Снегом управляет жизнь

То, что ученые иногда ведут себя, как дети, доказали французские и американские биологи, весь последний год радовавшиеся снегу не меньше маленьких любителей горок, игры в снежки и прочих зимних развлечений. Правда, взрослые оказались порядочными привередами – для своих научных целей они собирали только свежевыпавший снег в Америке, Антарктике и Европе.

Это весёлое занятие было необходимой частью очередной работы, посвященной формированию снежинок в облаках. На сегодняшний день считается, что зарождение этих маленьких чудес света происходит при охлаждении вокруг «активного центра», зародыша конденсации, представленного любой мелкой частицей органического или неорганического происхождения. В отсутствии таких частиц вода замерзает лишь при очень низких температурах (ниже -40^oC). Однако центры конденсации собирают вокруг себя молекулы воды, превращая их в кристаллы льда и при более высоких температурах. Процесс этот настолько уникален, что считается невозможным найти две одинаковые снежинки.

Результаты работы, опубликованной в последнем номере Science, ещё раз объединили органическую и неорганическую жизнь на нашей планете – большую часть таких «центров» самоорганизации, по мнению ученых, представляют биополимеры. Такая идея была выдвинута ещё 40 лет назад, но невозможность доказать ключевую роль биополимеров и бактерий в снегообразовании не позволила развить эту мысль.

На этот раз собранный в максимально стерильных условиях снег ученые растопили в герметичной посуде, а затем начали постепенно замораживать. В таких случаях лёдообразование (кристаллизация) начинается вокруг активных центров, аналогичных таковым в тучах и облаках.

Таких биологических частиц, стимулирующих кристаллизацию при температурах , больше всего оказалось в США и Франции – около 110 на литр воды, а меньше всего в Антарктике – в среднем лишь 4 штуки на литр.

Такие различия в концентрации активных центров сказались и на температуре снегообразования – европейские образцы начинали замерзать уже при быстром охлаждении до -4…-7^oC, тогда как антарктические требовалось доводить до -9^oC.

Общее же число различных частиц в литре талой воды было от 1,1*10⁷ до 3,9*10⁹ в разных образцах, из них примерно десятая часть – биополимеры и прочая органика. Живых клеток – точнее, клеток размером от 0,3 до 15 микрон, в которых присутствовала ДНК, – оказалось ещё меньше, в среднем около 0,1% от числа частиц любой природы (от 1,5*10⁴ до 5,4*10⁶ на литр).

Однако, как оказалось, именно они являются основной причиной образования снежинок.

Чтобы выяснить это, учёные прогрели талую воду. Нагревание выше 50^oC приводит к потере структуры биологических молекул, однако никак не влияет на минеральные частицы. Как оказалось, такая процедура практически полностью лишает такую воду способности замерзать при температурах выше -10^oC. В прогретой, а затем охлаждённой воде центров концентрации льда оказалось как минимум на 70% меньше, чем в исходной, а в некоторых образцах они исчезали полностью!

Похожий, хотя и чуть менее выраженный, эффект дезактивации наблюдался при обработке талой воды лизозимом – ферментом, содержащимся в слюне и разрушающим полисахариды клеточной стенки бактерий.

Даже такого небольшого количества оказалось достаточно для многочисленных гипотез о круговороте живого в природе и взаимодействии живого и неживого.

Во-первых, те же самые бактерии заинтересованы в быстром замораживании при относительно высоких температурах. Эти кристаллы льда – троянский конь, разрушающий клеточную стенку изнутри и делающий доступным содержимое для «плотоядных» прокариот.

Во-вторых, чем быстрее сформируется снег, тем быстрей выпадут осадки, а следовательно – бактерии раньше вернутся на землю, которая куда богаче питательными веществами, да и потеплей, что существенно для процессов деления.

Так что теория Вернадского о биосфере как о «взаимодействии» живых существ с неорганической природой получила совершенно неожиданное развитие.

Справедливости ради стоит отметить, что все это остается лишь гипотезами, поскольку образцы были собраны с поверхности земли и могли «обогатиться органикой» уже в нижних слоях атмосферы. Хотя даже в бедной жизнью Антарктике органики оказалось довольно много.

Собирать кусочки облаков для подтверждения результатов работы достаточно затруднительно – основные облака формируются на высоте в несколько километров. К тому же, чтобы выделить из него литр воды, пришлось бы доставить в лабораторию от нескольких сот до тысяч кубометров типичного облака, что выглядит мало реальным.

Но главное – ученые получили новое подтверждение не просто приспособления, а управления природными процессами со стороны живых организмов. Считалось, что кроме человечества, едва-едва начинающего учиться управлять погодой, на это никто не способен.