Vi ved nu, hvordan insekter og bakterier kontrollerer is

I modsætning til hvad du måske er blevet lært, vand fryser ikke altid til is ved 32 grader F (nul grader C). Vidende, eller kontrollere, ved hvilken temperatur vand vil fryse (starter med en proces kaldet nukleation) er kritisk vigtigt for at besvare spørgsmål som om der vil være sne nok på skiløjperne, eller om det vil regne i morgen eller ej.

Naturen har fundet på måder at kontrollere isdannelsen, selvom, og i et papir, der blev offentliggjort i dag i Journal of the American Chemical Society Professor Valeria Molinero fra University of Utah og hendes kolleger viser, hvordan nøgleproteiner produceret i bakterier og insekter enten kan fremme eller hæmme dannelsen af ​​is, baseret på deres længde og deres evne til at gå sammen om at danne store isbindende overflader. Resultaterne har bred anvendelse, især i forståelsen af ​​nedbør i skyer.

"Vi er nu i stand til at forudsige den temperatur, ved hvilken bakterien kommer til at danne iskerner, afhængigt af hvor mange iskernedannende proteiner den har, "Molinero siger, "og vi er i stand til at forudsige den temperatur, hvor frostvæskeproteinerne, som er meget små og typisk ikke fungerer ved meget lave temperaturer, kan kerne is."

Hvad er isnukleation?

Det har længe været kendt, at livet kan lide at rode med is. Insekter, fisk og planter producerer alle forskellige former for frostvæskeproteiner for at hjælpe dem med at overleve under frysepunktet. Og plantepatogener, især bakterien Pseudomonas syringae , anvende proteiner, der fremmer dannelsen af ​​is for at inducere skade i deres værter. Før vi kan tale om, hvordan disse proteiner virker, selvom, vi har brug for en hurtig genopfriskning af, hvordan is fryser.

Rent vand, uden urenheder, fryser ikke, før den når -35 grader C (-31 grader F). Det er den temperatur, ved hvilken vandmolekylerne spontant vil arrangere i et krystalgitter og begynde at rekruttere andre molekyler til at deltage i. For at starte fryseprocessen ved varmere temperaturer, imidlertid, vandmolekyler har brug for noget at holde fast i, som et støvkorn, sod eller anden urenhed, hvorpå den kan begynde at bygge sit krystalgitter. Dette er den proces, der kaldes kernedannelse.

Iskernedannende proteiner, som dem i Ps. sprøjter , binde til begyndende iskrystallitter på en sådan måde, at energiomkostningerne ved yderligere frysning reduceres. De kan også aggregere sammen for yderligere at forbedre deres kernekraft. "Det er meget gruppearbejde!" siger Molinero.

En snemagningskanon

Disse proteiner kan være så effektive, at de kan danne is ved temperaturer så varme som -2 grader C (29 grader F). Iskernedannende proteiner bliver allerede taget i brug på skisportssteder, med Colorado-baserede Snomax International markedsføring af et tilsætningsstof indeholdende Ps. sprøjter der giver snemaskiner et løft.

Frostvæske proteiner, imidlertid, binder sig også til is, men tving den til at udvikle en buet overflade, der modvirker yderligere frysning og kræver meget koldere temperaturer for is at vokse. Også, frostvæskeproteiner aggregeres ikke sammen. "De har udviklet sig til at være enspændere, da deres job er at finde is og holde sig til den, "Siger Molinero.

Alt dette var tidligere kendt, herunder det faktum, at frostvæskeproteiner var relativt små, og iskernedannende proteiner var relativt store. Hvad man ikke vidste, selvom, var, hvordan proteinernes størrelse og aggregeringsadfærd påvirkede temperaturen af ​​iskernedannelse. Det spørgsmål satte Molinero og hendes team sig for at besvare.

En "enkelt kugle"

Molinero og kandidatstuderende Yuqing Qiu og i Arpa Hudait udførte molekylære simuleringer af proteininteraktioner med vandmolekyler for at se, hvordan de påvirkede temperaturen af ​​iskernedannelse. Frostvæske og iskernedannende proteiner, Molinero siger, bindes til is med næsten lige stor styrke.

"Naturen bruger en enkelt kugle med hensyn til interaktioner til at løse to helt forskellige problemer, " siger hun. "Og måden det er løst mellem frostvæske eller iskernedannelse er ved at ændre størrelsen af ​​proteinerne og deres evne til at slå sig sammen for at danne større isbindende overflader."

Frostvæske proteiner, de fandt, kerneformet ved lige over -35 grader C, som matchede eksperimentelle data. Forlængelse af de simulerede proteiner øgede nukleationstemperaturen, som plateau efter en vis længde. Simuleringerne forudsagde, at yderligere samling af omkring 35 bakterielle proteiner i større domæner var nøglen til at nå is-kerneydelsen til Ps. syringae , med en nukleationstemperatur på -2 grader C (29 grader F).

"Nu kan vi designe nye proteiner eller syntetiske materialer, der kerner is ved en bestemt temperatur, "Siger Molinero.

Hvorfor det betyder noget

Implikationerne af et sådant fund strækker sig hele vejen til fremtiden for vand på Jorden.

Nedbør begynder som is, som nukleerer og vokser, indtil det er tungt nok til at udfældes. I store højder, hvor det er koldere, sod og støv kan gøre arbejdet med at udløse kernedannelse. Men i lavere højder, det er ikke støv, der udløser kernedannelse – det er bakterier.

Ja, de samme proteiner i Ps. sprøjter at støtte snemåling på skisportssteder også hjælper isdannelse ved varmere temperaturer, tillader skyer i lav højde at falde ud. I et opvarmende klima, Molineros resultater kan hjælpe klimamodelbyggere til bedre at forstå betingelserne for skydannelse og nedbør og forudsige, hvordan opvarmning vil påvirke mængden af ​​iskernedannelse og nedbør i fremtiden.

"Evnen til at forudsige, om skyerne kommer til at fryse eller ej, er super vigtig i klimamodeller, fordi isdannelse bestemmer nedbør og også forholdet mellem solenergi absorberet og reflekteret af vores atmosfære, " siger Molinero. "Udfordringen med at forudsige, om is kommer til at danne kerne eller ej i skyer, er en væsentlig begrænsning af vejr- og klimamodellers forudsigelsesevne."

I en meget mindre skala, imidlertid, frostvæsken og iskernedannende proteiner kan bruges sammen i en finjusteret isdans:Nogle insekter bruger frostvæskeproteiner til at beskytte sig selv ned til omkring -8 grader C (18 grader F), men brug så iskernedannende proteiner ved lavere temperaturer for at begrænse isvækst, før det kommer ud af kontrol.

"Det store billede er, at vi nu forstår, hvordan proteiner bruger deres størrelse og aggregering til at modulere, hvor meget de kan nukleere is, " siger Molinero. "Jeg synes, det er ret kraftfuldt."