Welt der Wissenschaft | Ökosystem Schneedecke

Energie, Kohlenstoff und das Überleben in Extremen

Generell gibt es drei Bestandteile, die für jede uns bekannte Lebensform essenziell sind: eine Energiequelle (auch Elektronendonor genannt), ein Elektronenakzeptor (also ein Molekül, das Elektronen aufnimmt) und eine Kohlenstoffquelle (Baustoff für alle wichtigen Strukturen eines Organismus) (Pascal 2012).

Beim Menschen stammen Energie und Kohlenstoff hauptsächlich aus Glukose, während Sauerstoff als Elektronenakzeptor dient. Es gibt jedoch viele andere Moleküle, die diese Funktionen übernehmen können. Solange an einem Ort irgendwelche chemischen Verbindungen vorhanden sind, die den jeweiligen Zweck erfüllen, und die physischen Gegebenheiten stabile Biomoleküle erlauben, ist davon auszugehen, dass Leben diese Flecken auf der Erde erobert hat.

Die Archaeen (Organismen, die Bakterien ähneln) Geogemma barossii leben beispielsweise an einer hydrothermalen Quelle im Pazifik. Der dort herrschende hohe Druck sorgt dafür, dass Wasser selbst bei Temperaturen um 120 °C flüssig bleibt. Unter diesen Bedingungen wurde bisher die höchste Temperatur gemessen, bei der Lebensformen wachsen können (Clarke 2014).

Auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt können Organismen unter bestimmten Bedingungen gedeihen. Das Bakterium Planococcus halocryophilus Or1 wurde aus kleinen Einschließungen flüssigen Wassers in einer Kernprobe aus Meereis isoliert. Der hohe Salzgehalt in der Flüssigkeit verhindert das Einfrieren und ermöglicht so ein Wachstum bei extrem niedrigen Temperaturen. Die bisher nachgewiesene minimale Wachstumstemperatur liegt bei -10 °C. In Labortests konnten gar -15°C erreicht werden (Pascal 2012, Maccario et al. 2015, Merino et al. 2019).

Anpassungen von Organismen an die Schneedecke als Lebensraum

In diesem Artikel geht es allerdings um Lebewesen, die die Schneedecke als ihre ökologische Nische gefunden haben und diese in ihrer Beschaffenheit mitgestalten können.

Verglichen mit heißen Quellen oder Salzwasserbläschen ist die Schneedecke ein recht gemäßigtes Habitat. Trotzdem weist dieser Lebensraum einige Charakteristiken auf, die spezielle molekulare Veränderungen bei psychrophilen (kaltliebenden) Lebewesen voraussetzen.

Zum einen wird Licht im Schnee reflektiert und gestreut. Die Folge ist eine erhöhte UV-Strahlung, die Schäden an der DNA verursachen kann. Ein klassischer Schutzmechanismus ist die Produktion von Pigmenten wie Astaxanthin. Dieses Molekül wirkt wie ein UV-absorbierendes Schutzschild: Es schützt die Zellstrukturen, indem es schädliche Wellenlängen filtert und so das Eindringen von UV-Strahlung in empfindliche Organellen wie den Chloroplasten, den Ort der Photosynthese, reduziert. Astaxanthin wird unter anderem von der Schneealge Chlamydomonas nivalis produziert und ist verantwortlich für die intensive rote Färbung, die den sogenannten „Blutschnee“-Effekt erzeugt (Abb. 3). Die besonderen Eigenschaften dieses Moleküls machen es außerdem zu einem nützlichen Bestandteil von Sonnencreme (Remias et al. 2005).

Die niedrigen Temperaturen stellen ebenfalls eine große Herausforderung dar. Wasser ist essenziell für lebensnotwendige Prozesse aller Organismen; ist es jedoch fest und somit weniger beweglich, ist es für biologische Zwecke schwerer verfügbar. Außerdem kann die Bildung von Eiskristallen physischen Schaden an Organismen verursachen, da Einzeller durch die Kristalle zerstört werden können. Zum Schutz davor ist die Zusammensetzung der Fettsäuren in der Zellmembran verändert, um diese dynamischer und flexibler zu machen. Zudem gibt es Proteine, die die Bildung großer Eiskristalle in unmittelbarer Nähe der Zelle verhindern.

Die sogenannten Antifrostproteine binden sich an die Oberfläche entstehender Eiskristalle und erzeugen durch ihre spezielle Form eine konkave Biegung, die das Wachstum großer Eiskristalle hemmt. Diese Proteine werden von vielen Pflanzen, Pilzen, Algen, aber auch Tieren produziert (Arrigo 2014, Maccario et al. 2015) und finden Anwendung in der Lebensmittelindustrie, etwa um die Struktur von gefrorenem Gemüse oder Fleisch zu erhalten oder bei der Herstellung von Frostschutzmitteln.

Einen gegenteiligen Effekt haben sogenannte eiskeimbildende Proteine. Diese werden meist von Bakterien produziert, zum Beispiel von Pseudomonas syringae, und können die Bildung von Eiskristallen bereits bei +2 °C initiieren. Sie orientieren dabei die Wassermoleküle in geeigneten Winkeln, um die Ausbildung der Kristallstruktur zu begünstigen. Dadurch wird die Bildung von Eiskristallen kontrolliert und deren Größe reduziert. Diese Proteine finden ebenfalls industrielle Anwendung, etwa bei der Herstellung von Speiseeis oder von Kunstschnee. Oftmals leben diese Bakterien in Symbiose mit anderen Organismen wie Schneealgen und schützen so deren Strukturen (Roeters et al. 2021).

Nährstoffkreisläufe und mikrobielle Gemeinschaften in der Schneedecke

Wie man sich vorstellen kann, sind auch wichtige Nährstoffe im Schnee eher rar. Zwar werden Stickstoff- und Phosphorverbindungen durch Schmelzperioden angespült oder während Niederschlagsevents aus der Atmosphäre extrahiert, trotzdem findet nur wenig Austausch zwischen der Biomasse des Bodens und der Schneedecke statt. Die Organismen mussten also neue Nährstoffquellen finden und diese wirksam nutzen. Der Hefepilz Phenoliferia psychrophenolica ist beispielsweise ein wahrer Experte in effizienter Nahrungsbeschaffung.

Er wurde in Blutschneefeldern rund um die Welt nachgewiesen und zieht sich seine tägliche Kohlenstoffdosis vor allem aus Überbleibseln von toten Schneealgen. Er kann unter anderem die roten UV-Schutzpigmente zersetzen und ist ein wichtiges Glied des Kohlenstoffzyklus zwischen Atmosphäre, Schneedecke und Boden. Seine beeindruckende Kapazität, organischer Stoffe abzubauen, macht den Pilz zu einem interessanten Kandidaten in der Bioremedation, also der Reinigung verschmutzter Gebiete mit Hilfe von Mikroorganismen (Ezzedine et al. 2025, Maccario et al. 2015).

Leben auf der Erde ist extrem anpassungsfähig und daher weit verbreitet. Es ist also nicht verwunderlich, dass auch die Schneedecke voller Organismen ist, die sich auf die physischen Bedingungen dort spezialisiert haben und ein wichtiges Kettenglied der globalen geochemischen Zyklen sind. Tatsächlich zeigen Studien, dass in 1 ml frischen Schnees etwa 10⁵ Bakterienzellen nachgewiesen werden können, vergleichbar mit der Anzahl in etwa 1 mg Boden des mitteleuropäischen Klimas. In Firn kann die Zahl je nach Beschaffenheit sogar deutlich höher sein.

Wie und wo genau die Lebewesen innerhalb der Schneedecke sind, ist eher schwer zu bestimmen. Vermutet wird, dass sie sich sowohl in Hohlräumen ausbreiten als auch eingeschlossen in den Eiskristallen leben, wobei von einem winzigen Film flüssigen Wassers (≈ 1 nm) umgeben sind (Abb. 4).

Literaturverzeichnis:

Arrigo, K. R. (2014). Sea ice ecosystems. Annual Review of Marine Science, 6(1), 439–467. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010213-135103

Clarke, A. (2014). The thermal limits to life on Earth. International Journal of Astrobiology, 13(2), 141–154. https://doi.org/10.1017/S1473550413000438

Ezzedine, J. A., et al. (2025). Snow- and ice-ecosystem cleaning capability of the pucciniomycotinous yeast Phenoliferia psychrophenolica. Communications Biology, 8(1), Article 1084. https://doi.org/10.1038/s42003-025-1084-x

Maccario, L., et al. (2015). Snow and ice ecosystems: Not so extreme. Research in Microbiology, 166(10), 782–795. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2015.10.002

Merino, N., et al. (2019). Living at the extremes: Extremophiles and the limits of life in a planetary context. Frontiers in Microbiology, 10, Article 780. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00780

Mykytczuk, N. C. S., Wilhelm, R. C., & Whyte, L. G. (2012). Planococcus halocryophilus sp. nov., an extreme sub-zero species from high Arctic permafrost. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(Pt 8), 1937–1944. https://doi.org/10.1099/ijs.0.035097-0

Pascal, R. (2012). Life, metabolism and energy. In Astrochemistry and Astrobiology (pp. 243–269). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27585-4_10

Remias, D., Lütz-Meindl, U., & Leya, C. (2005). Photosynthesis, pigments and ultrastructure of the alpine snow alga Chlamydomonas nivalis. European Journal of Phycology, 40(3), 259–268. https://doi.org/10.1080/09670260500202148

Roeters, S. J., et al. (2021). Ice-nucleating proteins are activated by low temperatures to control the structure of interfacial water. Nature Communications, 12(1), Article 1183. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21310-3