Исследовательская работа по физике "повелители льда или роль микроорганизмов в фазовых переходах воды"

Министерство образования Республики Башкортостан

отдел образования администрации муниципального района Мечетлинский район филиал муниципального  общеобразовательного бюджетного учреждения Башкирская  гимназия села Большеустьикинское

муниципального района Мечетлинский район Республики Башкортостан средняя общеобразовательная школа с. Алегазово

Повелители льда

ИЛИ

РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ ВОДЫ.

Исследовательская работа

  по физике ученика 9  класса

                                                      Серебренникова Александра                                    

                                     Руководитель:

                                                                         учитель физики Нажипова З.Ф.

С. Алегазово 2018 год

Объект исследования:                                                                                    Образцы воды, взятые из разных источников (водопровод, колодец, ключ, снег, река Ай).                                                                                 

Актуальность:                                                                                            

Пожалуй, на Земле нет более распространенного и в, то же время, более загадочного вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Все живое вышло из воды и состоит из нее более чем на 50%. На  71% поверхность Земли покрыта водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Земля - единый организм, в результате саморегуляции способный поддерживать основные параметры среды на постоянном уровне, но до каких пределов. В последние годы ледники тают всё быстрее, климат меняется на наших глазах. Процесс фазовых переходов воды не так  прост, как кажется. Исследования в этой области могли бы объяснить многие явления и предотвратить человечество от ошибок.

Гипотеза:                                                                                                              Точка замерзания воды и температура плавления льда не одно и то же. Известно, что вода может оставаться жидкой даже при -30⁰С, если в ней нет центров кристаллизации. Роль центров кристаллизации могут играть и некоторые живые организмы.  Например, бактерия Pseudomonas syringae, вызывая кристаллизацию воды при температурах чуть ниже нуля, приводит к гибели некоторых  растений при заморозках.

Цель работы :

Доказать, что некоторые микроорганизмы способны вызывать кристаллизацию воды.

Задачи:

1)    ознакомиться с удивительными свойствами воды

2)    изучить процесс кристаллизации воды как физическое явление

3)    ознакомиться с исследованиями микроорганизмов, вызывающими гибель растений после заморозков

4)    ознакомиться с исследованиями в метеорологии и влияния микроорганизмов на климатические явления

5)   определить  время кристаллизации воды, взятой из разных источников

6)   исследовать поведение воды, подвергнутой различным воздействиям (кипячение, повторное замораживание)

Содержание

Введение – 4

Основная часть – 6

1. Обзор литературы – 6

2. Исследование кристаллизации воды, взятой из разных источников– 8      

Выводы – 11   

Заключение – 11 

Список литературы – 12 

Приложения – 13

Введение

         В 2010 году, учащиеся нашей школы  участвовали  в акции «Чистая вода».  Пробы воды, взятые с различных источников: колодец, колонка, родник, ключ, ребята  собираясь исследовать на жесткость. Случайно оставленные на морозе (-8⁰С) бутылки с водой, показали неожиданный результат: две пробы с водой замерзли, а две другие были совершенно жидкими. Мы заинтересевались, почему так произошло. Оказывается, замерзла вода из открытых источников, а вода из колонки и колодца остались жидкими. Изучая тему кристаллизации воды, мы сделали для себя удивительные открытия.                                                                                                                         Пожалуй, на Земле нет более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Действительно, достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит из нее более чем на 50%, что на 71% поверхность Земли покрыта водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Чтобы наглядно представить себе суммарное количество льда на нашей планете, заметим, что в случае их таяния вода в Мировом океане поднимется более чем на 50 м, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. Нет ни одного мало-мальски существенного производства, бытовой деятельности человека, в которой не использовалась бы вода.                                                                     Причиной дождей и туманов могут быть живые организмы, населяющие атмосферу. Биоматерия - бактерии, вирусы, водоросли, споры грибов - составляет до 80% воздушных взвесей. Мельчайшие частицы становятся центрами конденсации водяных капель или ледяных кристаллов. Ученые утверждают, что наличие биоматерии не учитывалось раньше при создании климатических моделей. Наиболее важную роль в образовании снежинок играют льдообразующие бактерии Pseudomonas syringae. Эта бактерия способна «притворяться» ледяным кристаллом, таким образом, обманывая молекулы воды она заставляет перейти воду в твёрдую фазу.                 Бактерия Pseudomonas syringae является фитопатогенной, вызывая различные заболевания растений, главным образом, обморожения, пятнистость листьев, непереносимость растениями лёгких заморозков.       Вооружившись знаниями, имея соответствующую гипотезу, что в воде из открытых источников могут присутствовать микроорганизмы, в том числе и  бактерии Pseudomonas syringae, играющие роль центров кристаллизации, мы приступили к собственному исследованию. К сожалению, мы ограничены в методах исследования, у нас нет возможности выявить и идентифицировать интересующую нас бактерию. Судить о ее присутствии мы могли только по сравниванию ответной реакции воды – кристаллизации в различных образцах  между собой. Мы взяли для исследования воду из открытых и закрытых источников, кипятили её и снова замораживали, получили протиевую воду, вылавливали первые всплывающие льдинки, использовали фильтр для очистки воды. Результаты получились интересными и не совсем предсказуемыми.

Основная часть

1.    Обзор литературы

                Знаете ли вы температуру замерзания воды?  Вы скажете 0⁰С. Это не так. Оказывается самое распространенное вещество на земле, такая обычная вода таит в себе много тайн и вопросов, на которые до сих пор нет ответа. Одна из её загадок это  фазовые переходы, в частности, кристаллизация.

         Известно, что вода может оставаться жидкой и при нескольких градусах ниже нуля. А если взять очень чистую, дистиллированную воду, то она может не замёрзнуть даже при морозе в минус двадцать градусов, а то и ниже.

Таким образом,  лучше называть ноль градусов не точкой замерзания воды, а точкой плавления льда.

         Мелкие капельки дистиллированной воды в облаках замерзают с ещё большим трудом, они остаются жидкими даже при -30⁰С. Такие облака очень опасны для самолётов и вертолётов: переохлаждённые капли разбиваются о винт и крылья и мгновенно превращаются в прочный лёд, а обледенение самолёта может привести к крушению. Зимой нередко случается дождь, тогда капли переохлаждённой воды вызывают обледенение проводов и ветвей деревьев.

         Ещё труднее замораживается вода, в которую добавлены соль или спирт. В листьях растений много воды, но она не замерзает при очень низких температурах, поэтому многие растения способны  переносить даже суровые зимы, такие как у нас, до -40⁰С. Но нередки случаи, когда благополучно перезимовавшее растение погибает после весенних заморозков. Впоследствии было доказано, что нестойкость к лёгким заморозкам  может передаваться от растения к растению как инфекция.

         Вскоре коварная бактерия была идентифицировал как Pseudomonas syringae - Псевдомонас сирингае.

         Псевдомонас сиреневый вызывает заболевания у большого числа растений (бурое слизеточение, обморожения, повреждения плодов и пятнистость листьев). Существует около 50  штаммов Pseudomonas. syringae, способных заражать разные виды растений. Видовой эпитет syringae – сиреневый, бактерия получила по растению, с которого впервые была выделена, — сирень (Syringa vulgaris).

         Самые последние исследования метеорологов показывают, что бактерия Pseudomonas syringae, вполне вероятно, участвует в образовании снега и дождя. Чтобы образовались капли дождя или снежинки, необходимо наличие центров кристаллизации. Ими могут стать частицы любого аэрозоля, например, минерального происхождения (пыль и сажа). Роль центров кристаллизации могут играть и живые организмы, такие как бактерии, грибки, или даже микроскопические водоросли. При исследовании свежевыпавшего снега в 19 разных местах в таких странах, как Франция и США, а также в Антарктике, выяснилось, что образцы содержали от 4 до 120 центров кристаллизации на литр растопленного снега и от 69% до 100% из них были биологического происхождения. Дальнейшие исследования показали, что  за быстрое замерзание воды отвечал всего один вид бактерий - Pseudomonas syringae. «Дождливые» бактерии были обнаружили абсолютно во всех образцах снега. Таким образом, бактерии могут путешествовать с облаками на дальние расстояния и быть причиной осадков по всему миру при достаточно высоких температурах.

         Остаётся ответить на вопрос: как обнаруженная бактерия может управлять льдом? Оказывается, оболочка бактерии покрыта особым белком, который  позволяет бактерии властвовать над градом и растениями. Оболочка бактерии имитирует структуру льда, играя, таким образом, роль центра кристаллизации. Бактерия Pseudomonas syringae выращивает ледяной рог и легко разравает им жёсткие оболочки клеток, разрушая их и добавляя себе и своему потомству жизненное пространство. Листья растений, поражённые "ледяной" бактерией, быстро чернеют и гниют, разрезаемые изнутри миллионами острых ледяных кинжалов. Засохшие листья осыпаются, и бактерии смешиваются с почвой. Если поднимается ветер, то бактерии попадают в воздух и в облака. Лёд послушно образуется на оболочке бактерий даже в тучах - так возникает град, который возвращает бактерии на землю. Эта бактерия выполняет еще одну функцию - благодаря ей упавшие осенние листья быстрее гниют и возвращают накопленные питательные вещества в почву. Было выяснено также, что бактерии Pseudomonas syringae участвуют в образовании капелек дождя.

         Это открытие  лишний раз подтверждает гипотезу Геи, которая рассматривает Землю как единый организм, в результате саморегуляции способный поддерживать основные параметры среды на постоянном уровне.

          Учёные, узнав механизм действия бактерии, не медлили - генетики стали выводить микробов, которые вытесняют бактерий - повелителей льда, но сами они не повреждают растения. А химики сумели синтезировать вещество, действующее аналогично белку на оболочке Pseudomonas syringae. Метеорологи стали использовать его для управления осадками и предотвращения крупного града.

         Однако, вместо ожидаемой пользы, человечество нанесло еще один непоправимый вред  окружающей среде изменением генома этих бактерий. Американцы, спасая свои урожаи от заморозков, модифицировали бактерии Pseudomonas syringae, удалив ген, ответственный за образование белкового комплекса. Запущенные в природу бактерии-мутанты стали подавлять природные бактерии. Таким образом, бактерии Pseudomonas syringae перестали выполнять важную и нужную функцию образования снега и капелек дождя, что могло привести к резкому уменьшению осадков. Может быть, поэтому осенью и весной мало дождей, а зимой при минусовой температуре нет снега. Может быть, замена этих бактерий бесполезными генетически измененными бактериями является одной из причин быстрого и странного изменения климата.

Основная часть

2.    Обзор литературы

1.1.  Эта удивительная вода

Как образовалась вода

         На земле имеется огромное количество воды, большая часть которой сосредоточена в океанах, покрывающих 71% поверхности планеты и имеющих среднюю глубину около 6 км. Вся эта вода выпала в виде дождей после того, как под влиянием разогрева внутренних зон молодой планеты из горных пород типа слюды (разновидность калий–алюминиевого силиката) были вытеснены атомы кислорода и водорода. Образовавшиеся из них молекулы воды выносились на поверхность потоками лавы и улетучивались в виде водяных паров, образуя гигантские облака; после охлаждения планеты содержащаяся в этих облаках вода выпадала на землю в виде дождей. Следовательно, наши океаны когда-то были составной частью горных пород.

          Почему вода - жидкость

         Самым удивительным свойством воды является тот факт, что она представляет собой жидкость при комнатной температуре. Вещества со столь малыми молекулами должны быть газообразными, нп.: аммиак, метан, сероводород. Необычное поведение воды объясняется тем, что молекулы воды оказываются связанными сетью водородных связей. В результате молекулы воды теряют характерную для газов способность к независимому движению и образуют подвижную жидкость.

         Вода - растворитель

         Вода является превосходным растворителем. Она легко смешивается со спиртом, т.к. молекулы воды образуют водородные связи и с молекулами спирта. По той же причине растворяется в воде сахар. Многие твердые вещества также растворимы в воде (поваренная соль). Растворимость ионных веществ связана с тем, что молекулы воды удачно имитируют окружение иона в кристалле.

         Вода – основа жизни

         Вода является идеальной средой для таких процессов, как транспорт питательных веществ в клетках. Вода может переносить столь необходимые для функционирования живых организмов органические молекулы, например глюкозу, и ионы ряда элементов: натрия, калия, кальция. Однако она не растворяет входящий в состав костной ткани фосфат кальция; поэтому мы имеем твердый скелет.

         Вода в неживой природе

         Вода способствует  вымыванию минералов из горных пород, в результате чего сформировались многие из знакомых нам деталей земного ландшафта.

         Много ли чистой воды на земле

Все три формы воды – лед, жидкость, водяные пары имеются на земле в изобилии, однако лишь ничтожная ее доля пригодна для питья. 97% воды содержит слишком много солей, а 75% пресной воды сосредоточено на земных

полюсах в виде льда. Оставшуюся воду можно пить (это примерно 1% общего ее количества), но большей частью она недоступна, так как залегает на очень больших глубинах. В результате человек непосредственно может использовать только воду озер и рек, всего лишь 0.05% общего ее количества. Немного ископаемой воды человек забирает, пробуривая глубокие скважины, но эта вода вновь уносится с поверхности, не восполняя запасы в горных породах.

         Точка замерзания воды     

                .Замерзание — это кристаллизация жидкой воды в твердую фазу, то есть в лед. Это фазовое изменение происходит, когда температура воды становится ниже 0 °С. В этой точке возможно переохлаждение без образования льда. Неопределенность начала образования льда связана с проблемой «ядрообразования» (кристаллообразования). Согласно различным исследованиям, замораживание без кристаллообразования может продолжаться до температуры -40 °С. При этой температуре ядра возникают спонтанно, и образуется лед. Такой тип кристаллообразования называется гомогенетическим. В системах различные частицы жидкой фазы инициируют кристаллообразование при температуре значительно более высокой, чем -40 °С. Такой переход называется гетерогенетическим кристаллообразованием. С началом образования ядер может начаться рост кристаллов льда. Поскольку для ядрообразования требуется всего несколько градусов переохлаждения, рост кристаллов льда может происходить при минимальном переохлаждении.

         1.2. Бактерии «повелители льда»

         Причиной дождей и туманов могут быть живые организмы, населяющие атмосферу. Биоматерия - бактерии, вирусы, водоросли, споры грибов - составляет до 80% воздушных взвесей. Мельчайшие частицы становятся центрами конденсации водяных капель или ледяных кристаллов. Наличие биоматерии не учитывалось раньше при создании климатических моделей. Наиболее важную роль в образовании снежинок, как сейчас доказано, играют льдообразующие бактерии Pseudomonas syringae. Эти бактерии были обнаружены как на листьях растений, так и в атмосфере. Как и все живые организмы, они играют важную роль в природе, а может и самую важную.

         Псевдомо́нас сире́невый (лат. Pseudomonassyringae) — фитопатогенная грамотрицательная палочковидная бактерия с одним жгутиком. Вызывает бурое слизеточение, обморожения, повреждения плодов и пятнистость листьев. Псевдомонас сиреневый вызывает заболевания у большого числа растений. Видовой эпитет бактерия получила по растению, с которого впервые была выделена, — сирень (Syringavulgaris).

         Один из механизмов патогенности для растений — обморожение — связан с белком, который обнаруживается на внешней поверхности клеточной стенки бактерий и служит ядром образования кристалликов льда.

Сходным образом этот белок  может служить центром конденсации и

кристаллизации капель дождя и снежинок, в связи с чем P. syringae рассматривается в последнее время как важный фактор образования атмосферных осадков, а следовательно, и глобального гидрологического цикла.

         Биологи были немало удивлены тем, что обнаружили «дождливые» бактерии абсолютно во всех образцах снега (хотя в снегах Антарктики их было меньше, но они всё-таки присутствовали). Таким образом, учёные доказали, что бактерии могут путешествовать с облаками на дальние расстояния и быть причиной осадков по всему миру при достаточно высоких температурах.

Зачем же это бактериям? Бактерии — патогенные микроорганизмы. Они используют свою возможность «провоцирования» замораживания воды (при температуре выше нуля градусов Цельсия) для разрыва стенок клеток растений, которыми они питаются. Кроме того, та же функция, возможно, позволяет им, переместившись на некоторое расстояние, быстрее вернуться обратно на Землю.

         Образование кристалликов льда происходит при небольших минусовых температурах (до -8С). Возможно, именно благодаря этим бактериям начинается процесс образования снега. Бактерии Pseudomonas syringae являются центрами кристаллизации льда  благодаря липогликопротеиновому комплексу на клеточной мембане. Исследования бактерий, повелевающих льдом, позволили властвовать над погодой и человеку. Например, белок, выделенный из бактерий, используют для быстрого замерзания конькобежных трасс, или  для предотвращения крупного града.

         Однако, Pseudomonas syringae, являясь фитопатогенной способна нанести урон сельскохозяйственным растениям. Благополучно перезимовавшие растению вдруг гибнут от небольших весенних заморозков. Ученые научились бороться с этой проблемой. Однако  при этом было оказано серьезное воздействие на окружающую среду. Американцы, спасая свои урожаи от заморозков, модифицировали бактерии Pseudomonas syringae, удалив ген, ответственный за образование липогликопротеинового комплекса. Запущенные в природу бактерии-мутанты стали подавлять природные бактерии. В дальнейшем это привело к аномальным изменениям погоды: засуха, малоснежные зимы. Бактерии Pseudomonas syringaea участвуют в образовании также и капелек дождя. Таким образом, бактерии Pseudomonas syringa в природе сохранились, но они перестали выполнять важную и нужную функцию образования снега и дождя, что, вероятно, могло привести к резкому уменьшению осадков. Может быть поэтому осенью и весной мало дождей, а зимой при минусовой температуре нет снега? Может быть замена этих бактерий бесполезными генетически измененными бактериями является одной из причин быстрого и странного изменения климата?

         Таким образом, учёным ещё предстоит многое понять о взаимодействии климата и биосферы Земли.

         Это открытие можно считать ещё одним подтверждением гипотезы Геи, которая рассматривает Землю как единый организм, в результате саморегуляции способный поддерживать основные параметры среды на постоянном уровне.

2. Эксперимент по замораживанию воды, взятой из разных источников        

         2.1. Исследования  2014  года  

         Четыре года назад, участвуя в акции «Чистая вода», группа учащихся нашей школы взяли пробы воды с различных источников, собираясь исследовать жесткость воды. Случайно оставленные на морозе (-8⁰С) бутылки с водой, показали неожиданный результат: две пробы с водой замерзли, а две другие были совершенно жидкими. Мы заинтересовались, почему так произошло. Оказывается, замерзла вода из открытых источников, а вода из колонки и колодца остались жидкими.

         2.2. Исследования 2017 года 

Для эксперимента мы взяли 12 различных проб воды и вынесли их на мороз

 -20⁰С. И вот что мы наблюдали

№	Источник воды	Время необходимое для начала кристаллизации
1	Вода из-под крана	2.45мин.
2	Вода из ключа	2ч
3	Вода из колодца	4ч.25мин.
4	Вода речная	2ч
5	Вода снеговая	2ч
6	Вода фильтрованная «Гейзер-Престиж»	6ч
7	Вода структурированная протиевая	6ч.30мин.
8	Вода из-под крана кипяченная	40мин.
9	Вода снеговая кипяченная	40мин.
10	Вода фильтрованная кипяченная	40мин.
11	Вода из-под крана повторно замороженная	55мин.
12	Вода речная повторно замороженная	1час.5мин

Приготовление протиевой воды:  она готовится         при    вымораживании  воды примерно на 1/4 ее объема. Оставшаяся  вода    сливается. Получившийся лед медленно          расплавляется. Такая вода      становится структурированной и чистой. Различные          примеси,     содержащиеся в воде, как бы выдавливаются в «рассол». Кроме того, такая вода преимущественно образована легким изотопом водорода протием. Протиевая вода обладает целебными свойствами.

         2.3. Исследования 2018 года  

Для исследования мы взяли 6 проб воды и замораживали при -8⁰С.

	Источник воды	Время необходимое для начала кристаллизации
1	Вода из-под крана	12ч.
	Вода фильтрованная «Гейзер-Престиж»	Более 24ч.
	Вода снеговая	6ч.
	Вода из-под крана кипяченная	4ч.30мин
	Вода структурированная, протиевая	Более 24ч.
	Вода ключевая	5ч.50мин.
	Вода обработанная фильтром ионизатором	Более 24ч.

Фильтр-ионизатор из полудрагоценных камней (турмалин, шунгит, керамические гранулы).

Результаты и выводы

Вот  какие интересные результаты  мы получили и к каким выводам пришли:
1)      Оказывается воду не так-то легко заморозить. Нам потребовалось        более          2-х часов, чтобы на поверхности воды появились первые    кристаллики        льда. Это и неудивительно, так как вода обладает      очень большой    теплоемкостью.

2)      Кипяченая вода замерзает быстрее. Очевидно, при кипячении     нарушается структура воды, свойственный ей порядок расположения    молекул. Кроме того, в воде не остается растворенных в ней      газообразных веществ. Мы предполагали, что кипяченная вода, лишенная живых бактерий повелителей льда, будет дольше оставаться          жидкой. Оказалось, что процесс кристаллизации еще более сложный,   чем кажется.

3)      Вода из открытых источников (река, родник, снеговая вода), действительно, замерзает    быстрее, чем из закрытых (колонка, колодец). Это может быть косвенным подтверждением нашей гипотезы. В открытые водоемы      легко попадают пылевые частицы различного происхождения, а также микроорганизмы, которые могут стать центрами кристаллизации.

4)      Вода из-под фильтра очень долго оставалась     жидкой. Значит фильтр          для очистки воды «Гейзер Престиж»     эффективно удаляет из воды все    возможные центры кристаллизации.

5)      Протиевая  вода также долго не замерзает. Различные         примеси, содержащиеся в воде, как бы выдавливаются в «рассол».    Структурированная вода уже имеет упорядоченную структуру,        свойственную твердой фазе. Кроме, того, температура замерзания протиевой воды ниже чем     дейтериево-тритиевой.

Заключение

         Мы сделали все, что смогли на данном этапе исследования. Благодаря этой работе мы узнали много интересного, такого, о чем даже и не подозревали. К сожалению, мы не можем сами идентифицировать  бактерию Pseudomonas syringae, и даже  в баклаборатории в пробах воды ее не исследуют, так как она не является для человека патогенной. Выводы о ее присутствии мы можем сделать только косвенные, только по поведению воды. Однако, результаты оказались  интересными, хотя и не вполне предсказуемыми.

         Вода, лед и их взаимные фазовые превращения еще таят в себе множество загадок. Их разгадывание представляет собой не только очень интересную физическую проблему, но и чрезвычайно важно для жизни на Земле, так как имеет прямое отношение к здоровью и благополучию человека. А наш интерес к воде стал еще сильнее. Мы планируем в дальнейшем исследовать биологический и химический состав той воды, которую мы пьем и как на нее влияют различные фильтры- очистители и ионизаторы.