Микробы управляют процессом замерзания воды

В школе нам рассказывали, что вода замерзает при нуле градусов по Цельсию. Те, кто учились немножко лучше, добавляют, что это происходит при определенных условиях, важнейшим из которых является атмосферное давление (точнее парциальное давление водяного пара в газовой смеси над поверхностью воды) и веществ, которые содержатся в воде.

Вообще-то, точный ответ о температуре замерзания воды выглядит так: при температуре ниже нуля по Цельсию твердая фаза является стабильной, но лед может образовываться только в случае наличия центров кристаллизации. Например, дистиллированная вода может находиться в стакане в жидком состоянии при температуре до -20 градусов по Цельсию, но стоит добавить в нее кусочек льда — она мгновенно замерзнет.

Однако контролировать температуру замерзания дистиллированной воды люди до сих пор не научились.

Бактерии, протеины и лед

Не удивительно, что группа исследователей под руководством Валерии Молинаро из Университета Юты заинтересовалась тем, как этим процессом управляют бактерии и насекомые, которые выживают в условиях замерзания воды вокруг них. Понятным было то, что они используют для этого белки, которые в зависимости от условий могут выполнять как роль антифриза, так и роль затравки для нуклеации: начального этапа формирования кристаллов льда.

Теория предполагает, что температура начала нуклеации зависит от размеров и формы частиц, которые становятся ее основой. Протеины, которые могут выполнять роль антифриза, обычно меньше и не умеют слипаться. Большие протеины, наоборот, повышают температуру нуклеации.

Исследователи использовали компьютерную симуляцию взаимодействия различных протеинов с молекулами воды и определили, как они будут влиять на температуру нуклеации воды. Оказалось, что одни и те же протеины в различных случаях могут использоваться живыми существами, как в качестве антифриза, так и в качестве катализатора нуклеации при замораживании.

Было выявлено 35 различных протеинов, которые способны смещать точку замерзания при добавлении их в воду. Для этих веществ ученые определили кучу зависимостей: они складываются в более сложные агрегаты, создавая частицы определенного размера, которые способствуют началу кристаллизации при определенной температуре.

Снегопады, вызванные бактериями

Однако все это – только половина дела. Практическое применение установленных зависимостей значительно интереснее. К примеру, сейчас один из протеинов применяется для интенсификации работы снежной пушки на горнолыжном курорте в США. Однако в будущем применение нового комплекса протеинов позволит влиять на формирование зародышей кристаллов льда в низких облаках или хотя бы предполагать, когда определенное облако сможет породить снег или дождь.

Дело в том, что маленькие капельки воды, начинают кристаллизоваться вокруг различных частиц пыли только на больших высотах — там, где температура ниже точки замерзания дистиллированной воды. На высотах в несколько сотен метров температура еще слишком высока, чтобы кристаллы льда начали образовываться вокруг затравок. Однако из таких облаков тоже идет снег. А ответственные за это, как теперь установили ученые, именно бактерии со своими протеинами.

Так, новые исследования в будущем позволят точно спрогнозировать снегопады из низких облаков или даже вызывать их самостоятельно. А еще эта работа является прекрасным примером исследования одной отрасли науки, которое открывает нам нечто совершенно новое в другой. Ведь, как оказалось, одним из главных факторов погоды есть физическая химия состояний воды, которая определяется чисто биологическими факторами.

01.09.2019

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий