Contrariamente a quanto ti è stato insegnato, l'acqua non si congela sempre a ghiaccio a 32 gradi F (zero gradi C). Sapendo, o controllando, a quale temperatura l'acqua si congelerà (a partire da un processo chiamato nucleazione) è di fondamentale importanza per rispondere a domande come se ci sarà o meno abbastanza neve sulle piste da sci o se pioverà o meno domani.

La natura ha escogitato modi per controllare la formazione del ghiaccio, anche se, e in un articolo pubblicato oggi su Giornale della Società Chimica Americana La professoressa dell'Università dello Utah Valeria Molinero e i suoi colleghi mostrano come le proteine ​​chiave prodotte nei batteri e negli insetti possono promuovere o inibire la formazione di ghiaccio, in base alla loro lunghezza e alla loro capacità di unirsi per formare grandi superfici che legano il ghiaccio. I risultati hanno ampia applicazione, in particolare nella comprensione delle precipitazioni nelle nuvole.

"Ora siamo in grado di prevedere la temperatura alla quale il batterio nucleerà il ghiaccio a seconda di quante proteine ​​​​nucleate dal ghiaccio ha, "Molinero dice, "e siamo in grado di prevedere la temperatura alla quale le proteine ​​antigelo, che sono molto piccoli e in genere non funzionano a temperature molto basse, può nucleare il ghiaccio."

Cos'è la nucleazione del ghiaccio?

È noto da tempo che alla vita piace pasticciare con il ghiaccio. insetti, pesci e piante producono tutti varie forme di proteine ​​antigelo per aiutarli a sopravvivere in condizioni sotto lo zero. E gli agenti patogeni delle piante, in particolare il batterio Pseudomonas syringae , impiegano proteine ​​che promuovono la formazione di ghiaccio per indurre danni nei loro ospiti. Prima di parlare di come funzionano queste proteine, anche se, abbiamo bisogno di un rapido aggiornamento su come si congela il ghiaccio.

Acqua pura, senza impurità, non si congelerà finché non raggiunge i -35 gradi C (-31 gradi F). Questa è la temperatura alla quale le molecole d'acqua si organizzeranno spontaneamente in un reticolo cristallino e inizieranno a reclutare altre molecole per unirsi. Per avviare il processo di congelamento a temperature più calde, però, le molecole d'acqua hanno bisogno di qualcosa a cui aggrapparsi, come un granello di polvere, fuliggine o altre impurità, su cui può iniziare a costruire il suo reticolo cristallino. Questo è il processo chiamato nucleazione.

proteine ​​nucleanti di ghiaccio, come quelli in ps. siringhe , si legano ai cristalliti di ghiaccio nascenti in modo tale da ridurre il costo energetico del congelamento aggiuntivo. Possono anche aggregarsi insieme per migliorare ulteriormente il loro potere nucleante. "È un sacco di lavoro di gruppo!" dice Molinero.

Un cannone per innevamento

Queste proteine ​​possono essere così efficienti da poter nucleare il ghiaccio a temperature fino a -2 gradi C (29 gradi F). Le proteine ​​nucleanti del ghiaccio vengono già utilizzate nelle stazioni sciistiche, con la Snomax International, con sede in Colorado, che commercializza un additivo contenente ps. siringhe che dà una spinta agli impianti di innevamento.

proteine ​​antigelo, però, si legano anche al ghiaccio, ma costringerlo a sviluppare una superficie curva che scoraggia un ulteriore congelamento e richiede temperature molto più fredde per la crescita del ghiaccio. Anche, le proteine ​​antigelo non si aggregano tra loro. "Si sono evoluti per essere solitari, poiché il loro compito è trovare il ghiaccio e attaccarlo, "dice Molinero.

Tutto questo era noto in precedenza, compreso il fatto che le proteine ​​antigelo erano relativamente piccole e le proteine ​​nucleanti del ghiaccio erano relativamente grandi. Quello che non si sapeva, anche se, era il modo in cui le dimensioni e i comportamenti di aggregazione delle proteine ​​influenzavano la temperatura di nucleazione del ghiaccio. Questa è la domanda a cui Molinero e il suo team hanno cercato di rispondere.

Un "unico proiettile"

Molinero e gli studenti laureati Yuqing Qiu e in Arpa Hudait hanno condotto simulazioni molecolari delle interazioni delle proteine ​​con le molecole d'acqua per vedere come influenzano la temperatura della nucleazione del ghiaccio. Proteine ​​antigelo e nucleanti di ghiaccio, Molinero dice, si legano al ghiaccio con forza quasi uguale.

"La natura sta usando un singolo proiettile in termini di interazioni per affrontare due problemi completamente diversi, ", dice. "E il modo in cui si è risolto tra l'antigelo o la nucleazione del ghiaccio è stato il cambiamento delle dimensioni delle proteine ​​e la loro capacità di unirsi per formare superfici più grandi che legano il ghiaccio".

proteine ​​antigelo, hanno trovato, nucleato appena sopra -35 gradi C, che combacia con i dati sperimentali. L'allungamento delle proteine ​​simulate ha aumentato la temperatura di nucleazione, che si è stabilizzato dopo una certa lunghezza. Le simulazioni hanno predetto che l'ulteriore assemblaggio di circa 35 proteine ​​batteriche in domini più grandi era la chiave per raggiungere le prestazioni di nucleazione del ghiaccio di ps. siringhe , con una temperatura di nucleazione di -2 gradi C (29 gradi F).

"Ora possiamo progettare nuove proteine ​​o materiali sintetici che nucleano il ghiaccio a una temperatura specifica, "dice Molinero.

Perchè importa

Le implicazioni di una tale scoperta si estendono fino al futuro dell'acqua sulla Terra.

Le precipitazioni iniziano come ghiaccio, che nuclea e cresce finché non è abbastanza pesante da precipitare. Ad alta quota dove fa più freddo, fuliggine e polvere possono svolgere il compito di innescare la nucleazione. Ma a quote più basse, non è la polvere che innesca la nucleazione, sono i batteri.

Sì, le stesse proteine ​​in ps. siringhe che favoriscono l'innevamento delle stazioni sciistiche favoriscono anche la formazione di ghiaccio a temperature più calde, permettendo alle nubi di bassa quota di precipitare. In un clima caldo, Le scoperte di Molinero possono aiutare i modellisti climatici a comprendere meglio le condizioni di formazione delle nuvole e precipitazioni e prevedere come il riscaldamento influenzerà la quantità di nucleazione e precipitazioni del ghiaccio in futuro.

"La capacità di prevedere se le nuvole si congeleranno o meno è estremamente importante nei modelli climatici, perché la formazione del ghiaccio determina le precipitazioni e anche il rapporto tra l'energia solare assorbita e riflessa dalla nostra atmosfera, " Dice Molinero. "La sfida di prevedere se il ghiaccio nucleerà o meno nelle nuvole è una delle principali limitazioni alla capacità predittiva dei modelli meteorologici e climatici".

A una scala molto più piccola, però, le proteine ​​antigelo e nucleante del ghiaccio possono essere impiegate insieme in una danza del ghiaccio messa a punto:alcuni insetti usano proteine ​​antigelo per proteggersi fino a circa -8 gradi C (18 gradi F), ma poi impiegano proteine ​​nucleanti di ghiaccio a temperature più basse per contenere la crescita del ghiaccio prima che sfugga di mano.

"Il quadro generale è che ora capiamo come le proteine ​​usano la loro dimensione e aggregazione per modulare quanto possono nucleare il ghiaccio, " Dice Molinero. "Penso che questo sia abbastanza potente."