Вопреки тому, чему вас, возможно, учили, вода не всегда превращается в лед при температуре 32 градуса F (ноль градусов C). Знание или контроль того, при какой температуре вода замерзнет (начиная с процесса, называемого зародышеобразованием), критически важно для ответа на такие вопросы, как, например, будет ли достаточно снега на лыжных склонах или будет ли завтра дождь.
Природа придумала способы контролировать образование льда, и в статье, опубликованной сегодня в Журнале Американского химического общества, профессор Университета штата Юта Валерия Молинеро и ее коллеги показывают, как ключевые белки образуются в бактериях. а насекомые могут либо способствовать, либо препятствовать образованию льда в зависимости от их длины и их способности объединяться для образования больших поверхностей, связывающих лед. Результаты имеют широкое применение, особенно для изучения осадков в облаках.
«Теперь мы можем предсказать температуру, при которой бактерия собирается зародышеобразовать лед, в зависимости от того, сколько у нее образующих лед белков, - говорит Молинеро, - и мы можем предсказать температуру при что антифризные белки, которые очень малы и обычно не работают при очень низких температурах, могут образовывать кристаллы льда».
Что такое нуклеация льда?
Давно известно, что жизнь любит возиться со льдом. Насекомые, рыбы и растения производят различные формы белков-антифризов, которые помогают им выживать в условиях низких температур. А патогены растений, особенно бактерия Pseudomonas syringae, используют белки, которые способствуют образованию льда, чтобы вызвать повреждение у своих хозяев. Прежде чем мы сможем говорить о том, как работают эти белки, нам нужно вспомнить, как замерзает лед.
Чистая вода без примесей не замерзнет, пока не достигнет -35 градусов C (-31 градусов F). Это температура, при которой молекулы воды спонтанно организуются в кристаллическую решетку и начинают привлекать к себе другие молекулы. Однако, чтобы начать процесс замерзания при более высоких температурах, молекулам воды нужно за что-то держаться, например за пылинку., сажа или другие примеси, на которых он может начать строить свою кристаллическую решетку. Это процесс, называемый зародышеобразованием.
Зародышевые белки льда, такие как белки Ps. syringae, связываются с зарождающимися кристаллитами льда таким образом, чтобы снизить затраты энергии на дополнительное замораживание. Они также могут объединяться вместе, чтобы еще больше повысить свою зародышеобразующую способность. "Это большая групповая работа!" - говорит Молинеро.
Снежная пушка
Эти белки могут быть настолько эффективными, что могут образовывать кристаллы льда при температурах до -2 градусов по Цельсию (29 градусов по Фаренгейту). Белки, образующие ядра льда, уже используются на горнолыжных курортах, а компания Snomax International из Колорадо продает добавку, содержащую Ps.syringae, который повышает мощность машин для производства снега.
Протеины-антифризы, однако, также связываются со льдом, но заставляют его образовывать изогнутую поверхность, которая препятствует дополнительному замораживанию и требует гораздо более низких температур для роста льда. Кроме того, белки-антифризы не объединяются вместе. «Они превратились в одиночек, поскольку их работа - находить лед и держаться за него», - говорит Молинеро.
Все это было известно ранее, в том числе тот факт, что белки-антифризы были относительно небольшими, а белки, образующие зародыши льда, были относительно большими. Однако не было известно, как размеры и поведение агрегации белков влияют на температуру зарождения льда. Это вопрос, на который Молинеро и ее команда решили ответить.
Одинарная пуля
Молинеро и аспиранты Юцин Цю и Арпа Худайт провели молекулярное моделирование взаимодействия белков с молекулами воды, чтобы увидеть, как они влияют на температуру образования кристаллов льда. Молинеро говорит, что антифриз и белки, образующие ядро льда, связываются со льдом почти с одинаковой силой.
«Природа использует одну пулю с точки зрения взаимодействия для решения двух совершенно разных проблем», - говорит она. «И то, как это разрешилось между антифризом и зародышеобразованием льда, заключается в изменении размера белков и их способности объединяться для образования больших поверхностей, связывающих лед».
Они обнаружили, что антифризные белки зарождаются при температуре чуть выше -35 градусов по Цельсию, что соответствует экспериментальным данным. Удлинение смоделированных белков увеличивало температуру зародышеобразования, которая стабилизировалась после определенной длины. Моделирование предсказало, что дальнейшая сборка около 35 бактериальных белков в более крупные домены была ключом к достижению способности Ps образовывать зародыши льда. syringae с температурой зародышеобразования -2 градуса C (29 градусов F).
«Теперь мы можем создавать новые белки или синтетические материалы, которые образуют кристаллы льда при определенной температуре», - говорит Молинеро.
Почему это важно
Последствия такого открытия распространяются на будущее воды на Земле.
Осадки начинаются в виде льда, который зарождается и растет, пока не станет достаточно тяжелым, чтобы выпасть в осадок. На больших высотах, где холоднее, сажа и пыль могут вызвать зародышеобразование. Но на более низких высотах не пыль вызывает зародышеобразование, а бактерии.
Да, те же самые белки в Ps. syringae, которые помогают производить снег на горнолыжных курортах, также способствуют образованию льда при более высоких температурах, позволяя осаждаться низковысотным облакам. В условиях потепления климата выводы Молинеро могут помочь специалистам по моделированию климата лучше понять условия образования облаков и осадков, а также спрогнозировать, как потепление повлияет на количество зародышей льда и осадков в будущем..
«Возможность предсказывать, собираются ли облака замерзнуть или нет, очень важна в климатических моделях, потому что образование льда определяет количество осадков, а также соотношение солнечной энергии, поглощаемой и отражаемой нашей атмосферой», - говорит Молинеро.«Задача предсказать, будет ли лед образовываться в облаках или нет, является основным ограничением предсказательной способности моделей погоды и климата».
Однако в гораздо меньших масштабах антифриз и белки, образующие ядра льда, могут использоваться вместе в точно отлаженном танце льда: некоторые насекомые используют белки-антифризы, чтобы защитить себя при температуре около -8 градусов C (18 градусов). F), но затем используют зародышевые белки льда 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, насколько они могут образовывать ядра льда», - говорит Молинеро. «Я думаю, что это довольно мощно».