魚の血は吹雪の際のより安全な除氷ソリューションの答えを握っているかもしれない

モニカ・ブレシンスキーはデンバー大学の研究科学者兼非常勤教授です。この記事はもともとThe Conversationに掲載されました。

多くの人は、新雪と聞くとホットチョコレートやウィンタースポーツなどの楽しみを思い浮かべる。しかし、都市部に住む人にとっては、靴や衣服の裾、車にこびりつく固まった塩も意味する。気温が氷点下まで下がり、降雨が予測されるとすぐに、地方自治体は道路の凍結を防ぐために凍結防止塩を撒き始めるからだ。

これらの塩は、通常、精製度の低い食塩、つまり塩化ナトリウムですが、塩化マグネシウムや塩化カリウムなどの他の化合物も含まれている場合があります。水の凝固点を下げる働きがあります。

凍結防止剤は自動車、インフラ、環境にも甚大な被害を与えます。都市では膨大な量の凍結防止剤が使用され、米国では年間約 2,000 万トンが使用されています。カナダ、ヨーロッパ、日本の豪雪地帯の都市でも、凍結防止剤が大量に使用されています。

しかし、新しい選択肢が開発中です。私は材料科学者で、自然界が氷に対処する方法を分析することで、塩が多すぎる歩道の解決策を模索しています。魚、昆虫、さらには一部の植物でさえ、氷点下の気温に耐えるために独自の不凍剤を作り、何十万年もかけて寒冷な気候に適応する方法を学んできました。自然からヒントを得て、同僚と私は、効果的でありながらより無害な不凍化合物を開発したいと考えています。

塩の有害な影響

多くのドライバーがよく知っているように、道路に撒かれた塩は錆びるスピードを速め、車の寿命を縮めます。2010年の調査では、凍結防止塩の使用により、腐食による車両損傷で米国のドライバーは全国で年間234億ドルの損害を被っていると推定されています。

道路の塩分は、私たちが運転する路面にもダメージを与えます。塩分には塩素イオン（マイナス電荷を持つ原子）が含まれており、これが水の化学組成を変え、コンクリートや鋼鉄などの材料と接触すると腐食性が高まります。

その結果、道路の塩分は老朽化した構造物に既存の負担を増大させます。凍結防止塩分は橋の破損の一因となり、高速道路の路面にひび割れやその他の風化を引き起こします。

凍結防止塩は自然界にも広く影響を及ぼします。長い雪の冬の後に森林の道を運転すると、道路脇の木々が他の木々よりも少し茶色くなっているのに気づくかもしれません。これは道路の塩が土壌や地下水のミネラルを置き換え、生理的干ばつと呼ばれる状態を作り出すためです。

これは、土壌に水が自由に存在していても、樹木は根から水を吸収できないことを意味します。コロラド州などの場所では、自然の干ばつ状態がすでに存在しているため、生理的干ばつによって植物が発火しやすくなり、山火事のリスクが高まります。

小川、川、湖は、凍結防止塩を含む水の流出に対して特に脆弱です。塩に含まれる塩素は魚の産卵を妨げ、水中の溶存酸素レベルを低下させ、魚やその他の水生生物に害を及ぼします。塩分を多く含んだ流出は、藍藻としても知られる危険なシアノバクテリアの成長を促進することもあります。藍藻の一部は毒素を生成し、飲料水として摂取した人間や動物を病気にする可能性があります。

天然不凍液

代替の除氷剤は、無毒で無害な成分に分解されるものでなければなりませんが、あまりに早く分解すると効果が持続しません。これがなぜ重要なのかを知るには、航空機の除氷に使用されるプロピレングリコールを考えてみましょう。

プロピレングリコールは、車のラジエーターの凍結を防ぐエチレングリコールよりも毒性が低いため、この目的には好まれます。しかし、プロピレングリコールの効果は短時間であるため、航空機は通常、除氷から離陸まで限られた時間しか待つことができません。また、プロピレングリコールが道路や路面に散布されることがほとんどないのもこのためです。さらに、プロピレングリコールは一般に人間には安全であると分類されていますが、水生生物にとっては依然として致命的となる可能性があります。

天然の代替品はどうでしょうか? 科学者たちは、体内に不凍タンパク質を作り出し、水の凝固点を数度下げる昆虫やクモをアラスカで発見しました。また、南極のマゼランアイナメ ( Dissostichus mawsoni ) などの一部の魚は、地球上で最も冷たい海域で静脈内の血液が凍結するのを防ぐ不凍糖タンパク質を作り出します。

これらの糖タンパク質のほとんどは繊細な構造をしており、厳しい外界ではすぐに分解してしまいます。しかし、私と私の同僚は、模倣を通じて独自の不凍化合物を作る方法を学んでいます。私たちの最初の課題は、天然の不凍化合物がどのように機能するかを知り、それを再現できるようにすることです。

まだ解明されていないことはたくさんありますが、私たちは高度なコンピューターモデリングを使用して、不凍タンパク質が水分子とどのように相互作用するかを研究しています。他の科学者は、魚の不凍糖タンパク質には 2 つの主要なセグメントが含まれており、特定のセクションが他のセクションよりも重要であることを発見しました。

具体的には、水素原子と酸素原子からなるヒドロキシル基と呼ばれる小さな化合物が、ほとんどの役割を果たします。これらの小さな化合物は、鍵が鍵穴に差し込まれるように、水分子と所定の位置に固定され、氷が形成されるのを防ぎます。また、これらは、発達中の氷結晶の表面に結合して、氷結晶が大きくなるのを防ぐ、タンパク質の最も重要な部分の一部でもあります。

不凍タンパク質は天然ポリマーで、鎖のつながりのように小さな分子が繰り返してできた非常に長い分子です。これらの化合物を再現するのは簡単なことではありませんが、ポリビニルアルコール (PVA) を使って、研究室で独自の合成バージョンを作ることができます。これは、人間や水生生物に無害なシンプルで安価な化合物で、多くの日常的なパーソナルケア製品の一般的な成分です。

PVA には、魚の不凍タンパク質に含まれるものと同じヒドロキシル基が含まれています。化学工学を少し使うと、ポリマー構造内のヒドロキシル基の位置を変更して、魚が生成する化合物に近づけることができます。将来的には、PVA を日常的な化合物から、ほぼあらゆる場所で使用できる氷と戦う物質に変えることができるかもしれません。

PVA は分解が速くないため、道路、歩道、手すりなど、凍結を防ぐ必要のある表面で使用できる可能性があります。長い化学構造のため、スプレーやコーティングに成形して適用するのに適しています。いつの日か、都市は冬に、衣服を汚したり車を腐食させたりしない、毒性のないスプレー式不凍液に頼るようになるかもしれません。