Разница между лекарством и ядом часто таится в дозировке. Этот принцип можно применить и на воду, без которой жизнь на планете Земля была бы совершенно иной, если бы вообще зародилась. В случае воды ее живительные или губительные свойства зависят не только от количества, но и от химического состава примесей, а также физических факторов, влияющих на ее состояние. Другими словами, наполненный водой воздушный шарик, упавший на голову, может подпортить костюмчик, но если его предварительно заморозить, то химчистка станет меньшей из проблем. Особое внимание стоит уделить полярным регионам, где имеется переохлажденная вода, способная оставаться жидкой даже при минусовой температуре, но кристаллизующаяся в ответ на малейшие изменения среды. Ученые из Института полимерных исследований им. Макса Планка (Майнц, Германия) рассмотрели удивительное существо Adamussium colbecki, способное противодействовать губительному обледенению. Как обычный моллюск борется с могучей силой природы, и можно ли методику его противостояния перенести в мир людей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Прежде всего стоит пояснить, что такого особенного в водах, где обитает двустворчатый моллюск Adamussium colbecki. Данный вид является эндемиком антарктических вод. Одна из особенностей воды в этом регионе заключается в том, что она замерзает при температуре -2 °C, что вызвано высоким содержанием солей. В принципе, ничего удивительного в этом нет. Удивительно другое — температура жидкой воды в этой местности на 0.05 °C ниже температуры образования льда, т.е. температуры кристаллизации. Это является примером переохлажденности, т.е. снижения температуры жидкости или газа ниже температуры замерзания без перехода в твердое агрегатное состояние. Считается, что такая вода не сразу замерзает, так как в ней отсутствуют центры кристаллообразования. При этом внедрения в такую воду какого-либо предмета (от песчинки до исследовательского оборудования) приводит к моментальному нарастанию кристаллов льда, т.е. к обледенению оного.

Переохлажденная мыльная жидкость, в которую добавили мелкие частицы, вызвавшие моментальное образование кристаллов льда.

Если утрировать, то переохлажденная вода остается жидкой, если ее не трогать и в нее ничего не запихивать. Стоит возникнуть какому-либо возмущению, как начинают образовываться кристаллы льда.


Изображение №1

Ученые отмечают, что нарастание льда на объектах в воде может происходить, когда вода переохлаждается ниже ожидаемой равновесной точки замерзания, зависящей от солености и давления. В прибрежной Антарктиде переохлажденные воды образуются в результате взаимодействия прибрежных вод с массивными толстыми плавучими шельфовыми ледниками, в результате чего в толще воды образуются мелкие свободно плавающие кристаллы льда. Переохлаждение морской воды в Антарктиде, хотя и минимальное по величине (если сравнивать с лабораторными экспериментами), все же может привести к значительному обледенению. Например, в проливе Мак-Мердо условия переохлаждения (1а), возникающие с июля по декабрь каждого года, вызывают рост толстого покрова полусцементированных кристаллов льда (до 2–3 м) на скалах и отложениях мелководья морского дна (глубина ≲ 33 м), называемых якорным (донным) льдом.

Донный лед

Было высказано предположение, что образование донного льда (1b) происходит либо за счет накопления взвешенных клейких частиц льда, либо за счет зарождения и роста кристаллов льда на месте помещенного в воду материала. После образования этот лед стабилен до тех пор, пока температура окружающей воды остается на уровне или ниже точки замерзания, при этом дополнительному росту способствует продолжающееся переохлаждение.

Как и в случае с камнями или искусственными материалами, хладнокровные морские животные также рискуют подвергнуться криогенному обрастанию в переохлажденной морской воде. Учитывая этот момент, становится еще более любопытно, каким образом моллюск Adamussium colbecki спокойно обитает в столь опасной среде.

Результаты исследования

Стоит отметить, что антарктический гребешок Adamussium colbecki — один из немногих видов бентосных организмов, которых можно заметить в мелководной зоне образования донного льда в бухте Эксплорер, в западной части пролива Мак-Мердо, Антарктида.

Видео №1

Они населяют как глубокие, свободные ото льда зоны, так и самые мелководные и самые ледяные участки, где их можно даже найти сидящими на толстом, растущем донном ледяном покрове (1c-1e).

Поверхность раковин этих моллюсков остается абсолютно свободной от нарастающего льда, в то время как камни и другие объекты в окрестностях полностью им покрыты.

Как и в хорошо изученных местах на юго-востоке пролива Мак-Мердо, наблюдения дайверов в бухте Эксплорер показали, что распространенность и толщина донных ледяных образований самые высокие в самых мелких местах и ​​уменьшаются с увеличением глубины. С нижней стороны поверхностного морского льда (~ 2-3 м) до глубины около 6 м донный лед образовывает ковер толщиной 60 см, покрывающий более 90% морского дна (зона 1; 1с). На глубине от ~6 до 20 м ледяной ковер становится менее однородным, покрывая примерно 30-50 % морского дна (зона 2; 1d). На глубинах ниже 20 м донного льда не было обнаружено (зона 3; 1e). Эта глубина может ограничивать максимальную глубину проявления переохлаждения в районе исследований (1b). Наблюдения показали наличие живых моллюсков во всех трех зонах.

Любопытным наблюдением является то, что на раковинах некоторых моллюсков были обнаружены Homaxinella balfourensis (разновидность морской губки), полностью обледеневшие, в отличие от самих моллюсков.

Видео №2

Из-за этого некоторые моллюски непроизвольно плавали в воде, ввиду плавучести льда (видео выше). Такой нежелательный дрейф приводит к тому, что моллюски переносятся к нижней стороне растущего ледяного покрова, где они, предположительно, вмерзают и погибают (2a-2f).


Изображение №2

Нарастание льда для морского гребешка опасно не только по очевидной причине, но и с точки зрения снижения маневренности для побега от вероятной угрозы или даже перекрытие льдом потока воды, необходимого для фильтрационного питания.

Ученые заявляют, что негативные последствия как для питания, так и для подвижности (2c-2h), связанные с криогенным обрастанием, позволяют предположить, что для организмов, населяющих районы с переохлажденной морской водой, давление отбора (с точки зрения эволюции), направленное на выработку пассивных или активных стратегий защиты от обледенения, может быть относительно сильным.

На способность поверхностей избегать обледенения в воздухе влияют такие свойства, как микроструктура, шероховатость поверхности, гидрофобность, химический состав или специфические топологические структуры. На 3a-3e показана морфологическая характеристика раковин антарктического гребешка Adamussium colbecki.


Изображение №3

В отличие от двух неантарктических контрольных видов (Argopecten irradians и Placopecten magellanicus), раковины антарктического гребешка макроскопически гладкие, с небольшими приподнятыми концентрическими годичными кольцами и плавно волнистыми первичными гребнями, видимыми невооруженным глазом.

Сканирование с помощью СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) выявило высокоструктурированную поверхность с концентрическими годичными кольцами, которые разделяют микрогребни и микродолины, образуя отчетливую регулярную иерархическую структуру (3f-3h). То есть области между годичными кольцами определяются серией относительно однородных радиальных микрогребней. А вот на поверхностях раковин двух контрольных видов не было упорядоченной или повторяющейся микроструктуры.

Для антарктического гребешка расстояние между концентрическими годичными кольцами и радиальными микрогребнями вдоль линии от вершины (центр) до края составляло от ~ 250 мкм до ~10 мкм.

Эти элементы не являются строго однородными по всей раковине и могут варьироваться, при этом расстояние между элементами увеличивается в зависимости от расстояния от вершины. Микроскопические особенности поверхности более крупных (более старых) раковин были слегка истерты, при этом поверхностный износ, по-видимому, увеличивался по направлению к вершине — самой старой части раковины.

На следующем этапе исследования более детально рассмотрели элементы морфологии разных участков на поверхности раковины моллюска.

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия показала, что поверхность раковины преимущественно состоит из кислорода, углерода, кальция, следов кремния, натрия, алюминия и магния. Эти результаты согласуются с типичной кальцитовой оболочкой (CaCO₃), ламинированной белковым периостракумом. Было обнаружено, что состав поверхности был идентичен в разных участках анализа, в том числе вдоль концентрических годичных колец, микрогребней или микродолин между ними.

Шероховатость поверхности была определена с помощью атомно-силовой микроскопии. Анализ показал, что самыми шероховатыми участками были концентрические годичные кольца (среднеквадратическая шероховатость 135 ± 57 нм), затем идут радиальные микрогребни (96 ± 3 нм). А вот дно впадин между этими гребнями было относительно гладким (38 ± 9 нм) в перемешку с относительно небольшими выпуклостями (нанозернами; диаметр 83 ± 26 нм), которые были неравномерно распределены по радиальным микрогребням.

В природе нежелательное обледенение поверхностей может происходить либо за счет накопления взвешенных клейких частиц ледяной крошки, либо за счет инициирования роста льда на поверхности (гетерогенное образование льда). Чтобы выяснить, какой из вариантов может быть более реальным, были проведены тесты по замораживанию морских гребешков в воздушной среде.


Изображение №4

На 4a и 4d показаны результаты экспериментов по замораживанию на воздухе, проведенных в заполненной воздухом камере с контролируемой температурой и влажностью.

По сравнению с контрольными видами моллюсков образование льда на раковине антарктического гребешка произошло позже, и последующий рост льда шел в направлении определенных особенностей поверхности (4a и 4b; видео №3). Другими словами, лед скапливался только на годичных кольцах, не затрагивая микрогребни.

Видео №3

По мере продолжения опыта лед продолжал расти на кольцах вертикально, при этом между отдельными ледяными образованиями не было обнаружено каких-либо соединений. Среди контрольных видов моллюсков картина была иная — лед покрывал их раковины достаточно равномерно (4d и 4e).

Для антарктического гребешка механизм направленного обледенения происходит в два последовательных этапа: начальное конденсационное обледенение на годичных кольцах, за которым следует непрерывный рост обледенения. Наличие острых/шероховатых краев (например, на годичных кольцах) усиливает кристаллообразование жидкости за счет снижения энергетического барьера. Поскольку в годичных кольцах находится больше жидкой воды, здесь более вероятно зарождение микроскопического льда. При образовании этих микроскопических ледяных областей в виде ледяных полос (на годичных кольцах) паровое поле вокруг гребней сжимается. Поле сжатого пара создает локально более крутые градиенты и, следовательно, более сильные потоки пара по направлению ко льду на краях (4b).

Как следствие, нарастание льда на полосах усиливается по сравнению с впадинами между микрогребнями. Перенос пара в воздухе при обледенении аналогичен переносу тепла под водой при обледенении. На гребнях генерируемое скрытое тепло удаляется быстрее, способствуя ускоренному росту льда. Кроме того, поскольку паровое давление льда ниже, чем у воды, сконденсировавшаяся вода в микровпадинах будет перенаправлена на микрогребни. Этот процесс приводит к тому, что микровпадины остаются относительно свободными ото льда (4a).

Следующий тест был направлен на оценку сцепления (адгезии) льда. Этот анализ должен показать, может ли отсутствие криогенного обрастания раковины антарктического гребешка быть результатом уменьшения сил сцепления между налипшим льдом и поверхностью раковины. Если сцепление достаточно низкое, лед может отделиться и уплыть под действием поведенческих факторов и/или факторов окружающей среды.

Видео №4

Анализ показал (5а), что лед менее прочно прилипает к антарктическому гребешку по сравнению с контрольными видами (Argopecten irradians и Placopecten magellanicus).


Изображение №5

Для антарктического гребешка прочность сцепления на воздухе со льдом составила 145 ± 24 кПа, что примерно в 2-3 раза ниже, чем у контрольных видов (335 ± 23 кПа и 405 ± 27 кПа).

Было также замечено, что, когда замороженные капли откалываются от антарктического гребешка, на границе разлома появляются отчетливые линии в виде годичных колец. Напротив, замороженные капли, отделенные от контрольных видов, имели однородную границу разлома.

Видео №5

Это наблюдение можно объяснить неоднородностью морфологии поверхности раковины антарктического гребешка, состоящей из множества микроскопических впадин и гребней. Из-за этого общая площадь сцепления с ледяной оболочкой уменьшается, что снижает общую эффективную силу сцепления.

Прочность сцепления льда (Н/м² или Па) с раковиной под водой определяли с помощью специально изготовленного прибора. Прибор определял силы, необходимые для отрыва льда, когда налипший лед тянулся перпендикулярно поверхности раковины. Опыты проводились в соленой воде (35 г/л NaCl), моделируя условия морской воды в Антарктиде.

Источник холода под небольшим участком раковины вызвал рост льда высотой до 6 мм над поверхностью раковины (видео №6), тем самым покрывая перфорированную титановую пластину (1 см², 4 отверстия диаметром 2 мм), которая, в свою очередь, была соединена с датчиком силы. Затем зонд вытягивали вверх от раковины со скоростью 30 мкм/с (видео №7).

Видео №6

Видео №7

Как и в опытах в воздушной среде, опыты в воде показали, что сила сцепления льда с раковиной антарктического гребешка значительно ниже (37 ± 7 кПа) по сравнению с оной у контрольных видов: 112 ± 14 кПа — Argopecten irradians и 243 ± 14 кПа — Placopecten magellanicus (5b и видео №8).

Видео №8

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Долгое время ученые считали образование донного льда основной причиной гибели мелководных бентических сообществ пролива Мак-Мердо в Антарктиде. Но далеко не все моллюски пали под натиском сил, которые им неподвластны. Антарктические гребешки вида Adamussium colbecki способны пассивно противостоять нарастанию льда на поверхности их раковин, что в противном случае привело бы к неминуемой гибели.

В рассмотренном нами сегодня труде ученые детально рассмотрели раковину этого удивительного моллюска. Анализы и тексты показали, что морфология поверхности раковины состоит из множества микроскопических элементов (впадин, гребней и т.д.). Одну из важнейших ролей в борьбе со льдом играют годичные кольца, которые меняют направление роста льда и снижают его сцепление с раковиной.

Если у других моллюсков раковина практически полностью покрывается льдом (т.е. однородно), то у антарктических гребешков лед нарастает вертикально на участках раковины, которые называют микрогребнями. Между этими участками лед не образуется. Ввиду этого площадь сцепления очень мала, а потому лед может отсоединиться от раковины под действием как поведенческих факторов, так и факторов окружающей среды (течение, плавучесть льда и т.д.).

Ученые считают, что понимание того, как определенные виды, обитающие в экстремальных условиях, противодействуют их влиянию, может помочь в разработке материалов для техники, применяемой в подобных средах. К примеру, антарктические гребешки и их уникальные ракушки могут помочь решить проблему обледенения исследовательских зондов, изучающих Арктические и Антарктические воды.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?