Ó, ez a termékeny baktérium eső!
Hogyan kezd esni az eső?
Képzeljen el egy pár vizet a légkörben. Hűlnek le, a legkisebb kristályok vagy cseppek képződnek, amelyek felhalmozódnak, felhők alkotnak, és amikor az egyes fuzionált részecskék súlya túl nagy lesz, esik vagy hó az égből. De milyen hőmérsékleten hűl a víz a felhőkben? Ha a víz nagyon tiszta, akkor nem fagyasz 0 ° C-on, és még -36 ° C-ig vagy még alacsonyabbá válik - ez a jelenség a víz túlhűtése. A szokásos hőmérséklet a felhőben, ahol az eső vagy a hó kezdődik, -10 és -15 ° C között.
Kísérletezzen túlhűtött vízzel.
1. ábra. A csapadékképződés vázlata. Ne feledje, hogy mind a hó, mind az eső jégképződéssel kezdődik. A [1] kép.
Csapadék képződik a levegőben lebegő kondenzációs magok miatt. vagy cseppecskék vagy legkisebb szilárd részecskék, például por és korom, amelyek körül az egyes vízmolekulák felhalmozódnak. Ők nem megszűnt gőzzel vagy cseppek (átlagos átmérője 20 mikron (0,006-0,035 mm) - nagyon kicsi összehasonlítva a talajjal beeső eső csepp), de a valószínűsége átmenet a szilárd állapotban jelentős mértékben növekszik a már: ezek a víz aggregátumok egy metastabil állapotban azaz egy átmeneti helyzet a levegőben lévő szuszpendált folyékony víz és a mag körül kialakult sűrű jég között. Attól függően, hogy a hőmérséklet ugrik minden a vízmolekulák a szilárd fázisban történik, több, vagy kisebb a valószínűsége, hogy a hőmérséklet csökkenésével növekszik. Minden kondenzációs magra jellemző a jégképződés speciális hőmérséklete. Így, a folyamat a jégképződés befolyásolja a csapadék, és ezenkívül, az összeg a napsugárzás visszavert, vagy nem tükröződik felhők [1]. Hozzá kell tenni, hogy a legtöbb esetben a felhő első csepp jégeső vagy hó, amely megolvad, és alakul az eső a földre jobban (1.).
Mivel az 1950-es években, a tudósok szerte a világon kezdett felhő újra a laboratóriumban és a tesztelés különböző kondenzációs magvak, kiszámítjuk a hőmérsékletű jég kialakulását. Ebből a célból különböző anyagokat adtak az alaposan tisztított és a túlhűtött vízhez. Kiderült, hogy ha az ásványi por részecskéit magokként használják, a jég -15 ° C alatti hőmérsékleten jön létre. Azonban, amint fentebb említettük, a felhőkben ez a folyamat magasabb hőmérsékleteken történik [1].
Különböző kivonatok vizsgálata a talajból, a levelek felszínéről vagy akár a növényekbõl származó baktériumokról és gombákról kimutatták, hogy a szerves molekulák lehetnek kondenzációs magok, amelyek jéggé alakulnak, néha -1,3 ° C¹on is [1].
Így lehetséges, hogy a természetben lévő víz ciklusa és a földdel való "adagolás" - ami alapvetően fontos a Föld életének folytatásához - a Földön élő lények felelősek.
A jég házigazdái
Számos élőlény tudja, hogyan kell kiválasztani azokat a molekulákat, amelyek képesek jeget formálni maguk körül. Úgy gondolják, hogy ezeknek a molekuláknak a fő funkciója a test védelme az éles jégkristályoktól, amelyek károsíthatják az élő sejteket. Ehhez a víz biztonságos távolságban van fagyva. A kondenzációs magok szerepe elsősorban a fehérjék, néha a lipoproteinek által játszott szerepet játszik. de bizonyíték van arra, hogy a pollen felületén lévő cukor hideg folyékony vizet is jéggé válhat [2].
Kondenzációs magokként szolgáló molekulákat találtak a növények, rovarok, a halak, a kétéltűek és a hüllők vérében, vagyis olyan szervezetekben, amelyek 0 ° C vagy ennél alacsonyabb hőmérsékleten élnek, és nem tartják állandó testhőmérsékletet. De valószínűtlennek tűnik, hogy az állati eredetű molekulák elegendő mennyiségben jelenjenek meg a levegőben, hogy szabályozzák a felhők munkáját. De a pollen egyébként gyakran esőcseppekben fordul elő. Természetesen az üledék biológiai hatásának fő szerepe a mikroorganizmusok: az algák, a gombák (akár a zuzmókból származó gombás szimbólumok) és a baktériumok. Ezek a lények maguk is kondenzációs magokként szolgálhatnak a felszínükön található molekulák miatt [2].
Az algák között a Chlorella nemzetség faja, a talaj és a víz közös lakói pontosan a jégképző képesség. A sejtek már -6 ° C-on jég képződését okozzák. Ismeretes, hogy a Chlorella spp. a légtömegek könnyen hordozhatók, de a csapadék képződéséhez való hozzájárulásukat még nem vizsgálták [2].
A Fusarium nemzetség mikroszkopikus szabadon élő gombái képesek a víz fagyasztására, és ezt -5 ° C-on megtehetik. A felhőkben a Fusarium spp. De a spórák főként az égen emelkednek, és még nem bizonyították, hogy jégképző molekulákat hordanak-e felszínükön [2].
És a legjobb, természetesen, a vízmentes baktériumok leírása. Érdekes módon az összes ismert típusú baktériumok részt vesznek a jégképződés, tartoznak az azonos csoportba a γ-Proteobacteria (Gram-negatív mozgékony pálca, nem képez spórákat). Legtöbbjük így vagy egy másik csatlakoztatott a növények (gamma-Proteobacteria lehet mind a kórokozók és kommenzális és még növényi növekedést promoter). Listája csak néhány közülük: Pseudomonas syringae, P. viridiflava, P. fluorescens, P. borealis, Pantoea agglomerans, Pantoea ananatis és Xanthomonas campestris [2].
1972-ben fedezték fel a jégképződést Pseudomonas syringae-ban (2. ábra). A sejtek hossza kb. 2 μm, így könnyen elveszhetnek az esőcseppek között (20 μm, emlékszel?). Ez a baktérium veszélyes kártevőnek számít a mezőgazdaságban. súlyos sérüléseket okoz a növényi szövetekben: jégkristályok áthatolják a sejtfalat, és megszabadítják a sejtekben található tápanyagokhoz való hozzáférést (3. ábra).
3. ábra Jég a csalán levelén Fotó: Robert Reisman.
Fehérjék a fagyban
Minden γ-Proteobaktériumban nagyon hasonló fehérjék, 800-1200 aminosav hosszúságúak, megfelelnek a jégképződésnek. A fehérjecsoport (INA) neve a fagyra emlékeztet bennünket, de az angol "Ice Nucleation Activity" szóból származik. Az egyik vége rögzített INA fehérje külső membrán a sejt, és a középső részükön a sokaságát képezik hurkok β-i (ábra. 4). Ez a tiszta szerkezet segít megjavítani a vízmolekulákat és jégképződést okozni. protein képes fagyasztás víz -1 ° C-on, de ez ritka, általában ez kombinálható komplexek (körülbelül 50 példányban a fehérje) a baktériumok felszínén, és részt vesz a jégképződés át -2 ° C-on optimális körülmények között (ábra. 5) [2 ].
Tisztított fehérjék Az INA-t és származékait mesterséges hó előállítására használják, például sípályákon vagy a termékek azonnali befagyasztására.
4. ábra. Az INA fehérje központi részének szerkezete. A szín az összes ilyen típusú fehérjében jelen lévő aminosavak. Úgy véljük, hogy a hurok gyenge donor-akceptor kötést alkot a hidrogénatomokkal a vízmolekulákban. A [2] kép.
5. ábra. A jégbaktérium fehérje kialakulása a növényi felületen. A zöld az INA fehérje párhuzamos hurokját mutatja. A vörös és fehér molekulák fagyott vízzel piercing egy levél egy növény éles tűk. Ábra - Tobias Weidner (Max Planck Polimer Kutató Intézet).
A baktériumok megkerülik a vízciklusot
Mikroorganizmusok tud emelkedni a levegőbe gyakorlatilag bármilyen felületen, és terjedt el a talajjal párhuzamos, és nagy magasságban, például élő baktériumok és gombák találtak a sztratoszféra. A mikroorganizmusok koncentrációját a felhő becsült mintegy 30 ezer sejt per köbméter felhők vagy 100 ezer sejt per milliliter kondenzvizet (kutatók árnyékolt részek felhők és megszámoltuk a mikroorganizmusok) [3]. De eddig keveset tudunk a pontos mozgásokról, mennyiségekről és a sejtek sokféleségéről.
A jegesedés és csapadék képző képességének köszönhetően a mikroorganizmusok légi utazás után képesek leselkedni a földre. A tudósok kínált a ciklus: baktériumok, emelkedik a növényi levelek együtt a párolgó nedvesség van a felhőben, mozgó nagy távolságból (tipikus talajban élő mikroorganizmusok találtak még a hó Antarktisz), majd a talajra leeresztve a hó vagy eső. A csapadék felgyorsítja azoknak a növényeknek a növekedését, amelyek felszínén a baktériumok szaporodnak, és készen állnak ismét repülésre (6. ábra).
6. ábra. A légkörben lévő baktériumok részt vesznek a csapadék képződésében (eső és hó), és visszaeshetnek a talajba a csapadék alatt (és anélkül is), a mikrobewiki.kenyon.edu oldalról.
Annak ellenőrzésére, hogy milyen gyakran a baktériumokat szolgálnak kondenzációs magvak, a kutatók összegyűjtött hó minták, közel a város Bozeman, Montana (észak, az Egyesült Államok, 1451 m tengerszint feletti magasságban), a pályáktól a francia Alpokban és a Pireneusokban, a Ross-sziget közelében, az Antarktisz és a jég a Yukon (Kanada északi) . Kiderült, hogy a legtöbb kondenzációs magvak van a hó esett az alsó szélességi (USA és Franciaország összehasonlítva a Yukon és az Antarktiszon). Nyilvánvaló, hogy ezeken a zónákon a felhőkön belül a hőmérséklet sokkal magasabb, mint a pólusok közelében. De minden mintában találtak biológiai eredetű kondenzációs magokat. Közülük 40% -ot baktériumok [4].
Így a baktériumok légkörben történő mozgására gyakorolt bármilyen hatás - a mezők vetése, az erdőirtás és a városok növekedése - ismeretlen módon befolyásolhatja a csapadékmennyiséget. Dél-Amerikában kimutatták, hogy a nagyvárosokban, ahol a meleg levegő sokkal gyorsabban emelkedik, mint a vidéken, az eső gyakoribb. [5] Van egy hipotézisünk, hogy az esőerdőkön átesett felhőszakadásokat az erdőben élő baktériumok sokasága okozza. Vannak azonban olyan munkák, ahol a baktériumok légkörre gyakorolt hatása becslések szerint kevesebb, mint 1% [6].
Több mint 60 éves kutatás ezen a területen bizonyult a szerepe a baktériumok kialakulását a csapadék, de a szerepe a baktériumok, algák, gombák, a lehetőséget a szaporodásukat a légáram útját a levegőben, és sok más kérdést továbbra is figyelemmel további vizsgálat céljából.
Egy csodálatos lövés, amely megragadja, hogy gyorsan lehűtik a szuperhűtéses vizet, ha INA fehérjékhez hozzáadnak baktériumokat. Ne feledje, hogy a termosztát azt a hőmérsékletet mutatja, amelyen a víz nem fagy - és ez a -7 ° C.
Érdekes linkek
Oldalon. ahol láthatjuk a felhők mozgását a Földön az elmúlt 10 évben.
Van még néhány hipotézis és érdekes kérdés a témában a "Batrakhospermum" magazinban.
Népszerű tudományos könyv orosz nyelven a felhőkről: Gavin Pretor-Pinney. Érdekes felhő. A felhők rajongójának tankönyve. (a webhelyen különböző formátumokban letölthető).