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我们现在知道昆虫和细菌如何控制冰

与你所教授的相反,水并不总是在32华氏度(零摄氏度)下结冰。了解或控制水将在什么温度下冻结(从称为成核的过程开始)对于回答诸如滑雪场是否有足够的积雪或明天是否会下雨等问题至关重要。

尽管如此,大自然已经想出了控制冰的形成的方法,并且在今天发表在美国犹他大学美国化学学会杂志上的一篇论文中,教授Valeria Molinero和她的同事展示了细菌和昆虫中产生的关键蛋白质如何促进或者根据它们的长度和它们组合形成大型冰结合表面的能力来抑制冰的形成。结果具有广泛的应用,特别是在理解云中的降水方面。

“我们现在能够根据它有多少冰核蛋白来预测细菌成核冰的温度,”Molinero说,“我们能够预测抗冻蛋白的温度,它们非常小,通常在非常低的温度下不起作用,可以使冰成核。“

什么是冰成核?

人们早就知道生活喜欢惹冰。昆虫,鱼类和植物都产生各种形式的抗冻蛋白,以帮助它们在低于冰点的条件下生存。并且植物病原体,特别是细菌假单胞菌(Pseudomonas syringae),使用促进冰形成的蛋白质来诱导宿主的损伤。然而,在我们谈论这些蛋白质是如何工作之前,我们需要快速了解冰冻结的方式。

纯净水,没有杂质,直到达到-35摄氏度(-31华氏度)才会冻结。这就是水分子自发排列成晶格并开始招募其他分子加入的温度。然而,为了在较温暖的温度下开始冷冻过程,水分子需要一些东西来保持,就像一团尘埃,烟灰或其他杂质,它可以开始建立其晶格。这是称为成核的过程。

冰核蛋白,如Ps中的那些。丁香科,与新生冰微晶结合,以减少额外冷冻的能量成本。它们还可以聚集在一起,以进一步增强其成核能力。“这是很多小组工作!”莫林罗说。

造雪大炮

这些蛋白质可以非常有效,它们可以在温度为-2摄氏度(29华氏度)的温度下使冰成核。冰核蛋白已经在滑雪胜地投入使用,科罗拉多的Snomax International公司推出了含有Ps的添加剂。丁香科技为制雪机提供了动力。

然而,抗冻蛋白也与冰结合,但迫使它形成弯曲的表面,阻止额外的冷冻,并且需要更冷的温度才能使冰生长。此外,抗冻蛋白质不会聚集在一起。“他们已经发展成为孤独者,因为他们的工作就是找到冰并坚持下去,”莫林罗说。

所有这些都是先前已知的,包括防冻蛋白质相对较小且冰核蛋白质相对较大的事实。然而,未知的是蛋白质的大小和聚集行为如何影响冰核的温度。这是Molinero和她的团队开始回答的问题。

一个“单个子弹”

Molinero和研究生Yuqing Qiu和Arpa Hudait进行了蛋白质与水分子相互作用的分子模拟,看看它们如何影响冰核的温度。Molinero说,防冻剂和冰核蛋白以几乎相同的强度与冰结合。

“大自然在交互方面使用单个子弹来解决两个完全不同的问题,”她说。“它在防冻剂或冰核之间的解决方式是通过改变蛋白质的大小和它们组合形成更大的冰结合表面的能力。”

他们发现,抗冻蛋白在-35摄氏度以上成核,这与实验数据相符。延长模拟蛋白质可以提高成核温度,在一定长度后达到稳定状态。模拟预测,将35种细菌蛋白质进一步组装成较大的区域是达到Ps冰成核性能的关键。丁香,成核温度为-2摄氏度(29华氏度)。

“现在我们可以设计出能够在特定温度下成核冰的新蛋白质或合成材料,”Molinero说。

为什么重要

这一发现的含义一直延伸到地球上的水的未来。

降水开始于冰,它会成核并生长,直到它沉重到足以沉淀。在较高的地方,较冷,烟灰和灰尘可以起到触发成核的作用。但是在低海拔地区,不是尘埃会触发成核 - 它就是细菌。

是的,Ps中的蛋白质相同。在滑雪胜地帮助造雪的丁香科也有助于在较温暖的温度下形成冰,使低空云层沉淀。在气候变暖的情况下,Molinero的研究结果可以帮助气候建模者更好地了解云的形成和降水条件,并预测变暖将如何影响未来的冰核和降水量。

“预测云是否会冻结的能力在气候模型中非常重要,因为冰的形成决定了降水以及我们大气吸收和反射的太阳能的比例,”莫林罗说。“预测冰是否会在云中形成核能的挑战是天气和气候模型预测能力的主要限制因素。”

然而,在一个小得多的规模上,防冻剂和冰核蛋白可以在微调的冰舞中一起使用:一些昆虫使用抗冻蛋白来保护自己,直到-8摄氏度(18华氏度),但是在较低温度下使用冰核蛋白,以便在失控之前控制冰的生长。

“大局观是我们现在了解蛋白质如何利用它们的大小和聚集来调节它们能够使冰成核的程度,”Molinero说。“我认为这非常强大。”

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