З чого починається дощ?
Уявіть собі, що піднімаються в атмосфері пари води. Вони охолоджуються, утворюючи дрібні кристалики або крапельки, які скупчуються, формуючи хмари, а коли вага окремих злилися частинок стає занадто великий, з неба на нас йде дощ або сніг. Але до якої температури охолоджується вода в хмарах? Якщо вода дуже чиста, то вона не замерзає при 0 ° С і залишається рідкою до -36 ° С або навіть нижче - це явище називається надохолоджених води. Звичайна ж температура всередині хмари, при якій починають йти дощ або сніг, від -10 до -15 ° С.
Експеримент зі надохолоджених водою.
Малюнок 1. Схема утворення опадів. Зверніть увагу, що і сніг, і дощ починаються з освіти крижинок. Малюнок з [1].
Випадання опадів стає можливим завдяки зваженим в повітрі ядер конденсації. сформованим краплях або дрібним твердих частинок, наприклад, пилу і сажі, навколо яких скупчуються окремі молекули води. Вони ще не перестали бути парою або крапельками (діаметр в середньому 20 мікрометрів (0,006-0,035 мм) - дуже мало в порівнянні з падаючої на землю краплею дощу), але ймовірність переходу в твердий стан вже істотно зростає: ці водні агрегати знаходяться в метастабільних станів , тобто перехідному положенні між виваженої в повітрі рідкою водою і щільною кригою, сформованим навколо ядра. Залежно від температури різкий перехід всіх молекул води в тверду фазу відбувається з більшою або меншою ймовірністю, яка підвищується зі зниженням температури. Для кожного ядра конденсації характерна особлива температура утворення льоду. Таким чином, процес формування льоду впливає на випадання опадів і, крім того, на кількість сонячної радіації, відбитої або не відображення хмарами [1]. Варто додати, що в переважній більшості випадків з хмари спочатку випадає град або сніг, який тане і перетворюється в дощ ближче до землі (рис. 1).
З кінця 1950-х років вчені по всьому світу почали відтворювати хмари в лабораторних умовах і відчувати різні ядра конденсації, розраховуючи температуру утворення льоду. Для цього до ретельно очищеної і надохолоджених воді додавали різні речовини. Виявилося, що якщо використовувати в якості ядер частки мінеральної пилу, лід утворюється при температурі нижче -15 ° С. Однак, як було зазначено вище, в хмарах цей процес відбувається при більш високих температурах [1].
Випробування різних екстрактів з грунту, змивів з поверхні листя або навіть бактерій і грибів, знятих з рослин, показали, що органічні молекули можуть служити ядрами конденсації, що утворюють лід, іноді навіть при -1,3 ° С [1].
Таким чином, можливо, що за круговорот води в природі і «дозування» світла, що падає на землю, - за те, що принципово важливо для продовження життя на Землі, - відповідають істоти, на цій Землі живуть.
господарі льоду
Багато живих істот вміють виділяти молекули, що володіють здатністю формувати лід навколо себе. Вважається, що головна функція цих молекул - захистити організм від гострих кристалів льоду там, де вони можуть пошкодити живі клітини. Для цього вода заморожується на безпечній відстані. Роль ядер конденсації грають в основному білки, іноді ліпопротеїни. але є дані, що цукри на поверхні пилку теж можуть перетворювати холодну рідку воду в лід [2].
Молекули, службовці ядрами конденсації, були знайдені у рослин, комах, в крові риб, амфібій і рептилій, тобто у організмів, що живуть в умовах близько або нижче 0 ° С і не підтримують постійну температуру тіла. Але здається малоймовірним, що молекули тваринного походження з'являться в повітрі в достатній кількості, щоб регулювати роботу хмар. А ось пилок, до речі, досить часто виявляється в краплях дощу. Але, зрозуміло, головну роль в біологічному вплив на опади відіграють мікроорганізми: водорості, гриби (навіть грибний симбіонт з лишайників) і бактерії. Ці істоти самі можуть служити ядрами конденсації завдяки молекулам, що перебуває на їх поверхні [2].
Серед водоростей лід-формуючої здатністю точно мають види роду Chlorella - поширені мешканці грунту і води. Їх клітини викликають утворення льоду вже при -6 ° C. Відомо, що Chlorella spp. легко розносяться повітряними масами, але їх вклад в освіту опадів ще не вивчений [2].
Мікроскопічні свободноживущие гриби роду Fusarium також здатні заморожувати воду і можуть робити це при -5 ° C. В хмарах були виявлені різні штами Fusarium spp. Але в небо в основному піднімаються суперечки, і ще не доведено, чи несуть вони на своїй поверхні лід-формують молекули [2].
А найкраще, звичайно, описані заморожують воду бактерії. Цікаво, що всі відомі види бактерій, які беруть участь в утворенні льоду, належать до однієї групи γ-Proteobacteria (грамнегативні рухливі палички, не утворюють спор). Більшість з них так чи інакше пов'язане з рослинами (гамма-протеобактерии можуть бути як патогенами, так і комменсаламі і навіть стимуляторами росту рослин). Перерахуємо лише деякі з них: Pseudomonas syringae, P. viridiflava, P. fluorescens, P. borealis, Pantoea agglomerans, Pantoea ananatis і Xanthomonas campestris [2].
Здатність викликати формування льоду у Pseudomonas syringae була відкрита в 1972 році (рис. 2). Довжина її клітин приблизно 2 мкм, так що вони цілком можуть загубитися серед крапельок дощу (20 мкм, пам'ятаєте?). Ця бактерія вважається небезпечним шкідником в сільському господарстві, тому що завдає серйозні травми тканин рослин: кристали льоду проколюють клітинні стінки, звільняючи доступ до живильних речовин усередині клітин (рис. 3).
Малюнок 3. Лід на листках крапіви.Фото: Robert Reisman.
Білки в інеї
У всіх γ-Proteobacteria за утворення льоду відповідають дуже схожі між собою білки довжиною 800-1200 амінокислот. Назва цієї групи білків (INA) нагадує нам про інеї, а походить від англійських слів Ice Nucleation Activity. Одним кінцем білки INA закріплюються у зовнішній мембрані клітини, а їх центральні частини утворюють безліч петель β-укладання (рис. 4). Ця чітка структура допомагає впорядкувати молекули води і викликати утворення льоду. В оптимальних умовах білок здатний заморожувати воду при -1 ° С, але таке трапляється рідко, зазвичай він поєднується в комплекси (приблизно по 50 копій білка) на поверхні бактерії і бере участь в утворенні льоду при -2 ° С (рис. 5) [2 ].
Очищені білки INA і їх похідні використовуються для одержання штучного снігу, наприклад, на гірськолижних курортах або для моментальної заморозки продуктів.
Малюнок 4. Схема будови центральної частини білка INA. Кольором виділені амінокислоти, присутні у всіх білках цього типу. Вважається, що саме петлі утворюють слабкі донорно-акцепторні зв'язки з атомами водню в молекулах води. Малюнок з [2].
Малюнок 5. Формування льоду бактеріальним білком на поверхні рослини. Зеленим зображені паралельні петлі білка INA. Червоно-білі молекули - замерзла вода, протикали гострими голками лист рослини. Малюнок - Tobias Weidner (Max Planck Institute for Polymer Research).
Бактерії розкручують круговорот води
Мікроорганізми можуть підніматися в повітря практично з будь-якої поверхні і розноситися як паралельно землі, так і на великих висотах: наприклад, живі бактерії і гриби були виявлені в стратосфері. Концентрація мікроорганізмів у хмарі оцінюється приблизно в 30 тисяч клітин на кубічний метр хмари або 100 тисяч клітин в мілілітрі сконденсованої води (дослідники просіяли ділянки хмар і порахували кількість мікроорганізмів) [3]. Але поки мало що відомо про точні переміщеннях, кількостях і різноманітності клітин.
Завдяки здатності утворювати лід і викликати випадання опадів мікроорганізми отримують можливість спуститися на землю після повітряної подорожі. Вчені запропонували наступний цикл: бактерії, піднімаючись з листя рослин разом з випаровується вологою, виявляються в хмарі, переміщаються на великі відстані (типові грунтові мікроорганізми були виявлені навіть в снігах Антарктиди), а потім опускаються на землю зі снігом або дощем. Опади прискорюють ріст рослин, на поверхні яких розмножуються бактерії, готові знову відправитися в політ (рис. 6).
Малюнок 6. Бактерії в атмосфері беруть участь в утворенні опадів (дощу та снігу) і можуть повертатися на землю під час опадів (і без них теж) Малюнок з сайту microbewiki.kenyon.edu.
Щоб перевірити, як часто бактерії служать ядрами конденсації, дослідники зібрали зразки снігу біля міста Бозмен в Монтані (північ США, 1 451 м над рівнем моря), зі схилів французьких Альп і Піренеїв, з острова Росс біля Антарктиди і льодовика на Юконі (північ Канади) . Виявилося, що найбільше ядер конденсації знаходиться в снігу, що випав в нижніх широтах (США і Франції в порівнянні з Юконом і Антарктидою). Мабуть, над цими зонами температура всередині хмар значно вище, ніж біля полюсів. Але у всіх зразках були знайдені ядра конденсації біологічного походження. І серед них приблизно 40% виявилися бактеріями [4].
Таким чином, будь-який вплив на рух бактерій в атмосфері - засеіванія полів, вирубка лісів, зростання міст - може невідомим чином вплинути на кількість опадів, що випадають. Для півдня Америки було показано, що над великими містами, де тепле повітря піднімається значно швидше, ніж над сільською місцевістю, дощі йдуть частіше [5]. Існує гіпотеза, що над тропічними лісами рясні зливи викликані безліччю бактерій, що живуть в цьому лісі. Однак є роботи, де вплив бактерій на атмосферу оцінюється менше, ніж в 1% [6].
За 60 років досліджень в цій області була доведена роль бактерій в освіті опадів, але роль бактерій, водоростей, грибів, можливість їх розмноження в повітрі, шляхи руху в атмосфері і безліч інших питань залишаються предметом для подальшого вивчення.
Чудова зйомка, яка зафіксувала, як швидко замерзає надохолоджених вода, якщо в неї додати бактерій з білками INA. Зверніть увагу, що термостат показує температуру, при якій вода сама не замерзає - і це -7 ° С.
цікаві посилання
Сайт. де можна подивитися на рух хмар на Землі протягом останніх 10 років.
Трохи більше гіпотез і цікавих питань по темі в журналі «Батрахоспермум».
Науково-популярна книжка російською про хмари: Гевін Претор-Пінней. Цікаве облаковеденіе. Підручник любителя хмар. (На сайті можна скачати в безлічі різних форматів).