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Winterschlaf vs. Winterruhe, Winteraktiv, Kältestarre: Unterschiede & Zusammenhänge


braunbär-(Ursus-arctos)-winterschlaf

Braunbären (Ursus arctos) halten Winterschlaf in Höhlen


Winterschlaf und Winterruhe sind zwei Überlebensstrategien der Tiere, um die Stoffwechselaktivität im Winter derart zu drosseln, dass diese mit weniger Nahrung auskommen können. Einige Tierklassen fallen im Winter auch in eine Kältestarre, wirken in dieser Starre fast schon tot, um dann im Frühling wieder aufzuwachen. Der Lebensraum von Wassertieren, wie den Fischen, ist im Winter mitunter zugefroren. Die Dichteanomalie bewirkt, dass der Gewässergrund dennoch flüssig bleibt und die Tiere dort überleben. Somit ist ein Winterschlaf oder eine Winterruhe unnötig. Einige Unterschiede, Merkmale und Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Ruhephasen in der kalten Jahreszeit sollen jetzt beschrieben werden.

Was bedeutet Winterschlaf: Definition und Bedeutung

Der Begriff des Winterschlafs, der auch Hibernation genannt wird, beschreibt einen Zustand der Ruhe, den gewisse gleichwarme (homoiotherme) Tiere erreichen. Während dieses Zustands wird die Körpertemperatur herabgesetzt, während die Atem– und Herzfrequenz verlangsamt wird.

Braune Langohr (Plecotus auritus) fledermaus winterschlaf

Viele Fledermausarten halten einen ausgiebigen und langen Winterschlaf. So auch das Braune Langohr (Plecotus auritus) auf dem Bild, deren zwei Vertreter im Keller eines Hauses überwintern.

Was bedeutet Winterruhe: Definition und Bedeutung

Die Winterruhe beschreibt einen Zustand, der dem Winterschlaf ähnlich ist. Jedoch wird diese Ruhephase von mehreren Wachphasen unterbrochen. Die Körpertemperatur sinkt hierbei nicht ab. Die Wachphasen während der Winterruhe dienen insbesondere der Nahrungsaufnahme und der Ausscheidung von Stoffwechselprodukten.

winterruhe-Eurasische-Eichhörnchen-(Sciurus-vulgaris)

Das Eurasische Eichhörnchen (Sciurus vulgaris) hält keinen Winterschlaf, sondern lediglich Winterruhe. In den Wachphasen sucht es nach Nahrung.

Was bedeutet Winterstarre: Definition und Bedeutung

Im Unterschied zu dem Winterschlaf und der Winterruhe, die jeweils bei gleichwarmen Tieren vorkommt, verfallen nur wechselwarme (poikilotherme) Tiere in die Winterstarre, die auch Kältestarre genannt wird. Da die Körpertemperatur dieser Tiere stets der Außentemperatur entspricht, fällt diese während der Winterstarre auf dieses Niveau.

Moorfrosch (Rana arvalis) winterstarre

Moorfrosch (Rana arvalis) in einer Winterstarre

Was bedeutet Winteraktivität: Definition und Bedeutung

Aus den oben genannten Gründen, weshalb poikilotherme Tiere in die Winterstarre fallen, lässt sich ableiten, dass winteraktive Tiere stets homoiotherm sein müssen. Winteraktive Tiere müssen, um die Körpertemperatur aufrechterhalten zu können, weiterhin Nahrung aufnehmen. Darüber hinaus steigt die Nahrungsaufnahme dieser Tiere bereits im Herbst, um dem reduzierten Nahrungsangebot im Winter trotzen zu können.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Ruhephasen

Ruhephasen während der kalten Wintermonate gibt es nicht nur im Tierreich. Auch bei Pflanzen gibt es ähnliche Zustände, die mit den sinkenden Temperaturen einhergehen. Hierbei wird die Ruhephase von Samen und Knospen als Dormanz bezeichnet. Dieser Zustand verhilft den Pflanzen dazu, ungünstige Umweltbindungen zu überstehen.

Der erste Faktor, der sich während der Winterruhe, dem Winterschlaf und der Kältestarre unterscheidet, ist die Körpertemperatur. Während die Körpertemperatur beim Winterschlaf auf ein Minimum heruntergefahren wird, so bleibt sie bei der Winterruhe auf dem normalen Niveau. Poikilotherme Tiere können ihre Körpertemperatur nicht selbstständig aufrechterhalten, weshalb ihre Körpertemperatur der Außentemperatur gleicht. Winteraktive Tiere haben über den ganzen Winter hinweg eine gleichbleibende Körpertemperatur.

Ein weiterer Faktor, der sich unterscheidet, ist die Stoffwechselrate. Während dem Winterschlaf werden sämtliche Stoffwechselprozesse heruntergefahren. Bei der Winterruhe wird sie zwar verringert, jedoch nicht so weit wie es beim Winterschlaf der Fall ist. Während der Kältestarre werden sämtliche Prozesse, die grundlegend lebensnotwendig sind, abgeschaltet.

Bei einigen Arten, die in die Kältestarre fallen, bleiben die Augen geöffnet, die Muskulatur ist nicht mehr zur Bewegung befähigt, das Herz schlägt nicht mehr und die inneren Organe weisen ebenfalls keine Funktion mehr auf.

Der nächste Unterschied liegt in der Auslösung der jeweiligen Ruhephasen. Während der Winterschlaf und die Winterruhe chronobiologisch ausgelöst werden, wird die Kältestarre lediglich durch die sinkenden Umgebungstemperaturen hervorgerufen.

Chronobiologisch bedeutet hierbei, dass verschiedene physiologische Prozesse einer jahreszeitlichen Veränderung unterliegen. Dies kann unter anderem durch eine veränderte Hormonkonzentration aufgrund des fehlenden Sonnenlichts nachgewiesen werden. Auch die Temperaturverläufe während des Jahres scheinen hierbei einen Einfluss zu haben. Darüber hinaus gibt es weitere Einflüsse, die im Bereich der Chronobiologie erforscht werden.

Allen Ruhezuständen ist gemein, dass sie der Überdauerung widriger Lebensumstände dienen. Auch die Gefahr des Versterbens wohnt den Ruhephasen inne. Hierbei stellen die Kältestarre und der Winterschlaf die Ruhephasen mit der größten Gefahr dar.

Werden homoiotherme Tiere während des Winterschlafs zu oft geweckt, kann es passieren, dass die angelegten Fettreserven, aufgrund der erhöhten Stoffwechselrate, während der Wachphase aufgebraucht werden und die Tiere somit in der nächsten Schlafphase verhungern können. Ebenso stellen zu niedrige Temperaturen ein erhöhtes Risiko für poikilotherme Tiere dar, da sie das Blut gefrieren lassen können, woraufhin die Eiskristalle im Blut die Gefäße zerstören.

Physiologische Begleitprozesse während der Überwinterung

Um die kalten Temperaturen während der Wintermonate zu überleben, haben sich im Laufe der Evolution mehrere Mechanismen ausgebildet. Ein solcher Mechanismus ist die Bildung von braunem Fettgewebe, ein anderer ist die Einlagerung von Harnstoff und Glukose in das Blut.

Braunes Fettgewebe während der Winterruhe

Das braune Fettgewebe dient primär der Erzeugung von Wärme durch Oxidation von Fettsäuren. Ein Merkmal des braunen Fettgewebes ist die vermehrte Anzahl an Mitochondrien, die zur Bereitstellung der Energie dienen.

Anders als bei anderen Abbauprozessen von Fettsäuren wird beim Abbau des braunen Fettgewebes die Energiegewinnung vom universellen Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) entkoppelt, wodurch die meiste Energie in Wärme umgewandelt wird. Dies geschieht durch das Membranprotein Thermogenin, das es dem Tier ermöglicht, ohne muskuläre Aktivität wie z.B. Zittern, Wärme zu erzeugen.

Grundsätzlich besitzen alle Säugetiere braunes Fettgewebe, mit Ausnahme des Schweins. Insbesondere bei Nagetieren, die Winterschlaf halten, lassen sich große Mengen braunen Fettgewebes nachweisen. Vögel gehören zwar auch zu den homoiothermen Tieren, verfügen aber über kein braunes Fettgewebe. Dennoch existieren andere Gewebearten, die Vögeln dabei helfen, in ihrer Skelettmuskulatur Wärme zu erzeugen.

Die allgemeine Thermogenese (Wärmeerzeugung) geschieht in den Mitochondrienmembranen des braunen Fettgewebes. Das Protein Thermogenin entkoppelt hierbei die Beta-Oxidation der Fettsäuren von der ATP-Produktion, indem es Protonen aus dem Mitochondrium pumpt. Dieser Protonengradient kann dann wiederum abgebaut werden, wodurch Energie in Form von Wärme frei wird.

Ebenfalls enthält braunes Fettgewebe erhöhte Konzentrationen des Enzyms Glycerokinase, das dazu beiträgt, während der Beta-Oxidation anfallendes Glycerin zu phosphorylieren, damit es ebenfalls energetisch weitergenutzt werden kann.

Einlagerung von Harnstoff und Glukose

Eine deutlich erhöhte Kältetoleranz weist beispielsweise der Waldfrosch auf. Aufgrund seines extrem kalt werdenden Lebensraums entwickelte sich im Laufe der Evolution die Fähigkeit, eine Art Frostschutzmittel in seine Gewebeschichten einzulagern. Somit ist es dem Frosch möglich, teilweise einzufrieren, ohne dass er durch gebildete Eiskristalle Schaden nimmt.

Das „Frostschutzmittel“ besteht aus einem Gemisch aus Glukose und konzentriertem Harnstoff, den der Frosch durch eine nahezu stillgelegte Urinproduktion bildet. Sobald sich die ersten Eiskristalle auf der Hautoberfläche des Frosches bilden, schüttet dieser Adrenalin aus. Als Reaktion darauf bildet die Leber einen Reservestoff, namens Glykogen, woraufhin die Glukosekonzentration in den Extrazellularräumen (Räume zwischen den einzelnen Zellen) bis auf das 60-fache ansteigt.

Aufgrund von Diffusionsprozessen wird automatisch Wasser in die Extrazellulärräume transportiert, was eine weitere Gefrierpunktserniedrigung zur Folge hat.

Die Harnstoffeinlagerung ist jedoch nicht ausschließlich Teil der Kältestarre, sondern wird auch dazu genutzt, Trockenperioden zu überstehen, da durch die erhöhte Harnstoffkonzentration der gesamte Stoffwechsel verringert wird.

Abgrenzung der Überwinterungsphasen zum Torpor

Im Vergleich zum Winterschlaf oder der Winterruhe liegt die Ursache für den Torpor („Hungerstarre“) nicht in abnehmenden Temperaturen oder der verringerten Lichteinstrahlung und den damit einhergehenden hormonellen Veränderungen.

Der Grund für diese lethargische Phase, in der sich nur homoiotherme Tiere befinden können, liegt in dem rapiden Gewichtsverlust, der infolge von Nahrungsmangel entsteht. Hierbei sinkt auch die Körpertemperatur und der Stoffwechsel wird herabgesetzt, doch bei weitem nicht so stark wie beim Winterschlaf oder der Winterruhe. Der Torpor dauert meist nur mehrere Stunden und kann individuell kontrolliert werden.

Rubinkehlkolibri (Archilochus colubris) torpor hungerstarre

Rubinkehlkolibri (Archilochus colubris) in einer Hungerstarre (Torpor)


Der Torpor kann bei vielen Tieren auch in rhythmischen Abständen beobachtet werden. Beispiele hierfür sind der Kolibri oder der Mausmaki. Mausmakis sind kleine Primaten, die insbesondere während der Trockenzeit in den Nachtstunden in einen Torpor verfallen, um Energie zu sparen, da ihr Nahrungsangebot während dieser Phase reduziert ist. Sobald die Sonne anfängt zu scheinen, erwärmen sie sich daran, um weiter Energie zu sparen. Wenn sie aufgewärmt sind, können sie sich wieder auf die Suche nach Nahrung begeben.
Graue Mausmaki (Microcebus murinus)

Mausmaki (Microcebus murinus) auf Madagaskar

Welche Tiere halten Winterschlaf, Winterruhe oder fallen in eine Kältestarre

Grundsätzlich lassen sich Ruhephasen während des Winters im gesamten Tierreich beobachten. Eine Ausnahme stellen hierbei die Vögel dar, da sie nicht in einen echten Winterschlaf fallen, sondern im Torpor verweilen. Genauso lassen sich im gesamten Tierreich Arten antreffen, die winteraktiv sind.

Säugetiere

Bei den Säugetieren gibt es einige Arten, die Winterschlaf halten. Ein Beispiel ist der Igel. Hierzu baut sich der Igel im Herbst ein Nest aus Laub und Ästen, in das er sich verkriecht. Hier verweilt er zwischen fünf und sechs Monaten, etwa von Oktober bis April. Seine Körpertemperatur fällt dabei, je nach Außentemperatur, von 36°C auf 1-8°C. Er atmet ca. zweimal pro Minute, die Herzfrequenz beträgt rund fünf Schläge pro Minute. Damit der Igel den Winterschlaf und die damit einhergehende Gewichtsabnahme überleben kann, ist ein geschätztes Gewicht von 500 Gramm notwendig.

Braunbrustigel (Erinaceus europaeus) schlafend

Der Braunbrustigel (Erinaceus europaeus) hält einen langen Winterschlaf


Auch der Siebenschläfer ist eine bekannte Art, die Winterschlaf betreibt. Seinen Namen verdankt er der langen Zeit, die er im Winterschlaf verbringt. Er hält von September bis Mai Winterschlaf, also rund sieben Monate. Hierzu baut er sich tief unter der Erde eine kleine Höhle, in der er überwintert. Seine Herzfrequenz sinkt extrem, von ca. 300 Schlägen pro Minute auf etwa fünf Herzschläge pro Minute. Seine Körpertemperatur sinkt ebenfalls stark auf etwa 5°C.
winterschlaf siebenschläfer (Glis glis)

Winterschlaf eines Siebenschläfers (Glis glis)


Murmeltiere halten einen „sozialen“ Winterschlaf. Hierzu begeben sich mehrere Tiere in ein gebautes Nest, in dem sie zwischen sechs und neun Monate verweilen. Sie schmiegen sich aneinander, um trotz der reduzierten Körpertemperatur einen gewissen Wärmeaustausch zu leisten. Dies hilft insbesondere Jungtieren dabei, den ersten Winter zu überstehen. Die Herzfrequenz von Murmeltieren sinkt von etwa 200 auf 20 Schläge pro Minute. Damit geht die verringerte Atemfrequenz einher, die bei etwa zwei Atemzügen pro Minute liegt.
Alpenmurmeltier-(Marmota-marmota)-nach-Winterschlaf

Das Alpenmurmeltier (Marmota marmota)-nach dem Winterschlaf


Die Winterruhe wird innerhalb der Säugetiere beispielsweise vom Braunbär genutzt, um die Wintermonate zu überstehen. Während die Herz- und Atemfrequenz stark reduziert werden, sinkt die Körpertemperatur nur um etwa 5°C. Der Ort der Winterruhe befindet sich oft in Höhlen oder Felsspalten, wird jedoch auch häufig selbst gegraben.
braunbär-(Ursus-arctos)-winterruhe

Die Wachphasen seiner Winterruhe nutzt der Braunbär (Ursus arctos) für Streifzüge


Da Braunbären eine weite Verbreitung aufweisen, lassen sich je nach Verbreitungsgrad auch unterschiedliche Formen der Winterruhe feststellen. In den nördlichen Gebieten, in denen der Braunbär heimisch ist, dauert die Winterruhe deutlich länger als in den südlichen Gebieten. Dies kann sogar dazu führen, dass bei optimalen Umweltbedingungen keine Winterruhe eingehalten wird.
rotfuchs (vulpes vulpes) winteraktiv paarung

Beim Fuchs bzw. Rotfuchs (Vulpes vulpes) ist der Winter eine aktive Zeit. Zwischen Dezember und März sind Fuchsmännchen befruchtungsfähig, Die Fehe, also der weibliche Fuchs, ist im Januar/Februar fruchtbar. Das Überangebot an Nahrung, aufgrund fehlender Konkurrenz, nutzt der Fuchs im Winter.

Ein winteraktives Tier innerhalb der Säugetiere ist beispielsweise der Fuchs. Die Nahrungsaufnahme während der Wintermonate ist beim Fuchs deutlich erhöht. Das geht einerseits mit den sinkenden Temperaturen und mit der Paarungs- und Tragezeit einher. Die Paarungszeit von Füchsen ist zwischen Januar und Februar. Füchse bauen lediglich zur Aufzucht der Jungen kleine Höhlen.

Teilweise werden die Jungtiere auch in Höhlen aus Schnee abgelegt, da die Temperaturen innerhalb dieser Schneehöhlen deutlich höher sind als die Außentemperatur. Der normale Schlaf von Füchsen findet im Freien statt. Hierzu rollen sie sich lediglich zu einer Art Kugel zusammen.

Vögel

Wie bereits erwähnt, halten Vögel keinen echten Winterschlaf. Sie verfallen in den Zustand, der Torpor genannt wird. Aufgrund des erhöhten Energiebedarfs während der Aufwachphase, finden torpide Zustände hauptsächlich bei kleineren Vögeln statt. Je größer der Vogel, desto ungünstiger ist das Verhältnis zwischen der eingesparten Energie im torpiden Zustand und der verbrauchten Energie während der Aufwachphase.

Ein interessantes Beispiel stellt hierbei die Mehlschwalbe dar. Da der Torpor nicht nur von Umweltfaktoren abhängt, sondern auch vom Ernährungszustand des Individuums, verfallen Mehlschwalben auch bei niedrigen Temperaturen nicht in torpide Zustände. Dies gilt jedoch nur, solang ihr Körpergewicht im Normalbereich von etwa 20 Gramm liegt. Sinkt ihr Körpergewicht aufgrund des Nahrungsangebotes auf etwa 15 Gramm, kann der Torpor auch bei höheren Temperaturen eintreten.

Die Winternachtschwalbe verfällt bei niedrigen Temperaturen in einen äußert tiefen Zustand des Torpors. Teilweise ist dieser Zustand so tief, dass er von den Vögeln selbst nicht beendet werden kann. Nur durch die ansteigenden Temperaturen und Sonneneinstrahlung werden diese Vögel aus ihrem lethargischen Zustand geweckt. Ist der torpide Zustand weniger tief, so kann dieser jederzeit vom Individuum selbst beendet werden.

schlafender kolibri

schlafender Kolibri


Auch Kolibris verfallen in den Torpor. Dies liegt unter anderem daran, dass aufgrund ihrer geringen Körpergröße die Stoffwechselaktivität normalerweise sehr hoch ist, was mit einem verhältnismäßig hohen Energieverbrauch einhergeht. Damit diese hohen Stoffwechselraten nicht in kalten Nächten zum Tode führen, senken Kolibris ihre Körpertemperatur um etwa 20°C, die Stoffwechselrate wird um etwa 90% reduziert.

Fische

Bei den Fischen gibt es keine echte Form des Winterschlafs. Die Fische, die in den Regionen leben, in denen Seen oder Flüsse zufrieren, schwimmen bei sinkenden Wassertemperaturen in Bodennähe umher, da hier die Wassertemperatur 4°C beträgt, auch wenn die Oberfläche bereits zugefroren ist. Dies liegt an der Dichteanomalie des Wassers, das bei 4°C seine maximale Dichte aufweist und somit nach unten sinkt, während das kältere Wasser leichter ist, an die Oberfläche kommt und gefriert.

Dennoch existieren Fischarten, wie z.B. der Karpfen oder die Schleie, die eine Form der Winterruhe einlegen. Der Karpfen senkt seine Herzfrequenz auf etwa 5 Schläge pro Minute, um die Stoffwechselrate zu minimieren. Die Schleie gräbt sich beispielsweise in den Sand ein, um dort eine Art der Winterruhe abzuhalten.

Amphibien und Reptilien

Amphibien und Reptilien sind poikilotherme Tiere, so wie Fische und Insekten. Hierbei fallen jedoch in freier Wildbahn nur die Arten in die Winterstarre, die auch in kalten Regionen leben, in denen Teiche oder Seen zufrieren können. Als Beispiel der Amphibien wurde bereits der Waldfrosch genannt, der Temperaturen bis -20°C ohne weiteres überleben kann, indem er einen eigenen Frostschutz produziert. Einige Amphibienarten überwintern vorwiegend an Land, während es einige Arten gibt, die auch im Wasser überwintern.

Zu den Reptilien zählt z.B. die Zauneidechse. Diese vergräbt sich in den kalten Monaten in Haufen aus Laub, Holz oder Steinen und verweilt dort. Aufgrund der Unfähigkeit, ihre eigene Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, passt sich ihre Körpertemperatur der Außentemperatur an, was dazu führen kann, dass sie den Kältetod sterben.

Insekten

Da es sich bei Insekten auch um wechselwarme Tiere handelt, herrscht auch hier die Winterstarre vor. Allerdings gibt es, ähnlich wie bei Zugvögeln, Arten, die dem Winter trotzen, indem sie sich in wärmere Gebiete begeben. Ein Beispiel hierfür ist der Distelfalter. Andere Insekten wie Ameisen, Wespen, Bienen oder Libellen fallen in die Winterstarre.

Viele Arten überwintern hierbei im Larvenstadium, da die ausgewachsenen Tiere bereits verstorben sind. Eine besondere Art der Winterruhe vollführen Hummeln. Bei ihnen sterben im Herbst die Arbeiterinnen und die Königin, während aus den noch verbleibenden Eiern neue Königinnen schlüpfen, die sich noch im Herbst paaren. Nach der Paarung ziehen sich die Königinnen in Totholz oder Laub zurück und verfallen in die Winterstarre, bis sie im nächsten Frühling erwachen.

Zusammenfassung

Winterstarre, Winterruhe und Winterschlaf beschreiben verschieden Formen der Überwinterung bei Tieren. Während der Winterschlaf nur bei gleichwarmen Tieren, insbesondere bei Säugetieren auftritt, kommen die Winterstarre und Winterruhe auch bei wechselwarmen Tieren vor.

Im Laufe der Evolution haben sich hierbei verschiedene Mechanismen ausgebildet, die dazu beitragen, dass die Tiere im Winter überleben. Grundsätzlich lassen sich in jeder Tiergruppe auch winteraktive Arten finden, die jedoch meist in den Subtropen und den Tropen leben, da es dort nicht zu solch niedrigen Temperaturen kommt, wie beispielsweise in der gemäßigten Zone oder den Polarregionen.

Literatur

  • Lisa Warnecke (Autor), Das Geheimnis der Winterschläfer, ISBN: 978-3406713286*
  • Susanne Riha (Autor), Schlaf gut, bis der Frühling kommt!: Winterschlaf und Winterruhe, ISBN: 978-3219116632*
  • Alex Morss (Autor), Sean Taylor (Autor), Cinyee Chiu (Illustrator), Martina Tichy (Übersetzer), Winterschlaf: Vom Überwintern der Tiere | Mit praktischen Tipps, wie man Igel & Co. durch die kalte Jahreszeit helfen kann, ISBN: 978-3458179566*

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