Hoewel dit de reden kan zijn voor lekke banden, gesprongen leidingen en afgesloten wegen die het verkeer tot een nachtmerrie maken, ijs het wordt niet altijd zo gemakkelijk gevormd als het lijkt. Het wordt vaak geholpen door eiwitten die door paddenstoelen worden geproduceerd.
Laat staan de algemene opvatting dat ijs ontstaat bij 0°C (32°F). Hoewel dit het vriespunt van water is, zal zuiver water pas bevriezen als de temperatuur daalt tot min 46°C (minus 50,8°F). Dus waarom bevriest het meestal bij nul? Organismen zoals bacteriën, insecten en schimmels produceren eiwitten die bekend staan als ijsnucleatoren (niet-eiwitnucleatoren kunnen ook van abiotische oorsprong zijn). Deze eiwitten kunnen de vorming veroorzaken, of kiemvormingijs bij hogere temperaturen dan zuiver water zou bevriezen.
Hoewel de exacte reden waarom schimmels deze eiwitten maken onbekend blijft, hebben onderzoekers Valeria Molinero van de Universiteit van Utah en Konrad Meister van Boise State University een onderzoek geleid dat meer onthulde over hoe schimmel-ijskiemvormers de ijsvorming efficiënter kunnen bevorderen en in stand houden dan deze. vele andere levensvormen.
Dieper op ingaan
Organismen die ijskiemvormers kunnen produceren, behoren tot verschillende biologische koninkrijken, maar er wordt aangenomen dat ze onafhankelijk van elkaar hetzelfde vermogen hebben ontwikkeld – een fenomeen dat bekend staat als convergente evolutie. Schimmelijskiemvormers waren enigszins een raadsel totdat Molinero, Meister en hun team de kiemvormers bestudeerden die door de schimmel werden geproduceerd. Fusarium acuminatum.
“We vinden activiteit die ijs bindt en vormgeeft Fusarium [ice nucleators]wat wijst op een mogelijk verband tussen ijsgroei en remming”, aldus de wetenschappers in een onlangs gepubliceerd onderzoek PNAS.
IJskiemvormers helpen water te bevriezen door snelle kiemvorming, het proces waarbij watermoleculen de vorming van ijskristallen veroorzaken. Kristalvorming betekent H-moleculen2De O’s moeten in specifieke oriëntaties uitgelijnd zijn om een stijve roosterstructuur te vormen. Dit begint als een kleine groep netwerkmoleculen, een ‘kern’ in vloeibaar water. Als deze kern groot genoeg is, zullen er meer watermoleculen op aggregeren totdat er een ijskristal ontstaat.
Zuiver water is moeilijk zelfstandig te maken, omdat de beweging van de moleculen het moeilijk maakt een kern te vormen. IJskiemvormende eiwitten helpen watermoleculen samen te voegen tot een kern. Sommige bacteriële nucleatoren zijn zo effectief dat de bacteriën die ze produceren, voor de productie worden gebruikt sneeuw op skigebieden.
Bevroren in mysterie
Fusarium nucleatoren zijn ook zeer efficiënt en effectief. Het team van Meister en Moliner ontdekte dat deze schimmeleiwitten veel kleiner zijn dan veel eiwitten die door bacteriën en andere organismen worden gesynthetiseerd, en dat velen van hen zich assembleren tot complexe structuren die helpen bij de vorming van ijs. Zelfs als de niveaus Fusarium eiwitten in het laboratorium werden gereduceerd, konden ze nog steeds het kiemvormingsproces op gang brengen.
Wetenschappers hebben een hypothese over het waarom Fusarium en sommige andere organismen hebben zulke kleine moleculen ontwikkeld dat ze zo efficiënt aggregeren: “We verwachten dat het energievoordeel voor het organisme bij de productie van kleinere eiwitten, in plaats van grotere, bijdraagt aan succes en acceptatie [this] interspecies-strategieën die niets te maken hebben met evolutie”, zeiden ze in dezelfde studie.
Een andere vraag, die nog moet worden beantwoord, is waarom schimmels ijskiemvormers gebruiken. Of ze bedoeld zijn om ijsvorming te bevorderen of dat dit een toevallige bijwerking is van een ander voordeel dat de schimmels bieden, moet worden onderzocht.
Maar wezens zoals kikkers kan ons een aanwijzing geven. Veel soorten kikkers hebben een natuurlijk antivriesmiddel dat hen in leven houdt terwijl ze tijdens de koudere maanden in een staat van verdoving verkeren. Het is niet ongebruikelijk dat ze onder het ijs belanden, maar de ijskiemvormers die in hun cellen worden geproduceerd, helpen hen te bepalen waar het ijs zich vormt, waardoor ze in leven blijven (samen met antivries gemaakt uit ureum en glucose). Sommige soorten introduceren ook bacteriën die bij het proces helpen. Kunnen paddenstoelijskiemvormers deel uitmaken van een soortgelijk antivriessysteem? Niemand weet het op dit moment.
Naarmate biologische en abiotische ijskiemvormers steeds meer worden ontraadseld, kunnen ze uiteindelijk worden gebruikt voor efficiëntere methoden voor het invriezen van voedsel, het maken van sneeuw, vorming van wolkenen mogelijk cryogeen bevriezen van menselijke cellen, wat recent is succesvol. De toekomst is bevroren.
PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2303243120