A baktériumok esőt hoznak létre : Bioprecipitáció I. rész

Az esőképződés biológiája kulcsfontosságú Magyarország kiszáradásának megelőzésében

Gyerekként a kanadai Alberta vidéki településen Russell Schnell-t megbabonázták a viharok, lenyűgözte, ahogy a sötét felhőkből jégesők, megkeményedett vízdarabok csapódnak ki, amelyek a hideg, nedves levegőben golyóként verik a földet.

1968-ban, egyetemistaként segített az Alberta Research Councilnak a jégeső tanulmányozásában, egy olyan projekt keretében, amely 10 000 négyzetmérföldnyi albertai mezőgazdasági területre terjedt ki. Feladata - kideríteni, hogyan alakulhat a felhőkben lévő vízpára jégesővé, egy akkor még nem jól ismert jelenséggé.

A kérdésen töprengve Schnell felidézte, hogy gyerekkorában észrevette, hogy a jégeső leggyakrabban erdők közelében keletkezik, vagy ott, ahol sok a növényzet. Feltételezte, hogy a fák valamilyen szerves anyagot bocsátanak ki a levegőbe, ami a vízpára jéggé alakulását okozza. Amikor Schnell elmondta hipotézisét a légköri tudományok professzorainak, azok azonban kinevették, és elvetették az ötletét, mint egy kezdő, aki nem tudja jobban.

Miért voltak a professzorok ilyen elutasítóak? Csomagoljuk ki ezt egy kicsit. Ennek köze van a normális tudománynak nevezett dologhoz. Thomas Kuhn, "A tudományos forradalmak szerkezete" című könyv szerzője azt írta, hogy a normális tudománynak hosszú időszakai vannak. Ezekben az időszakokban van egy meghatározott paradigma, amelyen belül a tudomány látja a világot, és vannak meghatározott módszerek a problémák megoldására. Az a probléma, hogy miért alakul ki jégeső, olyan rendellenesség volt, amelyet a meglévő magyarázó keretben kellett megoldani, egy olyan keretben, amely csak szervetlen anyagokat, mint felhőkondenzációs magokat tartalmazott. A professzorai "tudták", hogy csak olyan anyagok, mint az óceáni permetből származó só, a sivatagi homok, a tüzek füstje és a gyárakból származó szennyeződések képesek a levegőben lévő vízgőz nukleációjára. Számukra az eső megértése a magas és alacsony nyomású rendszerek, a meleg és hideg légtömegek, a függőleges hőmérsékleti profilok (az ún. lapse rate) tartományában volt keresendő, a napsugárzás hatásának megértésén keresztül, valamint azon keresztül, hogy a szárazföldi és óceáni tömegek hogyan nyelik el és továbbítják a hőt. Ezt a szervetlen dolgok tartományában kellett megtalálni. Schnell bevitte a biológiát olyan területekre, amelyekről úgy gondolták, hogy a biológiának nem kellene részt vennie benne. A biológia rendezetlenebb volt, mint a szervetlen világ - a növények elpusztulhatnak, növekedhetnek, és különböző helyeken szaporodhatnak. Ha a biológiáról volt szó, sokkal több változót kellett figyelembe venni.

Professzorai szerint Schnell akaratlanul is átlépte a normális tudomány határait. A normális tudomány ezen őrzői számára ő egy egyszerű kezdő volt, aki még nem ismerte a fennálló paradigmát, ezért zavart kuncogással kezelték. Most már valóban hasznos, hogy vannak a normális tudomány őrzői. Ez ugyanis megvéd a hamis magyarázatok és elméletek terjedésétől, csökkenti a felesleges erőfeszítéseket, és gyakran hatékony heurisztikát biztosít a kutatáshoz. Ennek azonban az az ára, hogy megnehezítheti az igazság megtalálását, ha az igazság a szokásos tudomány határain kívül esik. Azt a tudományt, ahol új paradigmákat javasolnak, ahol eredeti világnézetek jelennek meg, Thomas Kuhn forradalmi tudománynak nevezte.

Schnell vagy a hamis magyarázat útján járt, vagy a forradalmi meteorológiai tudomány művelésének útján.

Egy új paradigma megalkotásához új összefüggésrendszerek, új kísérletek és új ontológiák kidolgozására van szükség. Egy paradigmát gyakran nem egyetlen feltevés, hanem feltevések egész sora alkotja. Nem egyszerű dolog egy új paradigma létrehozása.

Schnell elgondolkodott azon az ismert tudományon, hogyan keletkeznek a felhőcseppek a magasan lebegő vízpárából. Két alapvető módja volt. Az egyik, amikor a vízpára folyékony vízzé nukleálódik. A másik, amikor a vízpárából jég keletkezik, majd a jég folyékony vízzé olvad.

Érdekes módon a vízpára 0 Celsius-fokon nem válik automatikusan folyadékká vagy jéggé. Ehelyett szuperhűtötté válik. A vízgőz csak -40 Celsius-fokig alakul át jéggé, ha nincsenek részecskék, amelyeken nukleálódhatnának. Ha vannak szervetlen részecskék a levegőben, a vízpára valahol -15 Celsius-fok és -40 Celsius-fok között válik folyékonnyá vagy jéggé. Mivel a légkörben általában kis részecskék lebegnek, a vízpára -40 Celsius-foknál magasabb hőmérsékleten felhővé alakul.

Egy második merész feltételezés segíthet tisztázni, hogy a szerves anyag hogyan hozhatja létre az esőt. A feltételezés szerint a biológiai anyag a vízpára magasabb hőmérsékleten jéggé nukleálódik, mint a szervetlen anyag. Így több jég képződik, mint amikor csak szervetlen anyag volt, és ez a jég jégesővé alakulhatott. Ez azt jelenti, hogy az a tény, hogy a levegőben van biológiai anyag, igen fontossá válik, mert az elősegíti a jég kialakulását olyan hőmérsékleti viszonyok között, amelyekre a nem biológiai eredetű anyag nem képes. Schnell ezért vette észre, hogy a jégeső gyakrabban alakul ki erdők és olyan helyek környékén, ahol sok a növényzet.

Hogy ezt tesztelje, anyagot akart gyűjteni ezeken a helyeken, és megnézni, hogy van-e olyan kondenzációs anyaguk, amely magasabb hőmérsékleten képes kondenzálódni. A kísérletet úgy végezte el, hogy a folyadékot egy hideg talapzatra helyezte, és csökkentette rajta a hőmérsékletet. Azt írta:

"Friss fa- és fűleveleket gyűjtöttem, megmostam őket, és a vizet jégmagképző aktivitásra vizsgáltam a Vali Gábornak a Penholdban lévő jégeső tanulmányi létesítményekben lévő hordozható cseppfagyasztón. Nagy meglepetésemre a kimosásokban nem voltak aktív jégmagok. Szerencsére elmulasztottam kidobni az egyik átnedvesedett leveles tételt. Így három héttel később megvizsgáltam azt a mintát; minden csepp -1,5°C közelében megfagyott!!!"

Mivel magasabb hőmérsékleten fagyott meg, mint ami a szervetlen magvú víz esetében ismert módon lehetséges, akkor ez arra utal, hogy valamiféle biológiai anyag működött. Később megismételte a kísérletet nyárfákkal és a körülöttük lévő talajjal. Azt írta: "A friss levelek esetében az aktív fagyási magok kialakulása nagyjából 3 héttel a gyűjtés után érte el a csúcspontját. A lehullott levelek esetében a -2°C közeli aktivitás egy héten belül alakult ki. Ilyen aktivitás csak a levegőnek kitett mintákban alakult ki, ami arra utal, hogy az aerob mikroorganizmusok döntő szerepet játszanak az INP (jégmagképző részecskék) kialakulásában. A jól lebomlott levélszemétben az aktivitás -4°C közelében kezdődött, és -10°C-on elérte az anyag grammonkénti¹⁰⁹ INP aktív koncentrációját. A vályog- és agyagminták lényegesen kevesebb aktív INP-t tartalmaztak."

Az anyagot odaadta valakinek az egyetemen, hogy tanulmányozza. Kiderült, hogy a főszereplő, aki a keverék magját képezte, egy baktérium, a Pseudomonas syringae. A baktérium testén egy bizonyos mintázat található, amelynek hatására a vízmolekulák rendezett sorba rendeződtek a baktérium sejtfala mellett, ami aztán természetes módon a víz jéggé kristályosodásához vezetett.

A diploma megszerzése után Schnell belépett a Wyomingi Egyetem légkörtudományi doktori programjába. Továbbra is együttműködött Vali Gábor felhőfizikussal, hogy 1970-ben egy felhőfizikai konferencián bemutassa a baktériumok esőképzéséről szóló elméletet, majd 1972-ben a világ egyik legjelentősebb tudományos folyóiratában, a Nature-ben publikáltak egy tanulmányt az elméletről.

Schnell most már forró nyomon járt, de kevés volt a finanszírozás. Meg akarta nézni, hogy a baktériumos esőmag képződés az esőmag vetés jelensége nem csak helyben, hanem az egész világon előfordul-e. Útnak indult Európába, Ázsiába, Afrikába, hogy füveket és növényeket gyűjtsön, miközben mindössze havi 100 dollárból élt. Voltak napok, amikor alig evett.

Nagy örömére a világ minden táján talált olyan szerves nukleációs molekulákat, amelyek magasabb hőmérsékleten megfagyasztják a vizet. A baktériumok mindenütt esőt vetettek. Schnell és Vali publikálták az eredményeket, és egy 1976-os tanulmányukban azt írták: "A világ minden tájáról származó számos mérés segítségével kimutatták, hogy a légköri jégmag-koncentráció és a csapadékban lévő fagyási magok koncentrációja hasonló éghajlati függést mutat, mint a felszíni biogén magforrásoké. Ez az összefüggés arra utal, hogy a légköri jégmagok nagy része valószínűleg biogén eredetű."

David Sands felfedezései

Montanában 1978-ban Schnell munkájának ismerete nélkül egy növénykórtani professzor szintén a baktériumok és az eső közötti kapcsolatra akart rábukkanni.

David Sands imádta a baktériumokat. Egy Ted-előadásában boldogan, szinte szégyenlősen boldogan mosolyog, mondván: "Bakteriológus vagyok, szeretem a baktériumokat, Petri-csészében is tudnak nőni". Ő egy professzor, akit gyakran kérnek fel a gazdálkodók, hogy segítsen a terményeiket érintő fertőzések kezelésében. Élelmiszer-rendszereink milliárdos rendszerek, és a gazdaságokat folyamatosan különböző betegségek sújtják.

Egy nap felhívta őt egy gazdálkodó a termését ért jégkár miatt. Az ok - egy bizonyos Pseudomonas syringae nevű baktérium. Sands megvizsgálta a helyzetet, kezelte a növényeket, és elpusztította az összes baktériumot. Módszeres gondossággal vizsgálta a leveleket és a talajt a baktérium nyomai után. Egy sem maradt.

De aztán a gazda három héttel később visszahívott - ismét voltak baktériumok. Mi? - gondolja Schnell - Hogy jöhetett vissza? Sands azt feltételezi, hogy a baktérium a légkörben utazott, a szél fújta.

Elhatározta, hogy teszteli hipotézisét. Nos, néhány kísérlet módszeres, szinte unalmas. Ez a kísérlet viszont inkább csavaros természetű volt. Sands kibérel egy kis Cessna 180-as repülőgépet, kidugja a kezét az ablaknyíláson, miközben kezében egy Petri-csészét tart. A gép köröz, leereszkedik, majd 165 méterenként visszafordul, hogy különböző magasságokban gyűjtse a baktériumokat, amitől Sands már hányni akart.

Megérkeznek az eredmények. Valóban vannak baktériumok. És nem csak azt, hanem jégkristályokat is találnak, és a jégkristályokban megtalálják a beléjük szorult apró baktériumokat.

Ez felpörgeti Sands idegsejtjeit. Sands azt mondja: "Alkalmanként előjönnek ezek a megérzések, vagy hipotézisek, a tudomány ezeket megérzéseknek nevezi, olyan elképzelések, amelyekhez nincs elég adatunk". A nagy sejtése szerint a baktériumok a vízpárát esővé alakítják. Tudja, hogy a baktériumok eredményesek a jég létrehozásában, a normálisnál magasabb hőmérsékleten is képesek vizet nukleálni - ezért okoznak fagykárokat a növényeken. A baktériumoknak meg kell találniuk a módját, hogy a légkörből lefelé jussanak és mi lenne jobb megoldás, mint esőt létrehozni, hogy utána a baktériumok kicsapódhassanak távoli földekre is.

......

Az 1980-as években a coloradói síközpontok értesültek a baktériumok bevetésével kapcsolatos kutatásokról, és elkezdték a Pseudomonas syringae-t a levegőbe pumpálni, hogy havat hozzanak létre a síközpontjaik számára.

.....

A bakteriális bioprecipitáció terén a légkör-tudományi irányultságú Schnell és a növénypatológiai irányultságú Sands áttörése után lassú volt a fejlődés. Hosszú évekig nem sok minden történt. Ez nem abnormális viselkedés az új paradigma kutatásában. Az új paradigmák ötletei gyakran hosszú ideig megmaradnak. Ez azért van, mert az ötletek annyira újak, hogy a legtöbb ember nem tudja, mit kezdjen velük. Mivel nem ismerik a tágabb világképet, amelybe beágyazódik, kevésbé tudnak tájékozódni úgy, hogy a sötétben járnak, és csak néhány elszórt kapaszkodó van a kezükben. Nehéz messzire menni úgy, hogy milyen kísérleteket kell elvégezni, milyen rejtvényeket kell megoldani, az nincs megfelelően körülhatárolva. Még nem született meg az, amit Lakatos Imre tudományfilozófus "kutatási programnak" nevezett.

A káoszelmélet Poincare felfedezése után ötven évig ült, mielőtt bárki más jobban belemélyedt volna az elméletbe. Az 1903-ban tett megállapítása, miszerint a differenciálegyenleteknek lehetnek kaotikus megoldásai, annyira bizarr volt, hogy senki sem tudta, hogyan alkalmazza az általános differenciálegyenlet-technikát az eredményeinek további feltárására. Senki sem tudta, hogy milyen tágabb világképet sugallnak az eredményei. Fél évszázaddal később, a számítógépes korszak kezdetéig kellett várni arra, hogy a kaotikus egyenletek körül kialakuljon az intuíció. Ekkor jelent meg egy teljesen új nyelv, a patkó attraktorok, fraktálok és Ljapunov-exponensek nyelve. És ekkor egy egész sor archetipikus rendszer körvonalazódott - kiszámíthatatlanul lengő kettős inga, szárnycsapkodó pillangók, amelyek hurrikánokat indítanak el, ragadozó-zsákmány viszonyok, amelyek kaotikus oszcillációkon mennek keresztül, és a tészta hajtogatása fraktál sokrétűségeket hoz létre.

Harminc évnek kellett eltelnie ahhoz, hogy a bakteriális esővetés hipotézise nagyobb teret nyerjen, hogy új archetípusok érkezzenek a kísérletekhez, amelyek bizonyíthatják a hipotézis plauzibilitását. Eltartott egy ideig, amíg a pozitív és negatív visszacsatolási hurkok, az éghajlatszabályozás, a vízciklusok és a csapadék újrahasznosítása (kis vízkörforgás), a biogeokémiai ciklusok és a légi mikrobiomok nyelve összefonódna az eredeti bakteriális elképzeléssel. Csak a 2000-es években kezdődtek workshopok és konferenciák a bioprecipitációról, ami a téma iránti interdiszciplináris érdeklődés hullámát hozta, és a doktoranduszokat és posztdoktoranduszokat az új tudományágba terelte. Eltartott egy ideig, amíg a mikrobiológusok megérezték, hogy saját szakterületük fontos szerepet játszhat a távoli klímatudomány területén, majd úttörőkként végigjárják a tudományos tájat, hogy létrehozzanak egy új tudományágat - az aerobiológiát. Új kérdések merültek fel - hogyan működik a légköri mikrobiális ökoszisztéma? Szaporodott és szaporodott-e a mikrobiom a légkörben? Hogyan befolyásolta a mikrobiom a saját szállítását a szél és a vízpára segítségével a Földön? Időbe telne, amíg a magvetés gondolata a baktériumokról a szerves anyagokra általánosságban is átugrana. A tudósok felfedeznék, hogy a gombaspórák és a zuzmó is képes csapadékot képezni. És a gombák és a zuzmók nem feltétlenül voltak teljesen analógok a baktériumokkal az éghajlati hullámzásukban, sajátos hatással voltak a vízkörforgásra és a hőmérséklet szabályozására.

Egy új mikroorganizmusos éghajlati kozmológia indult el, amelynek kifejtését a második részben folytatom.

Hivatkozások:

Christner, B (2012) Cloudy with a chance of microbes Microbe

Constantinidou HA, Hirano SS, Baker LS, & Upper CD (1990). Atmospheric Dispersal of Ice Nucleation-Active Bacteria: The Role of Rain Phytopathology (80), 934-937 DOI: 10.1094/Phyto-80-934

Creamean, Jessie M., Kaitlyn J. Suski, Daniel Rosenfeld, Alberto Cazorla, Paul J. DeMott, Ryan C. Sullivan, Allen B. White et al. "Dust and biological aerosols from the Sahara and Asia influence precipitation in the western US." science 339, no. 6127 (2013): 1572-1578.

DC Sands, VE Langhans, AL Scharen, G de Smet, The association between bacteria and rain and possible resultant meteorological implications. J Hungarian Meteorol Serv 86, 148–152 (1982)

Hoose C, Kristjánsson JE, & Burrows SM (2010). How important is biological ice nucleation in clouds on a global scale? Environmental Research Letters, 5 (2) DOI: 10.1088/1748-9326/5/2/024009

Morris CE, Sands DC, Vinatzer BA, Glaux C, Guilbaud C, Buffière A, Yan S, Dominguez H, & Thompson BM (2008). The life history of the plant pathogen Pseudomonas syringae is linked to the water cycle. The ISME journal, 2 (3), 321-34 PMID: 18185595

Lundheim R (2002). Physiological and ecological significance of biological ice nucleators. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences, 357 (1423), 937-43 PMID: 12171657

Pratt KA, DeMott PJ, French JR, Wang Z, Westphal DL, Heymsfield AJ, Twohy CH, Prenni AJ, & Prather KA (2009). In situ detection of biological particles in cloud ice-crystals Nature Geoscience, 2, 398-401 DOI: 10.1038/ngeo521

Schnell, R., Vali, G. Atmospheric Ice Nuclei from Decomposing Vegetation. Nature 236, 163–165 (1972). https://doi.org/10.1038/236163a0

Vali, Gabor, and Russell C. Schnell. "Looking back: An account of how ice nucleation by bacteria was discovered (1963 to about mid-1980s). Part I: The basics." Bulletin of the American Meteorological Society 105, no. 4 (2024): E778-E788. https://journals.ametsoc.org/view/journals/bams/105/4/BAMS-D-23-0114.1.xml

Schnell, Russell C., and Gabor Vali. "Looking back: An account of how ice nucleation by bacteria was discovered (1963 to about mid-1980s). Part II: Broadening the scope." Bulletin of the American Meteorological Society 105, no. 6 (2024): E1004-E1014. https://journals.ametsoc.org/view/journals/bams/105/6/BAMS-D-23-0115.1.xml

Sesartic A., Lohmann U., & Storelvmo T. (2011). Bacteria in the ECHAM5-HAM global climate model Atmos. Chem. Phys. Discuss., 11, 1457-1488 DOI: 10.5194/acpd-11-1457-2011

Vali, Gabor, and Russell Schnell. "Contribuition of natural feezing nuclei to precipitation development” In Preprints of Papers Presented at the Conference on Cloud Physics: August 24-27, 1970, Ft. Collins, Colorado, p. 41. American Meteorological Society, 1970