跟我们所熟知的相反，水并不总是在0℃结冰。知道或控制水在何种温度下结冰（开始于成核）是至关重要的，回答这样的问题将有助于我们预测雨雪天气。根据4月12日发表在《美国化学学会期刊》上的一项研究，美国犹他大学的Valeria Molinero教授等人描述了细菌和昆虫生产的关键蛋白质可以促进或抑制冰的形成，这一结果具有广泛的应用，特别是在理解云中的降水方面。
没有杂质的纯水在零下35℃才会结冰，在这个温度下，水分子会自发地排列成晶格，并开始吸引其他分子加入。然而，要在更高的温度下开始结冰过程，水分子还需要一些其他的东西，比如灰尘、煤烟或其他杂质，这样水分子就可以在上面形成晶格，这就是成核的过程。
昆虫、鱼类和植物都会产生各种形式的抗冻蛋白，以帮助它们在低温条件下生存。而植物病原体，尤其是紫丁香假单胞菌，能够利用蛋白质促进冰的形成，诱导宿主受到伤害。
形成冰核的蛋白质，如紫丁香假单胞菌中的蛋白质，与初生的冰晶结合，从而降低额外冷冻的能量成本。它们还可以聚合在一起，进一步增强成核能力。这些蛋白质非常有效，它们可以在-2℃下形成冰核。冰核蛋白已经在滑雪场投入使用，以促进造雪机的运转。
然而，抗冻蛋白也会与冰结合，它会迫使冰形成一个弯曲的表面，从而阻止额外的冻结，使其需要更低的温度才能结冰。此外，抗冻蛋白不会聚集在一起。Molinero说：“它们已经进化成独行侠，它们的工作就是找到冰核并附着在上面坚持住。”
此外，我们还知道抗冻蛋白相对较小而冰核蛋白相对较大。但是，我们还不知道这些蛋白质的大小和聚集行为如何影响冰成核的温度，这正是Molinero的团队着手解决的问题。
Molinero和研究生Yuqing Qiu以及Arpa Hudait对蛋白质与水分子的相互作用进行了分子模拟，以观察它们如何影响冰成核的温度。Molinero说，防冻剂和冰核蛋白与冰的结合强度几乎相同。她说：“大自然用一颗子弹就解决了两个完全不同的问题。它通过改变蛋白质的大小和它们形成更大的冰结合表面的能力解决了抗冻和成核两个问题。”
研究人员发现，抗冻蛋白的成核温度略高于-35℃，这与实验数据相符。延长模拟蛋白可以提高成核温度，但这在一定长度后会趋于稳定。模拟结果表明，在成核温度为-2℃的条件下，进一步将约35种细菌蛋白组装成更大的结构域，是实现聚乳酸链球菌成核性能的关键。Molinero说：“我们现在能够预测细菌形成冰核的温度，这个成核温度取决于细菌有多少冰核蛋白，同样也能够预测抗冻蛋白的成核温度。在知悉蛋白质如何利用大小和聚集来调节冰成核的程度之后，我们可以设计新的蛋白质或合成材料，使冰在特定的温度下成核。”
这一发现的意义一直延伸到地球水资源的未来。降水开始于冰，冰成核并增长，直到它重到可以沉淀下来。在较冷的高海拔地区，煤烟和灰尘会触发成核。但在低海拔地区，引发成核的不是灰尘，而是细菌。
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编译：花花
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《美国化学学会期刊》
期刊编号：0002-7863
原文链接：https://phys.org/news/2019-04-insects-bacteria-ice.html
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