В противоположность тому, чему вас, вероятно, учили, вода не всегда замерзает при 0 °C. Знание о том, или контроль того, при какой температуре замерзает вода (начиная с процесса зарождения кристалла льда), важно для ответа на вопрос, будет ли достаточно снега для катания на лыжах и случится ли завтра град.
Природе удалось найти различные способы контролировать образование льда. В статье профессора Университета Юты (The University of Utah) Валерии Молинеро (Valeria Molinero) и её коллег, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, показано, как ключевые белки, вырабатываемые бактериями и насекомыми, могут способствовать или препятствовать образованию льда, в зависимости от их длины и способности объединяться для формировании больших ледяных поверхностей. Полученные результаты будут иметь широкое применение, особенно для понимания механизма формирования атмосферных осадков в облаках.
«Теперь мы способны предсказывать температуру, при которой бактерия будет кристаллизовать лёд, в зависимости от того, сколько у неё льдообразующего белка, — говорит Молинеро. — Мы можем предсказать температуру, при которой белки-антифризы, маленькие и не работающие при очень низких температурах, могут кристаллизовать лёд».
Давно известно, что жизнь любит вмешиваться в образование льда. Насекомые, рыбы и растения вырабатывают различные формы белков-антифризов, чтобы выживать в условиях сильных заморозков. А растительные патогены, в частности бактерия Pseudomonas syringae, сиреневый псевдомонас, используют белки, способствующие образованию льда, причиняя вред организму хозяина. Прежде чем говорить о том, как работает белок, нужно освежить знания о том, как замерзает лёд.
Чистая вода, без примесей, не замёрзнет, пока не охладится менее чем до −35 °C. Это температура, при которой молекулы воды спонтанно укладываются в кристаллическую решётку и захватывают с собой другие молекулы. Однако чтобы начать процесс замораживания при более высокой температуре, между молекулами воды должно что-то содержаться, например, пылинка, частичка сажи или другие примеси, с которых может начаться формирование кристаллической решётки.
Создающие лёд белки, как те, что производит P. syringae, стягивают образующиеся кристаллы льда таким образом, чтобы снизить энергию, затрачиваемую на дополнительное замораживание. Они также могут собираться вместе для увеличения кристаллизующей мощности.
Белки могут быть настолько эффективны, что лёд кристаллизуется при температуре −2 °C. На горнолыжных курортах уже используются льдообразующие белки, а компания Snomax International продаёт содержащую P. syringae добавку — дающую первоначальный импульс для формирования снега в снегогенераторах.
Белки-антифризы также связываются со льдом, они заставляют его образовывать искривлённую поверхность, препятствующую дополнительному замораживанию и требующую гораздо более низкой температуры для обледенения. Кроме того, белки-антифризы не собираются вместе. «Они эволюционировали, чтобы быть одиночками, потому что их задача — находить лёд и прилипать к нему», — говорит Молинеро.
Всё это было известно и ранее, включая тот факт, что белки-антифризы относительно малы, а белки, способствующие кристаллизации, относительно большие. Однако не было известно, как именно размер и сцепляющее поведение белков влияют на температуру образования льда.
Молинеро и её коллеги провели моделирование взаимодействия белковых молекул с молекулами воды, чтобы посмотреть, как белки влияют на температуру образования льда. По словам Молинеро, белки-антифризы и белки, способствующие образованию льда, пристают ко льду с равной силой.
«Природа „одним выстрелом“ решает две различные проблемы, — говорит она, — используя антифриз и кристаллизацию просто изменением размера белков и их способностью объединяться, чтобы формировать поверхность льда».
Моделирование показало, что белки-антифризы кристаллизуются при температуре чуть выше −35 °C, что соответствует экспериментальным данным. Удлинение моделируемых белков приводило к повышению температуры образования кристаллов льда, причём повышение происходило после достижения определённой длины. Моделирование предсказало, что дальнейшая сборка около 35 бактериальных белков в более крупные домены была ключом к достижению значений температуры льдообразования, как в присутствии P. syringae, — около −2 °C.
«Теперь мы можем создавать новые белки или синтетические материалы, образующие кристаллы льда при определённой температуре», — говорит Молинеро.
Результаты исследования могут получить широкое применение — вплоть до управления в будущем водными ресурсами Земли.
Атмосферные осадки начинаются со льда, кристаллизующегося и растущего до тех пор, пока он не станет достаточно тяжёлым для выпадения. На больших высотах, где холоднее, сажа и пыль вызывают кристаллизацию. На меньших высотах не пыль заставляет воду кристаллизоваться, а бактерии.
Те же белки бактерии P. syringae, способствующие образованию снега на горнолыжных курортах, влияют на образование льда при более высоких температурах, что приводит к выпадению осадков из облаков на меньших высотах. В условиях потепления климата результаты исследования Молинеро могут помочь специалистам по моделированию климата лучше понять условия формирования облаков и осадков и спрогнозировать, как потепление повлияет на кристаллизацию и выпадение осадков в будущем.
«Способность предсказывать, замёрзнут ли облака, имеет огромное значение в климатических моделях, поскольку от образования льда зависит количество осадков, а также соотношение поглощения и отражения солнечной энергии нашей атмосферой, — говорит Молинеро. — Сложно предсказать, будет кристаллизоваться лёд в облаках или нет, это основное ограничение нашей способности предсказывать погоду и строить климатические модели. Общая картина заключается в том, что теперь мы понимаем, как белки используют свой размер и способность скапливаться для управления тем, сколько они могут образовать льда».