چگونه باکتریها یخ می سازند؟

باکتری ای یافت شده که علاوه بر تولید یخ شاید باعث تولید ابر و باران هم باشد ؛ دانشمندان در تحقیقی جدید که در نشریه ی پیشرفتهای علمی (Science Advances) منتشر شد نشان دادند چگونه باکتریهای ریز می توانند ماشینهای یخ ساز طبیعت باشند و بلورهای یخ را تولید کنند.

این ارگانیسمهای خارق العاده ابرها و از آن طریق برف و باران را تولید می کنند. هرچند در مقاله تایید نشده این باکتریها همان باکتریهای بران ساز هستند اما با دقت تمام توضیح داده شده چگونه آب به دست آنها به یخ تبدیل می شود.

باکتری زودوموناس سیرینگی (Pseudomonas syringae) جوری خود را مسلح کرده اند که در دماهایی که آب بطور طبیعی یخ نمی زند با پروتئینهایی آب را به بلورهای یخ تبدیل کنند. این باکتریها در میان محصولات کشاورزی، گیاه ها و درخت ها زندگی کرده و با استفاده از قابلیتهای یخ سازی به محصولات کشاورزی صدمه می زند. بلورهای یخ تولید شده بافتهای گیاه را تکه تکه می کنند تا باکتری به مواد مغذی گیاه دسترسی یابد. از این باکتری در پیستهای اسکی هم استفاده می شود تا یخ مصنوعی تولید کند.

در دهه های اخیر پی. سیرینگی در جو زمین و توده های برفهای سراسر دنیا (از امریکا گرفته تا اروپا و حتی جنوبگان) یافت شد. اغلب دانشمندان بر این باورند توانایی های ایثن باکتری در تولید یخ مسبب تولید ابر و باران هم هست. بدلیل این نقش مهم پی. سیرینگی در سالهای اخیر مورد بررسی های دقیق قرار گرفته اما تا حال حاضر دانشمندان در مورد چگونگی تولید یخ از آب توسز این باکتری تنها حدسهایی می زدند. این تحقیق اولین تحقیقیست که نشان می دهد سازوکار یخ ساز دقیقاً به چه صورتی کار می کند.

توبیاس وایدنر زیست مهندس دپارتمان تحقیقات پلیمری موسسه ی مکس پلانک و یکی از نویسندگان مقاله ی منتشره در این باره می گوید: “این باکتری یخ ها را توده ای می کنند تا به سلولهای گیاهان حمله کنند. برای تولید یخ های مصنوعی هم همین فرآیند تکرار می شود. این باکتریها نقشی در تغییرات آب و هوایی هم ایفا می کنند. این باکتری شگفت آور است.”

در تحقیق انجام گرفته گروهی بین المللی از محققان برای تحقیقشان از محصولی تجاری به نام اسنومکس (Snowmax) که برای تولید برف مصنوعی استفاده می شود و باکتری مرده ی پی. سیرینگی را درون خود دارد. با وجود مرده بودن باکتریها، پروتئین یخ ساز موجود در پوسته ی خارجی آنها هنوز توان تولید یخ را دارد. محققان دریافتند وقتی پی. سیرینگی با آب واکنش می دهد پروتئین آن ملکولهای آب را تغییر موضع می دهند تا به شکل قالبی در آیند که بلورهای یخ تولید شود. بعلاوه باکتری تقریباً مانند یک یخچال عمل می کند و گرما را از اب خارج می سازد. این مشاهدات به محققان کمک کرد تا بتوانند دلیل تاثیر خارق العاده ی این باکتری در فرآیند یخ سازی را درک کنند.

وایدنر ادامه می دهد: “دانشمندان سعی کردند بفهمند چگونه باکتری یخ را توده ای می کند و در این راه تحقیقات و محاسباتی انجام دادند اما تحقیق ما اولین تحقیق تجربی از این دست به شمار می رود.”

البته تحقیق محدودیتهایی هم داشته است. در واقع تحقیق تنها از داده های تجربی استفاده نکرده بلکه مدلسازی رایانه ای را هم مد نظر قرار داده است. محققان ابتدا به مشاهده ی تعامل باکتری و آب پرداختند و بر مبنای آن مشاهدات استنباط کردند چگونه پروتئینهای باکتری آب را به یخ تبدیل می کنند. بوریس ویناتزر، آسیب شناس کالج علوم زیستی و زراعی دانشگاه ویرجینیا تک و کسی که سالهاست بر روی پی. سیرینگی تحقیق می کند یکی از اشکالات بزرگ تحقیق حاضر را مورد اشاره قرار داده است: “نتایج این تحقیق هنوز فرضیه محسوب می شوند و در واقع تفسیری از مدالسازیها و محاسبات داریم که نتیجه ی نهایی نیست و تا زمان مشاهده ی مستقیم نحوه ی عمل باکتری نمیتوان حرف نهایی را در این مورد زد. با این وجود تحقیق حاضر تحقیقی جالب توجه است.”

سیندی موریس زیست شناس و بوم شناس موسسه ی ملی تحقیقات زراعی فرانسه که سی سال است روی پی. سیرینگی مطالعه می کند بر استفاده ی اخیر محققان از اسنومکس نقد دارد. این محصول تجاری علاوه بر باکتری مرده حاوی موادی مغذیست که در زمانیکه باکتری (پیش از کشته شدن توسط اشعه و فریز کردن) زنده بوده آنرا تغذیه می کرده اند. به گفته ی موریس او ترجیح می دهد محققان تنها از پی. سیرینگی استفاده کنند و در محیط ماده ی دیگری و از جمله مواد مغذی اشاره شده نباشد تا دقیقاً نقش پی. سیرینگی مشخص گردد. موریس در این مورد می گوید: “حرف من این نیست که تحقیق حاضر معتبر نیست تنها از دید یک میکروب شناس می توانم بگویم این تحقیق می توانست پاک تر انجام شود”. با این وجود استفاده از اسنومکس مزایایی هم دارد از جمله اینکه محققان دیگر براحتی به این محصول دسترسی داشته و می توانند آزمایش را تکرار کنند.

هم موریس و هم جو شناسی به نام راس شنل که در مدیریت اقیانوس شناسی و علوم جوی ملی کار می کند تایید می کنند که با وجود جذابیت زیاد، این تحقیق نشان نمی دهد باکتری پی. سیرینگی چه نقشی در تولید بلورهای یخ در جو و شکل گیری باران دارد. البته دانشمندان بشدت مشتاق دریافت این موضوع هستند و ما هم برای اینکه بدانیم باکتری باران ساز چگونه عمل می کند در مورد آب صحبتهایی خواهیم کرد.

آب خالص یا همان آب مقطر در صفر درجه ی سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) یخ نمی زند. در واقع آب تا دمای منفی 40 درجه سانتیگراد (منفی 40 درجه فارنهایت) هنوز مایع بودن خود را حفظ می کند. برای یخ زدن آب در دماهای بالاتر به مقداری دوده یا نمک دریا (یعنی چیزی که ملکولهای آب بتوانند به آن بچسبند) نیاز دارد. اغلب دانشمندان بر این باورند که پی. سیرینگی توسط باد از روی زمین به آسمان می روند. در جو زمین این باکتریهای یخ ساز دمای یخ زدن را تا 25 تا 18 درجه فارنهایت (منفی 4 تا منفی 8 درجه سانتیگراد) پایین می آورند و آب را به شکل بلورهای یخ در می اورند. با این کار ابر تولید می شود. در واقع ابر تجمع قطرات آب و بلورهای یخ می باشد.

شنل در این باره می گوید: “برای تولید باران حتی در صحرای آفریقا ابرها نخست باید بلورهای یخ تولید کنند. با بارش این بلورهای یخ اگر هوای محیط گرم باشد به شکل باران در می ایند و در غیر این صورت به شکل برف می بارند. با این وجود فرضیه ای که ادعا می کند باکتریهایی نظیر پی. سیرینگی نقشی در تولید باران دارند تا به حال به اثبات نرسیده است. شواهد و قراین ضمنی این فرضیه را تایید می کنند اما حلقه ی مفقوده ای هست که هنوز باید مشخص گردد. با این حال همه بر این باورند قادر به اثبات این فرضیه خواهیم بود.”

متاسفانه این تحقیق تحقیقی نبوده که موریس و شنل انتظارش را داشته اند. موریس در این مورد می گوید: “مقاله ی منتشر شده فیزیک اتفاقی که رخ می دهد را به ما نشان می دهد اما چیزی بیش از اطلاعات کنونیمان در مورد نقش باکتری مورد اشاره در تولید باران برای عرضه ندارد. شنل با اشاره به این نکته که این مقاله اگر پیش از این منتشر می شد توجه بیشتری را در جوامع علمی بر می انگیخت بر این باور است اکنون مقاله هایی مانند مقاله ی حاضر فراوانند و مقاله ی منتشره انتظارات را براورده نکرده است.

منبع: The Verge