Може би си мислите, че водата автоматично се превръща в лед в момента, в който температурата падне под нулата. Това не е непременно лъжа, но по-скоро е само половината от историята.

Без микроскопична структура, върху която да се опре, водата може да остане в течно състояние дори при минус 46 градуса по Целзий (минус 50,8 градуса по Фаренхайт). Това явление е известно като преохлаждане. За да замръзне при по-топли температури под нулата, водата се нуждае от катализатор или „зародиш“, за да започне процеса на кристализация.

Обикновено този зародиш е частица минерален прах, сажди или химическа частица, носеща се в атмосферата. Водните молекули се прилепват към тази частица, подреждат се в твърд кристал и предизвикват ефект на снежна топка. Колкото повече молекули се прилепват към растящия кристал, толкова по-тежък става ледът и в крайна сметка пада на Земята.

Но природата не разчита само на прах. Тя използва и биологични зародиши. Учените знаят, че някои бактерии са изключително добри в образуването на лед, например.

А сега се пригответе да се запознаете с истинския източник на замръзването.

Международен екип от изследователи наскоро откри, че някои разпространени почвени гъби произвеждат специализирани протеини, способни да замразяват вода при температури до -2 градуса по Целзий (28,4 градуса по Фаренхайт). И за разлика от бактериите, които трябва да присъстват физически под формата на цели, обемисти клетки, за да образуват лед, тези гъби отделят изключително стабилни, водоразтворими протеини, които се справят с тази задача напълно самостоятелно.

Тези безклетъчни гъбични машини са толкова ефективни, че скоро биха могли да заменят токсичните химикали при модифицирането на времето (като засяването на облаци за дъжд), да революционизират производството на замразени храни и да усъвършенстват значително нашите глобални климатични модели.

Още от 70-те години на миналия век учените знаят, че някои бактерии могат да действат като естествени „производители на лед“. Бактериите използват специални протеини по клетъчните си мембрани, за да улавят молекули вода и да ги свързват в твърда ледена решетка.

В началото на 90-те години на миналия век изследователите осъзнаха, че някои гъби могат да правят точно същото. Въпреки това, генетичният механизъм, стоящ в основата на този процес, оставаше загадка. Работата с ДНК на гъби не е лесна и бяха необходими съвременните постижения в секвенирането на ДНК, за да се разкрият най-накрая техните геноми.

Изследователският екип проучи група гъби, известна като семейство Mortierellaceae. Те извличаха проби от вода и лишеи, събрани по време на полярни експедиции. Когато учените секвенираха ДНК на гъбите, те направиха голямо откритие. Те идентифицираха специфични гени, които изглеждаха удивително подобни на гените за образуване на лед, открити в бактериите. За да докажат, че тези гени действително са отговорни за създаването на лед, екипът ги вмъкна в напълно различни организми, като мая и E. coli.

Почти веднага модифицираната мая и бактериите придобиха способности за образуване на лед, които преди това не са съществували. Трансплантираните гени работиха перфектно.

Как една обикновена почвена гъба се е сдобила със същия механизъм за образуване на лед като бактерията? Отговорът се крие в хоризонталния генен трансфер – преносът на генетичен материал между организми по начин, различен от вертикалното предаване (от родител на потомство).

Преди милиони години един древен предшественик на гъбите по същество е „откраднал“ генетичните планове от съседна бактерия.

„Известно е, че гъбите могат да придобиват гени от бактерии, но това не е често срещано явление“, заявява Борис Винатцер, учен по околната среда във Вирджиния Тек и съавтор на проучването. „Затова никога не съм очаквал, че този гъбен ген има бактериален произход.“

Но гъбите също са внесли свои собствени промени в бактериалните „планове“. Бактериалните ледообразуватели са обемисти. Те разчитат в голяма степен на физическата структура на цялата бактериална клетъчна мембрана, за да се сглобят правилно и да предизвикат замръзване. Ако нарушите бактериалната клетъчна мембрана, ефективността на замръзването спада драстично.

Гъбите обаче са „хакнали“ дизайна. Те са еволюирали протеина, така че да работи независимо от клетъчната мембрана. Те са разработили начин да секретират тези протеини директно в околната среда като свободно плаващи, разтворими молекули.

„Гъбите използват същата архитектура на повтарящи се последователности като бактериите за своите ледообразуващи места, но са ги направили по-разтворими и стабилни, което вероятно е от полза за тяхната екологична функция“, обяснява Розмари Еуфемио, биохимик в Университета на Бойзи и водещ автор на проучването.

Защо ни интересува как гъбите замразяват водата? Това е полезно, защото контролът върху леда означава контрол върху времето, а ние се нуждаем от всякаква помощ и средства, които можем да намерим.

Когато изкуствено предизвикваме дъжд или сняг, използваме процес, наречен „засяване на облаци“. Частици се изстрелват в небето, за да дадат на водните молекули повърхност, върху която да замръзнат. Като ледените кристали стават по-тежки, те падат на Земята, разтапяйки се в дъжд, докато преминават през по-топлата атмосфера.

През последните 80 години основната частица за засяване на облаци е била йодидът на среброто. Той работи добре, но е силно токсичен за околната среда. Тези новооткрити гъбни протеини предлагат напълно естествена, нетоксична алтернатива. И тъй като са високоефективни и издържат на сурови условия, те са идеални кандидати за атмосферно инженерство.

„Ако научим как да произвеждаме евтино достатъчно количество от този гъбен протеин, тогава бихме могли да го вкараме в облаците и да направим засяването на облаци много по-безопасно“, завършва Винатцер.

Снимка: Unsplash/Boris Vinatzer

Виж още: Този сгъваем Android телефон попари мечтите на iPhone Fold да стане първото такова устройство без гънка