Вчені знайшли «схожі на життя» наноканали в гідротермальних джерелах

Наноструктури гідротермальних джерел можуть імітувати життєві процеси, направляючи іони та генеруючи енергію, допомагаючи теоріям походження життя та технологіям блакитної енергії.

Команда вчених виявила неорганічні наноструктури, що оточують глибоководні гідротермальні джерела океану, які надзвичайно схожі на молекули, які роблять можливим життя, яке ми знаємо. Ці наноструктури є самоорганізованими та діють як селективні іонні канали, які створюють енергію, яку можна використати у формі електрики. Це відкриття може не тільки вплинути на наше розуміння походження життя, але й бути застосованим до промислового збору блакитної енергії.

Дослідження під керівництвом Рюхея Накамури з Центру науки про стійкі ресурси RIKEN (CSRS) в Японії та Інституту науки про життя Землі (ELSI) Токійського технологічного інституту нещодавно було опубліковано в Nature Communications.

Геологічні енергетичні системи

Коли морська вода просочується на Землю крізь тріщини на дні океану, вона нагрівається магмою, піднімається назад на поверхню та викидається назад в океан через тріщини, які називаються гідротермальними джерелами. Гаряча вода, що піднімається, містить розчинені мінерали, отримані під час перебування на Землі, і коли вона зустрічається з прохолодною океанською водою, хімічні реакції витісняють мінеральні іони з води, де вони утворюють тверді структури навколо вентиляційного отвору, які називаються опадами.

Перетворення осмотичної енергії в природі

Гідротермальні джерела вважаються місцем зародження життя на Землі, оскільки вони забезпечують необхідні умови: вони стабільні, багаті мінералами та містять джерела енергії. Значна частина життя на Землі залежить від осмотичної енергії, яка створюється іонними градієнтами — різницею в концентрації солі та протонів — між внутрішньою та зовнішньою сторонами живих клітин.

Дослідники RIKEN CSRS вивчали гідротермальні джерела, розміщені в серпентиніті, оскільки вони містять мінеральні опади з дуже складною шаруватою структурою, утвореною з оксидів, гідроксидів і карбонатів металів.

«Несподівано ми виявили, що перетворення осмотичної енергії, життєво важливої ​​функції сучасного життя рослин, тварин і мікробів, може відбуватися абіотично в геологічному середовищі», — говорить Накамура.

Експериментальні спостереження іонних каналів

Дослідники вивчали зразки, зібрані з поля Shinkai Seep, розташованого в Маріанській западині Тихого океану на глибині 5743 м. Ключовим зразком був шматок довжиною 84 см, який складався переважно з бруситу. Оптичні мікроскопи та сканування рентгенівськими променями мікрометрового розміру виявили, що кристали бруситу розташовані в безперервних колонах, які діяли як наноканали для вихідної рідини.

Дослідники помітили, що поверхня осаду була електрично заряджена, а розмір і напрямок заряду — позитивний чи негативний — різнилися по поверхні. Знаючи, що структуровані нанопори зі змінним зарядом є ознаками перетворення осмотичної енергії, вони потім перевірили, чи справді осмотичне перетворення енергії відбувається природним чином у неорганічній глибоководній породі.

Механізм транспорту іонів

Команда використовувала електрод для реєстрації струму та напруги зразків. Коли зразки піддавалися впливу високих концентрацій хлориду калію, провідність була пропорційна концентрації солі на поверхні нанопор. Однак при менших концентраціях провідність була постійною, а не пропорційною, і визначалася локальним електричним зарядом поверхні осаду. Цей керований зарядом транспорт іонів дуже схожий на напругозалежні іонні канали, які спостерігаються в живих клітинах, таких як нейрони.

Тестуючи зразки з хімічними градієнтами, які існують у глибинах океану, звідки вони були вилучені, дослідники змогли показати, що нанопори діють як селективні іонні канали. У місцях, де карбонат прилип до поверхні, нанопори пропускають позитивні іони натрію. Однак у нанопорах з кальцієм, прилиплим до поверхні, пори пропускають лише негативні іони хлориду.

«Спонтанне утворення іонних каналів, виявлених у глибоководних гідротермальних джерелах, має пряме значення для походження життя на Землі та за її межами», — каже Накамура. «Зокрема, наше дослідження показує, як перетворення осмотичної енергії, життєво важливої ​​функції сучасного життя, може відбуватися абіотично в геологічному середовищі».

Наслідки для збирання синьої енергії

Промислові електростанції використовують градієнти солоності між морською та річковою водою для виробництва енергії, процес, який називається збором синьої енергії. За словами Накамури, розуміння того, як структура нанопор спонтанно генерується в гідротермальних джерелах, може допомогти інженерам розробити кращі синтетичні методи генерації електричної енергії шляхом осмотичного перетворення.