|
Снегом управляет жизнь
ТЕКСТ: Пётр Смирнов
ФОТО: Comstock/East News
Живые организмы научились управлять погодой за миллионы лет до человека, и доступным это оказалось только самым примитивным из них – бактериям. Оказывается, при образовании снежинок именно они играют ключевую роль, выступая в роли активных центров кристаллизации в облаках.
<!-- СМОТРИ ТАКЖЕ (ящики) --> <!-- СМОТРИ ТАКЖЕ -->
То, что ученые иногда ведут себя, как дети, доказали французские и американские биологи, весь последний год радовавшиеся снегу не меньше маленьких любителей горок, игры в снежки и прочих зимних развлечений. Правда, взрослые оказались порядочными привередами – для своих научных целей они собирали только свежевыпавший снег в Америке, Антарктике и Европе.
Это весёлое занятие было необходимой частью очередной работы, посвященной формированию снежинок в облаках. На сегодняшний день считается, что зарождение этих маленьких чудес света происходит при охлаждении вокруг «активного центра», зародыша конденсации, представленного любой мелкой частицей органического или неорганического происхождения. В отсутствии таких частиц вода замерзает лишь при очень низких температурах (ниже -40oC). Однако центры конденсации собирают вокруг себя молекулы воды, превращая их в кристаллы льда и при более высоких температурах. Процесс этот настолько уникален, что считается невозможным найти две одинаковые снежинки.
Снежинки, увеличенные при помощи сканирующего электронного микроскопа //wikimedia.org
Снег
ТЕКСТ: WIKIPEDIA
форма осадков, состоящая из мелких кристаллов льда. Снег возникает, когда микроскопические капли воды в облаках примыкают к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются известные шестиконечные формы. Из-за особой структуры молекул воды возможны углы лишь в 60° и 120°.
Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха. Свет всех возможных частот отражается на граничных поверхностях между кристаллами и воздухом и рассеивается. Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).
Самая крупная когда-либо засвидетельствованная снежинка имела диаметр в 38 см] Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.
При падении в воду снежинка создаёт крайне высокий звук, неслышимый для человека, но неприятный для рыб.
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жёсткой геометрии.
Миниатюра «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение историка кристаллографии И. И. Шафрановского.
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».
В 1885 году, после множества проб и ошибок, американский фермер Уилсон Бентли по прозвищу «Снежинка» получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, cделав более 5000 уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует ни одной пары абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).
В 1951 году Международная комиссия по снегу и льду приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию твёрдых осадков. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились ещё три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
В 2001 году свои исследования в области снега начал профессор физики, астроном Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно.
Результаты работы, опубликованной в последнем номере Science, ещё раз объединили органическую и неорганическую жизнь на нашей планете – большую часть таких «центров» самоорганизации, по мнению ученых, представляют биополимеры. Такая идея была выдвинута ещё 40 лет назад, но невозможность доказать ключевую роль биополимеров и бактерий в снегообразовании не позволила развить эту мысль.
На этот раз собранный в максимально стерильных условиях снег ученые растопили в герметичной посуде, а затем начали постепенно замораживать. В таких случаях лёдообразование (кристаллизация) начинается вокруг активных центров, аналогичных таковым в тучах и облаках.
Таких биологических частиц, стимулирующих кристаллизацию при температурах , больше всего оказалось в США и Франции – около 110 на литр воды, а меньше всего в Антарктике – в среднем лишь 4 штуки на литр.
Такие различия в концентрации активных центров сказались и на температуре снегообразования – европейские образцы начинали замерзать уже при быстром охлаждении до -4…-7oC, тогда как антарктические требовалось доводить до -9oC.
Мифы о «летающих перьях»
ТЕКСТ: WIKIPEDIA
«В области, лежащей ещё дальше к северу от земли скифов, — говорит Геродот, - как передают, нельзя ничего видеть, и туда невозможно проникнуть из-за летающих перьев. И действительно, земля и воздух там полны перьев, а это-то и мешает зрению».
В южнославянском фольклоре широко известна легенда о снеге, который белизной и рыхлостью напоминал смолотое зерно, в нём видели падающую с неба муку. Этот мотив отразился в легендах «Когда Господь ходил по земле» и «Грешная женщина», а также в поверье, записанном в области Велеса в Македонии «Почему не падает с неба мука». В них рассказывается о том, что мука перестала падать с неба как снег, потому что одна женщина вытерла нечистоты ребенка куском теста.
Общее же число различных частиц в литре талой воды было от 1,1*107 до 3,9*109 в разных образцах, из них примерно десятая часть – биополимеры и прочая органика. Живых клеток – точнее, клеток размером от 0,3 до 15 микрон, в которых присутствовала ДНК, – оказалось ещё меньше, в среднем около 0,1% от числа частиц любой природы (от 1,5*104 до 5,4*106 на литр).
Однако, как оказалось, именно они являются основной причиной образования снежинок.
Чтобы выяснить это, учёные прогрели талую воду. Нагревание выше 50oC приводит к потере структуры биологических молекул, однако никак не влияет на минеральные частицы. Как оказалось, такая процедура практически полностью лишает такую воду способности замерзать при температурах выше -10oC. В прогретой, а затем охлаждённой воде центров концентрации льда оказалось как минимум на 70% меньше, чем в исходной, а в некоторых образцах они исчезали полностью!
Похожий, хотя и чуть менее выраженный, эффект дезактивации наблюдался при обработке талой воды лизозимом – ферментом, содержащимся в слюне и разрушающим полисахариды клеточной стенки бактерий.
Тропосфера и облака
ТЕКСТ: WIKIPEDIA
Тропосфера (от греческого— поворот, изменение, и — шар) — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км.
В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат.
При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (—53° C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой.
Облака — видимые на небе с поверхности земли взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара — капли воды, кристаллы льда, или и те, и другие (они называются облачными элементами). При укрупнении облачных элементов и возрастании их скорости падения, они выпадают из облаков в виде осадков.
Обычно облака наблюдаются в тропосфере. Тропосферные облака подразделяются на роды, виды, разновидности и по дополнительным признакам в соответствии с международной классификацией облаков. Изредка наблюдаются другие виды облаков: перламутровые облака (на высоте 20—25 км) и серебристые облака (на высоте 70—80 км).
Даже такого небольшого количества оказалось достаточно для многочисленных гипотез о круговороте живого в природе и взаимодействии живого и неживого.
Во-первых, те же самые бактерии заинтересованы в быстром замораживании при относительно высоких температурах. Эти кристаллы льда – троянский конь, разрушающий клеточную стенку изнутри и делающий доступным содержимое для «плотоядных» прокариот.
Во-вторых, чем быстрее сформируется снег, тем быстрей выпадут осадки, а следовательно – бактерии раньше вернутся на землю, которая куда богаче питательными веществами, да и потеплей, что существенно для процессов деления.
Так что теория Вернадского о биосфере как о «взаимодействии» живых существ с неорганической природой получила совершенно неожиданное развитие.
Справедливости ради стоит отметить, что все это остается лишь гипотезами, поскольку образцы были собраны с поверхности земли и могли «обогатиться органикой» уже в нижних слоях атмосферы. Хотя даже в бедной жизнью Антарктике органики оказалось довольно много.
Собирать кусочки облаков для подтверждения результатов работы достаточно затруднительно – основные облака формируются на высоте в несколько километров. К тому же, чтобы выделить из него литр воды, пришлось бы доставить в лабораторию от нескольких сот до тысяч кубометров типичного облака, что выглядит мало реальным.
Но главное – ученые получили новое подтверждение не просто приспособления, а управления природными процессами со стороны живых организмов. Считалось, что кроме человечества, едва-едва начинающего учиться управлять погодой, на это никто не способен.
Источник: www.gazeta.ru.
Рейтинг публикации:
|
