Ученые: Теперь мы знаем, как насекомые и бактерии контролируют лед
Вопреки тому, чему вас, возможно, учили, вода не всегда замерзает до льда при 32 градусах по Фаренгейту (ноль градусов по Цельсию). Знание или контроль того, при какой температуре вода замерзнет (начиная с процесса, называемого зародышеобразованием), критически важно для ответа на такие вопросы, как то, будет ли на лыжных склонах достаточно снега или будет ли завтра дождь.
Природа придумала способы контроля образования льда, и в статье, опубликованной сегодня в Журнале Американского химического общества,профессор Университета Юты Валерия Молинеро и ее коллеги показывают, как ключевые белки, вырабатываемые бактериями и насекомыми, могут способствовать или препятствуют образованию льда, основываясь на их длине и их способности объединяться, чтобы сформировать большие поверхности, связывающие лед. Результаты имеют широкое применение, особенно в понимании осадков в облаках.
«Теперь мы можем предсказать температуру, при которой бактерия будет образовывать лед, в зависимости от того, сколько в ней ледяных белков, — говорит Молинеро, — и мы можем предсказать температуру, при которой антифризные белки , которые очень маленькие и обычно не работают при очень низких температурах, могут образовывать лед ».
Что такое зародыш льда?
Давно известно, что жизнь любит возиться со льдом. Насекомые, рыба и растения производят различные формы антифризов, которые помогают им выживать в условиях ниже нуля. А растительные патогены , в частности бактерия Pseudomonas syringae , используют белки, которые способствуют образованию льда, чтобы вызвать повреждение у их хозяев. Прежде чем мы сможем поговорить о том, как работают эти белки, нам нужно быстро освежить информацию о том, как лед замерзает.
Чистая вода без примесей не замерзнет, пока не достигнет -35 градусов по Цельсию (-31 градусов по Фаренгейту). Это температура, при которой молекулы воды самопроизвольно превращаются в кристаллическую решетку и начинают привлекать другие молекулы для присоединения. Однако, чтобы начать процесс замораживания при более высоких температурах , молекулам воды нужно что-то, за что можно держаться, например пылинка , сажи или других примесей, на которых он может начать строить свою кристаллическую решетку. Этот процесс называется нуклеацией.
Белки, образующие лед, такие как Ps. syringae , связываются с зарождающимися кристаллитами льда таким образом, чтобы снизить затраты энергии на дополнительное замораживание. Они также могут собираться вместе, чтобы еще больше повысить их мощность зарождения. «Много групповой работы!» Молинеро говорит.
Снежная пушка
Эти белки могут быть настолько эффективными, что могут образовывать лед при температуре, такой же высокой, как -2 градуса С (29 градусов по Фаренгейту). Белки с ледяным ядром уже используются на горнолыжных курортах, а базирующаяся в Колорадо Snomax International продает добавку, содержащую Ps. syringae, который дает снегоуборочные машины.
Однако антифризные белки также связываются со льдом, но вынуждают его образовывать изогнутую поверхность, которая препятствует дополнительному замерзанию и требует гораздо более низких температур для роста льда. Кроме того, антифризные белки не собираются вместе. «Они превратились в одиночек, поскольку их задача — найти лед и придерживаться его», — говорит Молинеро.
Все это было известно ранее, в том числе тот факт, что антифризные белки были относительно небольшими, а ледяные ядра — относительно большими. Однако неизвестно, как размеры и агрегационные свойства белков влияют на температуру зародышеобразования льда. На этот вопрос Молинеро и ее команда намеревались ответить.
«Одна пуля»
Molinero и аспиранты Yuqing Qiu и Arpa Hudait провели молекулярное моделирование взаимодействия белков с молекулами воды, чтобы увидеть, как они влияют на температуру зародышеобразования льда. Молинеро говорит, что антифризы и зародышеобразующие белки связываются со льдом с почти равной прочностью.
«Природа использует одну пулю с точки зрения взаимодействия для решения двух совершенно разных проблем», — говорит она. «И способ решения проблемы между замерзанием антифриза или замерзанием льда заключается в изменении размера белков и их способности объединяться для образования более крупных поверхностей, связывающих лед».
Они обнаружили, что антифризные белки зародились при температуре чуть выше -35 ° С, что соответствовало экспериментальным данным. Удлинение имитируемых белков увеличивало температуру нуклеации, которая после определенной длины достигла плато. Моделирование предсказало, что дальнейшая сборка около 35 бактериальных белков в более крупные домены была ключевой для достижения способности Ps к образованию зародышей льда . syringae , с температурой зародышеобразования -2 градуса C (29 градусов F).
«Теперь мы можем создавать новые белки или синтетические материалы, которые образуют лед при определенной температуре», — говорит Молинеро.
Почему это важно
Последствия такого открытия простираются вплоть до будущего воды на Земле.
Осадки начинаются в виде льда, который зарождается и растет до тех пор, пока не станет достаточно тяжелым для выпадения осадка. На больших высотах, где холоднее, сажа и пыль могут выполнять функцию зародышеобразования. Но на меньших высотах не пыль вызывает зарождение, а бактерии.
Да, те же белки в пс. syringae, которые способствуют образованию снега на горнолыжных курортах, также способствуют образованию льда при более высоких температурах, позволяя выпадать небольшим высотным облакам. В потеплении климата результаты Молинеро могут помочь разработчикам моделей климата лучше понять условия образования облаков и осадков и прогнозировать, как потепление повлияет на количество образования льда и осадков в будущем.
«Возможность предсказывать, будут ли облака замерзать или нет, очень важна в климатических моделях, потому что образование льда определяет осадки, а также соотношение солнечной энергии, поглощаемой и отражаемой нашей атмосферой», — говорит Молинеро. «Задача предсказать, будет ли лед образовываться или нет в облаках, является основным ограничением прогнозирующей способности моделей погоды и климата».
Однако в гораздо меньших масштабах антифриз и белки, образующие лед, могут использоваться вместе в тонко настроенном танце на льду: некоторые насекомые используют протеины антифриза, чтобы защитить себя примерно до -8 градусов C (18 градусов F), но затем использовать белки, образующие лед, при более низких температурах, чтобы сдержать рост льда до того, как он выйдет из-под контроля.
«Общая картина заключается в том, что теперь мы понимаем, как белки используют свой размер и агрегацию, чтобы модулировать степень образования льда, — говорит Молинеро. «Я думаю, что это довольно мощный».
