С чего начинается дождь?

Представьте себе поднимающиеся в атмосфере пары́ воды. Они охлаждаются, образуя мельчайшие кристаллики или капельки, которые скапливаются, формируя облака, а когда вес отдельных слившихся частиц становится слишком велик, с неба на нас идет дождь или снег. Но до какой температуры охлаждается вода в облаках? Если вода очень чистая, то она не замерзает при 0 °С и остается жидкой до −36 °С или даже ниже — это явление называется сверхохлаждением воды. Обычная же температура внутри облака, при которой начинают идти дождь или снег, от −10 до −15 °С.

Выпадение осадков становится возможным благодаря взвешенным в воздухе ядрам конденсации: сформировавшимся каплям или мельчайшим твердым частицам, например, пыли и сажи, вокруг которых скапливаются отдельные молекулы воды. Они еще не перестали быть паром или капельками (диаметр в среднем 20 микрометров (0,006–0,035 мм) — очень мало по сравнению с падающей на землю каплей дождя), но вероятность перехода в твердое состояние уже существенно возрастает: эти водные агрегаты находятся в метастабильном состоянии, т.е. переходном положении между взвешенной в воздухе жидкой водой и плотным льдом, сформировавшимся вокруг ядра. В зависимости от температуры резкий переход всех молекул воды в твердую фазу происходит с большей или меньшей вероятностью, которая повышается с понижением температуры. Для каждого ядра конденсации характерна особая температура образования льда. Таким образом, процесс формирования льда влияет на выпадение осадков и, кроме того, на количество солнечной радиации, отраженной или не отраженной облаками [1]. Стоит добавить, что в подавляющем большинстве случаев из облака сначала выпадает град или снег, который тает и превращается в дождь ближе к земле (рис. 1).

С конца 1950-х годов ученые по всему миру начали воссоздавать облака в лабораторных условиях и испытывать различные ядра конденсации, рассчитывая температуру образования льда. Для этого к тщательно очищенной и сверхохлажденной воде добавляли разные вещества. Оказалось, что если использовать в качестве ядер частицы минеральной пыли, лед образуется при температуре ниже −15 °С. Однако, как было отмечено выше, в облаках этот процесс происходит при более высоких температурах [1].

Испытания различных экстрактов из почвы, смывов с поверхности листьев или даже бактерий и грибов, снятых с растений, показали, что органические молекулы могут служить ядрами конденсации, образующими лед, иногда даже при −1,3 °С [1].

Таким образом, возможно, что за круговорот воды в природе и «дозирование» света, падающего на землю, — за то, что принципиально важно для продолжения жизни на Земле, — отвечают существа, на этой Земле обитающие.

Хозяева льда

Многие живые существа умеют выделять молекулы, обладающие способностью формировать лед вокруг себя. Считается, что главная функция этих молекул — защитить организм от острых кристалликов льда там, где они могут повредить живые клетки. Для этого вода замораживается на безопасном расстоянии. Роль ядер конденсации играют в основном белки, иногда липопротеины, но есть данные, что сахарá на поверхности пыльцы тоже могут превращать холодную жидкую воду в лед [2].

Молекулы, служащие ядрами конденсации, были найдены у растений, насекомых, в крови рыб, амфибий и рептилий, то есть у организмов, живущих в условиях около или ниже 0 °С и не поддерживающих постоянную температуру тела. Но кажется маловероятным, что молекулы животного происхождения появятся в воздухе в достаточном количестве, чтобы регулировать работу облаков. А вот пыльца, кстати, достаточно часто обнаруживается в каплях дождя. Но, разумеется, главную роль в биологическом влиянии на осадки играют микроорганизмы: водоросли, грибы (даже грибной симбионт из лишайников) и бактерии. Эти существа сами могут служить ядрами конденсации благодаря молекулам, находящимся на их поверхности [2].

Среди водорослей лед-формирующей способностью точно обладают виды рода Chlorella — распространенные обитатели почвы и воды. Их клетки вызывают образование льда уже при −6 °C. Известно, что Chlorella spp. легко разносятся воздушными массами, но их вклад в образование осадков еще не изучен [2].

Микроскопические свободноживущие грибы рода Fusarium также способны замораживать воду и могут делать это при −5 °C. В облаках были обнаружены разные штаммы Fusarium spp. Но в небо в основном поднимаются споры, и еще не доказано, несут ли они на своей поверхности лед-формирующие молекулы [2].

А лучше всего, конечно, описаны замораживающие воду бактерии. Интересно, что все известные виды бактерий, участвующие в образовании льда, принадлежат к одной группе γ-Proteobacteria (грамотрицательные подвижные палочки, не образующие спор). Большинство из них так или иначе связано с растениями (гамма-протеобактерии могут быть как патогенами, так и комменсалами и даже стимуляторами роста растений). Перечислим только некоторых из них: Pseudomonas syringae, P. viridiflava, P. fluorescens, P. borealis, Pantoea agglomerans, Pantoea ananatis и Xanthomonas campestris [2].

Способность вызывать формирование льда у Pseudomonas syringae была открыта в 1972 году (рис. 2). Длина ее клеток примерно 2 мкм, так что они вполне могут затеряться среди капелек дождя (20 мкм, помните?). Эта бактерия считается опасным вредителем в сельском хозяйстве, т.к. наносит серьезные травмы тканям растений: кристаллы льда прокалывают клеточные стенки, освобождая доступ к питательным веществам внутри клеток (рис. 3).

Белки в инее

У всех γ-Proteobacteria за образование льда отвечают очень похожие между собой белки длиной 800-1200 аминокислот. Название этой группы белков (INA) напоминает нам об инее, а происходит от английских слов Ice Nucleation Activity. Одним концом белки INA закрепляются во внешней мембране клетки, а их центральные части образуют множество петель β-укладки (рис. 4). Эта четкая структура помогает упорядочить молекулы воды и вызвать образование льда. В оптимальных условиях белок способен замораживать воду при −1 °С, но такое случается редко, обычно он объединяется в комплексы (примерно по 50 копий белка) на поверхности бактерии и участвует в образовании льда при −2 °С (рис. 5) [2].

Очищенные белки INA и их производные используются для получения искусственного снега, например, на горнолыжных курортах или для моментальной заморозки продуктов.

Бактерии раскручивают круговорот воды

Микроорганизмы могут подниматься в воздух практически с любой поверхности и разноситься как параллельно земле, так и на больших высотах: например, живые бактерии и грибы были обнаружены в стратосфере. Концентрация микроорганизмов в облаке оценивается приблизительно в 30 тысяч клеток на кубический метр облака или 100 тысяч клеток в миллилитре сконденсированной воды (исследователи просеяли участки облаков и посчитали число микроорганизмов) [3]. Но пока мало что известно о точных перемещениях, количествах и разнообразии клеток.

Благодаря способности образовывать лед и вызывать выпадение осадков микроорганизмы получают возможность спуститься на землю после воздушного путешествия. Ученые предложили следующий цикл: бактерии, поднимаясь с листьев растений вместе с испаряющейся влагой, оказываются в облаке, перемещаются на огромные расстояния (типичные почвенные микроорганизмы были обнаружены даже в снегах Антарктиды), а затем опускаются на землю со снегом или дождем. Осадки ускоряют рост растений, на поверхности которых размножаются бактерии, готовые снова отправиться в полет (рис. 6).

Чтобы проверить, как часто бактерии служат ядрами конденсации, исследователи собрали образцы снега возле города Бозмен в Монтане (север США, 1451 м над уровнем моря), со склонов французских Альп и Пиренеев, с острова Росс возле Антарктиды и ледника на Юконе (север Канады). Оказалось, что больше всего ядер конденсации находится в снегу, выпавшем в нижних широтах (США и Франции по сравнению с Юконом и Антарктидой). Видимо, над этими зонами температура внутри облаков значительно выше, чем возле полюсов. Но во всех образцах были найдены ядра конденсации биологического происхождения. И среди них примерно 40% оказались бактериями [4].

Таким образом, любое влияние на движение бактерий в атмосфере — засеивание полей, вырубка лесов, рост городов — может неизвестным образом повлиять на количество выпадающих осадков. Для юга Америки было показано, что над крупными городами, где теплый воздух поднимается значительно быстрее, чем над сельской местностью, дожди идут чаще [5]. Существует гипотеза, что над тропическими лесами обильные ливни вызваны множеством бактерий, живущих в этом лесу. Однако есть работы, где влияние бактерий на атмосферу оценивается меньше, чем в 1% [6].

За 60 лет исследований в этой области была доказана роль бактерий в образовании осадков, но роль бактерий, водорослей, грибов, возможность их размножения в воздухе, пути движения в атмосфере и множество других вопросов остаются предметом для дальнейшего изучения.

Литература

1. Christner B.C. (2012). Cloudy with a chance of microbes. Microbe. 7, 70–75;
2. Morris C.E., Sands D.C. (2012). From Grains to Rain: the link between landscape, airborne microorganisms and climate processes. e-book, 2012. — 36 p.;
3. Amato P., Menager M., Sancelme M., Laj P., Mailhot G., Delort A.-M. (2005). Microbial population in cloud water at the Puy de Dome: Implications for the chemistry of clouds. Atmos. Environ. 39, 4143–4153;
4. Christner B.C., Morris C.E., Foreman C.M., Cai R., Sands D.C. (2008). Ubiquity of biological ice nucleators in snowfall. Science. 319, 1214;
5. Ashley W.S., Bentley M.L., Stallins J.A. (2011). Urban-induced thunderstorm modification in the Southeast United States. Climatic Change. 113, 481–498;
6. Hoose C., Kristjansson J.E., Burrows S.M. (2010). How important is biological ice nucleation in clouds on a global scale? Environ. Res. Lett. 5. doi: 10.1088/1748-9326/5/2/024009..