Как определить образование льда

Что такое лёд и как он образуется?

Прозрачный, твёрдый, играющий в солнечных лучах лёд каждую зиму сковывает наши реки и озёра, намерзает на коньках крыш длинными сосульками, превращает осенние лужи в ровные, скользкие катки для детворы.

В морозильной камере холодильника лёд можно приготовить и в разгар жаркого лета. Он может быть похож на прозрачное стекло и на мутно-белый пластик. Практически все знают, что такое лёд и как он образуется – это всего лишь замёрзшая вода. Но что мы на самом деле знаем об этом удивительном веществе?

Что такое лёд?

Прежде всего, следует сказать, что утверждение, будто лёд образуется из воды, не совсем точное. Помимо водяного, существует ещё аммиачный, метановый, а также так называемый «сухой» лёд, который образуется при замораживании углекислоты. Сухим его назвали, так как при таянии он не образует луж: углекислый газ моментально испаряется в атмосферу прямо из замороженного состояния.

Но мы будем говорить только о том льде, который образуется из воды. Его кристаллы характеризуются так называемой гексагональной сингонией, когда все молекулы воды выстраиваются в правильную объёмную решётку, причём одна молекула связана с четырьмя ближайшими. Это строение свойственно многим драгоценным камням и минералам – алмазу, кварцу, турмалину, корунду, бериллу и т.д. Кристаллическая решётка удерживает молекулы на расстоянии друг от друга, поэтому плотность льда меньше, чем плотность воды, из которой он образован. Куски льда плавают на поверхности воды, а не тонут на дне.

Согласно исследованиям, на нашей планете сейчас имеется около 30 миллионов квадратных километров льда. Основное количество сосредоточено на полярных шапках – там толщина ледяного слоя в некоторых местах достигает 4 километров.

Как образуется лёд?

Получить лёд очень просто: нужно всего лишь понизить температуру воды, опустив её ниже нуля градусов. При этом в воде начинается процесс кристаллизации: её молекулы выстраиваются в упорядоченную структуру, называемую кристаллической решёткой. Этот процесс одинаково происходит в морозильной камере, в луже и в океане.

Замерзание всегда начинается с верхнего слоя воды. Вначале в нём образуются микроскопические ледяные иголочки, которые затем смерзаются между собой, образуя своеобразную плёнку на поверхности водяной толщи. В крупных водоёмах ветер колеблет поверхность воды, образуя на ней волны, поэтому замерзание идёт дольше, чем при неподвижной воде.

Если волнение продолжается, плёнки сбиваются в ледяные блины диаметром до 30 сантиметров, которые затем смерзаются в единый слой толщиной не меньше 10 сантиметров. На этот слой, называемый молодиком, впоследствии снизу, а иногда и сверху намерзает новый лёд, образуя достаточн прочный и толстый покров.

Прочность льда зависит от его вида: прозрачный в полтора раза прочнее мутно-белого. Считается, что 5-сантиметровый слой льда уже может выдержать вес человека, а 10-сантимертовый – вес легковой машины. Но всё же нежелательно выходить на лёд водоёма, пока его толщина не достигнет 12-15 сантиметров.

Свойства льда

Самое известное и важное для нас свойство льда – способность относительно легко таять, превращаясь в воду при нулевой температуре. С точки зрения науки, он обладает и другими качествами:

– прозрачностью, способностью хорошо пропускать свет;

– бесцветностью – сам по себе лёд не имеет цвета, но может быть окрашен цветными добавками;

– твердостью, способностью сохранять свою форму без наружной оболочки;

– текучестью – но это свойство присуще ему лишь в некоторых модификациях;

– хрупкостью – кусок льда раскалывается даже при незначительном усилии;

– спайностью, т.е. способностью раскалываться по кристаллографическим линиям.

Состав льда отличается высокой степенью чистоты, поскольку в кристаллической решётке нет места посторонним молекулам. Замерзая, вода вытесняет примеси, которые были в ней растворены. Но многие растворённые в воде вещества тормозят замерзание – так, в морской воде лёд образуется при более низкой температуре, чем обычно, соль же при замерзании вытесняется из воды, образуя мелкие солевые кристаллы. При таянии они опять растворяются в воде. По сути, процесс ежегодного замерзания воды поддерживает её самоочищение от различных примесей в течение миллионов лет подряд.

Где лёд встречается в природе?

На нашей планете лёд можно встретить везде, где температура окружающей среды опускается ниже нуля градусов (по Цельсию):

– в атмосфере в виде мелких кристалликов – снега либо инея, а также более крупных гранул – града;

– на поверхности планеты в виде ледников – многовековых скоплений, располагающихся на Северном и Южном полюсах, а также на вершинах самых высоких горных хребтов;

– под землёй в виде вечной мерзлоты – в верхнем слое земной коры вокруг Северного полюса.

Кроме того, согласно исследованиям астрономов, лёд, т.е. замороженную воду, обнаружили на многих планетах Солнечной системы. В незначительных количествах он имеется на Марсе и на ряде карликовых планет, а также на спутниках Юпитера и Сатурна.

Источник

Физические основы образования льда

В холодильной технике льдообразование почти всегда протекает в условиях, когда имеются необходимые предпосылки для возникновения кристаллов льда. Образование твердой фазы из жидкой начинается только в отдельных точках — центрах кристаллизации. В свою очередь образование первичных центров кристаллизации возможно только при переохлаждении жидкости. Переохлаждением жидкости — называют разность температур между температурой плавления твердой фазы и температурой, при которой выделяются первые кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости возрастает до температуры плавления. Необходимость переохлаждения вызывается тем, что возникающие группировки (диспергированные кристаллы) с упорядоченным размещением молекул, близким к структуре кристаллов твердой фазы, неустойчивы. Эти группировки в соответствии с квазикристаллическим строением жидкости непрерывно разрушаются под воздействием теплового движения молекул. Когда температура жидкости становится ниже точки плавления, воздействие теплового движения молекул уменьшается.

Однако эти группировки, представляющие собой только несколько молекул с правильной кристаллической ориентировкой, остаются неустойчивыми и в условиях переохлаждении. Кристаллическая группировка становится устойчивой только тогда, когда в ней содержится несколько сот молекул. Образование такой группировки не может происходить самопроизвольно: оно требует содержания в жидкости твердых частиц. Стабильность этих групп может возникнуть только на поверхности раздела жидкости и твердых частиц, так как здесь имеется пленка жидкости, обладающая особыми свойствами молекулярной ориентации, отличающими ее от остальной массы жидкости.

При движении воды у охлаждаемой стенки первые кристаллы должны выделяться в виде тонкого слоя льда, так как у нее находится наиболее переохлажденная пленка жидкости, обладающая свойствами молекулярной организации, необходимыми для образования устойчивых группировок.

Наиболее благоприятными условия будут тогда, когда теплопередающая стенка по структуре своей поверхности приближается к структуре кристаллов льда и когда теплопередача через стенку проходит интенсивно. Поэтому шероховатые металлические стенки, особенно медные, при интенсивном охлаждении создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и полированные, особенно стеклянные, при медленном их охлаждении.

При интенсивном охлаждении воды с температурой выше 0°С у металлической стенки образуется тонкий сплошной слой льда и переохлаждение воды резко падает до тысячных долей градуса (практически можно считать, что переохлаждение отсутствует). Температура поверхности льда на границе с водой в течение всего дальнейшего процесса охлаждения ее остается постоянной и равной 0°С. Действительно, температура плавления льда при атмосферном давлении не может быть выше 0°С, так как известно, что иметь двойную фазу вещество в перегретом состоянии не может. С другой стороны, температура может понижаться лишь на тысячные доли градуса. Таким образом, практически температура льда на границе может быть принята равной 0°С.

Источник

Что нужно знать о становлении льда осенью?

Лёд на водоемах – это зона повышенного риска. В период становления льда вода замерзает, как правило, неравномерно — по частям: сначала у берега, на мелководье (в защищенных от ветра заливах), а затем уже на середине. На озерах, прудах, ставках (на всех водоемах со стоячей водой, особенно на тех, куда не впадает ни один ручеек) лед появляется раньше, чем на реках, где течение задерживает образование льда. Даже на одном и том же водоеме можно встретить чередование льдов, которые при одинаковой толщине обладают различной прочностью и грузоподъемностью.

Чего нужно избегать в период становления льда:

— никогда не выходите на лед в темное время суток и при плохой видимости (если есть туман, снегопад, дождь);

— не проверяйте на прочность лед ударом ноги (если после первого сильного удара поленом или лыжной палки покажется хоть немного воды, это означает, что лед тонкий, по нему ходить нельзя). В этом случае следует немедленно отойти по своему же следу к берегу, скользящими шагами, не отрывая ног от льда и расставив их на ширину плеч, чтобы нагрузка распределялась на большую площадь. Точно так же поступают при предостерегающем потрескивании льда и образовании в нем трещин);

— убедительная просьба родителям: НЕ ДОПУСКАЙТЕ ДЕТЕЙ НА ЛЕД ВОДОЕМОВ (на рыбалку, катание на лыжах и коньках) БЕЗ ПРИСМОТРА!

Главное управление МЧС России по НАО напоминает правила поведения на тонком льду:

— минимальная толщина льда должна составлять 5-7 см, причем лёд должен быть чистым и прозрачным, если же он имеет молочный или мутный цвет, то лучше отказаться от выхода на лёд в таких местах;

— не стоит выходить на первый лёд в одиночку, желательно это делать вдвоем или втроем, причем передвигаться по льду следует на расстоянии 3-5 метров друг от друга;

— следует помнить, что толщина льда на водоеме разная, особенно он тонок возле затопленных деревьев, остатков растительности и подмываемых берегах, поэтому не следует подходить к предметам природного и не природного происхождения, вмерзшим в лёд;

— все вещи, которые вы с собой взяли, необходимо переносить так, чтобы вы с легкостью могли от них избавиться, если провалитесь под лед;

— отправляясь на рыбалку необходимо иметь прочную веревку длиной 25 метров (которая должна находиться в легкодоступном месте) и желательно взять с собой дополнительный комплект нательного белья.

Если Вы провалились в полынью

— не паникуйте, дышите как можно глубже и медленнее;

— делайте ногами непрерывные движения так, словно вы крутите педали велосипеда;

— не пытайтесь сразу выбраться на лед, вокруг полыньи лед очень хрупкий и не выдержит тяжести вашего тела;

— продвигайтесь в сторону ближайшего берега, кроша на своем пути ледяную кромку руками, как только лед перестанет ломаться под вашими ударами, положите руки на лед, протянув их как можно дальше, и изо всех сил толкайтесь ногами, стараясь придать туловищу горизонтальное положение;

— выбравшись на лёд, растянитесь на нем и ползите вперед, не пытаясь подняться на ноги;

— ближе к берегу, где лед крепче, повернитесь на бок и перекатывайтесь в сторону берега;

— выбравшись на берег, не останавливайтесь, чтобы не замерзнуть, бегом добирайтесь до ближайшего теплого помещения.

Если человек провалился под лёд

-чтобы вытащить человека, провалившегося под лёд, не приближайтесь к краю проруби;

— лежа на животе (так оказывается меньшее давление на единицу площади ледяной поверхности, а значит меньше вероятность дальнейшего разлома льда) необходимо протянуть палку или одежду пострадавшему, чтобы он схватился за нее;

— вытянув пострадавшего из проруби, отнесите его в безопасное место и вызовите скорую помощь;

— окажите первую помощь, снимите с пострадавшего мокрую одежду, заверните в одеяло, напоите пострадавшего горячим питьем.

— нельзя погружать человека в горячую ванную, такой резкий перепад температур может выдержать даже не всякое здоровое сердце, лучше всего, если вода будет примерно температуры тела, около тридцати семи градусов.

Помните! Ваша безопасность зависит от Вас! Берегите себя и своих близких!

Источник

Биогенное управление образованием льда

Об авторе

Евгений Октябринович Пучков — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН. Область научных интересов — фундаментальные и прикладные аспекты анабиоза и гипобиоза, а также разработка и применение методов флуоресцентного зондирования и компьютерного анализа изображений в микробиологии.

В условиях земной атмосферы только вода, причем исключительно в жидком состоянии, способна обеспечивать существование уникальной формы материи — живой материи. Однако на Земле есть обширные области, где температурный режим допускает постоянный или периодический переход воды в твердое состояние — в лед, который может повреждать живые клетки. Тем не менее там обитают различные виды животных и существуют многие растения, а также микроорганизмы.

У теплокровных животных проблема защиты от образования льда решена более или менее универсальным способом. Нужная температура тела у них поддерживается за счет тепла, которое выделяется при активном метаболизме и сохраняется различными термоизолирующими покровами (мехом, перьями, подкожным жиром).

Для холоднокровных животных, растений и микроорганизмов природа нашла принципиально другое решение, точнее, даже несколько. В ходе эволюции у них сформировались разнообразные приспособительные механизмы. Их изучает большая и многоплановая область низкотемпературной биологии [1–6], которую трудно (если вообще возможно) осветить в одной журнальной статье. Мы рассмотрим только три уникальных молекулярных «инструмента», которые позволяют реализовать две основные стратегии жизни со льдом: исключение замораживания (на англ. freeze avoidance) и устойчивость к замораживанию (freeze tolerance). Эти «инструменты» — специальные биогенные вещества: коллигативные антифризы, антифризные белки и льдонуклеирующие агенты. Их уникальность заключается в том, что они регулируют (по крайней мере, в определенных пределах) образование льда. Иначе говоря, защита от повреждающего фактора осуществляется за счет влияния на него же. Целесообразно сначала обсудить, как образуется лед и почему он повреждает биологические объекты.

Замораживание воды

При понижении температуры воды может произойти переход из жидкого в одно из двух состояний: аморфное (витрифицированное, стекловидное) или кристаллическое (лед), — в зависимости от скорости охлаждения. Витрификация чистой воды наступает при температуре около −137°C, если скорость отвода тепла составляет не менее 10 7 °С/мин. Чтобы представить, насколько велика эта скорость теплоотдачи, отметим, что скорость охлаждения образца воды объемом 0,5 мл в тонкой пластиковой пробирке, которую погружают в жидкий азот (−196°C), составляет около 4·10 2 °С/мин. Ясно, что в природе витрификация сама по себе не происходит, поэтому для того, чтобы ее наблюдать и исследовать, нужны специальные экспериментальные методы [7]. При витрификации молекулы вынуждены очень резко замедлить свое движение, и часть из них как бы застигается врасплох: в ходе теплового движения они уже разорвали водородные связи с соседними молекулами, а новых сформировать не успели. Поэтому стекловидное состояние термодинамически неустойчиво. Потенциально, хотя и очень медленно, система должна релаксировать к равновесному состоянию с образованием всех возможных водородных связей и с соответствующим изменением структуры [8]. В стекловидном состоянии вязкость воды достигает 10 12 Па·с (в жидком состоянии при 20°C вязкость воды равна 10 −3 Па·с) [8]. Растворение в воде ряда органических веществ способствует витрификации при более низких скоростях охлаждения и более высоких температурах по сравнению с чистой водой, что представляет большой интерес для низкотемпературной консервации биологических объектов [9].

При небольших скоростях охлаждения, которые реализуются в природных условиях, вода может перейти только в кристаллическое состояние — лед — с образованием всех возможных водородных связей между молекулами. Это приводит к упаковке молекул воды в виде шестигранной призмы (рис. 1). Однако при разном давлении и в присутствии некоторых других веществ молекулы воды могут упаковываться и по-другому. Так, уже известно около 18 различных кристаллических фаз воды [10].

Рис. 1. Пространственная структура природного гексагонального льда. Вверху слева — организация молекул воды во льду (голубыми шариками изображены атомы кислорода, белыми — водорода), справа — схема первичного кристалла льда (рост кристалла может происходить как по направлениям осей а за счет присоединения молекул воды к призматическим поверхностям, так и по направлению оси с за счет присоединения молекул воды к базальным поверхностям). Внизу слева — иллюстрация роста кристалла в направлении оси с, справа — фото снежинки, искусственно выращенной профессором физики К. Г. Либбрехтом (K. G. Libbrecht, Калифорнийский технологический институт); хорошо видно, что в основе снежинки лежит первичная гексагональная призма. Изображение: snowcrystals.com

Температура перехода воды в лед при атмосферном давлении зависит от нескольких условий. Если в чистую воду поместить чистый лед, то при 0°С между ними установится равновесие: соотношение двух фаз будет поддерживаться неизменным сколь угодно долго. Незначительное снижение температуры приведет к замораживанию воды. Но это будет температура замораживания воды в присутствии уже существующего льда. При повышении температуры равновесие сдвигается в сторону таяния льда. Поэтому 0°С считают температурой таяния льда. Если же охлаждать только чистую воду без льда, то замораживание наступит при температуре значительно ниже 0°С (от −2°C до −15°C), а прежде вода будет находиться в так называемом переохлажденном состоянии. В этом легко убедиться, проведя опыт даже в домашних условиях. Таким образом, температура замораживания заметно ниже температуры таяния. В специальных экспериментах, когда максимально исключали примеси, а также контакт с любыми поверхностями, переохлажденное состояние сохранялось до температур около −40°С [11].

Объяснение этим закономерностям дает классическая теория нуклеации [12]. Нуклеация — это процесс формирования минимального кристалла, который выступает в роли затравки для последующего роста кристалла (см. рис. 1). Теоретически минимальный размер такого кластера в чистой воде без примесей формируется при −41°C — температуре гомогенной нуклеации [13, 14]. Переохлаждение чистой воды до такой температуры действительно можно наблюдать в специальных экспериментальных условиях [11]. Однако в реальных условиях вода замерзает при более высоких температурах, что связано с гетерогенной нуклеацией из-за присутствия чужеродных частиц в самой воде или из-за структурных дефектов сосуда, которые служат матрицей для нуклеации льда [14].

Наличие в воде растворенных веществ приводит к понижению как температуры таяния льда, так и температуры замораживания (нуклеации). Этот эффект определяется только коллигативными свойствами растворенного вещества, т. е. зависит не от его химической природы, а только от концентрации его осмотически активных частиц (осмоляльности) в растворе. На каждый растворенный осмоль на килограмм воды температура замораживания снижается приблизительно на 2°C.

При замораживании воды выделяется скрытая теплота льдообразования. Это энергия, которая высвобождается благодаря переходу в термодинамически более выгодное состояние, когда каждая молекула воды образует с соседними молекулами все четыре возможные водородные связи. Выделение этой энергии приводит к повышению температуры в системе (рис. 2) и может обеспечить частичное таяние льда в ходе замораживания. Благодаря этому эффекту при высоких скоростях отвода тепла образуются мелкие кристаллы льда, а при низких — более крупные. Отогрев при медленных скоростях подачи тепла в определенном интервале температур может вызвать укрупнение кристаллов (рекристаллизацию, или оствальдовское созревание) [15].

Рис. 2. Термограммы быстрого и медленного замораживания водных растворов. Выделение скрытой теплоты льдообразования при быстром замораживании (сплошная линия) проявляется как замедление скорости охлаждения, а при медленном (штриховая линия) — как повышение температуры с частичным таянием льда до равновесного состояния вода — лед при 0°С

Криоповреждение и криопротекция

Рис. 3. Колоколообразная экспериментальная зависимость выживаемости разных видов клеток от скорости замораживания [17]

Современные представления о том, как замораживание вредит живым организмам, сложились благодаря исследованиям, как повреждающее действие льдообразования на разные типы изолированных клеток зависит от скоростей охлаждения и отогрева. Основные результаты этих исследований суммированы в многочисленных обзорах (например, [16, 17]). Выяснилось, что зависимость выживаемости клеток от скорости замораживания всегда имеет колоколообразный вид, т. е. есть некая оптимальная скорость, индивидуальная для разных клеток, при которой сохраняется максимальная жизнеспособность (рис. 3). При медленном отогреве после быстрого замораживания выживаемость падает. Кроме того, было показано, что вероятность внутриклеточного образования льда зависит от соотношения скоростей охлаждения и выхода воды из клеток.

Рис. 4. Колоколообразную экспериментальную зависимость выживаемости клеток от скорости охлаждения (зеленая кривая) можно представить как результат суперпозиции двух «зеркальных» процессов повреждения (синяя и красная)

Так называемая двухфакторная гипотеза объясняет большую часть имеющихся экспериментальных данных. Она предполагает, что выраженность повреждений клеток зависит от соотношения скоростей охлаждения и выхода из клеток воды. При этом на клетки действуют две группы повреждающих факторов, которые проявляются по-разному в зависимости от скорости охлаждения (рис. 4).

Первая группа факторов более выражена при медленных скоростях охлаждения (рис. 5). В этих условиях лед первично образуется во внеклеточной среде, поскольку температура замерзания внутриклеточной воды всегда ниже, чем внеклеточной, из-за более высокой внутриклеточной концентрации различных осмотически активных веществ. При этом вода успевает выйти из клеток по градиенту активности, что проявляется как осмотическое сжатие клеток. Основной повреждающий фактор — обезвоживание клеток с повышением внутриклеточной концентрации неорганических ионов (солевой эффект). Это приводит к нарушению структуры и функций макромолекул и надмолекулярных комплексов, в первую очередь мембран. Другим фактором повреждения может быть необратимое изменение структуры мембран при осмотическом сжатии.

Вторая группа факторов проявляется при быстрых скоростях охлаждения (см. рис. 5). Вода не успевает выйти из клеток, и внутри них образуется лед, который и вызывает гибель клеток. Сразу после замораживания лед формируется в виде небольших кристаллов, которые затем могут увеличиться за счет рекристаллизации при медленном отогреве. Этот эффект объясняет дополнительное падение выживаемости клеток при медленных скоростях оттаивания. Предполагается, что лед может механически повреждать ключевые надмолекулярные комплексы: мембраны, рибосомы, нити актина и т. п., — однако строгих доказательств этому нет.

Рис. 5. Схематическое представление гипотезы двухфакторного повреждения клеток при замораживании — оттаивании (пояснения в тексте). Кристаллы льда разного размера изображены в виде шестиугольников

Для разных видов клеток понятия медленной и быстрой скорости охлаждения и отогрева индивидуальны и имеют конкретные количественные характеристики (см. рис. 3). Эта индивидуальность определяется специфичностью коэффициентов проницаемости цитоплазматических мембран для воды у каждого вида клеток, в частности, в разных тканях многоклеточного организма.

Традиционно считается, что впервые способность некоторых низкомолекулярных веществ, названных криопротекторами, защищать живые клетки от повреждающего действия замораживания — оттаивания была показана в 1949 г. [16–18]. Между тем российский ученый Н. А. Максимов (в дальнейшем академик АН СССР) еще в 1912 г. экспериментально продемонстрировал криопротекторный эффект глицерина, маннитола, глюкозы, этилового и метилового спиртов на эпидермальных клетках листьев красной капусты [19].

Описано множество криопротекторов, которые условно делят на две категории — проникающие внутрь клеток и не проникающие [13, 17]. Защитный эффект проникающих криопротекторов (глицерина, диметилсульфоксида, метанола и др.) носит коллигативный характер, т. е. проявляется при сравнительно высоких концентрациях (>1 M). Протекторное действие коллигативных антифризов отмечается преимущественно при медленных скоростях охлаждения и, вероятнее всего, обусловливается несколькими процессами. Во-первых, они снижают температуру внутриклеточной нуклеации, а также вероятность рекристаллизации. Во-вторых, смягчают осмотический стресс, так как накапливаются в высоких концентрациях и уменьшают градиент осмотического давления при внеклеточном образовании льда. В-третьих, могут непосредственно защищать структуру белков и мембран. Согласно так называемой гипотезе вытеснения, при образовании льда криопротекторы вытесняют из водного окружения белков и мембран концентрирующиеся неорганические ионы (солевой эффект), не вступая в прямое взаимодействие с этими структурами [20]. А согласно гипотезе замещения, некоторые криопротекторы, например пролин и трегалоза, способны замещать молекулы воды, связанные с заряженными «головками» фосфолипидов мембран, и тем самым предотвращать солевой эффект [21].

Предполагается, что непроникающие криопротекторы (различные сахара, поливинилпирролидон, декстран и др.) также уменьшают повреждающее действие солей, которые концентрируются при образовании льда, но снаружи клеток, так как «коллигативно» вытесняют соли из примембранных водных слоев. Они также усиливают действие проникающих криопротекторов.

Биогенные коллигативные антифризы

Максимов еще в начале прошлого века предположил, что высокие концентрации некоторых метаболитов, в частности сахаров, могут защищать клетки растений от образования льда при температурах ниже 0°С [22]. Однако изучение биогенных криопротекторов началось только в 1960-е гг. с исследований особой группы биогенных соединений, так называемых осмопротекторов [23]. Они обнаружены практически у всех видов организмов, от архей до высших растений и животных. Их основная роль — регуляция внутриклеточного осмотического давления при осмотических сдвигах во внеклеточной среде. Они нетоксичны при высоких концентрациях, поскольку не способны напрямую взаимодействовать с макромолекулами. За эту совместимость с метаболизмом их часто называют совместимыми веществами (на англ. compatible solutes). Они также обеспечивают защиту от ряда стрессов, в том числе от замораживания, потому что в высоких концентрациях могут выступать в роли биогенных коллигативных антифризов.

Во многих видах растений, адаптированных к замораживанию, накапливаются совместимые вещества, в том числе растворимые сахара, полиолы, бетаин и пролин. Возможно, это свидетельствует о том, что они играют криопротекторную роль, обеспечивая тем самым устойчивость к замораживанию [4]. На это указывают, в частности, данные о частой корреляции уровня накопленных сахаров и устойчивости к заморозкам. О том же свидетельствуют и результаты генетических исследований. Один из мутантов резуховидки (Arabidopsis), утративший устойчивость к замораживанию, не накапливает сахара в ответ на понижение температуры, в отличие от другого мутанта этого растения — конститутивно толерантного к замораживанию, — который делает это даже без индукции понижением температуры. Кроме того, есть мутанты, которые чувствительны к замораживанию, хотя и накапливают сахара при холодовой акклиматизации. Таким образом, накопления сахаров не всегда достаточно для того, чтобы обеспечить устойчивость растения к замораживанию. То же справедливо и для бетаина и пролина [5].

Среди животных, которые накапливают совместимые вещества в качестве коллигативных антифризов, встречаются представители обеих стратегий жизни со льдом — исключения замораживания и устойчивости к образованию льда [5, 6, 23, 24]. К наиболее изученным организмам первой группы относятся гусеницы галлообразующей бабочки Epiblema scudderiana и азиатская корюшка (Osmerus mordax), в тканях которых накапливаются значительные концентрации глицерина. При этом гусеницы способны оставаться незамороженными до температуры −38°C, а корюшка — плавать при температуре переохлажденной морской воды −2°C.

В тканях организмов второй группы при температурах ниже 0°C происходит внеклеточное образование льда, тогда как цитоплазма клеток не замерзает. В ходе сезонной адаптации к зимнему периоду у таких организмов внутри клеток накапливаются совместимые вещества: глицерин, глюкоза и трегалоза. Представители этой стратегии выживания — личинки золотарниковой пестрокрылки (Eurosta solidaginis), накапливающие глицерин, а также эндемичное насекомое Новой Зеландии уэта Hemideina maori и лесная лягушка (Rana sylvatica), использующие глюкозу и трегалозу соответственно (рис. 6).

Рис. 6. Лесная лягушка (Rana sylvatica) — представитель стратегии выживания в замороженном состоянии. Зимой 35–45% воды в ее теле превращаются в лед, и животное само становится твердым, как кусок льда. Фото Tom Benson (слева) и Janet Storey

Глицерин, глюкоза и трегалоза, по-видимому, играют осмопротекторную роль при защите от замораживания и у некоторых эндемиков Арктики и Антарктики — насекомых и нематод. По мере замерзания воды в окружающей среде ткани этих животных дегидратируются, что позволяет им избежать образования льда внутри организма. Это происходит благодаря высокой проницаемости внешних покровов для воды, которая выходит из организма в среду, ведь при одной и той же температуре парциальное давление водяных паров у переохлажденной жидкости внутри организма выше, чем у льда снаружи. Такой механизм даже предлагается рассматривать в качестве третьей стратегии жизни со льдом — криопротекции за счет дегидратации [25, 26].

Антифризные белки

История открытия второго биогенного молекулярного «инструмента» для управления образованием льда — антифризных белков — не лишена драматизма. У костистых рыб, обитающих в полярных областях океана, было обнаружено несоответствие между температурой переохлажденной приблизительно до −1,9°C морской воды и осмотической активностью низкомолекулярных компонентов плазмы крови, которая могла обеспечить коллигативное подавление льдообразования до температур не ниже −0,9. −0,6°C [27]. Иными словами, такие рыбы должны были погибнуть от замораживания крови. Безусловно, в плазме крови есть и высокомолекулярные белки, однако они не рассматривались в качестве коллигативных антифризов, поскольку их молярная концентрация слишком мала для того, чтобы подавить образование льда. К счастью, объяснение парадоксальным свойствам плазмы крови стали искать именно в связи с белками. Эта работа завершилась выделением из плазмы крови антарктических рыб семейств Nototheniidae и Channichthyidae гликопротеинов, которые обладали способностью в низких концентрациях подавлять образование льда по какому-то неколлигативному механизму [28]. В дальнейшем оказалось, что кроме этих антифризных гликопротеинов у разных видов рыб, насекомых, растений, грибов и бактерий существует множество антифризных белков. Им посвящены многочисленные обзоры, поэтому приведем лишь краткие сведения из недавно опубликованных статей [29–33].

Антифризные белки влияют на образование льда двумя способами. Во-первых, они неколлигативно снижают температуру замораживания без существенного изменения температуры плавления льда. А во-вторых, подавляют рекристаллизацию. Согласно гипотезе адсорбционного подавления такое действие антифризных белков объясняется их необратимой адсорбцией на призматических поверхностях зародышевых кристаллов льда (см. рис. 1, вверху справа) [35]. При снижении температуры рост кристаллов затормаживается, так как белки препятствуют присоединению дополнительных молекул воды из жидкой фазы. Это сдвигает температуру замораживания в отрицательную область. Аналогично объясняется торможение рекристаллизации.

Рис. 7. Анализ активности антифризных белков по структуре кристаллов льда [34]. Исследуемый раствор помещают в специальную ячейку наноосмометра, оснащенного микроскопом, и быстро замораживают, охлаждая до температур около −50. −30°C. Затем образец медленно нагревают, пока в поле зрения не останется один небольшой, еще не растаявший кристалл льда. После этого температуру вновь медленно снижают, и кристалл начинает расти по всем возможным осям (см. рис. 1, вверху справа). В воде или в растворах веществ, не взаимодействующих со льдом, кристалл растет равномерно по всем направлениям и постепенно в сечении принимает вид круглого плоского диска (а). В разбавленных растворах антифризные белки взаимодействуют с призматическими поверхностями кристалла, рост в этом направлении ограничивается, и при виде сверху кристалл, растущий преимущественно вдоль оси с, приобретает гексагональную форму (б). При высоких концентрациях антифризных белков кристалл растет практически только вдоль оси с и при виде сбоку приобретает форму гексагональной бипирамиды (в)

Количественно активность антифризных белков характеризуют по величине температурного гистерезиса (разнице между температурами таяния и замораживания кристалла льда), а также по концентрации белка, вызывающей изменения в морфологии кристаллов (рис. 7) или подавление рекристаллизации (рис. 8). Антифризные белки условно делят на умеренно активные с температурным гистерезисом 0,1–1°C и гиперактивные с гистерезисом 2–6°C. Типичные значения температурного гистерезиса антифризных белков растений — 0,1–0,7°C (исключение составляют антифризные белки ели европейской,

2°C), бактерий — 0,1–0,3°C (исключая антифризные белки Marinomonas primoryensis,

2°C), рыб (в том числе антифризные гликопротеины) — 0,4–2°C, гемолимфы насекомых и пауков — 3–6°C. Различия в активности антифризных белков, предположительно, могут быть обусловлены тем, что умеренно активные белки связываются только с призматическими поверхностями зародышевого кристалла, а гиперактивные — как с призматическими, так и с базальными (см. рис. 1, вверху справа).

Рис. 8. Подавление антифризными белками рекристаллизации льда [31]. Быстрозамороженные образцы буферного раствора без антифризных белков (слева) или с ними выдерживают при −6°C в течение 60 мин. За рекристаллизацией (укрупнением кристаллов) льда следят с помощью криомикроскопа

По структуре антифризные белки условно разделяются на четыре типа: I — имеют геометрию прямой β-спирали с молекулярной массой 3–4 кДa; II — глобулярные белки с массой 11,3–24 кДa, содержащие не менее пяти дисульфидных сшивок; III — глобулярные белки со средней массой 6,5 кДa, содержащие β-структуры (рис. 9); IV — наименее изученный тип с молекулярной массой 12 кДa. У разных видов антифризных белков и антифризных гликопротеинов не обнаружено гомологичных последовательностей, что свидетельствует о конвергентной эволюции этих белков. Любопытным оказалось обнаружение у антифризных белков растений гомологичных последовательностей с особыми белками, синтезируемыми при грибковых поражениях. Причем у белков, связанных с грибковым патогенезом, обнаружена антифризная активность.

Рис. 9. Ленточные модели трех типов антифризных белков, выделенных из разных видов рыб [29]: камбалы зимней (Pseudopleuronectes americanus) (тип I; а), морского скорпиона (Myoxocephalus scorpius) (тип I; б), представителей семейства волосатковых (Hemitripteridae) (тип II; в), представителей семейства бельдюговых (Zoarcidae) (тип III; г)

У всех белков домены, непосредственно взаимодействующие со льдом, различны (рис. 10). Роднит их одинаковая относительная гидрофобность. Считается, что преимущественно именно гидрофобное взаимодействие обеспечивает адсорбцию за счет возрастания энтропии при высвобождении молекул воды с поверхности льда и белка. Связывание белка со льдом стабилизируется водородными связями и вандерваальсовыми взаимодействиями гидрофильных аминокислот в доменах, взаимодействующих со льдом. Вероятно, некоторая часть молекул воды, связанных в этих доменах, структурно организована так, что может встраиваться в структуру кристалла льда, тем самым обеспечивая (облегчая) адсорбцию белка.

Рис. 10. Глобулярные модели пяти антифризных белков, выделенных из разных животных (слева направо): американской бельдюги (Zoarces americanus), камбалы зимней (Pseudopleuronectes americanus), большого мучного хрущака (Tenebrio molitor), еловой листовертки-почкоеда (Choristoneura fumiferana), ледничника зимнего (Boreus hyemalis). Светло-голубым цветом показаны те части белков, которые взаимодействуют со льдом. Изображение: PDB-101

Гиперактивные антифризные белки и антифризные гликопротеины обнаружены у животных, исключающих замораживание: у рыб, насекомых и некоторых других наземных членистоногих. Все эти белки предотвращают инокуляцию внешнего льда в цитоплазму при температурах ниже 0°C, а также совместно с биогенными коллигативными антифризами подавляют внутриклеточную нуклеацию. Антифризные белки с умеренной активностью встречаются преимущественно у организмов, толерантных к замораживанию, — у растений, грибов и бактерий. Предполагается, что в этом случае протекторная роль антифризных белков заключается в их способности подавлять внутриклеточную рекристаллизацию.

Кроме антифризных белков существуют еще и антифризные гликолипиды, обладающие способностью с высокой активностью вызывать температурный гистерезис [35]. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц маннозы — ксилозы, связанных с фосфолипидом. Антифризные гликолипиды выявлены как у исключающих замораживание, так и у устойчивых к замораживанию насекомых (Upis сeramboides, Dendroides сanadensis, Cupanoscelis clavipes, Nemoura arctica), а также устойчивых к замораживанию лесных лягушек (Rana sylvatica) и растения паслена сладко-горького (Solanum dulcamara). Антифризные гликолипиды, как правило, связаны с клеточными мембранами и у устойчивых к замораживанию видов сдерживают инокуляцию внеклеточного льда в цитоплазму. В гемолимфе таких животных они, по-видимому, подавляют рекристаллизацию. Функции антифризных гликолипидов у исключающих замораживание насекомых неизвестны, показано лишь, что они могут увеличивать температурный гистерезис антифризных белков жука Dendroides сanadensis.

Льдонуклеирующие агенты

Впервые представления о так называемой льдонуклеирующей активности (на англ. ice nucleating activity) возникли в метеорологии. В атмосфере были обнаружены микро- и наночастицы, в том числе биогенного происхождения, — льдонуклеирующие агенты, поверхность которых может выступать в роли матриц для нуклеации льда [36]. В 1974 г. с опавших листьев растений были выделены бактерии Pseudomonas syringae, обладающие такой активностью [37]. К настоящему времени описано около 17 родов бактерий с подобным свойством [31]. Как правило, они обитают на поверхности растений, а также в виде биопленок в пресноводных водоемах [38]. Наличие льдонуклеирующей активности выявлено также у представителей диатомовых водорослей [39], грибов, растений, насекомых, лишайников [40] и некоторых растворимых макромолекул биогенного происхождения [41].

Рис. 11. Спектры нуклеации образцов, содержащих бактерии Shewanella frigidimarina в разных концентрациях и среду культивирования [42]. На алюминиевые пластинки помещают 20 капель исследуемого образца, затем медленно (со скоростью примерно 1°C/мин) охлаждают от 0 до −20°C и снимают зависимость числа замерзших капель от температуры

Проявление льдонуклеирующей активности — повышение температуры замораживания воды. Количественно эту активность характеризуют по спектрам нуклеации [43–46] (рис. 11). Бактерии, обладающие таким свойством, могут вызвать образование льда уже при температурах около −2°C, тогда как самый активный неорганический нуклеатор — йодид серебра AgJ — вызывает кристаллизацию при температурах ниже −3,5°C.

Молекулярная природа большинства биогенных льдонуклеирующих агентов мало изучена. Главным образом это связано с тем, что их трудно выделить в чистом виде. Лучше других охарактеризованы льдонуклеирующие агенты бактерий, поскольку для них можно применить большой арсенал методов генетики, молекулярной биологии и компьютерного моделирования [31, 47–49]. К настоящему времени исследованы льдонуклеирующие агенты следующих видов бактерий: Erwinia ananas, E. herbicola, Pseudomonas fluorescens, P. putida, P. syringae, P. borealis, Xanthomonas campestris [47]. Установлено, что их льдонуклеирующие агенты — белки-нуклеаторы, которые находятся в гликолипидном комплексе внешней мембраны.

По температуре, при которой замерзает 50% капель (показателю T₅₀), белки-нуклеаторы условно делят на три категории: наиболее активные белки с T₅₀ от −5 до −1,5°C, умеренно активные с T₅₀ от −8 до −5°C и слабоактивные с T₅₀ от −10 до −8°C. У исследованных видов молекулярная организация белков-нуклеаторов схожа. Все белки содержат на N-конце гидрофобный домен. Он обеспечивает их заякоривание в мембране, по-видимому, при участии маннозы и фосфатидилинозитола. Между гидрофобным доменом и гидрофильным С-концом расположена большая центральная часть, состоящая из консервативных повторов четырех, восьми и сорока восьми аминокислот. В ней и находится активный центр нуклеации. Как он организован и как функционирует — пока неизвестно. Согласно одной из моделей, димеризация гомологичных участков двух полипептидных цепей создает поверхность, максимально благоприятную для формирования зародышевых кристаллов (рис. 12).

Рис. 12. Модель димеризации двух полипептидных β-цепей белка-нуклеатора из бактерии Pseudomonas borealis за счет стэкинг-взаимодействия остатков тирозина [49]: поперечное (а) и продольное (б) сечения, а также схема димеризации на поверхности бактериальной клетки (в). Анализ модели показал, что поверхность белка, образующаяся после соединения двух β-цепей, максимально способствует созданию зародышевых кристаллов молекул воды

Анализ структуры генов и 16S рибосомальной РНК выявил высокую степень гомологии белков-нуклеаторов из разных видов бактерий. Это свидетельствует о дивергентной эволюции признака в результате горизонтального распространения генов и о наличии общего белка-предшественника.

Сравнительно недавно было обнаружено, что некоторые вещества могут частично подавлять активность льдонуклеирующих агентов, т. е. обладают антинуклеирующей активностью [40]. В присутствии таких соединений спектры нуклеации известных нуклеаторов (бактерий, AgJ) сдвигаются в область более отрицательных температур. Антинуклеирующая активность выявлена у антифризных белков насекомых, антифризных белков и гликопротеинов рыб, флавонолгликозидов некоторых растений и у ряда других соединений.

Льдонуклеирующие агенты встречаются преимущественно у организмов, устойчивых к замораживанию, и, вероятно, используются ими для защиты от повреждающего действия льда [30, 32, 40, 50]. У бактерий, имеющих белки-нуклеаторы на внешней мембране, образование льда при понижении температуры начинается во внеклеточной среде. Это должно приводить к обезвоживанию клеток и снижению вероятности образования крупных внутриклеточных кристаллов льда. Не исключено также, что выделение скрытой теплоты льдообразования в непосредственной близости от цитоплазмы способствует снижению вероятности внутриклеточной нуклеации до того, как значительная часть воды выйдет из клеток. По-видимому, таким же образом обеспечивается устойчивость к замораживанию у растений и животных за счет индукции внеклеточного образования льда льдонуклеирующими агентами в межклеточной среде. Только в этом случае, как указывалось выше, защитный механизм задействует еще и внутриклеточные антифризные белки с умеренной активностью.

У некоторых исключающих замораживание насекомых также обнаружена льдонуклеирующая активность [51]. Она выявлена в кишечнике, что, скорее всего, обусловлено бактериями, у которых есть белки-нуклеаторы и которые попадают туда вместе с растительной пищей. Кроме того, льдонуклеирующие агенты имеются в гемолимфе. Предполагается, что для предотвращения повреждающего действия льдообразования, индуцируемого льдонуклеирующими агентами, у животных происходит специальная подготовка к зимнему периоду: опорожнение кишечника вместе с бактериями и синтез антифризных белков, обладающих антинуклеирующей активностью.

Следует упомянуть и повреждающий эффект, который вызывают бактерии с белками-нуклеаторами (Pseudomonas syringae), обитающие на поверхности неморозостойких растений [50]. Индуцируемые ими кристаллы льда уже при небольшом уменьшении температуры ниже 0°C вызывают разрушение клеток эпидермиса листьев. Вероятно, это явление способствовало эволюционному сохранению белков-нуклеаторов у эпифитных бактерий — благодаря тому, что вещества, выходящие из клеток растения, служили субстратом для бактерий.

Итак, превращение воды в лед — повреждающий фактор для живых клеток. Особую опасность представляет внутриклеточное образование льда. На Земле в областях с температурным режимом, при котором возможно превращение воды в лед, обитает множество разнообразных живых организмов, не способных к терморегуляции. Некоторые из них, например рыбы арктических и антарктических морей, постоянно ведут активный образ жизни. Другие — микроорганизмы, растения и некоторые беспозвоночные животные — в периоды снижения температуры до уровня, вызывающего образование льда, переходят в состояние гипобиоза * . Для сохранения жизнеспособности все они пользуются различными приспособительными механизмами, среди которых особое место занимает управление льдообразованием. Осуществляется оно с помощью трех биогенных молекулярных «инструментов» — биогенных коллигативных антифризов, антифризных белков и льдонуклеирующих агентов. Первые могут снижать температуру замораживания и стабилизировать внутриклеточное осмотическое давление, а также структуру биополимеров и мембран. Вторые способны подавлять рост зародышевых кристаллов льда и их укрупнение (рекристаллизацию). А третьи способствуют исключению внутриклеточного льдообразования, индуцируя внеклеточную нуклеацию. Применяются эти «инструменты» в различных сочетаниях в зависимости от стратегии выживания со льдом — исключения замораживания (рыбы, некоторые наземные беспозвоночные), устойчивости к частичному замораживанию (растения, насекомые, бактерии), а также криопротекции за счет дегидратации (некоторые насекомые и нематоды).

Литература
1. Fuller B. J., Lane N., Benson E. E. (eds.) Life in the frozen state. Boca Raton, 2004.
2. Margesin R., Schinner F. (eds.) Cold-adapted organisms. Ecology, physiology, enzymology and molecular biology. Berlin; NY, 1999.
3. Clarke A., Morris G. J., Fonseca F. et al. A low temperature limit for life on Earth // PLoS One. 2013. V. 8. e66207. DOI: 10.1371/journal.pone.0066207.
4. Chen T. H. H., Uemura M., Fujikawa S. (eds.) Cold hardiness in plants: molecular genetics, cell biology and physiology. Wallingford, 2006.
5. Xin Z., Browse J. Cold comfort farm: the acclimation of plants to freezing temperatures // Plant Cell Environ. 2000. V. 23. P. 893–902. DOI: 10.1046/j.1365-3040.2000.00611.x.
6. Doucet D., Walker V. K., Qin W. The bugs that came in from the cold: molecular adaptations to low temperatures in insects // Cell. Mol. Life Sci. 2009. V. 66. P. 1404–1418. DOI: 10.1007/s00018-009-8320-6.
7. Shi M., Ling K., Yong K. W. et al. High-throughput non-contact vitrification of cell-laden droplets based on cell printing // Scientific Reports. 2015. V. 5. P. 1–10. DOI: 10.1038/srep17928.
8. Wowk B. Thermodynamic aspects of vitrification // Cryobiology. 2010. V. 60. P. 11–22.
9. Fahy G. M., Wowk B. Principles of cryopreservation by vitrification // Day J. G., Stacey G. N. (eds.) Cryopreservation and freeze-drying protocols. Totowa, 2015. V. 1257. P. 21–82. DOI: 10.1007/978-1-4939-2193-5-2.
10. Bartels-Rausch T., Bergeron V., Cartwright J. H. E. et al. Ice structures, patterns, and processes: a view across the icefields // Rev. Mod. Phys. 2012. V. 84. P. 885–944. DOI: 10.1103/RevModPhys.84.885.
11. Biggs E. K. The supercooling of water // Proc. Phys. Soc. 1953. V. B66. P. 688–703.
12. Dubrovskii V. G. Nucleation theory and growth of nanostructures. Berlin; Heidelberg, 2014. DOI: 10.1007/978-3-642-39660-1-1.
13. Muldrew K., McGann L. E. Cryobiology — a short course.
14. Franks F. Biophysics and biochemistry at low temperatures. London, 2012.
15. Inada T., Modak P. R. Growth control of ice crystals by poly(vinyl alcohol) and antifreeze protein in ice slurries // Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. P. 3149–3158. DOI: 10.1016/j.ces.2005.12.005.
16. Mazur P. Principles of cryobiology // Fuller B. J., Lane N., Benson E. E. (eds.) Life in the frozen state. Boca Raton, 2004. P. 366. DOI: 10.1201/9780203647073.ch1.
17. Mazur P. Freezing and low temperature storage of living cells // Muhlbock O. (ed.) Proceedings of the workshop on basic aspects of freeze preservation of mouse strains: Jackson Laboratory, Bar Harbor, Maine, September 16th-September 18th, 1974. Stuttgart, 1976. P. 1–12.
18. Polge C., Smith A. U., Parkes A. S. Revival of spermatozoa after vitrification and dehydration at low temperatures // Nature. 1949. V. 164. P. 666.
19. Maximow N. A. Chemische Schutzmittel der Pflanzen gegen Erfrieren. I. // Ber. Deutsch. Bot. Ges. 1912. V. 30. S. 52–65.
20. Carpenter J. F., Crowe J. H. The mechanism of cryoprotection of proteins by solutes // Cryobiology. 1988. V. 25. P. 244–255.
21. Rudolph A. S., Crowe J. H. Membrane stabilization during freezing: the role of two natural cryoprotectants, trehalose and proline // Cryobiology. 1985. V. 22. P. 367–377.
22. Maximow N. A. Chemische Schutzmittel der Pflanzen gegen Erfrieren. III. // Ber. Deutsch. Bot. Ges. 1912. V. 30. S. 504–516.
23. Yancey P. H. Organic osmolytes as compatible, metabolic and counteracting cytoprotectants in high osmolarity and other stresses // J. Exp. Biol. 2005. V. 208. P. 2819–2830. DOI: 10.1242/jeb.01730.
24. Ramløv H. Aspects of natural cold tolerance in ectothermic animals // Hum. Reprod. 2000. V. 15. P. 26–46.
25. Holmstrup M., Bayley M., Ramløv H. Supercool or dehydrate? An experimental analysis of overwintering strategies in small permeable arctic invertebrate // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. P. 5716–5720. DOI: 10.1073/pnas.082580699.
26. Smith T., Wharton D. A., Marshall C. J. Cold tolerance of an Antarctic nematode that survives intracellular freezing: comparisons with other nematode species // J. Comp. Physiol. B. 2008. V. 178. P. 93–100. DOI: 10.1007/s00360-007-0202-3.
27. Scholander P. F., van Dam L., Kanwisher J. W. et al. Supercooling and osmoregulation in arctic fish // J. Cell Comp. Physiol. 1957. V. 49. P. 5–24.
28. DeVries A. L., Wohlschlag D. E. Freezing resistance in some Antarctic fishes // Science. 1969. V. 163. P. 1073–1075.
29. Kar R. K., Bhunia A. Biophysical and biochemical aspects of antifreeze proteins: using computational tools to extract atomistic information // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2015. V. 119. P. 194–204. DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2015.09.001.
30. Duman J. G. Animal ice-binding (antifreeze) proteins and glycolipids: an overview with emphasis on physiological function // J. Exp. Biol. 2015. V. 218. P. 1846–1855. DOI: 10.1242/jeb.116905.
31. Lorv J. S. H., Rose D. R., Glick B. R. Bacterial ice crystal controlling proteins // Scientifica. 2014. V. 2014. P. 1–20. DOI: 10.1155/2014/976895.
32. Gupta R., Deswal R. Antifreeze proteins enable plants to survive in freezing conditions // J. Biosci. 2014. V. 39. P. 931–944. DOI: 10.1007/s12038-014-9468-2.
33. Бильданова Л. Л., Салина Е. А., Шумный В. К. Основные свойства и особенности эволюции антифризных белков // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16. С. 250–270.
34. Griffith M., Yaish M. W. F. Antifreeze proteins in overwintering plants: a tale of two activities // Trends Plant Sci. 2004. V. 9. P. 399–405. DOI: 10.1016/j.tplants.2004.06.007.
35. DeVries A. L. Antifreeze glycopeptides and peptides: interactions with ice and water // Methods Enzymol. 1986. V. 127. P. 293–303.
36. Vali G. Principles of ice nucleation // Lee R. E., Warren G. J., Gusta L. V. (eds.) Biological ice nucleation and its applications. St. Paul, 1995. P. 1–28.
37. Maki L. R., Galyan E. L., Chang-Chein M., Caldwell D. R. Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae // Appl. Microbiol. 1974. V. 28. P. 456–460.
38. Hirano S. S., Upper C. D. Ecology of ice nucleation-active bacteria // Lee R. E., Warren G. J., Gusta L. V. (eds.) Biological ice nucleation and its applications. St. Paul, 1995. P. 41–61.
39. Knopf D. A., Alpert P., Wang A. B., Aller J. Y. Stimulation of ice nucleation by marine diatoms // Nat. Geosci. 2011. V. 4. P. 88–90. DOI: 10.1038/ngeo1037.
40. Kawahara H. Characterizations of functions of biological materials having controlling-ability against ice crystal growth // Ferreira S. O. (ed.) Advanced topics on crystal growth. Rijeka, 2013. P. 119–143. DOI: 10.5772/54535.
41. Pummer B. G., Budke C., Augustin-Bauditz S. et al. Ice nucleation by water-soluble macromolecules // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 4077–4091. DOI: 10.5194/acp-15-4077.
42. McCorkle A. M. Natural ice-nucleating bacteria increase the freezing tolerance of the intertidal bivalve Geukensia demissa // Biology Honors Papers. 2009.
43. Vali G. Quantitative evaluation of experimental results on heterogeneous freezing nucleation of supercooled liquids // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. P. 402–409.
44. Junge K., Swanson B. D. High-resolution ice nucleation spectra of sea-ice bacteria: implications for cloud formation and life in frozen environments // Biogeosci. 2008. V. 5. P. 865–873. DOI: 10.5194/bg-5-865-2008.
45. Stopelli E., Conen F., Zimmermann L. et al. Freezing nucleation apparatus puts new slant on study of biological ice nucleators in precipitation // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. P. 129–134. DOI: 10.5194/amt-7-129-2014.
46. Hartmann S., Augustin S., Clauss T. et al. Immersion freezing of ice nucleation active protein complexes // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 5751–5766. DOI: 10.5194/acp-13-5751-2013.
47. Warren G., Wolber P. Molecular aspects of microbial ice nucleation // Mol. Microbiol. 1991. V. 5. P. 239–243.
48. Graether S. P., Jia Z. Modeling Pseudomonas syringae ice-nucleation protein as a β-helical protein // Biophys. J. 2001. V. 80. P. 1169–1173. DOI: 10.1016/S0006-3495(01)76093-6.
49. Garnham C. P., Campbell R. L., Walker V. K., Davies P. L. Novel dimeric β-helical model of an ice nucleation protein with bridged active sites // BMC Struct. Biol. 2011. V. 11. P. 36. DOI: 10.1186/1472-6807-11-36.
50. Zachariassen K. E., Kristiansen E. Ice nucleation and antinucleation in nature // Cryobiology. 2000. V. 41. P. 257–279. DOI: 10.1006/cryo.2000.2289.
51. Duman J. G. Antifreeze and ice nucleator proteins in terrestrial arthropods // Annu. Rev. Physiol. 2000. V. 63. P. 327–357. DOI: 10.1146/annurev.physiol.63.1.327.

* Подробнее о гипобиозе см.: Пучков Е. О. Немножко умереть // Химия и жизнь. 2015. № 1. С. 20–28.

Источник