Мікроби керують процесом замерзання води завдяки протеїнам, і ми можемо це використати

Утворення кристалів льоду

Група вчених з Університету Юти дослідила протеїни, які використовуються різними живими істотами від бактерій до комах у якості регуляторів температури замерзання води. Дослідники вважають, що цей механізм можна використати для керування погодою.

Коли замерзає вода?

У школі нам розповідали, що вода замерзає при нулі градусів за Цельсієм. Ті, хто вчились трошки краще, додають, що це відбувається за певних умов, найважливішою з яких є атмосферний тиск (точніше парціальний тиск водяної пари у газовій суміші над поверхнею води) та речовини, які містяться у  воді.

Взагалі-то, точна відповідь про температуру замерзання води виглядає так: за температури нижче нуля за Цельсієм тверда фаза є стабільнішою за рідку, але крига може утворюватися тільки у випадку наявності центрів кристалізації. Наприклад, дистильована вода може знаходитися у склянці у рідкому стані при температурі до -20 градусів за Цельсієм, але варто додати до неї шматочок криги — вона миттєво замерзне.

Замерзання дистильованої води при додаванні до неї криги

Проте контролювати температуру замерзання дистильованої води люди досі не дуже й навчились.

Бактерії, протеїни та крига

Не дивно, що група дослідників під керівництвом професора Валерії Молінаро з Університету Юти зацікавилася тим, як цим процесом керують бактерії та комахи, що виживають в умовах замерзання води навколо них. Зрозумілим було те, що вони використовують для цього білки, які в залежності від умов можуть виконувати як роль антифризу, так і роль затравки для нуклеації: початкового етапу формування кристалів криги.

Теорія передбачає, що температура початку нуклеації залежить від розмірів та форми часток, які стають її основою. Протеїни, які можуть виконувати роль антифризу, зазвичай менші та не вміють злипатися. Більші протеїни, навпаки, підвищують температуру нуклеації.

Бактерія Pseudosmonas syringae
Бактерія Pseudosmonas syringae, здатна змінювати температуру замерзання води.

Дослідники провели комп’ютерну симуляцію взаємодії різних протеїнів з молекулами води та визначили, як вони будуть впливати на температуру нуклеації води. Виявилося, що одні й ті самі протеїни у різних випадках можуть використовуватися живими істотами як у якості антифризу, так і в якості каталізатора нуклеації при заморожуванні.

Було виявлено 35 різних протеїнів, які здатні зміщувати точку замерзання при додаванні їх у воду.  Для цих речовин вчені визначили купу залежностей: вони складаються у складніші агрегати, створюючи таким чином частки певного розміру, які сприяють початку кристалізації при певній температурі.

Снігопади, викликані бактеріями

Однак усе це – тільки половина справи. Практичне застосування встановлених залежностей значно цікавіше. До прикладу, зараз один з протеїнів застосовується для інтенсифікації роботи снігової гармати на гірськолижному курорті у США. Однак у майбутньому застосування нового комплексу протеїнів дозволить впливати на  формування зародків кристалів криги у низьких хмарах чи хоча б передбачати, коли певна хмара зможе породити сніг чи дощ.

Річ у тім, що крихітні крапельки води, з яких складаються хмари, починають кристалізуватися навколо різних часток пилу тільки на великих висотах — там, де температура є нижчою за точку замерзання дистильованої води. На висотах у кілька сотень метрів температура ще занадто висока, щоб кристали криги почали утворюватися навколо затравок. Однак, з таких хмар теж іде сніг. А відповідальні за це, як тепер встановили вчені, саме бактерії зі своїми протеїнами.

Тож, нові дослідження у майбутньому дозволять точно спрогнозувати снігопади низьких хмаринок або навіть викликати їх самостійно. А ще ця робота є чудовим прикладом дослідження однієї галузі науки, яке відкриває нам щось зовсім нове в іншій. Адже, як виявилося, одним із головних факторів погоди є фізична хімія станів води, яка, у свою чергу, визначається чисто біологічними чинниками.

 Journal of the American Chemical Society (2019), doi: 10.1021/jacs.9b01854

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 77 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.