冰的形成方式比你想象的要有趣得多。这种基本的物理过程是自然界中最常见的过程之一，尽管经过了数十年的科学考察，但仍然有些神秘。

现在，犹他大学与德国马克斯普朗克聚合物研究所和爱达荷州博伊西州立大学的新研究为生物制剂(由所有真菌产生)在冰形成中的作用提供了新的线索。

与我们在学校所学到的相反，由于相变固有的能量势垒，水不一定会在0摄氏度(32华氏度)下冻结。

完全纯净的水只有冷却到–46C时才会结冰。水分子需要颗粒来形成晶体，从而形成冰，这一过程称为成核。生物体已经进化出多种方法来控制冰的形成，以适应寒冷环境的生存。

因此，最有效的冰核颗粒是生物来源的，由细菌和真菌甚至昆虫产生，但“生物冰核”的分子基础和精确机制尚未得到很好的了解。

真菌控制冰的能力

犹他大学理学院的理论化学家瓦莱里娅·莫利内罗(ValeriaMolinero)处于解开这个谜团的最前沿，这对于提高我们对生命如何影响降水和气候的理解具有潜在的意义。

在她共同领导的一项新研究中，一个国际研究小组探索了真菌冰成核剂的特征和性质，揭示了它们由小蛋白质亚基组成，在促进和抑制冰生长方面发挥着作用。

“它们是排泄到环境中的蛋白质，这些颗粒对于冰成核非常有效，”该大学亨利·艾林理论化学中心主任莫利内罗说。“但是生物体从这些冰​​成核能力中受益的方式尚不清楚，并且它并不存在于生物体的所有可能变体中。我们不知道它们为什么形成冰或是否有优势。”

这个多学科团队专注于一种名为尖镰孢的真菌，发现它能产生超微小的蛋白质，这些蛋白质可以聚集成更大的颗粒。他们的研究结果发表在本周的《美国国家科学院院刊》上。

联合主要作者康拉德·梅斯特(KonradMeister)表示，除了真菌之外，其他生物体也发现了用较小的结构单元形成较大聚集体的机制。

博伊西州立大学化学教授梅斯特说：“尽管如此，与它们的效率相比，真菌蛋白质构建模块的尺寸很小，这让我们感到惊讶。”“例如，来自其他生物体的其他已知且类似高效的制冰蛋白质的大小是其25倍。”

生物体如何以不同的方式进化以获得相同的结果

细菌和真菌蛋白可以在-10至-2度的温度下刺激冰的形成。有些细菌在促进结冰方面非常有效，以至于它们被用于滑雪场造雪的产品中。

莫利内罗对如此多不同种类的生物体进化出类似的冰核能力感到好奇，她最初将这篇论文命名为“Epluribusunum”，意思是“众中之一”，但该杂志坚持认为他们放弃了拉丁语。

“如果你看看可以使冰成核的王国，就会发现有昆虫、地衣、细菌和真菌。所有这些似乎都是独立进化的，是非常有效的冰成核剂，”她说。“自然界中所有极其有效的冰成核似乎都是由蛋白质完成的，尽管各个冰成核蛋白质的大小在生物体之间差异很大。”

研究表明，冰核的生态优势及其在云形成和降水中的作用尚未完全被了解，这在我们对气候与生命之间相互作用的理解上存在很大差距。该研究可以提高食品冷冻过​​程、造雪和播云的效率。

然而，随着团队的发现，更多的问题也随之而来，例如这些蛋白质为何以及如何聚集。

莫利内罗说：“另一个问题是，他们是否是故意这样做，或者只是他们生产了一种蛋白质用于其他用途，但它具有这种特性。”

解决这些基本问题需要团队合作，汇集化学、生物物理学和生物学各个领域专业知识的研究人员。

“这是积极的信息。解决冰形成的生物控制难题促使科学家们进行合作，”莫利内罗说。“我们每个人都有一些知识，但我们在一起可以做很多事情。这很有趣。”