Бактерии замораживают воду. Вызывают ли они дождь и снег?

Ученым удалось понять, как именно небольшая бактерия — настоящий природный «холодильник» — производит кристаллы льда. Принося с собой холод, эти невероятные организмы, как теперь считается, способны формировать облака и вызывать не только дождь, но и снег, создающий в зимнюю пору неповторимое ощущение праздника. Впрочем, новое исследование пока не дало подтверждения тому, что бактерии Pseudomonas syringae вызывают атмосферные осадки, показано лишь, что эти бактерии преобразуют воду в лед.

Фото Ховарда Ф. Шварца, Университет штата Колорадо (Howard F. Schwartz, Colorado State University)

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances. Об удивительной «ледяной» бактерии Pseudomonas syringae (P. syringae) было рассказано в опубликованной ресурсом The Verge иллюстрированной заметке Алессандры Потенза (Alessandra Potenza) «How the world’s chillest bacteria make ice».

Бактерии P. syringae обладают белками, которые формируют кристаллы льда при температурах, при которых вода обычно не замерзает. Они живут на сельскохозяйственных растениях и наносят им ущерб. Производимые ими кристаллы льда повреждают ткани растений, давая бактериям доступ к содержащимся в растении питательным веществам. Эта бактерия используется человечеством для формирования искусственного снега на лыжных трассах.

В предшествующие десятилетия P. syringae была найдена в атмосфере и в естественном снеге по всему миру — и в Европе, и в США, и даже в Антарктике. Ее способность формировать лед привела к тому, что, считается, она может формировать также облака и вызывать дождь. Поскольку ее роль в атмосферных явлениях предположительно весьма высока, в последние годы ее изучали более внимательно. Но и до сих пор ученые могут сказать лишь то, что бактерия способна вызывать замерзание воды. Новое исследование стало первым, в ходе которого было показано, как работает механизм формирования этой бактерией льда.

Биоинженер Института Макса Планка Тобиас Уэйднер (Tobias Weidner) отмечает, что рассматриваемые бактерии формируют лед, поражающий клетки растений. Они также используются для формирования искусственного снега. И они также вовлечены в климатические процессы. По его мнению, P. syringae грандиозны.

Международная группа исследователей в ходе своей работы использовала коммерческий продукт под названием Snowmax — пудру, используемую для создания искусственного снега, содержащую мертвую бактерию P. syringae. Хотя бактерия и не жива, она по-прежнему содержит формирующий лед белок, который прикреплен к внешним стенкам ее клетки, и таким образом она может формировать лед.

Исследователи обнаружили, что когда P. syringae взаимодействует с водой, белок перемещает окружающие молекулы в таком порядке, который необходим для формирования кристаллов льда. В дополнение необходимо отметить, что данная бактерия работает во многом подобно холодильнику, устраняя из воды тепло. Ученые говорят, что эти наблюдения поясняют, почему P. syringae является столь эффективно производящей лед бактерией.

Ученые постарались понять, как бактерия контролирует процесс формирования льда. Именно для этого и проводились ранее теоретические и вычислительные исследования, отмечает Тобиас Уэйднер. А сейчас впервые исследователями были получены экспериментальные данные, показывающие, что именно происходит.

Разумеется, исследование было ограниченным. Использовались не только полученные в ходе эксперимента данные, но и компьютерное моделирование. Исследователи наблюдали, как бактерия взаимодействует с водой. Основываясь на этих наблюдениях, они сделали вывод о действии содержащегося в бактерии формирующего лед белка.

Борис Винатцер (Boris Vinatzer), специализирующийся на растениях патоморфолог Вирджинского Технического колледжа сельскохозяйственных наук и наук о живой природе (Virginia Tech’s College of Agriculture and Life Sciences), долгие годы изучал P. syringae. Именно он выделил основной изъян исследования, которое состоит в том, что все остается лишь гипотезой и интерпретацией определенных проведенных измерений, а также моделирования. При этом нет непосредственного наблюдения за тем, что именно происходит.

По его мнению, это нельзя назвать твердым выводом, который основан на данных. Это своего рода объяснение, даваемое наблюдаемым явлениям. Тем не менее, по его мнению, это все равно интересно, хотя и не дает окончательного ответа на вопрос.

Биолог и эколог Французского Национального института сельскохозяйственных исследований (French National Institute for Agricultural Research) Синди Моррис (Cindy Morris) проработала над P. syringae три десятилетия. Она подвергла критике использование исследователями Snowmax. Коммерческий продукт, используемый для формирования искусственного снега, содержит ведь не только мертвые бактерии.

Микс различных питательных веществ используется для роста бактерий, затем они подвергаются сухой заморозке и обрабатываются излучением. Синди Моррис предпочла бы, чтобы исследователи использовали свежую культуру P. syringae, чтобы убедиться в том, что другие факторы не влияют на результат.

Впрочем, по ее словам, это не значит, что исследование не результативно. Просто его можно было бы сделать еще более чистым с точки зрения микробиолога. Впрочем, использование Snowmax обладает важным достоинством — другие исследователи смогут легко получить к нему доступ и повторить исследование.

Синди Моррис и ученый-метеоролог Расс Шнелл (Russ Schnell) из Национального управления по проблемам океана и атмосферы США (National Oceanic and Atmospheric Administration) считают проведенное исследование весьма интересным, хотя оно в полной мере не отвечает на вопрос о том, играет ли способность бактерии формировать лед роль в атмосферных процессах и вызывать дождь. Впрочем, чтобы понять, почему P. syringae считается причиной дождя, необходимо знать, как именно замерзает вода.

Чистая вода без примесей не замерзает при нулевой (по Цельсию) температуре. Она может оставаться в жидком состоянии примерно до -40. Чтобы она стала замерзать при более высоких температурах, необходимо чтобы в воде присутствовали примеси — пыль, сажа или морская соль. Что-то такое, что становится центром, фиксирующим молекулы воды.

Большинство ученых полагают, что P. syringa переносятся ветром с земли в небо. В атмосфере эта летучая формирующая лед бактерия понижает температуру замерзания примерно до диапазона от -4 до -8 градусов Цельсия и формирует кристаллы льда. Это предположительно может вызывать формирование облаков, которые в основном являются скоплениями капель воды и кристаллов льда.

Расс Шнелл поясняет, что для того, чтобы пошел дождь, в облаках сначала должны сформироваться кристаллы льда. Если тепло, то они кристаллы выпадают дождем, если холодно — снегом. Теория, согласно которой бактерия P. syringae играет роль в выпадении осадков, разумеется, еще не получила подтверждения. Интуитивно она представляется верной, факты тоже ее вроде бы подтверждают, но точной уверенности в ней пока нет. Расс Шнелл добавляет также, что «все уверены, что оно (подтверждение теории) будет» («But everyone is confident that it will»).

Следует отметить, что новые панели солнечных батарей позволяют генерировать электричество даже из падающих на них капель дождя. Учеными уже разработан солнечный холодильник, способный охлаждать без использования электричества. Не исключено, что в бытовых холодильниках будущего станет использоваться магнитное охлаждение.

Новое исследование говорит лишь о физических процессах и не добавляет к уже известному ничего нового о том, какую роль бактерия играет в выпадении осадков.

Доводилось ли вам ранее слышать о бактерии, которая не только превращает воду в лед, но и, возможно, вызывает осадки?

Бактерии замораживают воду. Вызывают ли они дождь и снег?
Олег Довбня