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自然中的热现象:极寒地区生物防结冰之奇妙

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发表于 2020-5-8 13:56:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
极地地区是地球上最为寒冷的地方。南极附近海域由于盐分浓度较高,在低于0℃的温度下仍不结冰,但是水温较低,有的水域温度低于-2℃。按理说,在这样的低温下,大部分鱼类已经冻成“冰棒”了。但是,在南纬82°的罗斯冰架下面的水域中却发现了鳕鱼(图1),能自然地游走,在极地冰水中鳕鱼耐冻不僵化。面对此现象,我们会提出这样一问题:是什么促使极寒地区生物具有耐冻的奇妙本领?近年来,极寒地区生物防结冰内在机制的奇妙之处引起了科学家的关注。
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图1 南极鲟鱼

现有研究表明,鳕鱼的体液中有一种抗冻蛋白,它能阻止体液内冰核的形成与生长,维持体液的非冰冻状态。该物质之所以具有抗冻作用:是因为其分子具有扩展的性质,抗冻蛋白结构上有一块极易与水或冰相互作用的表面区域,当这些蛋白质接触冰时,水分子会发生改变,以形成不同的氢键结构和方向,产生非冻结水,新的冰层必须沿着没有蛋白的缝隙生长,造成了冰晶弯曲的表层,局部的凝固点也就跟着下降,以此降低水的冰点,从而阻止体液的冻结
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图 2抗冻蛋白的“Janus”效应

目前,抗冻蛋白已经在极地鱼类、沙漠甲虫和一些植物等多种生物体内发现。我国科学家针对新疆地区的小胸鳖甲体内的抗冻蛋白进行了深入研究,更加清晰地揭示了抗冻蛋白的防冰机制。抗冻蛋白对冰成核具有Janus效应(即两面性或二重性),包括冰结合面(ice-binding face)和非冰结合面(non-ice-binding face),如图2所示。冰结合面具有排列周期与冰晶晶格匹配的羧基和甲基,非冰结合面具有可带电荷的氨基、羧酸基、和大的疏水官能团。抗冻蛋白通过空间结构和其表面的官能团调控界面水层进而实现对冰成核和冰传递的控制。一方面,冰结合面相对平整,利用羧基与界面水生成氢键固定界面水,同时利用甲基的疏水作用调控界面水的空间排列,在冰结合面侧形成类冰界面水层,促进冰核形成。另一方面,非冰结合面由于局部电场和疏水官能团的存在,阻碍了界面水层的有序组装,增大了成核能垒,达到抑制冰核形成的效果。

自然界这一奇妙的防结冰机制,将为防除冰实用需求(如飞机机翼防除冰、空调冷凝器防结冰)提供崭新的启示和思路,未来预期可为防除冰领域带来突破性的技术革新。



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