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一个常见自然过程的新见解:水结晶形成冰

发表时间:2024/04/07 17:50:46  来源:原理  浏览次数:948  
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在地球上,水结晶形成冰是一种最普遍的从液体到固体的相变。尽管冰的形成是自然界中最常见的基本物理过程,但对于科学家而言,这个过程仍然神秘。

在中学课本中,我们学习到:在标准大气压下,纯水结冰的温度为零摄氏度(0℃)。但事实上,由于相变中存在固有的能障,水不一定会在零度结冰,纯水微滴甚至可以被过冷到零下46摄氏度(-46℃),当温度降到更低的情况下时,水似乎才难以避免地结成冰。

这是因为在自然界中,冰的形通常需要一些能让水分子在其表面结晶的颗粒存在,这一过程被称为成核,这些颗粒被称为冰成核剂,它们具有生物和非生物起源。

为了适应在寒冷环境中生存,生物已经进化出了有效的分子策略来控制冰的成核和生长。尽管这些策略都是在各种不同的生物领域独立发展的,但这些过程似乎都涉及到蛋白质。以细菌为例,科学家已经证实细菌会利用大的蛋白质结构来构建性能优越的制冰复合物。然而,真菌的冰成核剂的分子基础,却尚未得到很好的理解

在一项新发表于《美国国家科学院院刊》的研究中,德国马普所和美国犹他大学的研究人员通过结合一系列实验、数值模拟,以及理论方法,阐明了一种名为锐顶镰刀菌(Fusarium acuminatum)的真菌的大小和性质,为由真菌产生的冰成核剂在冰的形成过程中所起的作用,提供了新的见解

生物控制冰的能力

在过去的研究中,科学家已经发现,非生物冰成核剂通常可以将结冰温度从-46℃提高到-15℃~-30°C。而由细菌、真菌等生物产生的冰核剂则更加活跃,可以在-2℃~-15°C的温度下促进冰的形成。

真菌的冰成核活性最早是在镰刀菌属(Fusarium)中发现的。镰刀菌属广泛分布在植物和动物中,是在冰成核活性领域中被研究得最多的真菌。然而,有别于细菌的是,科学家们并不了解在真菌中负责冰成核活性的大分子,有着怎样的化学组成和结构

在新的研究中,为了探索与真菌有关的冰成核剂的特征和性质,研究人员对锐顶镰刀菌中的冰成核剂的组成、结构和活性展开了调查,其研究目标是确定这种真菌的冰成核大分子的性质和大小。

在锐顶镰刀菌的冰核剂中生长的六边形冰晶。(图/PNAS)

研究结果表明,这种真菌能够产生超级微小的蛋白质,这些蛋白质可以聚集成更大的冰成核复合物,这些复合物中可以包含100多个亚基,具有非常高的冰成核活性

除了这些真菌之外,研究人员还在其他生物中观察到了从较小的结构单元形成更大的聚集物的过程。他们由此得出结论认为,使用小蛋白质来构建更大的结构,是生物创建有效的生物冰成核剂的常见策略

不同的进化,相同的结果

研究人员表示,自然界中所有非常高效的冰成核过程似乎都是由蛋白质完成的,虽然这些蛋白质在尺寸上存在很大的差异。当我们审视那些可以形成冰核的生物,比如昆虫、地衣、细菌和真菌,会发现这些非常强效的冰成核剂似乎都是独立进化而来的,研究人员对于在冰成核方面,如此众多的不同生物都进化出类似的能力感到惊奇。

随着新的发现相继出现,更多的问题也随之而来,比如:这些蛋白质为什么会聚集?它们又是如何聚集的?它们是故意为之,还是这些蛋白质是为了其他目的而产生的,只是恰好它们具有这种使冰成核的特性?

解决这些问题需要跨学科合作,将化学、生物物理学和生物学各个领域的专家聚集在一起。研究人员表示,虽然通过这项研究,他们尚不能完全了解冰成核的生态优势及其在云形成和降水中所起到的作用,但这项研究可以提高食品冷冻过程、造雪或人工降雨的效率。

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