В ходе экспериментов в условиях микрогравитации на Международной космической станции (МКС) ученые обнаружили, что переохлажденная вода, содержащая антифризные гликопротеины, ускоряет и колеблется в скорости роста кристаллов льда. Этот, казалось бы, противоречивый результат может привести к лучшему пониманию загадочного эффекта антифриза в живых организмах.
Рыба может выжить даже при минусовых температурах, например, под льдинами. Исследователи выдвинули гипотезу, что когда гликопротеины, содержащиеся в крови рыб, поглощаются поверхностью кристаллов льда, это сдерживает рост кристаллов льда. Проверка функций этих гликопротеинов требует точных измерений нормальной скорости роста кристаллов с течением времени. Однако на Земле это сделать затруднительно из-за естественного конвективного обтекания растущего кристалла под действием гравитации.
Исследователи во главе с почетным профессором Университета Хоккайдо Ёсинори Фурукавой надеялись использовать условия микрогравитации в космосе для точного измерения нормальной скорости роста граней кристаллов, поскольку в этой среде не возникает конвективного потока.
Для проведения экспериментов на МКС Институт наук о низких температурах Университета Хоккайдо и JAXA совместно разработали Ice Crystal Cell 2, устройство для измерения скорости роста кристаллов льда в космосе. После установки в японский экспериментальный модуль KIBO проводились эксперименты по управлению устройством с помощью сигналов с земли.
Исследователи провели 124 эксперимента, в 22 из которых были точно измерены скорости роста кристаллов льда в переохлажденной воде, содержащей примесь гликопротеина. Результаты показали, что нижние базальные грани кристаллов льда росли в три-пять раз быстрее, чем в чистой воде. Кристаллы льда также демонстрировали периодические колебания по мере своего роста. «Результаты оказались противоположными ожидаемым, поскольку гликопротеин фактически способствовал росту кристаллов льда, а не сдерживал его», - говорит Кен Нагашима из исследовательской группы.
Что же тогда объясняет антифризный эффект гликопротеина? Исследователи обнаружили сложный процесс, при котором плоские грани кристалла с высокой скоростью роста усекались гранями с более медленной скоростью роста, в результате чего многогранный кристалл был окружен только плоскими гранями с самой низкой скоростью роста. Это привело к значительному замедлению роста кристаллов льда.
«Наши результаты показывают, что предотвращение замерзания живых организмов не может быть объяснено исключительно эффектом подавления роста гликопротеинами. Другими словами, обнаруженный нами новый механизм необходим для предотвращения замерзания живых организмов», - говорит Нагашима.. «Функция гликопротеинов в росте кристаллов льда тесно связана с тем, как биополимеры регулируют рост различных неорганических кристаллов. Лучшее понимание этого может привести к созданию новых материалов», - добавил он.