Ein Waldfrosch in Alaska kann bis zu sieben Monate im gefrorenen Zustand überleben und im Frühjahr wieder aktiv werden. Große Teile seines Körperwassers werden dabei zu Eis, während der Kreislauf zum Stillstand kommt und auch die Atmung aussetzt. Messungen in natürlichen Winterquartieren und ergänzende Laborversuche erklären, wie der Körper seine Zellen durch diese lange Kältephase bringt. Ein wichtiger Teil seiner Vorbereitung beginnt bereits in den wechselhaft kalten Herbstnächten, bevor der Boden dauerhaft gefroren bleibt.
18 Waldfrösche überlebten bei Fairbanks in Alaska den Winter im gefrorenen Zustand. Für die von Biologe Don Larson ausgewerteten Feldbeobachtungen wurden die natürlichen Winterquartiere ab Herbst 2000 mit Temperaturfühlern überwacht. Das Team der University of Alaska Fairbanks erfasste über zwei Winter, welchen Temperaturen die Amphibien ausgesetzt waren und ob sie im Frühjahr überlebten. Im Mittel dauerte die Eisstarre 193 Tage, der tiefste gemessene Wert in einem Quartier betrug minus 18,1 Grad Celsius. Dieses Minimum trat vorübergehend auf; über die untersuchte kalte Jahreszeit lag die mittlere Temperatur der Quartiere bei minus 6,3 Grad.
Unter braunem Laub und kleinen Zweigen hatten sich die Tiere flache Mulden geschaffen, nur wenige Zentimeter unter der Oberfläche. In gefilmten Versuchen drückten sie den feuchten Boden mit seitlichen Körperbewegungen zusammen und schoben sich unter die Blätter. Der Waldfrosch, wissenschaftlich Rana sylvatica oder Lithobates sylvaticus, trägt einen dunklen Streifen durch das Auge, der wie eine Maske wirkt. Seine Haut kann unterschiedliche Braun-, Rot- oder Grautöne annehmen, sodass er zwischen Blättern und Erde leicht übersehen wird.
Eiskristalle entstehen in den Zwischenräumen des Gewebes und in Körperhöhlen, während im Inneren der Zellen genügend Wasser flüssig bleiben muss. Dort würden wachsende Kristalle empfindliche Strukturen beschädigen, auf deren Funktion das Tier nach dem Winter wieder angewiesen ist. Zusätzlich zieht das Eis außerhalb der Zellen Wasser aus ihnen heraus, weil gelöste Stoffe in der verbleibenden Flüssigkeit zurückbleiben. Für die Frosttoleranz muss der Frosch deshalb auch verhindern, dass seine Zellen zu stark schrumpfen und ihre Membranen Schaden nehmen. Die Physiologen Kenneth und Janet Storey beschreiben diese miteinander verbundenen Belastungen in ihrer Übersichtsarbeit zur Gefriertoleranz von Wirbeltieren.
Überlebensfähige Tiere lassen sich auch aus wesentlich älterem Eis bergen, etwa ein Rädertierchen aus rund 24.000 Jahre altem sibirischem Permafrost. Nach dem Auftauen vermehrte sich dieser mikroskopisch kleine Mehrzeller im Labor, wobei die Altersbestimmung das umgebende gefrorene Sediment betraf. Solche Funde betreffen einen langfristigen Ruhezustand, während der Frosch seine Kältepause als wiederkehrenden Abschnitt seines Jahreszyklus durchläuft. Bei ihm müssen nach dem Frost auch Blutkreislauf, Atmung und Bewegungsapparat eines wesentlich größeren Körpers wieder zusammenarbeiten.
Schon während der Vorbereitung auf die kalte Jahreszeit baut der Körper seine Vorräte um, wie Versuche an der Miami University belegen. Bei Tieren aus Alaska nahm der Glykogenspeicher in der Leber um 233 Prozent zu; Glykogen ist die gespeicherte Form von Zucker. Dafür wurden Reserven aus Fettkörpern und Skelettmuskeln abgebaut, die später für den Schutz während des Gefrierens verfügbar waren. Vergleichstiere aus dem südlichen Ohio legten deutlich kleinere Vorräte an und reicherten weniger Harnstoff an als ihre nördlichen Artgenossen. Die Untersuchung der unterschiedlichen Populationen zeigt, dass die Leistungsfähigkeit der Art stark von ihrer Herkunft abhängt.
Harnstoff, der beim Abbau von Eiweiß entsteht, übernimmt dabei eine zusätzliche Aufgabe als Schutzstoff für Zellen und Gewebe. Jon Costanzo und Richard Lee prüften seine Wirkung unter anderem an roten Blutkörperchen, die sie gefrieren und wieder auftauen ließen. Anschließend bestimmten sie, wie stark die Zellen beschädigt waren und wie viel eines normalerweise eingeschlossenen Enzyms nach außen gelangt war. In diesen Versuchen zur Schutzwirkung von Harnstoff fielen die Schäden geringer aus; auch ganze Gewebeproben profitierten von der Behandlung. Im Freiland stieg die Harnstoffkonzentration vor allem während trockener Herbstbedingungen und sank später wieder, wenn mehr Wasser verfügbar wurde.
Wenn die Eisbildung beginnt, setzt die Leber rasch Glukose frei, die sich über den noch arbeitenden Kreislauf im Körper verteilt. Der Zucker hilft, Wasser in den Zellen zurückzuhalten, und stabilisiert sie während der zunehmenden Kälte und des Wasserverlusts. In Larsons Vergleichen enthielten natürlich gefrorene Tiere im Muskelgewebe dreizehnmal so viel Glukose wie Frösche, die unter konstanten Laborbedingungen gefroren waren. Als mögliche Erklärung fiel dem Team der Temperaturverlauf im Herbst auf: Nach nächtlichem Frost erwärmte sich der Boden tagsüber wieder.
Larson und Brian Barnes stellten solche Wechsel anschließend gezielt nach, um ihre Wirkung auf die Zuckerreserven der Tiere zu prüfen. Nach wiederholtem Gefrieren und kurzen Tauphasen näherten sich die gemessenen Gewebekonzentrationen den Werten an, die sie bei Tieren im Freien fanden. Während der kurzen Unterbrechungen nahm der Glukosegehalt nicht statistisch nachweisbar ab, sodass bei erneuter Eisbildung zusätzlicher Zucker hinzukommen konnte. Der Versuch mit wiederholten Frostwechseln stützt damit einen konkreten Mechanismus für die besonders hohen Konzentrationen unter natürlichen Bedingungen.
Mit Elektroden lässt sich verfolgen, wie der Kreislauf während der Eisbildung seine Arbeit verändert, bevor er schließlich zum Stillstand kommt. Ein Team um den Physiologen J. R. Layne zeichnete dafür die elektrischen Signale des Froschherzens in einem Elektrokardiogramm während des Gefrierens auf. Unmittelbar nach dem Gefrierbeginn verdoppelte sich die Frequenz annähernd, sodass anfangs weiterhin Schutzstoffe durch den Körper transportiert werden konnten. Später verlangsamte sich der Herzschlag, bis das Herz nahe dem Ende der Eisbildung vollständig stillstand.
Beim anschließenden Auftauen kehren die Körperfunktionen ebenfalls in einer bestimmten Reihenfolge zurück, wie ein gesonderter Versuch von Layne und M. C. First ergab. Nach einer eintägigen Frostphase setzte zunächst die Herztätigkeit wieder ein; spontane Atemzüge und Reflexe der Hinterbeine folgten später. Wärmere Bedingungen beschleunigten die Rückkehr dieser Funktionen, erhöhten in der Untersuchung aber nicht die Überlebensrate der Tiere. Die Messungen während des Auftauens trennen damit die Geschwindigkeit der Erholung von der Frage, ob ein Tier den Versuch übersteht.
Auch ein unbeweglicher Frosch benötigt Energie, und besonders das Gefrieren und Auftauen beansprucht die während der warmen Jahreszeit angelegten Reserven. Brent Sinclair und seine Kollegen maßen deshalb fortlaufend, wie viel Kohlendioxid die Tiere beim Abkühlen, Gefrieren und Auftauen abgaben. Deutliche Spitzen erschienen schon vor der Eisbildung, bei ihrem Beginn und nach dem vollständigen Auftauen im Verlauf des Experiments. Die Autoren deuteten diese Anstiege als Aufwand für die Vorbereitung, die Schutzreaktion und die anschließende Wiederherstellung normaler Körperfunktionen. Aus Temperaturdaten des Winterquartiers leitete das Team bis zu 23 mögliche Frostwechsel ab und schätzte deren Energieverbrauch rechnerisch.
Nach der Kältepause werden die verbliebenen Reserven auch für die Fortpflanzung gebraucht, die bei dieser Art sehr früh im Frühjahr beginnt. Der National Park Service beschreibt, wie Waldfrösche aktiv werden, während größere Gewässer in ihrer Umgebung noch von Eis bedeckt sind. Kleine Schmelzwassertümpel und zeitweilige Teiche bieten dann Platz für den Laich, können aber schon bis zum Hochsommer austrocknen. Zwischen dem Erwachen der Elterntiere und dem Verschwinden dieser Gewässer liegt das begrenzte Zeitfenster für die Entwicklung ihres Nachwuchses.
Welche molekularen Abläufe die einzelnen Phasen steuern, untersuchten Yara Alshwairikh und David Skelly von der Yale University an Leberproben. Dafür sammelten sie 20 erwachsene Männchen aus einem Laichgewässer im Yale-Myers Forest und untersuchten verschiedene Stadien eines einzelnen Gefrier-Auftau-Zyklus. Zwei Proben mussten wegen eines Beschriftungsfehlers ausgeschlossen werden, sodass die Forscher schließlich Daten von 18 Tieren in die Auswertung einbezogen. Die Analyse der Genaktivität erfasste, welche Erbinformationen stärker oder schwächer abgelesen wurden als in der ungefrorenen Vergleichsgruppe.
Bei der längeren Aufbewahrung von Spenderorganen müssen Gewebe sowohl die Kälte als auch die spätere Rückkehr zu normalen Körperfunktionen überstehen. Gerade diese Übergänge machen das Amphibium zu einem Modell, an dem sich Schutzreaktionen untersuchen und einzelne Abläufe voneinander trennen lassen. Für medizinische Anwendungen müssten solche Reaktionen anschließend in den jeweiligen menschlichen Geweben überprüft werden, einschließlich ihrer Wirkung beim erneuten Durchbluten.
Während des Auftauens wurden in den Leberproben unter anderem Gene für Immunreaktionen, Hitzeschockantworten und den Schutz vor oxidativen Schäden stärker aktiviert. Hitzeschockproteine helfen auch bei anderen Belastungen als Wärme dabei, empfindliche Eiweiße funktionsfähig zu halten oder beschädigte Strukturen zu bearbeiten. Alshwairikh und Skelly benennen damit konkrete Kandidaten für weitere Versuche, in denen sich ihre jeweilige Schutzfunktion gezielt prüfen lässt.
Journal of Experimental Biology, Wood frog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezing tolerance; doi:10.1242/jeb.101931
Physiological and Biochemical Zoology, Cryoprotectant Production in Freeze-Tolerant Wood Frogs Is Augmented by Multiple Freeze-Thaw Cycles; doi:10.1086/687305
BMC Genomics, The transcriptomics and differential gene expression of freezing and thawing in a freeze-tolerant vertebrate; doi:10.1186/s12864-026-12535-y
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