與你所教授的相反，水并不總是在32華氏度(零攝氏度)下結(jié)冰。了解或控制水將在什么溫度下凍結(jié)(從稱為成核的過程開始)對于回答諸如滑雪場是否有足夠的積雪或明天是否會下雨等問題至關(guān)重要。

盡管如此，大自然已經(jīng)想出了控制冰的形成的方法，并且在今天發(fā)表在美國猶他大學(xué)美國化學(xué)學(xué)會雜志上的一篇論文中，教授Valeria Molinero和她的同事展示了細(xì)菌和昆蟲中產(chǎn)生的關(guān)鍵蛋白質(zhì)如何促進(jìn)或者根據(jù)它們的長度和它們組合形成大型冰結(jié)合表面的能力來抑制冰的形成。結(jié)果具有廣泛的應(yīng)用，特別是在理解云中的降水方面。

“我們現(xiàn)在能夠根據(jù)它有多少冰核蛋白來預(yù)測細(xì)菌成核冰的溫度，”Molinero說，“我們能夠預(yù)測抗凍蛋白的溫度，它們非常小，通常在非常低的溫度下不起作用，可以使冰成核。“

什么是冰成核？

人們早就知道生活喜歡惹冰。昆蟲，魚類和植物都產(chǎn)生各種形式的抗凍蛋白，以幫助它們在低于冰點(diǎn)的條件下生存。并且植物病原體，特別是細(xì)菌假單胞菌(Pseudomonas syringae)，使用促進(jìn)冰形成的蛋白質(zhì)來誘導(dǎo)宿主的損傷。然而，在我們談?wù)撨@些蛋白質(zhì)是如何工作之前，我們需要快速了解冰凍結(jié)的方式。

純凈水，沒有雜質(zhì)，直到達(dá)到-35攝氏度(-31華氏度)才會凍結(jié)。這就是水分子自發(fā)排列成晶格并開始招募其他分子加入的溫度。然而，為了在較溫暖的溫度下開始冷凍過程，水分子需要一些東西來保持，就像一團(tuán)塵埃，煙灰或其他雜質(zhì)，它可以開始建立其晶格。這是稱為成核的過程。

冰核蛋白，如Ps中的那些。丁香科，與新生冰微晶結(jié)合，以減少額外冷凍的能量成本。它們還可以聚集在一起，以進(jìn)一步增強(qiáng)其成核能力。“這是很多小組工作!”莫林羅說。

造雪大炮

這些蛋白質(zhì)可以非常有效，它們可以在溫度為-2攝氏度(29華氏度)的溫度下使冰成核。冰核蛋白已經(jīng)在滑雪勝地投入使用，科羅拉多的Snomax International公司推出了含有Ps的添加劑。丁香科技為制雪機(jī)提供了動力。

然而，抗凍蛋白也與冰結(jié)合，但迫使它形成彎曲的表面，阻止額外的冷凍，并且需要更冷的溫度才能使冰生長。此外，抗凍蛋白質(zhì)不會聚集在一起。“他們已經(jīng)發(fā)展成為孤獨(dú)者，因?yàn)樗麄兊墓ぷ骶褪钦业奖?jiān)持下去，”莫林羅說。

所有這些都是先前已知的，包括防凍蛋白質(zhì)相對較小且冰核蛋白質(zhì)相對較大的事實(shí)。然而，未知的是蛋白質(zhì)的大小和聚集行為如何影響冰核的溫度。這是Molinero和她的團(tuán)隊(duì)開始回答的問題。

一個(gè)“單個(gè)子彈”

Molinero和研究生Yuqing Qiu和Arpa Hudait進(jìn)行了蛋白質(zhì)與水分子相互作用的分子模擬，看看它們?nèi)绾斡绊懕说臏囟?。Molinero說，防凍劑和冰核蛋白以幾乎相同的強(qiáng)度與冰結(jié)合。

“大自然在交互方面使用單個(gè)子彈來解決兩個(gè)完全不同的問題，”她說。“它在防凍劑或冰核之間的解決方式是通過改變蛋白質(zhì)的大小和它們組合形成更大的冰結(jié)合表面的能力。”

他們發(fā)現(xiàn)，抗凍蛋白在-35攝氏度以上成核，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。延長模擬蛋白質(zhì)可以提高成核溫度，在一定長度后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。模擬預(yù)測，將35種細(xì)菌蛋白質(zhì)進(jìn)一步組裝成較大的區(qū)域是達(dá)到Ps冰成核性能的關(guān)鍵。丁香，成核溫度為-2攝氏度(29華氏度)。

“現(xiàn)在我們可以設(shè)計(jì)出能夠在特定溫度下成核冰的新蛋白質(zhì)或合成材料，”Molinero說。

為什么重要

這一發(fā)現(xiàn)的含義一直延伸到地球上的水的未來。

降水開始于冰，它會成核并生長，直到它沉重到足以沉淀。在較高的地方，較冷，煙灰和灰塵可以起到觸發(fā)成核的作用。但是在低海拔地區(qū)，不是塵埃會觸發(fā)成核 - 它就是細(xì)菌。

是的，Ps中的蛋白質(zhì)相同。在滑雪勝地幫助造雪的丁香科也有助于在較溫暖的溫度下形成冰，使低空云層沉淀。在氣候變暖的情況下，Molinero的研究結(jié)果可以幫助氣候建模者更好地了解云的形成和降水條件，并預(yù)測變暖將如何影響未來的冰核和降水量。

“預(yù)測云是否會凍結(jié)的能力在氣候模型中非常重要，因?yàn)楸男纬蓻Q定了降水以及我們大氣吸收和反射的太陽能的比例，”莫林羅說。“預(yù)測冰是否會在云中形成核能的挑戰(zhàn)是天氣和氣候模型預(yù)測能力的主要限制因素。”

然而，在一個(gè)小得多的規(guī)模上，防凍劑和冰核蛋白可以在微調(diào)的冰舞中一起使用：一些昆蟲使用抗凍蛋白來保護(hù)自己，直到-8攝氏度(18華氏度)，但是在較低溫度下使用冰核蛋白，以便在失控之前控制冰的生長。

“大局觀是我們現(xiàn)在了解蛋白質(zhì)如何利用它們的大小和聚集來調(diào)節(jié)它們能夠使冰成核的程度，”Molinero說。“我認(rèn)為這非常強(qiáng)大。”