我们现在知道昆虫和细菌如何控制冰

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2019年09月05日

  与你所传授的相反,水并不老是在32华氏度(零摄氏度)下结冰。领会或节制水将在什么温度下冻结(从称为成核的过程起头)对于回覆诸如滑雪场能否有足够的积雪或明天能否会下雨等问题至关主要。

  虽然如斯,大天然曾经想出了节制冰的构成的方式,而且在今天颁发在美国犹他大学美国化学学会杂志上的一篇论文中,传授Valeria Molinero和她的同事展现了细菌和虫豸中发生的环节卵白质若何推进或者按照它们的长度和它们组合构成大型冰连系概况的能力来抑止冰的构成。成果具有普遍的使用,出格是在理解云中的降水方面。

  “我们此刻可以或许按照它有几多冰核卵白来预测细菌成核冰的温度,”Molinero说,“我们可以或许预测抗冻卵白的温度,它们很是小,凡是在很是低的温度下不起感化,能够使冰成核。“

  什么是冰成核?

  人们早就晓得糊口喜好惹冰。虫豸,鱼类和动物都发生各类形式的抗冻卵白,以协助它们在低于冰点的前提下保存。而且动物病原体,出格是细菌假单胞菌(Pseudomonas syringae),利用推进冰构成的卵白质来诱导宿主的毁伤。然而,在我们谈论这些卵白质是若何工作之前,我们需要快速领会冰冻结的体例。

  纯清水,没有杂质,直达到到-35摄氏度(-31华氏度)才会冻结。这就是水分子自觉陈列成晶格并起头招募其他分子插手的温度。然而,为了在较温暖的温度下起头冷冻过程,水分子需要一些工具来连结,就像一团尘埃,烟灰或其他杂质,它能够起头成立其晶格。这是称为成核的过程。

  冰核卵白,如Ps中的那些。丁香科,与重生冰微晶连系,以削减额外冷冻的能量成本。它们还能够堆积在一路,以进一步加强其成核能力。“这是良多小组工作!”莫林罗说。

  这些卵白质能够很是无效,它们能够在温度为-2摄氏度(29华氏度)的温度下使冰成核。冰核卵白曾经在滑雪胜地投入利用,科罗拉多的Snomax International公司推出了含有Ps的添加剂。丁香科技为制雪机供给了动力。

  然而,抗冻卵白也与冰连系,但迫使它构成弯曲的概况,阻遏额外的冷冻,而且需要更冷的温度才能使冰发展。此外,抗冻卵白质不会堆积在一路。“他们曾经成长成为孤单者,由于他们的工作就是找到冰并对峙下去,”莫林罗说。

  所有这些都是先前已知的,包罗防冻卵白质相对较小且冰核卵白质相对较大的现实。然而,未知的是卵白质的大小和堆积行为若何影响冰核的温度。这是Molinero和她的团队起头回覆的问题。

  一个“单个枪弹”

  Molinero和研究生Yuqing Qiu和Arpa Hudait进行了卵白质与水分子彼此感化的分子模仿,看看它们若何影响冰核的温度。Molinero说,防冻剂和冰核卵白以几乎不异的强度与冰连系。

  “大天然在交互方面利用单个枪弹来处理两个完全分歧的问题,”她说。“它在防冻剂或冰核之间的处理体例是通过改变卵白质的大小和它们组合构成更大的冰连系概况的能力。”

  他们发觉,抗冻卵白在-35摄氏度以上成核,这与尝试数据相符。耽误模仿卵白质能够提高成核温度,在必然长度后达到不变形态。模仿预测,将35种细菌卵白质进一步拆卸成较大的区域是达到Ps冰成核机能的环节。丁香,成核温度为-2摄氏度(29华氏度)。

  “此刻我们能够设想出可以或许在特定温度下成核冰的新卵白质或合成材料,”Molinero说。

  这一发觉的寄义不断延长到地球上的水的将来。

  降水起头于冰,它会成核并发展,直到它繁重到足以沉淀。在较高的处所,较冷,烟灰和尘埃能够起到触发成核的感化。可是在低海拔地域,不是尘埃会触发成核 - 它就是细菌。

  是的,Ps中的卵白质不异。在滑雪胜地协助造雪的丁香科也有助于在较温暖的温度下构成冰,使低空云层沉淀。在天气变暖的环境下,Molinero的研究成果能够协助天气建模者更好地领会云的构成和降水前提,并预测变暖将若何影响将来的冰核和降水量。

  “预测云能否会冻结的能力在天气模子中很是主要,由于冰的构成决定了降水以及我们大气接收和反射的太阳能的比例,”莫林罗说。“预测冰能否会在云中构成核能的挑战是气候和天气模子预测能力的次要限制要素。”

  然而,在一个小得多的规模上,防冻剂和冰核卵白能够在微调的冰舞中一路利用:一些虫豸利用抗冻卵白来庇护本人,直到-8摄氏度(18华氏度),可是在较低温度下利用冰核卵白,以便在失控之前节制冰的发展。

  “大局观是我们此刻领会卵白质若何操纵它们的大小和堆积来调理它们可以或许使冰成核的程度,”Molinero说。“我认为这很是强大。”

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