Чиста вода не замерзає при нулі. Це суперечить шкільній програмі — але так і є. Без мікроскопічного «каталізатора», навколо якого почне будуватись кристалічна решітка, вода може залишатись рідкою аж до -46°C. Це явище називається переохолодженням. Щоб лід виник при «нормальних» від’ємних температурах, потрібна частинка-зародок — пил, сажа або, як виявляється, спеціальний білок із звичайного ґрунтового гриба.

Саме це відкрили вчені з Вірджинського технологічного університету, Університету Бойсі, Університету Юти і Інституту Макса Планка в Германії. Результати опубліковані у Science Advances у 2026 р.

Що відомо коротко

• Стаття: Rosemary J. Eufemio, Boris A. Vinatzer, Xiaofeng Wang та ін. Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed9652
• Гриби родини Mortierellaceae (звичайні ґрунтові гриби) виробляють білки, що каталізують утворення льоду вже при -2°C
• Ці білки клітинно-вільні і водорозчинні — принципова відмінність від бактеріальних аналогів, які прикріплені до клітинної мембрани
• Ген, що кодує білок, перейшов до грибів від бактерій через горизонтальний перенос генів — мільйони років тому
• За цей час гриби вдосконалили білок: він став стабільнішим, розчиннішим і ефективнішим
• Потенційні застосування: безпечний засів хмар, виробництво заморожених продуктів харчування, кріозбереження клітин і тканин
• Традиційний засіб для засіву хмар — йодид срібла — токсичний; грибковий білок може стати безпечною заміною

Як вода взагалі стає льодом

Кожен знає, що при нулі вода замерзає. Але це спрощення. Щоб рідина перейшла в кристалічний стан, їй потрібна підкладка — мікроскопічна поверхня, на якій молекули H₂O зможуть впорядкуватись у решітку. Зазвичай такою підкладкою є мінеральний пил або органічні частинки, що переносяться вітром.

Але найефективніші зародки льоду — біологічного походження: бактерії, гриби, навіть комахи. Вони виробляють спеціальні білки або білкові комплекси, де повторювані послідовності амінокислот ідеально «підлаштовані» під геометрію льодової решітки. Такий білок буквально діє як шаблон, на якому вода будує свій кристал — набагато швидше і при значно вищих температурах, ніж без нього.

До нового дослідження вчені знали: гриби можуть нуклеювати лід. Але який саме білок відповідає за цю властивість — залишалось загадкою з 1990-х років. Лише прогрес у секвенуванні геномів і машинному навчанні дозволив нарешті знайти відповідь.

Відкриття: ген із бактерій у грибовому тілі

Команда під керівництвом Бориса Вінатзера з Вірджинського технологічного університету секвенувала геноми грибів родини Mortierellaceae — поширених мешканців ґрунтів по всьому світу. Порівняння тисяч генів виявило несподіванку: ген, що кодує льодо-нуклеюючий білок, має бактеріальне походження.

Найближчий аналог — ген InaZ бактерії Pseudomonas syringae, відомої тим, що пошкоджує рослини, спричиняючи утворення льоду на їхніх клітинах і «витікання» клітинного соку — ідеального середовища для харчування.

«Відомо, що гриби можуть отримувати гени від бактерій, але це не є поширеним явищем», — зазначив Вінатзер. — «Тому я ніколи не очікував, що цей грибковий ген матиме бактеріальне походження».

Але гриби не просто скопіювали ген. За сотні тисяч, якщо не мільйони років, вони модифікували його і, як наслідок, вдосконалили білок. Ключова зміна: бактеріальний білок прикріплений до клітинної мембрани і потребує цілої клітини для ефективної роботи. Грибковий білок — секретується в навколишнє середовище як вільна водорозчинна молекула.

Дослідниця Розмері Еуфеміо з Університету Бойсі пояснює: «Гриби використовують ту саму повторювану архітектуру послідовностей, що і бактерії, для своїх льодоутворюючих ділянок — але зробили їх більш розчинними і стабільними».

Три практичних напрямки

1. Засів хмар без токсинів

При засіві хмар літаки розпорошують у хмари частинки, що ініціюють утворення льодяних кристалів. Кристали ростуть, набирають масу, падають і тануть у повітрі — перетворюючись на дощ або сніг.

Традиційний засіб — йодид срібла, кристалічна структура якого нагадує лід і служить гарним зародком. Однак йодид срібла — токсична сполука, і її застосування викликає занепокоєння в екологів та регуляторів.

Грибковий білок позбавлений цього недоліку: це природна, біорозкладна молекула. Якщо навчитись виробляти її дешево у достатній кількості, засів хмар може стати значно безпечнішим і доступнішим.

«Якщо ми навчимось дешево виробляти достатню кількість цього грибкового білка, ми могли б вносити його в хмари і робити засів хмар набагато безпечнішим», — каже Вінатзер.

2. Виробництво заморожених продуктів

Контрольоване замерзання — ключовий процес при виробництві морозива, заморожених продуктів, засоленого тіста. Бактеріальні нуклеатори вже використовуються в харчовій промисловості — але для цього потрібні цілі бактеріальні клітини, що ускладнює виробництво і контроль якості.

Грибковий білок — окрема, добре визначена молекула. Після виробництва все інше можна видалити. «Це велика перевага в харчовому виробництві, тому що у вас є тільки один чітко визначений білок, і ви можете позбутися всього іншого», — пояснює Вінатзер.

3. Кріозбереження: захист клітин від пошкодження

При збереженні клітин (сперматозоїди, яйцеклітини, ембріони, тканини) найбільша небезпека — утворення великих гострих кристалів льоду, що фізично руйнують клітинну структуру. Мета — заморозити рідину контрольовано при якомога вищій температурі, щоб кристали були дрібними і рівномірними.

«Додавання грибкового нуклеатора льоду, який є відносно невеликою молекулою, змушує воду навколо клітини замерзати набагато раніше, до того як стане дуже холодно, щоб захистити ніжну клітину всередині», — каже Вінатзер. Зробити те саме з бактеріями не вийде — довелося б додавати цілі бактеріальні клітини.

Невидимий вплив грибів на клімат

Є ще один аспект цього відкриття, який виходить далеко за межі прикладних технологій. Гриби родини Mortierellaceae поширені у ґрунтах по всьому світу. Їхні суперечки і виділені ними білки регулярно потрапляють в атмосферу з потоками повітря.

Якщо ці білки настільки ефективно нуклеюють лід, існує серйозна підозра: ми суттєво недооцінюємо роль біологічних нуклеаторів у формуванні хмар, кількості опадів і навіть загальної теплоємності атмосфери.

Кількість льоду в хмарі фундаментально впливає на її відбивну здатність — кількість сонячного випромінювання, що відбивається назад у космос, і кількість тепла, що затримується. Якщо грибкові білки у атмосфері грають значно більшу роль, ніж вважалось, — це означає, що наші кліматичні моделі неповні.

Переломні точки клімату вже близько, і кожен пропущений елемент у системі — включно з роллю біологічних частинок у хмарних процесах — може вплинути на точність прогнозів і адаптаційних стратегій.

Так само як планктон виробляє половину кисню на планеті — і це стало одним з найважливіших екологічних відкриттів XX ст. — гриби у ґрунті можуть виявитись непомітними, але критично важливими регуляторами циклу опадів і теплового балансу Землі.

Цікаві факти

• Гриби пережили динозаврів і є одними з найдавніших мешканців Землі. Деякі грибниці живуть тисячі років — найбільша відома в США важила ~200 тонн і займала площу лісу
• Bacterium Pseudomonas syringae — «батьківський» організм для гена льодо-нуклеюючого білка у грибах — спричиняє мільярдні збитки сільському господарству щороку, руйнуючи рослини за допомогою того самого механізму. При цьому існують комерційні препарати на основі мутантних форм цієї бактерії — без льодоутворюючих властивостей — для захисту врожаю від морозу
• Горизонтальний перенос генів (коли ген «стрибає» між організмами різних видів) — механізм, добре відомий у бактерій. Виявлення такого переносу від бактерій до грибів — рідкісна і наукового значуща подія, оскільки гриби і бактерії належать до принципово різних доменів життя
• Чиста вода може залишатись рідкою до -46°C — явище, яке в атмосфері трапляється в хмарах і має суттєвий вплив на тривалість і тип опадів

FAQ

Чи означає це відкриття, що гриби «контролюють погоду»? Не в прямому розумінні. Гриби і їхні білки — один із багатьох природних нуклеаторів льоду, що присутні в атмосфері. Але вчені підозрюють, що їхня роль може бути значно більшою, ніж вважалось досі. Вивчення цього питання — один із пріоритетів подальших досліджень.

Коли грибковий білок може бути використаний у засіві хмар? Наразі йдеться лише про лабораторний доказ концепції. Щоб замінити йодид срібла, потрібно навчитись масштабно і дешево виробляти достатньо грибкового білка — що поки що технологічно складно. Дослідники вважають цей напрям перспективним, але практичне застосування — питання майбутнього.

Навіщо грибам взагалі нуклеювати лід? Відповіді на це питання вчені досі не мають. Можливо, це допомагає спорам виживати на морозі або поширюватись в атмосфері. Можливо, білок спочатку виконував зовсім іншу функцію, а льодоутворення — «побічний ефект». Дослідження цього відкриває нові горизонти в розумінні екологічної ролі ґрунтових грибів.