Pilze gelten normalerweise als Bewohner des Bodens. Sie zersetzen Pflanzenreste oder leben symbiotisch mit Wurzeln zusammen. Doch neue Forschung deutet darauf hin, dass einige Pilze auch Prozesse in der Atmosphäre beeinflussen könnten. Eine internationale Forschungsgruppe hat Proteine entdeckt, die Eisbildung in Wolken auslösen können – ein entscheidender Schritt bei der Entstehung von Niederschlag.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Sie zeigen, wie eng biologische Prozesse mit physikalischen Vorgängen in der Atmosphäre verknüpft sein können.
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Wie aus Wassertröpfchen Regen wird
Wasser gefriert nicht automatisch bei 0 °C. In der Atmosphäre können Tröpfchen deutlich unterkühlt bleiben. Reines Wasser kann ohne Keimbildner bis zu Temperaturen von etwa −38 bis −40 °C flüssig bleiben. Damit Eis entsteht, braucht es häufig Eiskeime. Diese Partikel erleichtern den Wassermolekülen die Bildung eines stabilen Kristallgitters.
Viele Stoffe können diese Rolle übernehmen. Dazu gehören beispielsweise Mineralstaub, Pollen oder Mikroorganismen. Besonders effektiv sind bestimmte biologische Moleküle. Sie können bereits bei Temperaturen um −2 °C Eisbildung auslösen.
Dieser Prozess spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Niederschlag. Entstehen Eiskristalle in einer Wolke, wachsen sie schnell weiter. Sie ziehen Wassermoleküle aus der Umgebung an. Die Kristalle werden größer und schwerer und fallen schließlich aus der Wolke. Beim Absinken schmelzen sie häufig und erreichen den Boden als Regen.
- Reines Wasser kann stark unterkühlt bleiben und erst unter −38 °C spontan gefrieren.
- Eiskeimbildner erleichtern diesen Prozess und erhöhen die Gefriertemperatur.
- In der Natur übernehmen Mineralstaub, Pollen oder Mikroorganismen diese Rolle.
- Besonders effektiv sind biologische Moleküle wie Eisnukleationsproteine.
- Diese Partikel beeinflussen Prozesse in Wolken und damit auch die Entstehung von Niederschlag.
Pilzproteine als Eiskeimbildner
In der neuen Studie wurde eine bislang unbekannte Klasse von Eisnukleationsproteinen in Pilzen identifiziert. Diese Moleküle können Wasser bereits bei vergleichsweise hohen Minusgraden gefrieren lassen.
Die Forschenden untersuchten Pilze der Familie Mortierellaceae, die weltweit in Böden vorkommt. In deren Genomen entdeckten sie Proteine, die die Eisbildung sehr effizient katalysieren können.
Die Moleküle besitzen eine charakteristische Struktur. Sie bilden eine lange, schraubenförmige Proteinoberfläche. An dieser Oberfläche können sich Wassermoleküle in der richtigen Ordnung anlagern. Dadurch sinkt die energetische Hürde für die Bildung eines Eiskristalls.
Die Proteine sind überraschend stabil und können bereits in sehr niedrigen Konzentrationen wirken. Zudem funktionieren sie unabhängig von Zellmembranen und sind wasserlöslich. All dies unterscheidet sie von vielen bekannten bakteriellen Eisnukleationsproteinen.
Ein Gen aus der Welt der Bakterien
Die Analyse brachte noch eine weitere Überraschung. Das Gen, das für diese Pilzproteine verantwortlich ist, stammt vermutlich ursprünglich von Bakterien. Die Forschenden fanden starke Ähnlichkeiten zu sogenannten InaZ-Genen, die bei bestimmten Bakterien Eisbildung auslösen. Wahrscheinlich wurde dieses Gen vor langer Zeit von Bakterien auf Pilze übertragen.
Dieser Vorgang wird als horizontaler Gentransfer bezeichnet. Dabei wandert genetisches Material zwischen verschiedenen Arten, ohne dass Fortpflanzung beteiligt ist.
Boris A. Vinatzer von der Virginia Tech erklärt: „Es ist bekannt, dass Pilze Gene von Bakterien erwerben können, aber das ist nicht alltäglich.“ Im Laufe der Evolution haben die Pilze dieses genetische Werkzeug offenbar weiterentwickelt und an ihre eigene Biologie angepasst.
Warum mehrere Moleküle zusammenarbeiten müssen
Ein einzelnes Protein reicht nicht aus, um Eis effizient entstehen zu lassen. Erst wenn mehrere dieser Moleküle nebeneinander liegen, entsteht eine ausreichend große Oberfläche für die Keimbildung.
In Experimenten zeigte sich, dass sich mehrere Proteine zu größeren Strukturen zusammenschließen. Diese Aggregate bilden eine Art Plattform, auf der sich Wassermoleküle geordnet anlagern können. Je breiter diese Oberfläche wird, desto höher steigt die Temperatur, bei der Eisbildung einsetzen kann.
Bedeutung für Wolken und Klima
Pilzsporen gehören zu den häufigsten biologischen Aerosolen in der Atmosphäre. Sie gelangen aus Böden, Pflanzen oder Pilzfruchtkörpern in die Luft.
Wenn solche Sporen oder ihre Proteine als Eiskeime wirken, könnten sie Prozesse in Wolken beeinflussen. Forschende vermuten schon länger, dass biologische Partikel eine größere Rolle bei der Niederschlagsbildung spielen, als bisher angenommen.
Alternative zur klassischen Wolkenimpfung?
In der Wettermodifikation werden Wolken manchmal gezielt „geimpft“. Dabei bringt man Partikel in Wolken ein, um die Eisbildung anzuregen.
Häufig wird dafür Silberiodid verwendet. Der Stoff besitzt eine kristallähnliche Struktur und wirkt als Eiskeim. Seine Nutzung ist jedoch umstritten, weil mögliche Umweltwirkungen diskutiert werden.
Pilzproteine könnten hier langfristig eine alternative Lösung darstellen. Vinatzer sagt: „Wenn wir lernen, wie man dieses Pilzprotein kostengünstig in ausreichender Menge herstellen kann, könnten wir es in Wolken einbringen und die Wolkenimpfung viel sicherer machen.“
Anwendungen in Lebensmitteltechnik und Medizin
Neben der Meteorologie sehen Forschende weitere mögliche Einsatzgebiete. Ein Beispiel ist die Lebensmittelproduktion. Beim Gefrieren von Nahrungsmitteln bestimmen Eiskristalle maßgeblich die Qualität. Wenn sich viele kleine Kristalle bilden, bleiben Zellstrukturen besser erhalten.
Auch in der Kryokonservierung könnte die Technologie interessant sein. Dabei werden biologische Proben – etwa Gewebe, Eizellen oder Embryonen – tiefgekühlt. Die Pilzproteine könnten dabei helfen, den Zeitpunkt der Eisbildung gezielt zu steuern. Das würde empfindliche Zellen besser schützen.
