Die Flora und Fauna der Polarregionen
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WOR 6 Arktis und Antarktis – extrem, klimarelevant, gefährdet | 2019

Ein Leben in der Kälte

Ein Leben in der Kälte © John Pohl/www.geophotography.org

Ein Leben in der Kälte

> Die Artenvielfalt im Nord- und Südpolar­gebiet wird vor allem durch die geo­gra­fischen Gegeben­heiten bestimmt. Während in der Antarktis nahezu alles Leben vom Meer abhängt, weist die Arktis auch an Land eine beeindruckende Vielfalt auf. In beiden Regionen blüht das Leben vor allem während des kurzen Sommers und trotzt anschließend mit erstaunlichen Über­leben­stricks dem Eis und der Kälte.

Drei Gemeinsamkeiten, viele Unterschiede

Die geografischen und klimatischen Besonderheiten der Polarregionen stellen die Tier- und die Pflanzenwelt der Arktis und der Antarktis vor ganz besondere Herausforderungen. In beiden Gebieten müssen die Organismen seit Jahrmillionen:
  • kalte bis extrem kalte Umgebungstemperaturen meistern,
  • mit der Existenz von Schnee und Eis in ihren verschiedenen Formen zurechtkommen sowie
  • die extremen saisonalen Schwankungen von Sonnenlicht und Temperatur ertragen.
Der Wechsel zwischen dauerhafter Sonneneinstrahlung während der Zeit des Polartags und permanenter Dunkelheit während der Polarnacht führt dazu, dass pflanzliche Biomasse und damit Futter für alle höheren trophischen Stufen nur im Sommer produziert werden kann. In der dunklen, kalten Zeit des Jahres müssen deshalb jene Tiere, die nicht in wärmere Gefilde abwandern, von ihren Nahrungs- und Fettreserven leben, Aas fressen oder aber herabgesunkene Tier- und Pflanzenreste vom Meeresboden abweiden.
Nichtsdestotrotz hat sich sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis eine große Vielfalt des Lebens herausgebildet. Im Nordpolargebiet kennt man mittlerweile mehr als 21 500 Tier- und Pflanzenarten, die sich an die extremen Lebensbedingungen angepasst haben – angefangen von Bakterien und Viren, die auf Gletschern leben, über Fische, die ihre ersten Lebensjahre versteckt unter dem Meereis verbringen, bis hin zu bekannten Arten wie dem Polarfuchs und dem Eisbär. Rund 14 000 der arktischen Arten leben an Land, circa 7600 im Arktischen Ozean.
Im Gegensatz dazu ist das Landleben in der Antarktis nahezu artenarm. Gerade einmal 1600 Tier- und Pflanzen­arten besiedeln die wenigen eisfreien Landflächen der Antarktis. Im Meer dagegen blüht das Leben. Hier tummeln sich rund 10 630 Arten, von denen ein Großteil ganz besondere Anpassungsmechanismen aufweist, die es so nirgendwo sonst auf der Welt gibt.

Eine Frage der geografischen Lag

Vergleicht man die Lebensräume beider Polargebiete, so fallen deutliche Unterschiede auf. Während die Arktis über große, gletscherfreie Tundrengebiete und weitläufige Flusssysteme verfügt, die im Sommer ausreichend Biomasse produzieren, um auch große Pflanzenfresser wie Karibus und Moschusochsen zu ernähren, ist die Landmasse der Antarktis auch heute noch zu 98 Prozent mit Eis bedeckt. Flechten, Moose und höhere Pflanzen finden deshalb kaum Untergrund, auf dem sie wachsen könnten. Hauptnahrungsquelle für alle in der Antarktis heimischen Tiere ist deswegen das Meer, welches den Kontinent vollständig umgibt.
Die daraus resultierende Isolation der Antarktis vom Rest der Welt hat die Entwicklung des Lebens im Südpolargebiet ebenso nachhaltig geprägt wie die Vereisungsgeschichte. Seit etwa 34 Millionen Jahren trennen mehr als 3000 Meter tiefe Meeresbecken den antarktischen Kontinent von den umliegenden Landmassen Südamerikas, Afrikas und Australiens. Der Südliche Ozean ist selbst an seiner schmalsten Stelle, der Drakestraße, noch 810 Kilometer breit. Landbewohnende Tierarten, die aus den mittleren Breiten in die Antarktis einwandern wollten, mussten demzufolge auch in der Vergangenheit ausdauernd fliegen oder schwimmen können. Hatten sie diese Hürde genommen, hielt die Antarktis gleich die nächste Herausforderung bereit. In den zurückliegenden Jahrmillionen ist der südliche Kontinent nämlich mehrfach komplett vereist – teilweise sogar über seine Küstenlinie hinaus. Landgebundenen Bewohnern der Antarktis blieb also nur die Wahl, entweder abzuwandern oder aber auf das Meereis auszuweichen. Anderenfalls starben die Arten aus.
4.1 > Ein dreidimensionales Modell des Südlichen Ozeans. Mit seinen tiefen Becken und zirkulierenden Wassermassen bildet er noch immer eine nur schwer zu überwindende Barriere für so manche Tier- und Pflanzenart aus den mittleren Breiten. Gleichzeitig hinderte er in der Vergangenheit Arten aus den antarktischen Schelfgebieten daran, in den Norden abzuwandern.
Abb. 4.1 © Henri Drake
Die Arktis zu besiedeln, war im Vergleich dazu um ein Vielfaches einfacher, grenzt sie doch direkt an große kontinentale Landmassen, die weit Richtung Süden und damit auch in wärmere Klimazonen reichen. An Kälte gewöhnte Tier- und Pflanzenarten Eurasiens und Nordamerikas konnten demzufolge über den Landweg in das Nordpolargebiet einwandern. Als sich dann im Zuge der letzten Eiszeit große Eisschilde in der Arktis bildeten, bedeutete das im Gegensatz zur Antarktis nicht das generelle Aus für das Leben an Land. Die arktischen Arten hatten zum einen die Möglichkeit, ihren Lebensraum Richtung Süden zu verlagern und somit vor dem Eis zu flüchten. Zum anderen ist die Arktis während dieser Eiszeit nie vollständig von Gletschern und Eisschilden bedeckt worden. Regionen wie Beringia und der Osten Sibiriens blieben eisfrei und dienten vielen Lebewesen als Rückzugsort. Die nordöstlichen Tundrengebiete Russlands gehören deshalb bis heute zu den artenreichsten Landflächen der Arktis.
Da die Arktis weder durch ein Meer noch durch Hochgebirgsketten von südlicheren Gefilden getrennt wird, überrascht es auch nicht, dass mit Eisbären, Wölfen und Polarfüchsen eine Vielzahl landbewohnender Räuber im Nordpolargebiet lebt, während es auf dem Festland der Antarktis keinen einzigen vierbeinigen Jäger gibt. Stattdessen brüten dort Millionen Pinguine – Vögel, die nicht fliegen können und außerhalb des Wassers auch keine Feinde kennen. Würde man die Pinguine in die Arktis umsiedeln, hätten Eisbär & Co ein leichtes Spiel, denn den großen Vögeln fehlt an Land das Gespür für Gefahren. Die einzige dem Pinguin ähnliche Vogelart, die es jemals in der Arktis gegeben hat, war der flugunfähige Riesenalk (Pinguinus impennis). Er lebte auf abgelegenen Felseninseln im Nordatlantik, auf denen es keine Eisbären, Wölfe oder Füchse gab. Anfang des 19. Jahrhunderts jedoch entdeckten europäische Seefahrer die Vogelkolonien. Sie jagten die wehrlosen Tiere und rotteten die Art innerhalb von nur vier Jahrzehnten aus. Die letzten Riesenalke wurden im Juni 1844 auf der isländischen Insel Eldey getötet.
4.2 > Auf und unter dem zerklüfteten Packeis der Antarktis leben vier endemische Hundsrobbenarten. Dazu zählen die Krabbenfresserrobbe, die Rossrobbe, die Weddellrobbe und der Seeleopard.
Abb. 4.2 © Rob Robbins

Eine Pumpe der Artenvielfalt

Die geografischen Gegebenheiten in der Arktis und Antarktis hatten bislang auch einen entscheidenden Einfluss auf die Artenvielfalt der Polarmeere. Die Ringform des Südlichen Ozeans erlaubt es vielen seiner Bewohner, sich um den gesamten Kontinent herum auszubreiten. Gleichzeitig erschweren der bis in große Tiefe reichende Zirkumpolarstrom sowie die auf seiner Höhe sprunghaft abnehmende Wassertemperatur in den oberen 200 Metern der Wassersäule die Einwanderung von Arten aus nördlicheren Gefilden. Seit der Öffnung der Drakestraße vor 34 Millionen Jahren ist zudem die Wassertemperatur gesunken – anfänglich nur episodenhaft mit zwischenzeitlichen Erwärmungsphasen; in den zurückliegenden 15 Millionen Jahren aber kontinuierlich. Heutzutage ist das Südpolarmeer im Durchschnitt zehn bis zwölf Grad Celsius kälter als noch vor 40 Millionen Jahren.
In jenem Maß, wie sich das Südpolarmeer abkühlte, veränderten sich auch die Eisbedingungen in der Antarktis – mit weitreichenden Folgen für das Leben im und unter dem Meereis sowie in der Wassersäule und am Meeresboden. Je stärker die Antarktis im Zuge einer Kaltzeit vereiste und je weiter sich die Gletscher- und Schelfeis­massen auf das Meer hinausschoben, desto weniger Platz fanden Schelfbewohner wie Schwämme oder Seesterne am Meeresboden. Viele Flachwasserbereiche wurden vollends unbewohnbar und ehemals zusammenhängende Meeresgebiete durch den Gletschervorstoß voneinander getrennt. Forscher nehmen an, dass viele Meereslebe­wesen aus den Schelfmeeren in dieser Zeit gezwungen waren, auf den Kontinentalhang oder aber in die Tiefsee abzuwandern. Gleichzeitig aber, so glaubt man heute, hat die Isolation von Lebensräumen in den Schelfmeeren neue Arten entstehen lassen. Und da sich die antarktischen Eismassen in den zurückliegenden 2,1 Millionen Jahren mehrfach ausgebreitet und wieder zurückgezogen haben, sprechen Biologen auch von einer „biodiversity pump“ – einer Pumpe der Artenvielfalt. Dem Konzept zufolge schaffen die wiederholte Isolation von Lebensgemeinschaften (Kaltzeit, Eismassenwachstum) sowie die anschließende Möglichkeit zur Ausbreitung (Warmzeiten, Eisrückzug) beste Voraussetzungen dafür, dass sich eine einzigartige, hochdifferenzierte Artenvielfalt herausbildet, die zudem einen hohen Anteil endemischer Arten aufweist – also Tier- und Pflanzenarten, die nur in der Antarktis vorkommen. Bei den antarktischen Seescheiden, Anemonen, Moostierchen, Muscheln und Asselspinnen liegt der Anteil endemischer Arten bei rund 50 Prozent; bei den Meeresschnecken sind es rund 75 Prozent; bei den Gammaridea, einer Unterordnung der Flohkrebse, sowie bei den Kraken sogar bei 80 Prozent. Auf diese ­Weise ist im Südlichen Ozean eine Vielfalt des Lebens ­entstanden, die deutlich breiter und bunter ist, als man es im ersten Moment erwarten würde. Biologen haben bis heute allein mehr als 8000 verschiedene Arten wirbelloser Tiere in der Antarktis identifiziert, dabei sind einige Regionen bislang noch gar nicht richtig erforscht.
Die Fischfauna der antarktischen Schelfmeere wird von der Gruppe der Antarktisfische, den sogenannten Notothenioidei, dominiert. Sie machen mehr als 70 Prozent der Artenvielfalt und über 90 Prozent der Fisch-Biomasse in den Schelfmeeren aus. Es gibt allerdings auch Tiergruppen, die bislang nur vereinzelt in den antarktischen Schelfmeeren beobachtet wurden – Königskrabben sind hier ein Beispiel – oder aber die bisher noch gar nicht in der Antarktis vorkommen. Hierzu zählen Hummer und Einsiedlerkrebse, womit sich auch erklärt, warum die Bodenfauna der Schelfmeere keine Abwehrmechanismen gegen räuberische Scherenträger entwickelt hat.

Abwanderung in den Süden

Das Nordpolarmeer ist geologisch betrachtet jünger als das Südpolarmeer, weshalb die Arten im hohen Norden weniger Zeit hatten, sich an die polaren Lebensbedingungen anzupassen, als die Tiere im Süden. Doch auch sie mussten Zeiten großflächiger Vereisungen überstehen – so zum Beispiel vor rund 140 000 Jahren, als große Eisschilde Nordamerika und Nordeuropa bedeckten und ihre bis zu 1000 Meter dicken Schelfeise über den gesamten Arktischen Ozean schoben, sodass dieser vermutlich komplett zugefroren war.
Die Lebensgemeinschaften des Nordpolarmeers haben sich in dieser Zeit entweder in größere Tiefe zurückgezogen – oder aber sie sind die Atlantik- und Pazifikküs­ten entlang in südlichere Breiten abgewandert. Als die Eismassen dann nach und nach verschwanden, brauchte es einige Zeit, bis die marinen Organismen die arktischen Lebensräume zurückeroberten. Biologen gehen deshalb davon aus, dass die vielfältigen Lebensgemeinschaften in den arktischen Randmeeren nicht viel älter als 125 000 Jahre sind. Zudem unterscheiden die ­Forscher zwischen einem atlantischen und einem pazifischen Sektor im Arktischen Ozean. Deren Bewohner wanderten aus dem jeweiligen Nachbarozean ein und passten sich getrennt voneinander an die polaren Lebensbedingungen an. So kommt es, dass bis heute in beiden Sektoren unterschiedliche Arten ein und dieselbe Rolle im Ökosystem einnehmen.
4.3 > Antarktische Weißblutfische wie dieser junge Schwarzflossen-Eisfisch bevölkern die kältesten Meeresregionen der Welt und besitzen keine Farbstoffe im Blut.
Abb. 4.3 © Online: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icefishuk.jpg (Stand: 12.08.2019)
In der Arktis fiel und fällt es Schelfmeerbewohnern auch deutlich leichter, von einem Kontinent zum nächsten abzuwandern, als in der Antarktis. Die nördlichen Küstengebiete Europas, Asiens und Nordamerikas sind über ihre vorgelagerten Schelfbereiche durchgehend miteinander verbunden. Der Antarktis dagegen fehlt eine solche Flachwasserverbindung zu den Nachbarkontinenten, weshalb der Anpassungsdruck in der Antarktis stets viel höher war als in der Arktis. In Kaltzeiten standen den Meeresbewohnern im Südlichen Ozean deutlich weniger Rückzugsmöglichkeiten zur Verfügung als den Arten im hohen Norden. Die Lebewesen des Südpolarmeers hatten nur die Möglichkeit, sich anzupassen, oder aber sie sind ausgestorben. Auf diesem Grund haben die Meeres­bewohner der Antarktis auch deutlich ausgefeiltere Anpassungsmechanismen entwickelt als die Bewohner des Nordpolarmeers.

Abb. 4.4 © Michael S. Nolan/agefotostock

4.4 > Um der arktischen Winterkälte zu entkommen, fliegt die Küstenseeschwalbe Sterna paradisaea im August aus ihren arktischen Brutgebieten bis an den Rand der antarktischen Packeiszone. Dabei legen die Vögel eine Strecke von ungefähr 35 000 Kilometern zurück. Weiter wandert keine andere Zugvogelart.

Die Überlebenstricks landbewohnender Tiere in den Polargebieten

Die Lebensbedingungen in der Arktis und Antarktis sind vom Wechsel der Extreme geprägt. Im Sommer gibt es Sonnenlicht, Wärme, eisfreie Land- und Wasserflächen sowie Futter im Überfluss; im Winter dagegen verkehren sich die Lebensbedingungen ins Gegenteil. In der Arktis beispielsweise sinkt die Oberflächentemperatur im Winter wochenlang auf Werte um minus 40 Grad Celsius, wobei Tage mit Spitzenwerten von minus 50 bis minus 60 Grad Celsius keine Seltenheit sind. Große Temperaturunterschiede gibt es auch von Nord nach Süd beziehungsweise zwischen den Küstenregionen und Gebieten weiter landeinwärts. Solche Gegensätze überlebt nur, wer auf eine oder meh­rere der folgenden Anpassungsstrategien setzt:
  • Flucht vor der Kälte durch Abwanderung in wärmere Gebiete (Migration),
  • Überdauern des Winters an einem geschützten Ort (Winterruhe oder Winterschlaf),
  • optimale Wärmeregulation des eigenen Körpers und
  • Vorsorge durch das Anfressen großer Fettreserven.

 

Auf der Flucht vor Hunger und Kälte

Für die Flucht vor der Kälte und Nahrungsknappheit entscheiden sich vor allem die vielen Seevögel, die in den Polarregionen vorkommen. In der Arktis sind insgesamt 200 Vogelarten beheimatet. Die Mehrheit von ihnen gehört zu den Gänse-, Strand- und Seevögeln. Singvögel gibt es im Gegensatz zu den mittleren Breiten nur wenige. Die meisten arktischen Vogelarten verbringen nur wenige Sommermonate im hohen Norden. Wenn der Winter naht, ziehen 93 Prozent der Arten in wärmere Regionen. Ihre Wanderrouten führen tatsächlich in alle anderen Regionen der Welt. Während viele Gänse, Sperlingsvögel, Eulen, Raubvögel, Alkenvögel und Möwen in den angrenzenden mittleren Breiten überwintern, zieht es einige Strandvögel, Wassertreter und die Schwalbenmöwe (Xema sabini) bis in die Tropen und nach Australien. Die Pfuhlschnepfe (Limosa lapponica) beispielsweise fliegt von ihrem Brutgebiet in Alaska 12 000 Kilometer über den Pazifik nach Neuseeland, und Langstreckenflieger wie die Küstenseeschwalbe und Raubmöwen steuern sogar die Antarktis an. Dort überwintern sie am Rand der antarktischen Packeiszone. Das heißt, die Tiere legen auf ihrem Weg von den arktischen Brutgebieten in die antarktischen Überwinterungsreviere und zurück eine Strecke von bis zu 80 000 Kilometern pro Jahr zurück. Diese Anstrengung aber lohnt sich, denn beide Polarregionen bieten den Vögeln im Sommer ein reichhaltiges Nahrungs­angebot. Und da die Küstenseeschwalben sich bei der Jagd vor allem auf ihre Augen verlassen, haben sie den großen Vorteil, dass in den von ihnen gewählten Lebensräumen insgesamt acht Monate die Sonne nicht untergeht und die Tiere theoretisch rund um die Uhr auf Beutefang gehen könnten.
4.5 > Eine Herde Karibus zieht im Oktober auf der Suche nach Futter durch das Arc­tic National Wildlife Refuge. In der Region hat es zu diesem Zeitpunkt bereits geschneit, sodass die Tiere potenzielle Futterstellen zunächst einmal freischarren müssen.
Abb. 4.5 © Peter Mather
Es gibt allerdings auch Vogelarten in der Arktis, die nicht in wärmere Gefilde abwandern. Dazu zählen bei den Landvögeln zum Beispiel der Kolkrabe (Corvus corax), das Alpenschneehuhn (Lagopus muta), die Schneeeule (Bubo scandiaca) und der Polarbirkenzeisig (Acanthis hornemanni). Aus der Gruppe der Seevögel verbringen unter anderem die Gryllteiste (Cepphus grylle), die Dickschnabellumme (Uria lomvia), die Elfenbeinmöwe (Pagophila eburnea), die Rosenmöwe (Rhodostethia rosea) sowie die Eiderente (Somateria mollissima) den Winter im hohen Norden.
Saisonale Wanderungen unternehmen aber auch Säugetiere – so zum Beispiel Bartenwale oder Rentiere (Rangifer tarandus), die in Nordamerika Karibus genannt werden. Im östlichen Alaska sowie im kanadischen Yukon-Territorium beispielsweise zieht in jedem Frühling eine Herde der sogenannten Porcupine-Karibus mit 100 000 bis 200 000 Tieren mehr als 1300 Kilometer weit Richtung Norden, um im Küstentiefland des Arctic National Wildlife Refuge ihre Kälber auf die Welt zu bringen. Der Kindergarten am Arktischen Ozean bietet den wilden Tieren im Sommer viele Vorteile. Zum einen ist die Landschaft flach und nicht bewaldet. Die Rentiere erkennen deshalb mögliche Feinde wie Bären oder Wölfe schon von Weitem. Die frische Meeresbrise verjagt die lästigen Stechmücken, und es gibt Wasser und Futter in Hülle und Fülle. Zum Ende des Sommers treten die Rentiere dann den Rückweg in ihre Winterterritorien in den weiter südlich gelegenen Ogilvie Mountains an. Andere Herden ziehen noch weiter nach Süden und überwintern in den subarktischen Waldgebieten der Taiga. Einige wenige aber verbringen den Winter auch in der Tundra.

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Regulation der Körpertemperatur

Diese Rentiere stehen dann wie alle anderen gleichwarmen Tiere in den Polarregionen vor der Herausforderung, ihre Körperkerntemperatur von 37 bis 41 Grad Celsius aufrechtzuerhalten, obwohl die Luft um sie herum um bis zu 100 Grad Celsius kälter ist. Das gelingt nur, indem die Tiere verhindern, dass Körperwärme an die Umgebung abgegeben wird. Eine schwierige Aufgabe, denn Körperwärme kann auf dreierlei Weise verloren gehen:
  • durch Wärmeleitung,
  • durch Wärmeabstrahlung sowie
  • durch Verdunstung.
Die Tiere müssen alle drei Prozesse kontrollieren, wenn sie nicht auskühlen wollen. Aus diesem Grund haben die gleichwarmen Arten eine Reihe von erstaunlichen Verhaltensweisen entwickelt, mit denen sich Wärmeverluste eindämmen lassen. Dazu zählen unter anderem:
  • sich einzuigeln (Reduktion der Körperoberfläche im Verhältnis zum Gesamtvolumen),
  • sich in einer Gruppe gegenseitig zu wärmen,
  • sich an einen geschützten Ort zurückzuziehen,
  • eine wärmende Fettschicht oder aber ein doppel­lagiges Winterfell oder -gefieder auszubilden sowie
  • den Atem und die Gliedmaßen abzukühlen.
Sich einzuigeln heißt, sich so klein wie möglich zu machen. Viele Arten, angefangen vom Eisbären bis hin zum Polarbirkenzeisig, rollen sich im Winter zu einer Kugel zusammen oder ziehen Kopf und Gliedmaßen ein, um ihre Körperoberfläche zu minimieren. Je kugelförmiger der Körper, desto kleiner ist seine Oberfläche im Verhältnis zum Volumen und desto weniger Wärme geben die Tiere durch Wärmeleitung und -abstrahlung ab. Eisbären verschränken dabei oft ihre Pfoten über der Schnauze, weil sie über ihre Nase und die eher dünn behaarte Gesichtspartie die meiste Körperwärme verlieren.
4.6 > Eisbären können sehr gut schwimmen und, wie dieses große Männchen zeigt, auch tauchen. Im Wasser kühlen die Tiere jedoch schnell aus. Ausgewachsene Bären mit einer dicken, isolierenden Fettschicht haben daher auf langen Schwimmstrecken bessere Überlebenschancen als Jungbären.
Abb. 4.6 © Paul Nicklen
Tiere, die in Gruppen, Herden oder Kolonien leben, stehen oft dicht beisammen, um sich gegenseitig zu wärmen und so den eigenen Wärmeverlust zu minimieren. Das bekannteste Beispiel sind die kreisförmigen sogenannten „Huddles“, wie die Wärmepulke der Kaiserpinguine in der Antarktis genannt werden. Im Winter, wenn die Außenluft bis zu minus 50 Grad Celsius kalt wird und die Männchen brütend auf dem Eis ausharren müssen, rücken die Tiere zu Tausenden so eng zusammen, dass sich bis zu zehn Pinguine auf einem Quadratmeter Fläche drängen – Rücken an Bauch, Seite an Seite, den Kopf auf der Schulter des Vordermannes abgelegt. In der Mitte dieses gigantischen Brut­kas­tens wiederum erwärmt sich die Luft auf bis zu 24 Grad Celsius, weshalb es den Vögeln im Zentrum sogar zu warm wird. Sie versuchen aus diesem Grund Schritt für Schritt der Wärme zu entkommen. Die Vögel am Rand frieren derweil und drängen schrittweise in die Mitte. So kommt es, dass die Pinguine kontinuierlich ihre Position ver­ändern, der Pulk ständig in Bewegung ist und jedes Tier irgendwann in den Genuss der Wärme kommt. Auf diese Weise gelingt es den großen Vögeln, selbst bei stärksten Winterstürmen ihren Wärmeverlust um die Hälfte zu reduzieren. Ein ähnliches Verhalten zeigen auch die Moschusochsen in der Arktis. An kalten Tagen bilden die Herdenmitglieder einen engen Kreis, sodass sich die Tiere gegenseitig wärmen und ihnen der eisige Wind im Verbund wenig anhaben kann.
Eine dritte Strategie, Wärmeverluste zu vermeiden, ist der Rückzug an einen geschützten Ort. Dieser kann eine Höhle sein – oder aber die Tiere kauern sich zusammen und lassen sich einschneien. Von Eisbären, Wölfen, Füchsen, Hasen und Schneehühnern weiß man, dass sie im Winter zumindest für einige Zeit Schutz in Schneehöhlen suchen. Kleinere Arktisbewohner wie Lemminge und Hermeline müssen aufgrund ihrer Körpergröße und den damit verbundenen Wärmeverlusten sogar die meiste Zeit des Winters unter der isolierenden Schneedecke verbringen. Die Temperatur dort kann abhängig von der Schneehöhe bis zu null Grad Celsius betragen und ermöglicht den Kleintieren so ein Überleben.
Vögel und Säugetiere, die in den Polarregionen überwintern, schützen sich aber auch durch ein dichtes Winterfell oder -gefieder vor der Eiseskälte. Bei Säugetieren und Vögeln, die zur Nahrungssuche ins Wasser müssen oder aber wie Wale ihr gesamtes Leben im Meer verbringen, erfüllt in der Regel eine dicke Fettschicht diese Isolationsfunktion. Wie gut Federn oder Fell die Wärmeabgabe verhindern, hängt zum einen von der individuellen Wärmeleitfähigkeit eines jeden Haares oder einer jeden Feder ab, zum anderen von der Frage, wie gut das Fell oder Federkleid ein isolierendes Luftpolster nahe am Körper halten kann. Denn Luft leitet Wärme nur halb so gut wie Haare oder Federn. Vermutlich auch aus diesem Grund sind die Deckhaare der Rentiere hohl und ihr Innenraum aufgeteilt in Tausende kleine Luftkammern, die jeweils nur durch eine dünne Wand voneinander getrennt sind. Auf diese Weise schützt das Deckhaar die Tiere nicht nur vor äußeren Einflüssen wie Schnee und Regen. Es bildet neben der Unterwolle auch eine zweite sehr wirkungsvolle Isolierschicht.

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Die isolierenden Eigenschaften des Fells unterscheiden sich deutlich von Tierart zu Tierart, wobei die Wärmehaltefähigkeit in der Regel steigt, je dicker die Fellschicht ist. Durch ein Aufplustern des Gefieders oder aber durch das Aufstellen von Haaren kann die isolierende Wirkung des Fells oder Federkleids nochmals verstärkt werden, weil mehr isolierende Luft in Körpernähe eingeschlossen wird. Kleine Felltiere wie Lemminge oder Hermeline sind klar benachteiligt, wenn es darum geht, sich durch Körperbehaarung ausreichend zu wärmen. Sie brauchen ein kurzes Fell, um sich noch ausreichend gut bewegen zu können.
Doch auch die großen, eher dick bepelzten Säugetiere müssen eine Reihe von Faktoren beachten, wenn sie nicht an Unterkühlung sterben wollen. Das lange Fell der Eisbären zum Beispiel isoliert hervorragend, solange es trocken ist. Springt der Bär jedoch ins Meer, um beispiels­weise von einer Eisscholle zur nächsten zu schwimmen, gelangt Wasser an die Haut – und Flüssigkeit leitet Wärme 25-mal besser als Luft. Ausgewachsene Bären vertrauen in solchen Momenten auf die Isolationseigenschaften ihrer bis zu 11,4 Zentimeter dicken Fettschicht. Für den Bärennachwuchs aber kann eine solche Schwimmeinheit sehr gefährlich werden, denn die Jungen kühlen äußerst schnell aus. Die gleiche Gefahr besteht auch, wenn es ­regnet, denn Regen und Schneeregen beeinträchtigen die Funktionseigenschaften eines Fells oder Federkleids ganz entscheidend. Zu hohen Wärmeverlusten kann auch eisiger Wind führen. Fährt er durch ein Fell oder Federkleid, verwirbelt er die körpernahe Luftschicht, wodurch ihre isolierende Wirkung abnimmt. So kühlen Schneeeulen, die bei einer Außentemperatur von minus 30 Grad Celsius einem Wind mit einer Stärke von 27 Kilometern pro Stunde ausgesetzt sind, so schnell aus, dass sie ihre Wärmeproduktion im Vergleich zur Windstille verdoppeln müssen, um nicht zu erfrieren. Das Fell und die Unterwolle von Rentieren und Moschusochsen dagegen isolieren so umfassend, dass die Tiere selbst bei Winterstürmen wenig bis keine Wärme verlieren.
Wale, Eisbären und Robben schützen sich mit einer dicken Fettschicht gegen die Kälte. Ihre Isolationseigenschaften reichen zwar nicht an jene des Fells heran; dafür wärmt der sogenannte Blubber aber auch im Wasser, wo Fell als Kälteschutz in der Regel versagt. Diese Fettschicht kann eine beeindruckende Stärke erreichen. Bei Grönlandwalen (Balaena mysticetus) ist sie bis zu 30 Zentimeter dick. Und wie das Fell von Rentieren und Moschusochsen verändert sich auch der Blubber im Rhythmus der Jahreszeiten – zumindest bei den Robben. Am dünnsten ist deren Fettschicht im Sommer, wenn die Tiere wegen ihres Fellwechsels gezwungen sind, an Land zu bleiben und zu fasten. Zum Winter hin fressen sich die Tiere dann wieder eine dicke isolierende Schicht an.
Pinguine wie die Adélie- und die Kaiserpinguine schützen sich durch ein außergewöhnlich gut isolierendes Federkleid vor der großen Kälte. Bei Tauchgängen im Meer allerdings werden ihre Federn komprimiert und die eingeschlossene Luft herausgedrückt, sodass das Federkleid seine isolierende Wirkung verliert. Ihre Fettschicht schützt die Vögel dann in einem gewissen Maß vor der Auskühlung.

Körpereigene Schutzmechanismen gegen Wärmeverluste

Wärmeverluste durch Wärmeleitung lassen sich auch verhindern, indem Tiere ihre äußeren Körperpartien oder aber ihre Gliedmaßen herunterkühlen, während sie die Temperatur in der Körpermitte konstant halten. Ein solches Verhalten zeigen zum Beispiel Rentiere, Kaiserpin­guine und Möwen. Sie können die Temperatur in ihren Füßen unter Umständen bis dicht an den Gefrierpunkt herunterkühlen, während ihre Körperkerntemperatur auf Normalniveau bleibt.
Ein solches Auskühlen der oftmals nur schlecht isolierten Gliedmaßen wird möglich, weil die Blutgefäße in den Beinen, Flügeln oder Flossen so dicht nebeneinander verlaufen, dass ein Wärmeaustausch zwischen Arterien und Venen erfolgen kann. Warmes, aus der Körpermitte stammendes arterielles Blut gibt dabei seine Wärme an venöses Blut ab, welches zuvor in den Füßen oder Flossen ausgekühlt war und auf dem Rückweg Richtung Körpermitte ist. Auf diese Weise gelangt nur im Vorweg abgekühltes Blut in die Gliedmaßen, und der Wärmeverlust über die Füße, Flossen oder Flügel wird hierdurch stark reduziert.
Haben Rentiere so lange Beine, dass der Wärmeaustausch allein schon dadurch funktioniert, dass Vene und Arterie eng nebeneinander angeordnet sind, sieht das bei den kurzen Flossen der Robben etwas anders aus. Hier wird der Wärmeaustausch verstärkt, indem sich die Vene in mehrere Blutbahnen aufteilt, die dann rund um die ­zentral liegende Arterie verlaufen und deren Wärme aufnehmen. Außerdem können die Tiere den Blutstrom und damit auch die Wärmeversorgung ihrer Gliedmaßen steuern – je nachdem, ob sie die Wärmeabgabe reduzieren wollen, weil es draußen kalt ist, oder sie sich ganz bewusst schnell abkühlen wollen, etwa nach großer Anstrengung und bei Gefahr von Überhitzung.
4.8 > Wenn ein Rentier einatmet, erwärmt und befeuchtet es die einströmende kalte Atemluft mithilfe stark durchbluteter Schleimhäute in seiner Nase. Diese Häute werden durch dünne, geschwungene Knochenstrukturen gehalten, die auf dieser Schädelaufnahme gut zu erkennen sind.
Abb. 4.8 © Museum Wiesbaden, Online: ­https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Rangifer_tarandus_02_MWNH_148.jpg (Stand: 09/2019)
Erstaunlicherweise haben die Tiere auch dann noch ein Gefühl in ihren Flügeln, Flossen oder Pfoten, wenn diese stark ausgekühlt sind. So funktioniert beispielsweise die Impulsweiterleitung in den Nervenbahnen und Muskeln der Fußballen von Polarwölfen und -füchsen auch dann noch, wenn die Tiere auf bis zu minus 50 Grad kaltem Untergrund stehen und ihre Pfoten auf null Grad ­Celsius abgekühlt sind. Studien haben gezeigt, dass die Muskeln und Nerven in wenig isolierten Extremitäten auch dann noch ihre Aufgaben verrichten, wenn das Gewebe eine Tiefsttemperatur von minus sechs Grad ­Celsius aufweist – ein Anpassungsmechanismus, der bei Säugetieren und Vögeln in den hohen und mittleren ­Breiten sehr verbreitet scheint.
Ebenso ausgefeilt ist das System, mit dem die Tiere verhindern, dass sie beim Atmen unnötig Wärme und Wasserdampf an die Umgebung abgeben. Atmet ein Mensch bei einer Umgebungstemperatur von minus 30 Grad Celsius aus, erkennt man seine etwa 32 Grad ­Celsius warme und feuchte Atemluft, weil sie als helle Dampfwolke die Nase verlässt. Bei Rentieren hingegen bildet sich keine Dampfwolke. Die Luft, welche die Tiere ausatmen, ist trocken und auf 21 Grad Celsius herunter­gekühlt, sodass die Wasser- und Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden. Das Geheimnis dieser Energieeinsparungen ist abermals ein effektiver Wärmeaustausch. Dieser erfolgt diesmal jedoch in der Nase. Im Gegensatz zum Menschen verlaufen in der Nasenhöhle eines Rentiers eine Vielzahl verschlungener, stark durchbluteter Schleimhäute und Membranen. Diese Nasenstruktur birgt zwei große Vorteile. Zum einen vergrößert sie die Oberfläche der Schleimhaut, an der die ein- oder ausgeatmete Luft vorbeistreift. Das heißt, das Rentier hat ausreichend Gelegenheit, Wärme und Wasser an die Atemluft abzugeben oder diese aufzunehmen. Zum anderen wird die Atemluft durch den komplexen Aufbau der Nase in viele dünne Luftschichten aufgeteilt, sodass der Wärmeaustausch nochmals optimiert wird.
Holt ein Rentier nun tief Luft, strömt die eiskalte Polarluft über die gut durchbluteten Nasenschleimhäute. Dabei wird sie in weniger als einer Sekunde auf die Körpertemperatur des Tieres erwärmt und angefeuchtet. Das heißt, die Luft, welche die Lungen erreicht, ist 38 Grad Celsius warm und ausreichend feucht, um eine optimale Sauerstoffaufnahme zu ermöglichen. Durch die Wärmeabgabe an die eingeatmete Luft kühlen die Schleimhäute für einen Moment lang aus. Atmet das Tier nun wieder aus, strömt die warme Atemluft über die ausgekühlten Nasenschleimhäute und gibt einen Teil seiner Wärme wieder an sie ab. Dabei kühlt die Atemluft auf 21 Grad Celsius ab, und der in ihr enthaltene Wasserdampf kondensiert zu großen Teilen. Auf diese Weise atmen die Rentiere nur kühle, trockene Luft aus und sparen jede Menge Körperwärme und Feuchtigkeit. Letztere kann vor allem dann entscheidend werden, wenn im Winter alle Tümpel, Flüsse und Seen zugefroren sind und die Tiere Schnee fressen müssen, um Wasser aufzunehmen.
4.9 > Eine dicke Fettschicht und wärmende Unterwolle schützen Eisbären davor, Körperwärme an die Umgebung zu verlieren. Das transparente Deckhaar lässt zudem Sonnenstrahlung durch, sodass sich die Bären bei schönem Wetter in der Sonne aufwärmen können.
Abb. 4.9 © nach www.asknature.org
Trotz eines dicken Winterfells und ausgeklügelter Wärme-Einsparmechanismen kann es vorkommen, dass die Tiere auskühlen und die Körpertemperatur gefährlich tief sinkt. In diesem Moment steigern die meisten Tiere ihren Stoffwechsel und beginnen zu zittern, um durch die Muskelkontraktionen Wärme zu erzeugen. Wind und Feuchtigkeit beschleunigen in der Regel das Auskühlen, Sonnenschein dagegen kann den Tieren helfen, ihre ­Körpertemperatur zu halten. Sattelrobben beispielsweise ­sonnen sich, wenn ihnen kalt ist. Dieselbe Strategie verfolgen auch Eisbären. Ihr langes, transparentes Deckhaar lässt beim Sonnenbaden die einfallende Sonnenstrahlung besonders gut passieren, sodass die darunterliegende schwarze Haut der Bären sie optimal absorbieren kann.
Das Deckhaar der Eisbären weist allerdings noch eine zweite Besonderheit auf. Es absorbiert die langwellige Wärmestrahlung, welche von den Tieren ausgeht. Vereinfacht gesagt nimmt es also einen Großteil jener Wärme wieder auf, welche die Bären trotz ihrer dicken Unterwolle noch abgeben. Das führt dazu, dass die Tiere nur sehr wenig Wärmeenergie über ihre Körperoberfläche verlieren. Aus dieser Stärke kann jedoch auch ein Nachteil erwachsen, etwa wenn die Bären sich schnell bewegen. Dann laufen sie Gefahr, im Nu zu überhitzen. Aus diesem Grund bewegen sich Eisbären die meiste Zeit in einem eher gemächlichen Tempo fort – und sollte ihnen doch einmal viel zu heiß werden, kühlen sich die größten Landräuber der Arktis mit einem Sprung ins Wasser ab. Auf diese Option können Rentiere in der Regel nicht zurückgreifen, obwohl die Tiere vor allem im Winter während großer Anstrengung häufig überhitzen. In solchen Momenten kühlen die Vierbeiner die wichtigsten Areale ihres Gehirns, indem sie kaltes Blut aus ihren Nasenschleimhäuten über eine Vene Richtung Gehirn leiten. Kurz vor dem Hirn erfolgt ein Wärmeaustausch mit dem Blut in der Kopfschlagader. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nur Blut mit Normaltemperatur im Gehirn zirkuliert, während die überschüssige Wärme so lange im restlichen Körper verteilt wird, bis die Belastung vorbei ist und sie wieder über die Nasenschleimhäute abgegeben werden kann.

Die Wärmeregulation bei Jungtieren

Tierischer Nachwuchs kommt in den Polarregionen zu ganz unterschiedlichen Zeiten und unter verschiedenen Bedingungen auf die Welt. Dennoch haben alle Jungtiere eines gemeinsam: Ihr Verhältnis von Körperoberfläche zu Körpermasse ist deutlich schlechter als jenes der Elterntiere – das heißt, die Jungtiere verlieren im Verhältnis mehr Wärme. Meist besitzen sie auch kein Fell oder Federkleid, und wenn doch, dann eines, das deutlich schlechter isoliert als Pelz oder Federn der Alttiere. Problematisch ist diese Ausgangslage vor allem dann, wenn die jungen Vögel oder Säugetiere gewissermaßen nass das Licht der Welt erblicken.
Damit ihr Nachwuchs dennoch eine Überlebens­chance hat, haben die polaren Vögel und Säugetiere spezielle Verhaltensweisen entwickelt. Arten, deren Jungtiere sogenannte Nesthocker sind und am Anfang noch viel elterliche Fürsorge benötigen, so wie das zum Beispiel bei Eisbären und Lemmingen der Fall ist, bringen ihren Nachwuchs in der Regel an einem geschützten Ort zur Welt – etwa in einer Schneehöhle, in einem Bau oder aber auch in einem Nest. Während eine Eisbärin in den ersten drei Monaten nach der Geburt ihrer Jungen zwangsläufig fastet, weil sie die Kleinen nicht aus den Augen lässt, muss sich das Lemmingweibchen sehr wohl zwischendurch auf Futtersuche begeben. Seine Welpen bleiben derweil allein im Bau zurück. Die Körpertemperatur der kleinen Lemminge fällt in dieser Zeit auf weit unter 20 Grad Cel­sius, was den Nachwuchs aber nicht umbringt. Die Tiere sind in ihren ersten Lebenstagen erstaunlich kälteunempfindlich. Je älter die Welpen dann werden, desto besser können sie ihre Körpertemperatur selbst regulieren – sei es durch muskuläre Wärmeerzeugung (Zittern), durch ein dichteres Fell oder aber durch das Verbrennen von Fettsäuren im braunen Fettgewebe, ein Vorgang, der in der Fachliteratur oft auch als zitterfreie Wärmeerzeugung oder biochemische Thermogenese bezeichnet wird.
Braunes Fettgewebe findet sich bei nahezu allen neugeborenen Säugetieren. Seine Zellen sind deutlich kleiner als jene des weißen, isolierenden Fettgewebes. Sie enthalten viele kleine Lipidtropfen und eine besonders große Zahl von Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen. In ihnen wird durch den Abbau von Lipiden unter anderem Wärme erzeugt, die dem Nachwuchs so mancher polarer Säugetierart ein Überleben ermöglicht.
4.10 > Die meiste Körperwärme verlieren Eisbären über ihre nur spärlich behaarte Nase, wie diese Infrarotaufnahme deutlich zeigt.
Abb. 4.10 © WRG Conservation
Frisch geschlüpfte Jungvögel dagegen sind darauf angewiesen, dass die Elterntiere sie wärmen. Antarktische Sturmvögel beispielsweise brüten bei einer Durchschnittstemperatur von minus 25 Grad Celsius auf nacktem Felsen. Sind ihre Küken erst einmal geschlüpft, muss der Nachwuchs mindestens elf Tage lang von den Altvögeln mit Wärme versorgt werden. Die Jungen der Kaiserpinguine verstecken sich bis zu 50 Tage lang zunächst in der Bauchfalte des Männchens, nach der Rückkehr des Weibchens dann in der Bauchfalte des Weibchens, welches das Küken dann das erste Mal mit Futter aus dem Meer versorgt.
Die Kälber der Rentiere sowie die Küken der Schneehühner müssen vom ersten Lebenstag an auf eigenen ­Beinen stehen, denn sie sind sogenannte Nestflüchter. Im Gegensatz zu den Pinguinjungen werden sie deshalb schon mit einem eigenen Kälteschutz geboren. Die jungen Schneehühner etwa tragen von Anfang an ein wärmendes Federkleid, sind stark genug, schon am ersten Tag lange Strecken zu laufen, und können ihre Körpertemperatur durch Zitterbewegungen ihres Brustmuskels aufrechterhalten. Nichtsdestotrotz suchen auch die kleinen Schneehühner die wärmende Nähe ihrer Mutter, wenn ihre Körpertemperatur auf unter 35 Grad Celsius absinkt. Junge Rentiere und Moschusochsen frieren vor allem, wenn es windet, regnet oder Schneeregen fällt. In solchen Momenten verliert ihr Fell deutlich schneller seine wärmenden Eigenschaften als das Fell der Elterntiere. Der Nachwuchs hält sich dann in erster Linie durch die Verbrennung von Lipiden im braunen Fettgewebe warm. Das Wasser meiden müssen auch die meisten Robbenjungen in den Polargebieten. Sie werden mit einem wolligen, meist weißen Lanugofell geboren, welches allerdings auch nur wärmt, solang es trocken bleibt.
Körperwärme zu erzeugen, kostet Energie, welche der Nachwuchs der Säugetiere über die Muttermilch aufnimmt. Sie ist bei Arten, die in den Polarregionen beheimatet sind, besonders fettreich. Bei Walen, Robben und anderen marinen Säugern liegt der Fettgehalt der Milch zwischen 40 und 50 Prozent; bei landbewohnenden Arten sind es zehn bis 20 Prozent. (Nur zum Vergleich: Normale Kuhmilch hat einen Fettanteil von rund vier Prozent.) Die Jungen werden je nach Art unterschiedlich lang gesäugt. Während beispielsweise die Klappmützenrobben ihren Nachwuchs nur zwei bis vier Tage lang säugen, versorgen Walrosse ihr Junges länger als ein Jahr lang mit Milch.

Wenn die Nahrung knapp wird

Die Tiere in den Polarregionen müssen nicht nur mit extremen Luft- und Wassertemperaturen zurechtkommen. Sie stehen außerdem vor der Herausforderung, dass sie immer nur zu bestimmten Zeiten des Jahres ausreichend Nahrung finden. Ein Problem, welches die Tiere auf ganz unterschiedliche Weise lösen. Moschusochsen beispielsweise können ihren Stoffwechsel um 30 Prozent herunterfahren. Ähnliche Beobachtungen gibt es vom Polarfuchs, vom Schneehasen und den Schneehühnern. Um Energie zu sparen, schränken die Tiere auch ihren Bewegungsradius ein. Rentiere auf Spitzbergen beispielsweise verbringen im Winter bis zu 80 Prozent des Tages liegend oder stehend, weil jede Anstrengung, jeder zusätzliche Schritt auf dem verschneiten Terrain ihren Preis hat. Beginnen die Tiere zu traben, vervierfacht sich ihr Energieverbrauch – selbst wenn die Herde nur in einem moderaten Tempo von sieben Stundenkilometern unterwegs ist.
Um auf Nummer sicher zu gehen, fressen sich die meis­ten Tiere deshalb in Zeiten des Überflusses dicke Fett­reserven an. Die Schneehühner auf Spitzbergen beginnen bereits im August alles zu fressen, was ihnen vor den Schnabel kommt. Bis November nehmen die Vögel derart zu, dass ihre Fettschicht 30 Prozent ihres Körpergewichts ausmacht. So groß müssen die Reserven allerdings auch sein, denn die Vögel zehren von ihnen, wann immer die Winterwitterung eine weitere Futtersuche unmöglich macht, etwa bei starken Stürmen. Bis Februar haben die Tiere ihren Fettvorrat in der Regel aufgebraucht. Bei Rentieren und Moschusochsen entscheidet die Menge der Fett­reserven auch darüber, ob eine Kuh fruchtbar wird und Nachwuchs bekommen kann.
Der Arktische Ziesel (Urocitellus parryii) gehört zu den wenigen polaren Arten, die den Winter verschlafen. Die Körpertemperatur der Erdhörnchen sinkt dabei auf bis zu minus drei Grad Celsius ab, ohne dass ihr Blut gefriert oder Organe und Gewebe durch Eiskristalle beschädigt werden. Um ein Erfrieren zu vermeiden, wachen die Tiere alle drei Wochen aus ihrer Winterstarre auf und beginnen, ein bis zwei Tage lang zu zittern. Ihre Körpertemperatur steigt dann wieder auf 34 bis 36 Grad Celsius. Dabei verbrennen die Vierbeiner jede Menge Fett, welches sie sich zuvor im kurzen Sommer angefressen haben. Anschließend fallen die Ziesel zurück in die Winterstarre.
4.11 > Ein Arktischer Ziesel hat sich in seinem Bau auf einem Bett aus Moos zusammengerollt und verschläft den Winter, der sieben bis neun Monate andauern kann. Aktiv sind die Tiere nur im kurzen arktischen Sommer.
Abb. 4.11 © Ingo Arndt/Minden Pictures
Bei den Eisbären überwintern nur die tragenden Weibchen in einer Schneehöhle, wo sie auch ihren Nachwuchs auf die Welt bringen. Die Jungbären und ausgewachsenen Männchen dagegen sind den Winter über mehr oder weniger aktiv – gilt es doch, sich eine fette Speckschicht anzufressen, solange das Meereis ihnen den Zutritt zu den Revieren der Robben gestattet.
Da Robben einmal im Jahr ihr Fell wechseln, steht auch ihnen eine regelmäßige Fastenzeit bevor. In dieser Zeit gehen die Tiere nicht auf Futtersuche, weshalb sich auch ihr Stoffwechsel um die Hälfte reduziert. Körperwärme und Bewegungsenergie gewinnen sie nur durch das Verbrennen von Fettreserven. Polarfüchse und Hermeline dagegen verlassen sich nicht nur allein auf ihre angefressene Fettschicht. Sie legen sich außerdem Nahrungsvorräte an – eine Aufgabe, die sie von September bis November umtreibt. Manche Tiere verstecken ihre zusätzlich erlegte Beute an vielen verschiedenen Stellen; andere ­horten alles an einem Ort. Das größte bislang bekannte Vorratslager eines Polarfuchses enthielt 136 Seevögel, die der Jäger anscheinend an einer Brutkolonie erbeutet hatte. Von Hermelinen wird berichtet, dass einzelne Tiere bis zu 150 Lemminge erlegt und in Winterverstecken gesammelt haben.

Anpassungen an die Lichtverhältnisse

Ein Alleinstellungsmerkmal der Polarregionen ist der Wechsel zwischen lang anhaltendem Tageslicht im Sommer (Polartag) und lang anhaltender Dunkelheit im Winter (Polarnacht). In der Zeit dazwischen verändern sich die Lichtverhältnisse so schnell, dass an Orten wie Spitzbergen oder im nördlichen Grönland die Tageslänge pro Tag um 30 Minuten zu- beziehungsweise abnimmt. Für die Tiere bedeuten diese Veränderungen, dass sie stetig ihr Verhalten anpassen müssen. Die verfügbare Menge Licht bestimmt nicht nur den Tagesrhythmus der Tiere, sondern auch ihren Jahreskalender und damit den Zeitpunkt wichtiger Ereignisse wie Paarung, Winterschlaf oder aber Fellwechsel. Diese Aussage gilt für die Lebewesen im Süd- und Nordpolargebiet ebenso wie für die Tiere in der restlichen Welt.
Gesteuert wird die innere Uhr der Tiere über biochemische Prozesse, die damit beginnen, dass Informationen über die Lichtverhältnisse von speziellen, lichtempfindlichen Nervenzellen in der Netzhaut der Augen aufgenommen werden. Über Nervenbahnen werden die Signale dann zunächst an den suprachiasmatischen Kern und im Anschluss an die Zirbeldrüse weitergeleitet. Ersterer ist ein Kerngebiet im Gehirn. Er liegt im Hypothalamus und kontrolliert als „innere Uhr“ die Lebensrhythmen der ­Säugetiere. Die Zirbeldrüse dagegen befindet sich auf der Rückseite des Mittelhirns. Sie produziert nur bei Dunkelheit das Hormon Melatonin, welches anschließend im Blut und in der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit freigesetzt wird. Das heißt, mit der abnehmenden Nachtlänge nimmt auch die Menge an Melatonin im Körper ab und damit ­seine prozesshemmende Wirkung.
Melatonin synchronisiert vereinfacht gesagt alle Abläufe im Körper eines Tieres und stellt dessen innere Uhr auf die Tages- und Jahreszeit ein. Arten aus den Polar­regionen weisen dabei jedoch eine Besonderheit auf. Während die meisten Tiere außerhalb der Arktis und der Antarktis tagsüber aktiv sind und nachts ruhen, passen arktische und antarktische Arten ihr Verhalten an die jeweilige Lichtphase an.
Ein gutes Beispiel sind die arktischen Schneehühner. Im Frühling und Herbst, wenn die Sonne auf- und untergeht, begeben sie sich morgens und abends auf die Futtersuche – so wie viele andere Vogelarten auch. In den Phasen anhaltender Dunkelheit und anhaltender Helligkeit aber sind die Tiere abgesehen von einigen Pausen gewissermaßen rund um die Uhr mit der Futtersuche beschäftigt. Dasselbe Verhaltensmuster wurde auch bei den ­Rentieren auf Spitzbergen sowie bei Adéliepinguinen ­beobachtet. Und von den männlichen Kaiserpinguinen weiß man, dass sie selbst in der Polarnacht keine auffällig hohen Melatoninwerte aufweisen. Die Tiere unterliegen am Polartag sowie in der Polarnacht also keinen typischen Tagesrhythmen.
Rentieren fällt die Futtersuche vor allem bei lang anhaltender Dunkelheit leichter als anderen Tieren, weil sie auch das Licht im ultravioletten Bereich wahrnehmen. Diese Fähigkeit bringt einen entscheidenden Vorteil. Weil Schnee und Eis das einfallende ultraviolette Licht zum Großteil reflektieren, sehen die Tiere die Landschaft als helle Fläche. Schwarz erscheinen dagegen all jene Dinge, die UV-Licht absorbieren. Dazu gehören zum einen Flechten, von denen sich die Rentiere im Winter hauptsächlich ernähren. Zum anderen reflektieren auch weißes Fell (Eisbären) und das Fell der Wölfe das UV-Licht nur zu einem geringen Teil. Das heißt, die Rentiere sehen mögliche Angreifer frühzeitig und haben so deutlich bessere Überlebenschancen. Wissenschaftler nehmen außerdem an, dass das UV-Licht den Tieren zu erkennen hilft, wie eine Schneefläche beschaffen ist. Der Anteil des reflektierten UV-Lichtes verändert sich nämlich mit den physikalischen Eigenschaften einer Schneedecke. Vermutlich sehen die Herden so schon auf einen Blick, ob sich die Futtersuche an einer bestimmten Stelle lohnt oder ob sie vielleicht einen kleinen Umweg machen sollten, weil der Schnee hier zu harsch oder zu weich ist, als dass sie diese Schneefläche queren könnten.

Farbwechsel zum Winteranfang

Die sich ändernden Lichtverhältnisse geben auch den Startschuss für den typischen Fellwechsel, der Polarfüchse, Schneehasen, Hermeline und andere Tiere im Sommer meist grau oder braun aussehen lässt, im Winter dagegen weiß. In den mittleren und polaren Breiten der Nordhalbkugel leben heutzutage 21 Säugetier- und Vogelarten, die diesen Farbwechsel vollziehen. Das heißt, den Tieren wächst zweimal pro Jahr ein völlig neues Fell oder Federkleid. Die Arten haben diese Fähigkeit vermutlich unabhängig voneinander entwickelt, wobei die Evolution des Farbwechsels noch nicht ganz verstanden ist. Interessanterweise aber wechseln die verschiedenen Arten einer Region nahezu zeitgleich ihre Farbe und tragen ihr Wintergefieder oder ihren Winterpelz auch über einen ähnlich langen Zeitraum – darauf abgestimmt, wann vor Ort in der Regel der erste Schnee fällt und wie lange die Schnee­decke erhalten bleibt. Arten, die in Gebieten mit sehr ­variabler oder lückenhafter Schneedecke leben, haben ihre Fellfarbe auch diesen Gegebenheiten angepasst. Ihr Winterfell oder -federkleid ist mit pigmentierten Haaren oder Federn durchsetzt und deshalb in der Regel weiß-braun oder weiß-grau gesprenkelt.
Wissenschaftlich untersucht wurden auch der Sinn und Zweck des Farbwechsels. Den Ergebnissen zufolge dient er in erster Linie der Tarnung und Thermoregulation. Ein weißes Fell oder Federkleid verspricht im Winter sowohl Jägern als auch Beutetieren große Vorteile. Ist die Landschaft verschneit, werden beide Gruppen von ihren jeweiligen Widersachern schlechter gesehen. Bei Ersteren steigt dadurch die Aussicht auf Nahrung, bei Letzteren erhöhen sich die Überlebenschancen, weshalb Forscher die Fähigkeit, sich zu tarnen, als eine der wichtigsten Triebkräfte in der Evolution der Fellfarbe von Säugetieren bezeichnen.
4.12 > Das Alpenschneehuhn, der Schneehase, das Hermelin und der Polarfuchs gehören zu den weltweit 21 Tierarten, die mit dem Wechsel der Jahreszeiten die Farbe ihres Fells oder Gefieders ändern. So werden sie von Feinden und Beutetieren schlechter gesehen und verbessern ihre Überlebenschancen. Das Winterfell oder -gefieder isoliert oft auch besser als das Sommerkleid.
Abb. 4.12 © (v.o.l.n.u.r.): feathercollector/Adobe Stock Photo; Naturecolors/Adobe Stock Photo; Nature­colors/Adobe Stock Photo; STUEDAL/Adobe Stock Photo; 
巧 小川/Adobe Stock Photo; Sandra Standbridge/Adobe Stock Photo; hakoar/Adobe Stock Photo; windwindnowind/Adobe Stock Photo
Optisch mit der Umgebung zu verschmelzen gelingt allerdings nur dann, wenn der Fellwechsel und das Ein­setzen des Schneefalls beziehungsweise der Schneeschmelze nahezu zeitgleich erfolgen. Verzögert sich der Winter oder beginnt die Schmelze viel zu früh im Jahr, tragen die Tiere die entsprechend falsche Fellfarbe und die evolutionären Vorteile kehren sich ins Gegenteil um. Aus diesem Grund sind Arten, die ihre Fellfarbe wechseln, in ihrer Existenz stärker vom Klimawandel bedroht als Tiere, die ihre Fellfarbe beibehalten.
Ausgenommen davon sind nach Meinung von Forschern Vögel, weil deren Selbstwahrnehmung oft so stark ausgeprägt ist, dass sie Diskrepanzen zwischen der Umgebungsfarbe und ihrer Gefiederfarbe bemerken und sich dementsprechend verhalten. Alpen- und Weißschwanz-schneehühner beispielsweise ruhen sich nur an solchen Orten aus, an denen die dominierende Untergrund­farbe dem Ton ihres Gefieders entspricht. Und in Kanada ­beob­achteten Forscher Schneehühner, die sich absichtlich beschmutzten, als die Schneeschmelze zu früh einsetzte und die Vögel Gefahr liefen, in ihrem sauberen, weißen Wintergefieder zu schnell erkannt zu werden.
Durch den Wechsel vom Sommer- zum Winterfell verbessern die meisten Tiere aber auch die Isolationseigenschaften ihres Pelzes. Farb- oder pigmentloses Haar ist zum einen in der Regel etwas breiter als pigmentiertes Haar oder aber es enthält mehr luftgefüllte Kammern und isoliert deshalb besser. Zum anderen ist weißes Winterfell im Vergleich zum Sommerpelz oft auch länger und dichter – so zum Beispiel beim Polarfuchs, beim Nördlichen Halsbandlemming (Dicrostonyx groenlandicus) sowie beim Dsungarischen Zwerghamster (Phodopus sungorus).

Gefäßpflanzen
Als Gefäßpflanzen bezeichnet man alle Farn- und Samenpflanzen, weil sie für den Stofftransport innerhalb der Pflanze sogenannte Gefäß- oder Leitbündel besitzen.

Der Fellwechsel wird – wie viele andere Prozesse auch – durch Veränderungen in der Melatonin-Konzentration in Gang gesetzt. Steigt diese im Herbst, gehen Signale an die Hirnanhangdrüse, welche unter anderem das Wachstumshormon Prolactin produziert. Dieses wiederum reguliert unter anderem das Haarwachstum. Nimmt die Prolactin-Konzentration im Frühjahr zu, verlieren zum Beispiel Halsbandlemminge und Schneehasen ihr Winterfell und beginnen mit der Partnersuche. Wird die Produktion dieses Hormons dagegen unterdrückt, wächst bei Polarfüchsen, Lemmingen und anderen Tieren das helle Winterfell. In experimentellen Studien trugen Säugetiere mit unterdrückter Prolactin-Produktion ihr Winterfell das ganze Jahr hindurch – unabhängig von der Tageslänge.
Melatonin hemmt jedoch auch die Bildung des Pigments Melanin, welches Haut, Federn und Augen ihre Farbe verleiht. Eine hohe Melatonin-Konzentration führt bei Tieren mit wechselfarbigem Fell somit unmittelbar zur Ausbildung eines weißen Winterfells. Wie die Tageslänge und Hormone die Mauser und den Gefiederwechsel bei Vögeln regulieren, ist weniger gut verstanden. Das liegt unter anderem daran, dass Vögel mindestens drei „innere Uhren“ besitzen. Informationen über die sich ändernde Tageslänge werden nicht nur in der Zirbeldrüse verarbeitet, sondern auch im Hypothalamus sowie in den Augen selbst. Die Mauser und die Fortpflanzung sind so auf­einander abgestimmt, dass der Gefiederwechsel erst dann einsetzt, wenn die Brut beendet ist.
Umweltfaktoren wie Temperatur und Schneefall haben im Gegensatz zur Tageslänge nur einen begrenzten Einfluss auf den Fell- oder Gefiederwechsel. Studien ­zeigen, dass kalte Temperaturen im Herbst das Wachstum des Winterfells oder -gefieders bei Säugetieren und Vögeln beschleunigen. Außerdem wuchs Schneehühnern in Experimenten ein dunkleres Winterfederkleid, wenn ­diese bei wärmeren Temperaturen gehalten wurden. Ein kalter, schneereicher Frühling dagegen verlangsamt den Wechsel von der Winter- zur Sommerfarbe. Der Auftakt der Mauser aber wird allein durch die Tageslänge bestimmt.

Abb. 4.13 © John Pohl/www.geophotography.org

4.13 > Arktische Blaubeeren tragen erst zum Ende des Sommers reife Früchte. Diese zu pflücken, sei ausgesprochen mühsam, berichten Ureinwohner. Die Blaubeersträucher wachsen so flach am Boden, dass man beim Pflücken auf allen Vieren durch die Tundra kriechen müsse.

Die Flora der Polarregionen

Das Nord- und das Südpolargebiet beherbergen trotz ihres extremen Klimas eine zum Teil erstaunlich reiche Flora. In der Arktis zählten Forscher beispielsweise auf einer ­Fläche von 25 Quadratmetern nahezu 100 verschiedene Gefäßpflanzenarten, Moose und Flechten, sodass die Artenvielfalt der untersuchten Fläche am Ende in etwa so hoch war wie in den artenreichsten Graslandschaften der mittleren und subtropischen Breiten. Im Vergleich zu den tropischen Regenwäldern gelten die polaren Gebiete dennoch als artenarm, was in erster Linie auf die kalten Temperaturen, die kurze Wachstumsperiode, auf fehlende Nährstoffe sowie auf den schwer zu durchwurzelnden Permafrost und auf Extremereignisse wie die in der Arktis typischen Frühjahrsüberflutungen zurückzuführen ist. Außerdem unterscheiden sich in den Polarregionen die Lebensbedingungen für Pflanzen von einem Ort zum anderen oft enorm. Auf der sibirischen Taimyrhalbinsel beispielsweise liegen nur 500 Kilometer zwischen der relativ üppig bewachsenen Subarktis und der polaren Wüste der Hocharktis, in welcher nur noch wenige Pflanzenarten überleben.
Die bewachsenen Tiefebenen der Arktis (Low Arctic, Niederarktis) werden auch als Tundra bezeichnet. Der Begriff leitet sich vom Wort t˜undar ab und bedeutet in der Sprache der Saami, der Ureinwohner Nordskandinaviens, so viel wie: baumlose Ebene, wobei in der Tundra neben Gräsern und Blütenpflanzen durchaus auch Weiden, Birken und Erlen wachsen, die weiter südlich baumförmige Verwandte haben. In der Tundra allerdings strecken sich diese Gewächse nicht im klassischen Sinn in die Höhe, sondern kriechen strauch- oder mattenförmig flach über den Boden – auch um den eisigen Wind zu meiden. Im äußers­ten Norden Sibiriens, an der Ost- und Westküste Grönlands sowie auf dem kanadisch-arktischen Archipel und im Norden Alaskas gehen die Tundrengebiete in die Hocharktis über. Deren dünne Vegetationsdecke dominieren Flechten, Moose und zwergenhafte Blütenpflanzen. Im Süden dagegen wird die Tundra vielerorts durch die Krummholzwälder der Subarktis begrenzt.
4.14 > Die Artenvielfalt der Gefäßpflanzen ist weltweit in den Tropen am höchsten und nimmt dann mit zunehmender geografischer Breite ab. In der Arktis gelten vor allem jenen Regionen als vergleichsweise artenreich, die während der zurückliegenden Eiszeiten nicht vergletschert waren.
Abb. 4.14 © nach AMAP, Arctic Biodiversity Assessment

Bedecktsamer und Nacktsamer
Bedecktsamer sind Pflanzen, die Blüten besitzen und deren Samenanlage in den Fruchtknoten des Fruchtblatts eingeschlossen ist. Zu den Nacktsamern werden dagegen alle Pflanzen gezählt, deren Samenanlagen nicht von den Fruchtblättern eingeschlossen sind, sondern stattdessen frei auf den einzelnen Fruchtblättern liegen. Bekannte Vertreter der Nacktsamer sind die Europäische Lärche und die Gemeine Kiefer.

Die Artenvielfalt der Gefäßpflanzen in den Polarregionen nimmt kontinuierlich ab, je weiter man sich Richtung Pol bewegt. In der Arktis, deren heutige Pflanzenwelt sich erst in den zurückliegenden drei Millionen Jahren ent­wickelte, kennt man heute schätzungsweise 900 verschiedene Moose sowie 2218 Gefäßpflanzenarten, von denen nahezu alle zu den Bedecktsamern gehören. Nacktsamige Pflanzen dagegen kommen in der Arktis nur selten vor – und wenn, dann ist ihre Artenvielfalt eher gering.
Die Mehrheit der arktischen Pflanzen gilt als zirkumpolar verbreitet. Nichtsdestotrotz unterscheiden sich die verschiedenen Regionen stark in ihrer Artenvielfalt und -zusammensetzung. Während im nördlichsten Teil, der Hocharktis, gerade einmal 102 Arten vorkommen, sind es im südlichen Teil der Tundra mehr als 20-mal so viele. Rund fünf Prozent der arktischen Gefäßpflanzenarten sind endemisch – das heißt, sie kommen nur in der Arktis vor. Zu diesen Arten zählen vor allem Stauden und Gräser.
Die Vielfalt der arktischen Pflanzenwelt wird auch durch Pflanzenfresser gefördert. Als Forscher in einer ­Studie Weidetiere wie Gänse, Lemminge, Moschusochsen und Rentiere von bestimmten Flächen fernhielten, häufte sich dort eine große Menge Pflanzenstreu an, die den Boden isolierte und dazu führte, dass das Erdreich im Sommer nicht mehr tief genug auftaute. Die Blütenpflanzen konnten nicht mehr in ausreichendem Maß Wurzeln bilden und verschwanden. An ihrer Stelle wuchsen nun Moose. Der Kot der Pflanzenfresser liefert außerdem dringend benötigte Nährstoffe, denn Stickstoff und Phosphate sind in den Böden der Arktis nur spärlich vorhanden.
4.15 > Biologen teilen die Landflächen des Nordpolargebiets in drei Vegetationszonen ein. Ganz im Norden befindet sich die Zone der Hocharktis. Daran schließt sich die Tundrenlandschaft der arktischen Tiefebenen an (Niederarktis). Darauf folgt die nördliche Randzone der borealen Zone.
Abb. 4.15 © nach AMAP, Arctic Biodiversity Assessment
Im Vergleich zur Arktis ist die Flora der Antarktis geradezu artenarm. In ihrer kontinentalen Zone, zu der Biologen die wenigen eisfreien Gebiete des antarktischen Kontinents sowie die Ostseite der Antarktischen Halbinsel zählen, gedeiht nur eine kleine Zahl von etwa 40 bis ­50 verschiedenen Flechten und Moosen. Diese wachsen in der Regel in Felsspalten oder in Vertiefungen zwischen Steinen, meist jedoch auf dunklem, felsigem Untergrund, der einen Großteil der einfallenden Sonnenenergie absorbiert und Wärme abstrahlt. Viele dieser Flechten gelten als extreme Überlebenskünstler. Sie können noch bei einer Temperatur von minus zehn Grad Celsius Photosynthese betreiben und sind in der Lage, trotz starker, anhaltender Austrocknung und extremer Kälte zu überleben. Einige dieser Arten kommen selbst in den eisfreien Antarktischen Trockentälern im Viktorialand vor.
Ein wärmeres und feuchteres Klima und damit bessere Lebensbedingungen finden Pflanzen an der Westseite der Antarktischen Halbinsel sowie auf den nahe gelegenen Inseln. In dieser als maritime Antarktis bezeichneten Zone wachsen unter anderem auch zwei Gefäßpflanzen – die Antarktische Schmiele (Deschampsia antarctica) und die Antarktische Perlwurz (Colobanthus quitensis). Den überwiegenden Teil der antarktischen Vegetation aber bilden blütenlose Pflanzen. Bekannt sind rund 100 verschiedene Moose, über 750 Flechten und schätzungsweise 700 Algenarten, die an Land oder aber im Meer leben. Die Zahl der Pilze dagegen ist unbestimmt.

Die Kälte abwehren

Je näher am Pol eine Pflanze wächst, desto ungünstiger werden die Lebensbedingungen. Oder anders gesagt: Desto stärker wirken jene physikalischen und chemischen Faktoren, welche die Ausbreitung von Pflanzen begren­zen. Dazu zählen beispielsweise die Länge der Wachs­tums­periode, die Dauer und Intensität von Frostphasen sowie das Ausmaß, in dem Pflanzen dem Wind ausgesetzt sind. Die Überlebenschancen der Pflanzen sind allerdings auch an die zur Verfügung stehenden Ressourcen geknüpft. Ob Tropen oder Polargebiet, Pflanzen können nur dann existieren, wenn sie eine positive Kohlenstoff­bilanz vorweisen, also ausreichend Photosynthese betreiben können, um zu wachsen und Energiereserven in Form von Glukose oder Stärke anzulegen. Dafür benötigen sie genügend Wärme, Wasser, Licht, Kohlendioxid, Nährstoffe und auch Sauerstoff – Letzterer wird vor allem von Pflanzen gebraucht, die in Feuchtgebieten oder Sümpfen wachsen.
Ideale Wachstumsbedingungen sind in den Polar­regionen selten gegeben. Die arktische Flora hat deshalb verschiedene Anpassungsmechanismen entwickelt, welche sie in die Lage versetzen, Nährstoffmangel, Kälte und Dunkelheit zu tolerieren und Extremereignisse wie anhaltende Schneefälle oder Frühjahrsüberflutungen nur leicht oder sogar unbeschadet zu überdauern. Dazu zählen insbesondere:
  • ein langsames, ressourcenschonendes Wachstum,
  • eine eher braune als grüne Färbung,
  • eine gedrungene Statur,
  • wärmeoptimierende Merkmale wie Härchen oder spezielle Blütenformen,
  • Frostschutzmechanismen für die Zellen,
  • eine große Zahl wichtiger Enzyme, um auch bei widrigen Lichtverhältnissen Photosynthese zu betreiben,
  • eine Mehrfachverwertung von Nährstoffen,
  • das Speichern großer Energiereserven in den Wurzeln sowie
  • die Möglichkeit der ungeschlechtlichen Fortpflanzung an Standorten, an denen die geschlechtliche Reproduktion nicht mehr funktioniert.
4.16 > Moose besiedeln ein Lavafeld auf Island. Arktisweit gibt es etwa 900 Moosarten. Sie kommen vor allem in den ­arktischen Feuchtgebieten sowie auf Schneebänken vor.
Abb. 4.16 © 2017 Dave Clark

Klein kommt weiter

Polare Pflanzen siedeln besonders gern an geschützten Standorten, an denen sie Wind, Eis und Kälte nicht in vollem Maß ausgesetzt sind. Eine zweite wichtige Über­lebensstrategie lautet: Wachse langsam und reduziere den Energieverbrauch vor allem in jenen Zeiten, in denen nur wenige Ressourcen zur Verfügung stehen. Dieser Ansatz ist auch als Montgomery-Effekt bekannt, benannt nach Edward Gerrard Montgomery, einem Forscher an der landwirtschaftlichen Versuchsstation von Nebraska (USA). Er hatte vor mehr als hundert Jahren bei Wachstumsexperimenten mit verschiedenen Getreidesorten festgestellt, dass in Gegenden mit geringen Umweltressourcen Pflanzen durchaus ökologische Vorteile haben, wenn sie langsam wachsen. In der Arktis beispielsweise ist der Sommer und damit die Wachstumsphase so kurz, dass Pflanzen wie das auf Island und Grönland wachsende Arktische Wintergrün (Pyrola grandiflora) mehrere Jahre benötigen, um vom Spross zur geschlechtsreifen Pflanze heranzuwachsen und Samen auszubilden. So erklärt sich auch die für Polarregionen typische Langlebigkeit vieler Pflanzen.
4.17 > Der Knöllchenknöterich Polygonum viviparum gehört zu den arktischen Pflanzen, die Zeiträume von mehr als zwei Jahren unter einer Schneedecke überdauern können.
Abb. 4.17 © Erlend Bjørtvedt, Online: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polygonum_viviparum_IMG_3660_harerug_longyeardalen.jpg (Stand: 13.08.2019)
Eine Art, die den sparsamen Einsatz von Ressourcen perfektioniert hat, ist der winzige Zwerghahnenfuß (Ranunculus pygmaeus). Er wächst häufig umgeben von Moos in der Nähe von Gletschern, Bächen oder Schneeverwehungen und überlebt selbst dann, wenn er im Winter gelegentlich von so viel Schnee bedeckt wird, dass ­dieser im darauffolgenden Sommer nicht vollständig schmilzt – und die Pflanze deshalb die gesamte Wachstums- und Fortpflanzungsphase verpasst. Andere Arten gehen so sparsam mit ihren Reserven um, dass sie sogar zwei bis drei Jahre in Folge unter einer Schneedecke überdauern. Dazu gehören zum Beispiel der Knöllchenknöterich (Polygonum viviparum), der Alpensäuerling (Oxyria digyna) und die Polarweide (Salix polaris).
Die kleine, gedrungene Statur vieler polarer Pflanzen ist jedoch nicht nur auf ihr verzögertes Wachstum zurückzuführen. Pflanzen, die als dichtes Polster am Boden wachsen, anstatt ihre Blätter und Blüten in die Höhe zu recken, entkommen dem eisigen arktischen Wind. Die Luft innerhalb des Polsters wird daher weniger verwirbelt und durch die Sonne schneller erwärmt. Auf diese Weise schaffen sich die Pflanzen in ihren Polstern ein eigenes Mikroklima, dessen Temperatur an Sommertagen 25 bis 30 Grad Cel­sius betragen kann, während in zwei Meter Höhe eine Umgebungstemperatur von gerade einmal acht Grad Celsius gemessen wird. Innerhalb des Polsters herrschen dann also optimale Stoffwechselbedingungen für die Pflanzen.
Um im kurzen, kühlen Sommer so schnell wie möglich zu wachsen und zu blühen, wenden polare Pflanzen auch Strategien an, die in wärmeren Gefilden unmittelbar zum Hitzetod führen würden. Dazu zählt zum Beispiel die Färbung. Dunkle Farben absorbieren mehr Sonneneinstrahlung als hellere. Daher ist die Vegetationsdecke in vielen Gebieten der Arktis überwiegend bräunlich gefärbt und nicht grün. Das gilt insbesondere für Pflanzengemeinschaften, die an den Stränden der Arktis leben und eine besonders kurze Wachstumsphase haben.
4.18 > Die Antarktische Schmiele Deschampsia antarctica ist eine von zwei Gefäßpflanzen, die auf dem antarktischen Kontinent heimisch sind.
Abb. 4.18 © National Geographic Image Collection/Alamy Stock Foto
Pflanzen wie der Gletscherhahnenfuß (Ranunculus glacialis) sind zudem in der Lage, ihre Blätter und Blüten so auszurichten, dass sie optimal zur Sonne stehen. Seine anfänglich weißen Blüten fungieren dann wie kleine Parabolspiegel und lenken das einfallende Sonnenlicht direkt auf die Fortpflanzungsorgane in der Blütenmitte. Die Luft in der Blüte erwärmt sich dadurch, was wiederum dazu führt, dass sich die Fortpflanzungsorgane schneller ent­wickeln und die Blüten verstärkt Insekten anziehen. Nach der Befruchtung schließt der Gletscherhahnenfuß seine Blüte und die Blütenblätter verfärben sich rot. Auf diese Weise absorbiert die Blüte mehr Sonnenstrahlung, deren Wärme wiederum die Samen schützt, welche sich in der Blüte entwickeln.
Andere arktische Gewächse schaffen sich ihr eigenes Gewächshaus. Weibliche Pflanzen der Arktischen Weide (Salix arctica) beispielsweise bilden feine Daunenhärchen auf ihren ­Blättern und entlang ihres Blütenstands aus. Dieser Daunenpelz hält eine isolierende Luftschicht dicht an der Blatt­oberfläche. Gleichzeitig verkleinern die Härchen die Blattoberfläche, über welche die Pflanze normalerweise auskühlt, weil hier Feuchtigkeit verdunstet. Die Daunen aber schützen die kleinen Weiden so effizient, dass die Temperatur in den Blättern bis zu elf Grad Celsius wärmer ist als die Umgebungstemperatur.
4.19 > Die weißen Blütenblätter des Gletscherhahnenfußes Ranunculus glacialis reflektieren das Sonnenlicht in die Blütenmitte, sodass sich Insekten dort besonders gern aufhalten.
Abb. 4.19 © Pixaterra/Adobe Stock Images
Abb. 4.20 © David Gaspard/ArcticNet

4.20 > Die weißen Wattebäusche der Wollgräser sind ein typischer Anblick in arktischen Feuchtgebieten. Sie stellen jedoch nicht die Blüte dar, sondern werden erst ausgebildet, wenn die Pflanze bereits Samen trägt. Deren lange Blütenhüllfäden formen dann den Wollschopf und schützen die Samen auch vor Kälte.
Die Gewächse des Nordens vermeiden es außerdem, ihre Wurzeln in die Tiefe zu strecken, wo der Boden größtenteils das ganze Jahr hindurch vereist ist und sich das Schmelzwasser staut. Stattdessen durchwurzeln sie die flache obere Bodenschicht. Diese taut im Frühjahr als Erste auf und steht in der Regel nur kurzzeitig unter Wasser. Zum Sommerende werfen Bäume und Sträucher ihre Nadeln und Blätter ab und überwintern im Knospen­stadium. Zuvor aber verpacken sie die Knospen noch dick in wolleähnliche Substanzen, sodass ihnen der Frost nur wenig anhaben kann.
Den eisigen Wintertemperaturen trotzen viele arktische Pflanzen, indem sie unter anderem Wasser aus ihren Zellen in Zellzwischenräumen einlagern. Auf diese Weise laufen die Pflanzen weniger Gefahr, dass sich Eiskristalle in den Zellen bilden und diese beschädigen. Gleichzeitig verstärken die Pflanzen ihre Zellmembranen mit bestimmten Zuckern und Proteinen; auch die Lipid­zusammensetzung der Membran verändert sich. Spezielle Enzyme wiederum verhindern, dass die Zellen infolge der Wasserknappheit Schaden nehmen. Diese zellulären Frostschutzmechanismen sind jedoch nicht das ganze Jahr hindurch aktiviert. Sie kommen erst dann zum Tragen, wenn die Temperaturen zum Ende des Sommers sinken und sich die Pflanze akklimatisiert. Zum Höhepunkt des Winters aber sind die meisten Pflanzen so gut gegen Frost gewappnet, dass einige in Laborversuchen sogar ein kurzes Tauchbad in minus 196 Grad kaltem, flüssigem Stickstoff überlebten.
Problematisch wird es dagegen, wenn sich im Winter ungewöhnliche Wärmeperioden und eisiger Frost abwechseln oder aber üblicherweise mit Schnee bedeckte Flächen plötzlich schneefrei sind. In diesem Fall nehmen auch die hartgesottenen arktischen Pflanzen Schaden. Dieser kann jedoch meist im Frühjahr durch das Wachstum neuer Blätter und Triebe kompensiert werden.

Den kurzen Sommer ausnutzen

Pflanzen brauchen sogenannte aktive Enzyme, um Kohlendioxid aufzunehmen, Photosynthese zu betreiben und Energiereserven in Form von Glukose und Stärke zu bilden. Die kälteadaptierten Gewächse der Polar­regionen besitzen davon besonders viele. Große Mengen des Enzyms RuBisCO (Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxy­lase/-Oxygenase) versetzen die arktische Flora in die Lage, auch bei kühleren Temperaturen Stoffwechsel zu betreiben. Allerdings gelingt es auch polaren Gefäßpflanzen nicht, bei Minustemperaturen zu wachsen. Um Blätter und Blüten ausbilden zu können, müssen die Pflanzen auf den kurzen Sommer warten, den sie dann jedoch ­optimal zu nutzen wissen. In den Zellen kälteadaptierter Pflanzen finden sich nämlich besonders viele Mitochondrien, welche als Kraftwerke der Zelle für die Energie­produktion zuständig sind. Mit ihnen treiben die Pflanzen ihren Stoffwechsel im Sommer auf ein Höchstniveau. Sie nutzen nicht nur die 24 Stunden Helligkeit optimal aus, sondern können auch bei widrigen Lichtverhältnissen noch Photosynthese betreiben.
Diese Stärke macht die kälteadaptierten Pflanzen allerdings anfällig für Wärme. Steigt die Umgebungs­temperatur überdurchschnittlich, schießen Stoffwechsel und Zellatmung weit über das gesunde Maß hinaus. Die Pflanze verbraucht im Nu all ihre Energiereserven und nimmt Schaden. Diese Tatsache erklärt zum einen, warum sich die polaren Pflanzen der Arktis nicht weiter Richtung Süden ausbreiten. Zum anderen wird deutlich, auf welche Weise der Klimawandel den polaren Pflanzen gefährlich wird. Mit der Temperatur steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die kälteadaptierten Gewächse völlig entkräftet eingehen.

Auf der Suche nach Nährstoffen

Um in der kurzen Wachstumsphase auf genügend Nährstoffe und Licht zurückgreifen zu können, gehen einige Pflanzen aktiv auf Ressourcensuche. Das heißt, sie bilden über- oder unterirdisch kleine Triebe oder Ableger aus, mit denen sie sich abseits ihres ursprünglichen Standorts überlebenswichtige Licht- oder Nährstoffquellen erschließen. Dadurch verschaffen sich die Pflanzen unter Umständen deutliche Standortvorteile, wie ein Vergleich zweier eng verwandter Wollgräser zeigt, die beide arktische Feuchtgebiete besiedeln. Das Schmalblättrige Wollgras (Eriophorum angusti­folium) bildet Ableger aus und geht aktiv auf die Suche nach Mineralien – eine Fähigkeit, die der Pflanze das Überleben in den sehr feuchten Teilen des Sumpfes ermöglicht. Ihre Ableger tolerieren stehendes Wasser und erlauben dem Wollgras, sich auch in überfluteten Gebieten auszubreiten. Das Scheidenwollgras (Eriophorum vaginatum) dagegen streckt seine Triebe nicht in die nähere Umgebung aus. Es wächst stattdessen in Form eines Grasbüschels und kommt vor allem an den trocke­neren Standorten gut zurecht, wo der Wasserpegel unter Umständen stark schwankt.
Ihre Energiereserven, welche die Pflanzen während des kurzen Sommers durch Photosynthese produzieren, investieren die Gewächse nicht in das Wachstum neuer Blätter, sondern lagern sie zumeist in Form von Stärke in den Wurzeln ein, also unterirdisch. Die Wurzelsysteme arktischer Pflanzen sind deshalb in der Regel größer als jene von Pflanzen aus den mittleren oder tropischen Breiten. Die Anlage großer Vorräte aber macht Sinn, denn arktische Pflanzen müssen angesichts der äußerst variablen Wetterbedingungen im Nordpolargebiet immer davon ausgehen, dass sie eine oder auch zwei Wachstums­perioden im Schnee vergraben verpassen und in dieser Zeit nur von ihren Reserven leben. Tundrengewächse wie die Rosmarinheide (Andromeda polifolia) speichern daher bis zu 75 Prozent ihrer Energiereserven in den Wurzeln.
Ein für polare Pflanzen besonders wertvolles Gut sind auch Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Kalium. Gewächse wie die Zwergbirke (Betula nana) haben deshalb Wege gefunden, diese einmal aufgenommenen und verarbeiteten Elemente wiederzuverwerten. Kurz bevor zum Sommerende die Blätter der Birke abfallen, holt die Pflanze einen Großteil der in ihren Blättern gespeicherten Nährstoffe zurück in den auf Dauer angelegten Teil ihres Pflanzenkörpers. Auf die gleiche Weise verfährt das Scheidenwollgras. Es vermag 90 Prozent des in den Blättern enthaltenen Phosphors wiederzuverwerten, sodass die Pflanze im Frühjahr nur die Differenz von zehn Prozent des Nährstoffs neu aus der Erde aufnehmen muss.

Fortpflanzung auf zweierlei Weise

Die meisten Tiere müssen sich geschlechtlich fortpflanzen, um ihre Art zu erhalten. Pflanzen dagegen haben oftmals auch die Option der ungeschlechtlichen Reproduk­tion. Sie bilden Ableger, Verzweigungen oder sogar Samen aus, ohne dass bei Letzterem eine klassische Befruchtung stattgefunden hat (Agamospermie). Zahlreiche in der Arktis beheimatete Pflanzen haben auf diese Weise Jahrhunderte oder sogar mehrere Jahrtausende überdauert, so zum Beispiel arktische Seggen wie Carex ensifolia.
Sofern eine sexuelle Fortpflanzung bei Blütenpflanzen scheitert, liegt das entweder daran, dass die Blüten nicht ausgebildet wurden oder aber die Befruchtung nicht stattfinden konnte. Für den letzteren Fall genügt bei einigen Arten oft schon ein kurzer Kälteeinbruch.
Im nördlichen Verbreitungsgebiet der Amerikanischen Zwergbirke (Betula glandulosa) beispielsweise keimen nur 0,5 Prozent der Birkensamen aus. Der Art bleibt daher keine andere Wahl, als sich in diesen Regionen ungeschlechtlich fortzupflanzen.
Wenn im Frühjahr kurz nach der Schneeschmelze die Tundra plötzlich erblüht, sind dafür in erster Linie mehrjährige Pflanzen verantwortlich. Einjährige Gewächse kommen in den Polargebieten bis auf wenige Ausnahmen so gut wie nicht vor. Um ihre Blüten innerhalb so kurzer Zeit ausbilden zu können, brauchen arktische Pflanzen Blütenknospen, die bereits im Herbst angelegt wurden und die nach der Schneeschmelze dann sofort startbereit sind.
4.21 > Herbst in der Arktis: Ein gelb-orangefarbener Teppich aus Weiden- und Zwergbirkensträuchern bedeckt diese Landzunge in der kanadischen Arktis. Die Amerikanische Zwergbirke Betula glandulosa pflanzt sich so hoch im Norden vor allem ungeschlechtlich fort.
Abb. 4.21 © W. Lynch/ArcticPhoto
Bestäubt werden die vielen Blütenpflanzen der Arktis vor allem von Fliegen, was wenig überraschen dürfte, denn Bienen gibt es nördlich des Polarkreises kaum. Als Forscher auf Grönland genauer untersuchten, welche Insekten die für die Arktis typische Weiße Silberwurz (Dryas octopetala) bestäubten, zählten sie insgesamt 117 verschiedene Insektenarten, welche die Pflanze anflogen. Die eigentliche Bestäubungsarbeit aber leistete hauptsächlich eine Art – eine kleine Verwandte der ­Stubenfliege namens Spilogona sanctipauli.
Als Samen im Boden zu überwintern ist eine weltweit verbreitete und äußerst erfolgreiche Überlebensstrategie der Pflanzen – auch in den Polarregionen. Als Forscher die Flora Spitzbergens untersuchten, fanden sie unter den 161 einheimischen Arten 71 Gewächse, die Samen bildeten, um den Fortbestand der Art zu sichern. Auf dieselbe Art und Weise verfahren auch die beiden einzigen Blütenpflanzen der Antarktis. Weltweit unterscheiden sich die Pflanzen allerdings in der Langlebigkeit ihrer Samen. Während manche weniger als ein Jahr im Erdreich überdauern, überraschen einige arktische Gewächse mit einem erstaunlichen Durchhaltevermögen. In wissenschaftlichen Studien keimten Samen der Seggenart Carex bigelowii, die schätzungsweise 200 Jahre alt waren; in Alaska trieben Samen der Wildblume Luzula parviflora aus, nachdem diese schätzungsweise 175 Jahre im Boden gelegen hatten. Sollten sich die Lebensbedingungen also eines Tages rapide verschlechtern, wären diese Arten durchaus in der Lage, mehrere Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte als Samen im Erdreich auszuharren und erst dann wieder auszutreiben, wenn sich die Bedingungen ins Bessere gekehrt haben.
Die Flora der Polarregionen hat in den zurückliegenden zwei bis drei Millionen Jahren eine erstaunliche Überlebens- und Anpassungsfähigkeit bewiesen und dabei vor allem in der Arktis eine einzigartige Artenvielfalt entwickelt. Im Zuge der globalen Erwärmung steht die kälteadaptierte Pflanzenwelt nun vor neuen Herausforderungen, und es bleibt fraglich, inwiefern die polare Artenvielfalt erhalten bleibt. Textende