwachsenen Wintersteinfliegen vier Flügel haben, die sie ordentlich über ihren länglichen Bauch gerollt haben, bleiben sie auf der Suche nach Partnern nahe am Schnee und Eis und gehen eher, als dass sie fliegen.

Mit Mütze, Handschuhen, Schal, Parka und langer Unterwäsche eingepackt (und immer noch KALT), fragte ich mich nach der Physiologie der Wintersteinfliegen, die ich beobachtete. Wie können sie bei winterlichen Minusgraden so aktiv sein, wo doch die meisten ihrer sechsbeinigen Artgenossen vor den Elementen geschützt sind? Und wie vermeiden sie die tödlichen Auswirkungen des Erfrierens in zwei sehr unterschiedlichen Lebensräumen, im Wasser und an Land?

Zurück in der wohligen Wärme meines Zuhauses begann ich, einige dieser Fragen zu untersuchen. Ich lernte schnell, dass über die Kältetoleranz von Wasserinsekten nicht viel bekannt ist, schon gar nicht über die Wintersteinfliegen (ein Name, der sich speziell auf zwei Familien der Ordnung Plecoptera bezieht: Capniidae und Taeniopterygidae). Der verstorbene kanadische Naturforscher H.B. Noel Hynes hat in seiner Abhandlung über Steinfliegen einen möglichen Grund dafür genannt; erwachsene Wintersteinfliegen, so sinniert er, sind „zu Beginn der Saison am häufigsten anzutreffen, bevor der durchschnittliche Entomologe aus dem Winterschlaf erwacht ist.“

Um zu verstehen, wie Wintersteinfliegen mit den eisigen Temperaturen im Wasser und an Land zurechtkommen, ist es sinnvoll, zunächst zu untersuchen, was 60 Jahre Forschung darüber ergeben haben, wie Landinsekten, eine besser untersuchte Gruppe, den Winter überleben. Wenn sie nicht klug genug sind, den Winter ganz zu vermeiden, indem sie in den Süden wandern (wie die schlauen Monarchfalter) oder einen isolierten Unterschlupf wie Ihr Haus suchen (Marienkäfer und Stinkkäfer?), bereiten sich Landinsekten im Inneren auf die brutale Kälte des Winters vor, indem sie eine Reihe physiologischer und biochemischer Veränderungen durchlaufen.

Um diese Veränderungen zu verstehen, empfiehlt der Kryobiologe Richard Lee Jr., sich ein Insekt als einen winzigen Beutel mit Wasser vorzustellen. In kleinen, insektengroßen Volumina kann Wasser tatsächlich um viele Grad unter seinen normalen Gefrierpunkt (0 °C) abgekühlt werden und trotzdem in flüssiger Form bleiben, ein Prozess, der als Unterkühlung bekannt ist. Vielleicht sind Sie in diesem Winter schon einmal unterkühlten Flüssigkeiten in Form von gefrierendem Regen begegnet. Wird jedoch ein Staubkorn in eine unterkühlte Flüssigkeit eingebracht, bilden sich sofort Eiskristalle um das Staubkorn herum, was als Keimbildung bezeichnet wird. Darüber hinaus kann sich Eis im Inneren des kleinen Beutels aus unterkühltem Wasser bilden, wenn externe Eiskristalle es berühren und anschließend durch eine kleine Öffnung eindringen, ein Prozess, der als Keimbildung bezeichnet wird.

Insekten, die sich auf winterliche Minustemperaturen vorbereiten, egal ob sie sich in einem aktiven oder ruhenden Zustand befinden, wenden im Allgemeinen eine von zwei Strategien an, um Kältetoleranz zu erreichen: Sie vermeiden das Einfrieren oder sie tolerieren es.

Insekten, die das Einfrieren vermeiden, produzieren aktiv Frostschutzmittel – darunter Glycerin, Proteine und Zucker -, die ihre Fähigkeit zur Unterkühlung verbessern, so dass Körperflüssigkeiten bei Temperaturen noch weiter unter dem Gefrierpunkt nicht einfrieren. Die unterkühlten Körperflüssigkeiten einiger Landinsekten können bei Temperaturen von 15 bis 35 °C unter dem Gefrierpunkt in flüssigem Zustand bleiben. Wenn der Winter naht, scheiden Insekten, die den Gefrierpunkt meiden, Materialien aus ihren Eingeweiden und Körperflüssigkeiten aus, die als Keimzelle für Eiskristalle dienen könnten, z. B. Nahrung, Verdauungsbakterien und Staub.

Gefriertolerante Insekten hingegen tolerieren die Bildung von Eiskristallen in den Flüssigkeiten ihrer Zellen nicht nur, sondern fördern sie aktiv. Diese Insekten produzieren eiskeimbildende Proteine in ihrer extrazellulären Flüssigkeit, die die Fähigkeit der Insekten zur Unterkühlung einschränken und die Bildung von Eiskristallen bei höheren Minusgraden fördern. Indem sie das Wachstum von Eiskristallen außerhalb der Zellen fördern, tragen die eiskernbildenden Proteine dazu bei, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Inhalt der Insektenzellen gefriert und platzt. Wenn jedoch das Wasser außerhalb der Zellen in Form von Eiskristallen gebunden ist, wird das Wasser innerhalb der Zellen in den extrazellulären Raum wandern wollen. Um die anschließende Austrocknung der Zellen zu verhindern und die Zellmembranen zu stabilisieren, produzieren frosttolerante Insekten auch die Frostschutzverbindung Glycerin.

Wie lassen sich diese Strategien, wenn überhaupt, auf Wasserinsekten übertragen, insbesondere auf die winterlichen Steinfliegen?

Bevor wir diese Frage angehen, sollten wir jedoch die thermodynamischen Eigenschaften der aquatischen Umgebung betrachten, in der sie den größten Teil ihres Lebenszyklus verbringen. Wie Sie sich vielleicht noch aus dem Physikunterricht in der Schule erinnern, hat Wasser eine höhere spezifische Wärme als Luft, d. h. es wird mehr Energie benötigt, um Wasser zu erwärmen, als eine gleiche Menge Luft. Daher unterliegt das Wasser in Bächen und Flüssen nicht den extremen Temperaturschwankungen wie die Luft über ihnen und bleibt im Winter im Allgemeinen wärmer als angrenzende Landlebensräume. Wenn sich Eis auf der Oberfläche eines Gewässers bildet, isoliert es das Wasser und das darunter liegende Substrat vor Minusgraden.

Dr. Lee und sein Kryobiologenteam sind mutig aus ihrem Winterschlaf erwacht, um die Unterkühlungsfähigkeiten von Wasser- und Landinsekten der gemäßigten Zonen im Winter zu sammeln und zu vergleichen. Es stellte sich heraus, dass Wasserinsekten viel weniger unterkühlen als ihre terrestrischen Verwandten; Wasserinsekten unterkühlten sich auf etwa -7 °C, während terrestrische Insekten derselben Familien bis zu Temperaturen von -40 °C unterkühlten! Trotz der geringeren Unterkühlungsfähigkeit werden die meisten Wasserinsekten, die in diesen gemäßigten Gewässern leben, immer noch als Frostvermeider eingestuft; die relativ wenigen Wasserinsekten, von denen bekannt ist, dass sie das Einfrieren tatsächlich tolerieren (es wurden sogar Exemplare direkt aus dem Eis gesammelt!), leben in Bächen und Teichen in der Arktis, die regelmäßig bis zum Grund durchfrieren. Dr. Lee und seine Kollegen stellen die Hypothese auf, dass überwinternde Wasserinsekten, die in der gemäßigten Zone leben, einfach nicht den extremen Minusgraden ausgesetzt sind wie Landinsekten, so dass die Fähigkeit zur Unterkühlung evolutionär unnötig ist.

Wintersteinfliegen-Nymphen schlüpfen als Erwachsene in den Lufttaschen zwischen dem Wasser und einer isolierenden Schicht aus Oberflächeneis, einem ziemlich geschützten Lebensraum, in dem die Temperaturen nicht viel unter 0 °C liegen. Darüber hinaus haben Dr. Lee und seine Kollegen festgestellt, dass erwachsene Wintersteinfliegen, die im Februar gesammelt wurden, eine deutlich größere Fähigkeit zur Unterkühlung haben (d. h. sie können auf viel niedrigere Temperaturen abkühlen, ohne zu erfrieren) als ihre Nymphenstadien, was darauf hindeutet, dass Erwachsene die Menge an Frostschutzmitteln in ihren Körperflüssigkeiten erhöhen können.

Nach dem Schlüpfen können erwachsene Wintersteinfliegen Schutz in thermischen Unterschlüpfen unter dem Schnee oder unter Felsen suchen, in denen es wärmer ist als die Luft an der Oberfläche. Die bräunlich-schwarze Körperfärbung der adulten Tiere kann zwar die Absorption von Sonnenstrahlung fördern, doch würde ein solcher Gewinn aufgrund ihrer geringen Körpermasse wahrscheinlich durch eine kalte Brise zunichte gemacht werden. Und indem sie sich auf den Fußspitzen fortbewegen, vermeiden die erwachsenen Steinfliegen die Gefahr, dass Eiskristalle von außen in ihren Körper eindringen und zu einer Erfrierung führen.

Wenn unsere Wintertage in Erwartung des Frühlings länger und wärmer werden, werden die Gelegenheiten, Wintersteinfliegen in Aktion zu sehen, bald schwinden. Hier ist ein Suchbild für Sie – prägen Sie es sich ein. Und jetzt wecken Sie sich selbst aus dem Winterschlaf und gehen Sie auf die Suche nach diesen supercoolen kleinen Wassersäcken!

Referenzen und weiterführende Literatur

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Fotonachweis: Taughannock Falls und Wintersteinfliege in der Hand, Holly Menninger, 2008; drei Nahaufnahmen von Allocapnia sp. Wintersteinfliegen, Tom D. Schultz, 2001. Alle Fotos werden mit Genehmigung verwendet und stehen unter der Creative Commons-Lizenz.

Über die Autorin: Dr. Holly Menninger ist Senior Extension Associate an der Cornell University, wo sie dazu beiträgt, die natürlichen Ressourcen des Staates New York vor der Bedrohung durch invasive Arten zu schützen, darunter auch eine Reihe wirklich großer, böser Käfer. Mit einem Doktortitel in Ökologie und einer Vorliebe für Insekten mit seltsamen und wunderbaren Lebensgeschichten ist sie entschlossen, ihre Begeisterung für die natürliche Welt mit allen Mitteln zu teilen, einschließlich Podcasts, Tweets (@DrHolly) und Fotos mit 17-jährigen Zikaden auf ihrer Nase.

Die geäußerten Ansichten sind die der Autorin und entsprechen nicht unbedingt denen von Scientific American.