Frostschutz

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Holger
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Frostschutz

Beitrag von Holger »

Ania hat sehr anschaulich das Problem des Frostschutzes für Bonsai erklärt:

Frostschutz in Knospen

Da ich mich gerade ein wenig in das Thema Frostschäden einlese, hier ein paar Erkenntnisse, mit Fokus auf Knospen. Für die Biologen unter euch wahrscheinlich nichts Neues. Vielleicht sind jedoch ein paar Laien wie ich dabei die das auch spannend finden.

Warum ist eigentlich Frost für einen Baum gefährlich?
Es können mechanische Schäden durch Spannungen im Holz auftreten, oder Lufteinschlüsse in Wasserleitungsgefäßen, die die Wasserversorgung unterbrechen (siehe viewtopic.php?t=49538 ). Zellschichten, die eigentlich zusammengehören, könnnen voneinander getrennt werden wenn dazwischen Eis entsteht.
Vor allem aber können Eiskristalle Zellen direkt schädigen, und das ist das tödlichste was passieren kann.

Auch Knospen können erfrieren, und dann hat der Baum im Frühjahr ein Problem.
Knospen sind zum Glück ziemlich frosthart. Das empfindlichste am Baum sind die Feinwurzeln. Die sind aber normalerweise tief eingegraben und nicht so der Kälte ausgesetzt wie Knospen.

Knospen bestehen aus vielen lebenden Zellen, und die gilt es nun sicher durch den Winter zu bringen.

Eine Zelle stirbt, wenn in ihrem Inneren Eiskristalle entstehen. Diese löchern die Membranen, die Zellsäfte treten aus, tot.

Eine Zelle stirbt auch, wenn sie zu sehr austrocknet. Moleküle denaturieren, die Zelle fällt in sich zusammen, Membranen reißen, tot.
Was Trockenheit mit Frost zu tun hat, dazu komme ich noch, aber erstmal was anderes.

Wie entsteht überhaupt Eis?
Eis bildet sich am liebsten an einem Keim, einem kleinen Partikel der im Wasser treibt. An den hängt sich bei entsprechender Temperatur ein Wassermolekül, und dann das nächste, und das nächste, und so weiter, immer schön gleichmäßig, in genau festgelegten Abständen und Winkeln, wächst Molekül um Molekül der Eiskristall. Deswegen wachsen Schneeflocken immer von einem Punkt (dem Keim) sternförmig nach außen und werden immer größer, während sie durch die Wolke schweben. Eisblumen starten von einem Keim auf der Scheibe und auch bei Hagelkörnern wird man fündig, wenn man genau in der Mitte nachschaut.

Wann gefriert Wasser?
Blöde Frage, bei 0ºC! Oder?
Nein.
Also eine Pfütze friert bei 0ºC zu. Da sind ja auch jede Menge Keime drin, irgendwo wirds losgehen mit dem Kristall.
Außer man streut Salz in die Pfütze, dann darf es kälter werden. Meerwasser gefriert bei -2ºC.
Wäre das Meer süß statt salzig, würde es auch bei -2ºC gefrieren.
Nimmt man nun gaaaanz sauberes Wasser (ohne Kristallisationskeime) und füllt es in eine Flasche (nicht schütteln!), friert es bei -2ºC noch immer nicht. Man kann es in den Tiefkühler legen, und es friert nicht. Das nennt sich Unterkühlung. Da weiß das Eis einfach nicht wo es anfangen soll.
Je kleiner die Flasche, desto tiefer kann man Wasser unterkühlen. Macht man die Flasche so klein wie eine Pflanzenzelle, kann man bis etwa -38ºC runterkühlen und erst dann entsteht spontan Eis (ohne Keim).

Natürlich sorgt eine frostharte Pflanzenzelle dafür, möglichst wenig bis keine Kristallisationskeime zu enthalten. Stattdessen Zucker und verschiedene andere Frostschutzmittel, die zu der Minimaltemperatur von -38ºC, die sich aus der Unterkühlung ergibt, nochmal etwa -2ºC draufschlagen. Es ergibt sich eine theoretische maximale Frosthärte von -40ºC.

Theoretisch, denn manche Pflanzen erleiden schon bei -5ºC einen Schaden, andere kann man teilweise bis zu Temperaturen runterkühlen, die selbst am Nordpol nicht vorkommen.
Wie kann das sein?

Zurück zu den Knospen.

Wie sieht so eine Knospe eigentlich aus?
Blöde Frage, spitzoval!
Jaa...
Sehen wir uns die Knospe mal genauer an. Winterknospe um genau zu sein. Sie sitzt also auf ihrem Zweiglein, formvollendet spitzoval. Vom Zweiglein kommt eine Wasserleitung rein. Drinnen in der Knospe sind ganz eng zusammengefaltet Blattanlagen. Man kann die Knospe vorsichtig öffnen und diese Blättchen auseinanderfalten und anschauen. Ganz außen sind meist noch Schuppenblätter.

Vorbereitungen
Im Herbst, mit kürzer werdenden Tagen, bei manchen Arten auch mit kälter werdenden Temperaturen, werden die Knospen auf den Winter vorbereitet.
Da wird mehr Zucker in den Zellsaft gemischt, verschiedene Spezialmoleküle eingelagert, empfindliche Moleküle eingepackt oder umgebaut, Wände werden verstärkt, Barrikaden errichtet... Kristallisationskeime werden strategisch außerhalb der Zellen verteilt.
Je tiefer die Temperatur sinkt, desto mehr Vorkehrungen trifft die Pflanze. Das wird dynamisch angepasst. Der Ahorn, der draußen überwintert, erreicht eine höhere Frosthärte als sein Artgenosse, der in der Garage bei 0ºC steht.

Die Kiefer lässt es zu
Schauen wir jetzt was bei Frost passiert, und zwar bei der Knospe der Waldkiefer.
Irgendwo im Zweiglein gefriert bei -1ºC die Wasserleitung. Das ist erstmal ungefährlich, es ist nur ein Rohr, da sind keine Zellen. Der Eiskristall wächst, das geht relativ schnell, er nimmt den einfachsten Weg, also das Rohr entlang. Das Rohr führt direkt in die Knospe. Die komplette Wasserleitung in der Knospe friert zu. Das Eis pflanzt ins Gewebe fort, allerdings nur in die Zellzwischenräume, nicht in die Zellen selbst. Die Temperatur sinkt weiter, aber die Zellen bleiben eisfrei, nur rundherum ist jetzt überall Eis.
Ganz unbehelligt bleiben sie aber nicht. Wassermoleküle, die sich durch die Zellwand wagen, kristallisieren ans Eis dran. Bisschen wie Osmose, aber in die falsche Richtung. Das Eis wächst, die Zelle trocknet aus. Die tödliche Gefahr ist die Austrocknung, nicht das Eis.
So leicht lässt sich aber die Kiefer nicht kleinkriegen. Sie hat chemische und strukturelle Vorkehrungen gegen die Austrocknung getroffen. Sie hat die Membranstrukturen verändert, schützende Proteine produziert. Selbst wenn das komplette "bewegliche" Wasser aus der Zelle desertiert, um sich dem wachsenden Eiskristall anzuschließen, die Zelle überlebt. Bei guter Vorbereitung auch -70ºC. Die Reise zum Nordpol bei -50ºC wäre kein Problem.

Nicht jeder ist so drauf. Eigentlich sind diese extrem trockentoleranten Bäume, die das Eis einfach in der Knospe gewähren lassen, eher eine Ausnahme. Unter den Nadelbäumen nur die Kiefern, dann noch Sanddorn und Holunder, der sich auch keine große Mühe macht die Knospen nach außen hin durch Knospenschuppen zu schützen. Durchfrieren, austrocknen, und dann im Frühling weitermachen als wäre nichts gewesen.

Barrikaden
Die meisten Bäume gehen einen anderen Weg und errichten Barrikaden. Sie lassen das Eis gar nicht erst in die Knospe.

Wir fangen wieder an der Wasserleitung an. Wasserleitung im Ästchen friert zu, zwischen -1ºC und -3ºC je nach Baum, wir kennen das schon, der Eiskristall nimmt den Weg durch die Leitung und - hoppla - stößt sich den Kopf! Denn die Knospe ist abgeriegelt, das Eis kommt nicht rein. Das Wasser im Knospengewebe bleibt flüssig, in einem unterkühlten Zustand, während das Ästchen drunter schon vereist ist.

Bei vielen Bäumen bilden sich auch harmlose Eismassen zwischen den Blattanlagen oder zwischen den Knospenschuppen. Das ist zwar innerhalb der Knospe, aber außerhalb ihres Gewebes, in Hohlräumen (nicht zu verwechseln mit den Zellzwischenräumen!), und richtet keinen Schaden an.
Damit diese Eismassen sich nicht über die Oberfläche ins lebende Gewebe fortpflanzen, ist diese geschützt z.B. durch eine Wachsbeschichtung oder Pelzhaare, oder eine raffinierte Bauform der Knospenschuppen.

Jetzt gibt es zwei Gruppen.

Blitztod
Fichte, Buche, Bergahorn, Rosskastanie, Vogelkirsche, Weißdorn und ein paar andere erhalten die Unterkühlung der Knospe bis irgendwo zwischen -15ºC und -25ºC aufrecht. Dabei ist das komplette Gewebe der Knospe eisfrei. Dann bricht die Unterkühlung zusammen, irgendwo im Gewebe findet sich ein Kristallisationskeim. Der Feind ist nun drinnen und blitzartig gefriert die komplette Knospe. Es kommt zu Zellschäden, Verwüstung und Tod.

Die Unterkühlung bleibt. Nur nicht austrocknen!
Birke, Hainbuche, Zitterpappel, Roteiche, Salweide, Winterlinde, Bergulme und andere haben ebenfalls das Eis am Knospeneingang gestoppt, auch hier ist das Knospengewebe unterkühlt und eisfrei. Nur bleibt diesmal die Unterkühlung aufrecht. Es gibt keine plötzliche Gefrierung der gesamten Knospe, wie sie Fichte und Konsorten den Todesstoß verpasst hat.
Trotzdem diffundiert unweigerlich Wasser aus den Zellen und sucht jede Gelegenheit, sich einem Eiskristall anzuschließen, zum Beispiel in den Hohlräumen der Knospe oder im Ästchen drunter.
Die Trockentoleranz ist entscheidend für die Überlebenschancen und kann ganz unterschiedlich sein.
Die Knospe der Eiche beispielsweise verabschiedet sich schon bei etwa -20ºC.
Da lacht die Birke nur, sie schafft es bis -70º oder sogar drunter und kann mit der Kiefer am Nordpol schifahren.
Von der Pappel munkelt man, dass ihre Knospen, entsprechend abgehärtet, sogar die Temperatur von flüssigem Stickstoff (−196°C) überleben. Eis bildet sich an harmlosen Stellen, zwischen den Blattanlagen und Schuppen. Die Zellen werden nach und nach dehydriert. Übrig bleibt eine stark konzentrierte Lösung von Zuckern, Proteinen und anderen Biomolekülen, und irgendwann vitrifiziert (verglast) diese Lösung. Das bedeutet, dass sie in amorphem Zustand erstarrt ohne Eiskristalle zu bilden und somit keinen Schaden anrichten kann. Ab da ist die Pappel praktisch unverwundbar.

Der Frühling kommt wieder, reißt die Barrikaden nieder!
Im Frühjahr wird allmählich die Winterruhe beendet. Barrieren werden abgerissen, Zellsäfte neu gemischt.
Die Dynamik dieses Frühjahrsputzes ist von Baumart zu Baumart sehr unterschiedlich und hängt von Temperaturen und Tageslängen ab, aber auch davon, wie kalt der Winterverlauf war.
Am gefährlichsten können Spätfröste werden. Zur Versorgung der austreibenden Knospe wird die Wasserleitung wieder geöffnet. Somit sind dem Eis Tür und Tor geöffnet, und selbst bei wenigen Grad unter Null kann das Eis ungehindert in die Knospe eindringen, man kennt es von der Marille.
Der Ahorn aus der Garage kommt etwas früher in die Gänge als sein Kumpel im Garten, denn er war nicht so tief im Winterschlaf.
Die Birke lässt sich durch ein paar warme Tage aus der Reserve locken, denn sie richtet sich eher nach der Temperatur. Sie ist aber auch im Austrieb nicht so empfindlich, sie weiß ja auf was sie sich einlässt.
Die Buche wartet ab, bis die Tage länger sind und kein Frost mehr droht.

So hat jeder Baum seine Methode, heil durch den Winter zu kommen.

Quellen:
Neuner, Monitzer, Kaplenig, Ingruber, 2019
Frost Survival Mechanism of Vegetative Buds in Temperate Trees: Deep Supercooling and Extraorgan Freezing vs. Ice Tolerance
https://www.frontiersin.org/articles/10 ... 00537/full
mit Daten zu 37 heimischen Baumarten

Pearce, 2001
Plant Freezing and Damage
https://academic.oup.com/aob/article/87/4/417/2588382

Yu and Lee, 2020
Evaluation of freezing injury in temperate fruit trees
https://link.springer.com/article/10.10 ... 20-00264-4

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Zwei Dinge sind unendlich: das Universum und die menschliche Dummheit.
Beim Universum bin ich mir aber noch nicht ganz sicher
(Albert Einstein)
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