Противно на общоприетото мнение, водата не винаги замръзва до лед при 0 градуса по Целзий.
Познанието или контролът на температурата, при която водата ще замръзне (което започва с процес, наречен нуклеация), е от решаващо значение за отговора на въпроси, като например дали ще има достатъчно сняг на ски пистите или дали ще вали утре.
Природата е измислила начини да контролира образуването на лед, но в статия, публикувана преди дни в списанието на Американското химическо общество (Journal of the American Chemical Society), професор Валерия Молинеро (Valeria Molinero) от Университета на Юта и нейните колеги показват как ключови протеини, произведени в бактерии и насекоми, могат или да стимулират или да възпрепятстват образуването на лед, въз основа на тяхната дължина и способността им да се обединяват, за да образуват големи повърхности, свързващи леда. Резултатите имат широко приложение, особено за по-доброто разбиране на обрауването на валежите в облаците.
"Сега можем да предвидим температурата, при която бактериите ще предизвикат процеса на нуклеация на леда, в зависимост от това количеството лед-нуклеиращи протеини", отбелязва Молинеро, "и можем да предвидим температурата, при която антифризните протеини, които са много малки и обикновено не работят при много ниски температури, могат да предизвикат нуклеация на лед".
Какво е нуклеация на леда?
Насекомите, рибите и растенията произвеждат различни форми на протеини против замръзване, които им помагат да оцелеят в условия на ниски температури. А растителните патогени, по-специално бактерията Pseudomonas syringae, използват протеини, които стимулират образуването на лед, за да предизвикат увреждане в техните гостоприемници.
Но преди да говорим за това как работят тези протеини, е нужно да си припомним начина, по който замръзва ледът.
Чистата вода, без примеси, може да не замръзне, докато не достигне -35 градуса С. Това е температурата, при която водните молекули спонтанно ще се организират в кристална решетка и ще започнат да привличат други молекули, които да се присъединят. За да започне процеса на замръзване при по-високи температури обаче водните молекули се нуждаят от нещо, за което да се задържат, като прашинка, сажди или други примеси, върху които може да започне изграждането на тяхната кристална решетка. Това е процес, който се нарича нуклеация.
Предизвикващите нуклеация на леда протеини, такива като тези в Ps. syringae, се свързват към зараждащите се ледени кристали по такъв начин, че намаляват енергийните разходи за разрастването на леда. Те могат също така да се свързват заедно, за да подобрят още повече силата на нуклеацията. "Това е много работа в екип!", казва Молинеро.
Машина за сняг
Тези протеини могат да бъдат толкова ефективни, че да предизвикват нуклеация на леда при температури, високи до -2 градуса С. Вече се използват лед-нуклеиращи протеини в ски курорт в Колорадо с добавка, съдържаща Ps. syringae, която подпомагат машините за сняг.
Антифризните протеини също се свързват с леда, но предизвикват образуването на неравна повърхност, която възпира замръзването и изисква много по-ниски температури, за да нараства ледът. Антифризните протеини не се съединяват заедно. "Те са се превърнали в самотници, тъй като тяхната работа е да намерят лед и да се свържат към него," коментира Молинеро.
Всичко това досега бе известно, включително и фактът, че антифризните протеини са сравнително малки, а лед-нуклеиращите протеини са относително големи. Това, което обаче не бе известно, бе как размерите и агрегиращото поведение на протеините влияят върху температурата на образуване на лед. Това е въпросът, на който Молинеро и нейният екип решават да отговорят.
С "един куршум"
Молинеро и екипът проведоха молекулярни симулации на протеинови взаимодействия с водни молекули, за да видят как те влияят върху температурата на образуване на лед. Антифризните и лед-нуклеиращите протеини, отбелязва Молинеро, се свързват с леда с почти еднаква сила.
"Природата използва един и същ начин по отношение на взаимодействието, за да се справи с два напълно различни проблема", казва Молинеро. "А начинът, по който се разделя въздействието между образуването на антифриз или образуването на лед, е чрез промяна на размера на протеините и тяхната способност да обединят силата си, за да образуват големи свързващи леда повърхности."
Учените откриват, че антифризните протеини, образуват ядра при малко над -35 градуса С, което съвпада с експериментални данни. Удължаването на тези протеини увеличава температурата на нуклеация, която се повишава след определена дължина. Симулациите прогнозират, че събирането на повече от около 35 бактериални протеина е ключово за постигане на ледообразуващото въздействие на Ps. syringae, при температура на нуклеация от -2 градуса С .
"Сега можем да проектираме нови протеини или синтетични материали, които образуват лед при определена температура", казва Молинеро.
Защо е важно това
Последиците от това откритие се простират чак до бъдещето на водата на Земята.
Валежите започват като ледени частици, които се зараждат около ядра и нарастват, докато станат достатъчно тежки, за да паднат като валежи. На големи височини, където е по-студено, саждите и прахът могат да изпълнят задачата за стартирането на нуклеацията.
Но на по-ниска надморска височина не праховите частици предизвикват нуклеацията, а бактериите.
Това са същите протеини в Ps. syringae, които помагат на оръдията за сняг в ски курортите, те съдействат и за образуването на лед при по-високи температури, позволявайки валежи о т по-ниски облаци. В един затоплящ се климат констатациите на Молинеро могат да помогнат за съставянето на климатични модели за по-добро разбиране на условията на образуване на облаци и валежите и прогнозата как затоплянето ще повлияе върху образуването на лед и валежите в бъдеще.
"Възможността да се предскаже дали облаците ще замръзнат или не, е изключително важно в климатичните модели, тъй като образуването на лед определя валежите, както и съотношението на погълнатата и отразена от нашата атмосфера слънчева енергия", подчертава Молинеро. "Предизвикателството да се предскаже дали ще се образува лед или не в облаците е основно ограничение на способността за прогнозиране на моделите на времето и климата."
В много по-малък мащаб обаче антифризните и лед-нуклеиращите протеини могат да се използват заедно в един фино настроен танц на леда: Някои насекоми използват протеини против замръзване, за да се защитят до около -8 градуса С, но след това използват лед-нуклеиращи протеини при по-ниски температури, за да ограничи растежа на леда, преди да излезе извън контрол.
"Общата картина е, че сега разбираме как протеините използват своя размер и групирането си, за да настроят фино колко лед да се образува", коментира Молинеро. "Мисля, че това е страхотно".
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари