In tegenstelling tot wat je misschien is geleerd, water bevriest niet altijd tot ijs bij 32 graden F (nul graden C). Weten, of controlerend, bij welke temperatuur water zal bevriezen (te beginnen met een proces dat kiemvorming wordt genoemd) is van cruciaal belang voor het beantwoorden van vragen zoals of er voldoende sneeuw op de skipistes zal liggen of dat het morgen zal regenen.

De natuur heeft manieren bedacht om de vorming van ijs te beheersen, Hoewel, en in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society Professor Valeria Molinero van de Universiteit van Utah en haar collega's laten zien hoe belangrijke eiwitten geproduceerd in bacteriën en insecten de vorming van ijs kunnen bevorderen of remmen, op basis van hun lengte en hun vermogen om samen te werken om grote ijsbindende oppervlakken te vormen. De resultaten zijn breed toepasbaar, vooral in het begrijpen van neerslag in wolken.

"We zijn nu in staat om de temperatuur te voorspellen waarbij de bacterie ijs gaat kiemen, afhankelijk van het aantal ijsvormende eiwitten die hij heeft. "Molinero zegt, "en we kunnen de temperatuur voorspellen waarbij de antivries-eiwitten, die erg klein zijn en meestal niet werken bij zeer lage temperaturen, kan ijs vormen."

Wat is ijskiemvorming?

Het is al lang bekend dat het leven graag met ijs knoeit. insecten, vissen en planten produceren allemaal verschillende vormen van antivries-eiwitten om hen te helpen overleven in omstandigheden onder het vriespunt. En plantpathogenen, vooral de bacterie Pseudomonas syringae , gebruik eiwitten die de vorming van ijs bevorderen om schade aan hun gastheren te veroorzaken. Voordat we kunnen praten over hoe deze eiwitten werken, Hoewel, we hebben een snelle opfriscursus nodig over hoe ijs bevriest.

Puur water, zonder onzuiverheden, zal niet bevriezen totdat het -35 graden C (-31 graden F) bereikt. Dat is de temperatuur waarbij de watermoleculen zich spontaan in een kristalrooster rangschikken en andere moleculen gaan rekruteren om mee te doen. Om het bevriezingsproces bij warmere temperaturen te starten, echter, watermoleculen hebben iets nodig om zich aan vast te houden, als een stofje, roet of andere onzuiverheden, waarop het zijn kristalrooster kan bouwen. Dit is het proces dat nucleatie wordt genoemd.

IJskiemvormende eiwitten, zoals die in Ps. spuiten , binden aan ontluikende ijskristallieten op een zodanige manier dat de energiekosten van extra bevriezing worden verlaagd. Ze kunnen ook samen aggregeren om hun kiemkracht verder te vergroten. "Het is veel groepswerk!" zegt Molinero.

Een sneeuwkanon

Deze eiwitten kunnen zo efficiënt zijn dat ze ijs kunnen vormen bij temperaturen tot -2 graden C (29 graden F). IJskiemvormende eiwitten worden al gebruikt in skigebieden, met het in Colorado gevestigde Snomax International dat een additief op de markt brengt dat: Ps. spuiten dat geeft sneeuwkanonnen een boost.

Antivries eiwitten, echter, binden ook aan ijs, maar dwing het om een ​​gebogen oppervlak te ontwikkelen dat extra bevriezing ontmoedigt en veel koudere temperaturen vereist om ijs te laten groeien. Ook, antivries-eiwitten aggregeren niet samen. "Ze zijn geëvolueerd tot eenlingen, omdat het hun taak is om ijs te vinden en eraan vast te houden, ' zegt Molinero.

Dit was allemaal al bekend, inclusief het feit dat antivries-eiwitten relatief klein waren en ijs-kiemvormende eiwitten relatief groot. Wat niet bekend was, Hoewel, was hoe de afmetingen en het aggregatiegedrag van de eiwitten de temperatuur van ijskiemvorming beïnvloedden. Dat is de vraag die Molinero en haar team wilden beantwoorden.

Een "enkele kogel"

Molinero en afgestudeerde studenten Yuqing Qiu en in Arpa Hudait voerden moleculaire simulaties uit van eiwitinteracties met watermoleculen om te zien hoe ze de temperatuur van ijskiemvorming beïnvloedden. Antivries en ijskiemvormende eiwitten, Molinero zegt, binden aan ijs met bijna gelijke sterkte.

"De natuur gebruikt een enkele kogel in termen van interacties om twee totaal verschillende problemen aan te pakken, " zegt ze. "En de manier waarop het is opgelost tussen antivries of ijskiemvorming is door de grootte van de eiwitten te veranderen en hun vermogen om samen te werken om grotere ijsbindende oppervlakken te vormen."

Antivries eiwitten, ze vonden, genucleëerd bij net boven -35 graden C, die overeenkwamen met experimentele gegevens. Het verlengen van de gesimuleerde eiwitten verhoogde de kiemvormingstemperatuur, die na een bepaalde lengte een plateau bereikte. De simulaties voorspelden dat het verder assembleren van ongeveer 35 bacteriële eiwitten in grotere domeinen de sleutel was om de ijskiemvorming van Ps. spuiten , met een kiemvormingstemperatuur van -2 graden C (29 graden F).

"Nu kunnen we nieuwe eiwitten of synthetische materialen ontwerpen die ijs bij een bepaalde temperatuur kiemen, ' zegt Molinero.

Waarom het uitmaakt

De implicaties van een dergelijke bevinding strekken zich helemaal uit tot de toekomst van water op aarde.

Neerslag begint als ijs, die kiemt en groeit totdat het zwaar genoeg is om neer te slaan. Op grote hoogten waar het kouder is, roet en stof kunnen kiemvorming veroorzaken. Maar op lagere hoogten, het is geen stof dat kiemvorming veroorzaakt - het zijn bacteriën.

Ja, dezelfde eiwitten in Ps. spuiten die helpen bij het maken van sneeuw in skigebieden, ook helpen bij de ijsvorming bij warmere temperaturen, laaggelegen wolken laten neerslaan. In een opwarmend klimaat, De bevindingen van Molinero kunnen klimaatmodelleurs helpen de omstandigheden van wolkenvorming en neerslag beter te begrijpen en te voorspellen hoe opwarming de hoeveelheid ijskiemvorming en neerslag in de toekomst zal beïnvloeden.

"Het vermogen om te voorspellen of de wolken gaan bevriezen of niet, is super belangrijk in klimaatmodellen, omdat ijsvorming de neerslag bepaalt en ook de verhouding van zonne-energie die wordt geabsorbeerd en gereflecteerd door onze atmosfeer, ", zegt Molinero. "De uitdaging om te voorspellen of ijs al dan niet zal kiemen in wolken, is een grote beperking van het voorspellende vermogen van weer- en klimaatmodellen."

Op veel kleinere schaal, echter, de antivries- en ijsvormende eiwitten kunnen samen worden gebruikt in een verfijnde ijsdans:sommige insecten gebruiken antivries-eiwitten om zichzelf te beschermen tot ongeveer -8 graden C (18 graden F), maar gebruik dan ijs-kiemvormende eiwitten bij lagere temperaturen om ijsgroei tegen te gaan voordat het uit de hand loopt.

"Het grote plaatje is dat we nu begrijpen hoe eiwitten hun grootte en aggregatie gebruiken om te moduleren hoeveel ze ijs kunnen vormen, " zegt Molinero. "Ik denk dat dit behoorlijk krachtig is."