Nanostruktury kominów hydrotermalnych mogłyby naśladować procesy życiowe, kierując jony i wytwarzając energię, wspierając teorie pochodzenia życia i technologie błękitnej energii.
Zespół naukowców odkrył nieorganiczne nanostruktury otaczające głębinowe kominy hydrotermalne, które są niezwykle podobne do cząsteczek, dzięki którym możliwe jest życie, jakie znamy. Te nanostruktury są samoorganizujące się i działają jak selektywne kanały jonowe, które wytwarzają energię, którą można wykorzystać w postaci energii elektrycznej. Odkrycie to może nie tylko wpłynąć na nasze zrozumienie pochodzenia życia, ale także znaleźć zastosowanie w przemysłowym pozyskiwaniu niebieskiej energii.
Wyniki badań, prowadzonych pod kierunkiem Ryuhei Nakamury z RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) w Japonii oraz Instytutu Earth-Life Science (ELSI) Tokijskiego Instytutu Technologii, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie: Komunikacja przyrodnicza.
Geologiczne systemy energetyczne
Kiedy woda morska przedostaje się do Ziemi przez pęknięcia w dnie oceanu, zostaje podgrzana przez magmę, unosi się z powrotem na powierzchnię i jest uwalniana z powrotem do oceanu przez szczeliny zwane kominami hydrotermalnymi. Podnosząca się gorąca woda zawiera rozpuszczone minerały pozyskane z głębi Ziemi, a kiedy spotyka się z chłodną wodą oceaniczną, reakcje chemiczne wypychają jony mineralne z wody, gdzie tworzą wokół otworu wentylacyjnego stałe struktury zwane osadami.
Konwersja energii osmotycznej w przyrodzie
Uważa się, że kominy hydrotermalne są miejscem narodzin życia na Ziemi, ponieważ zapewniają niezbędne warunki: są stabilne, bogate w minerały i zawierają źródła energii. Większość życia na Ziemi opiera się na energii osmotycznej, która jest wytwarzana przez gradienty jonów – różnicę w stężeniu soli i protonów – pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem żywych komórek.
Naukowcy z RIKEN CSRS badali kominy hydrotermalne zawierające serpentynit, ponieważ zawierają one wytrącenia minerałów o bardzo złożonej strukturze warstwowej utworzonej z tlenków, wodorotlenków i węglanów metali.
„Nieoczekiwanie odkryliśmy, że konwersja energii osmotycznej, kluczowa funkcja współczesnego życia roślin, zwierząt i drobnoustrojów, może zachodzić abiotycznie w środowisku geologicznym” – mówi Nakamura.
Eksperymentalne obserwacje kanałów jonowych
Naukowcy badali próbki pobrane z pola Shinkai Seep Field, zlokalizowanego w Rowie Mariańskim na Oceanie Spokojnym, na głębokości 5743 m. Kluczową próbką był kawałek o długości 84 cm złożony głównie z brucytu. Mikroskopy optyczne i skany promieniami rentgenowskimi o wielkości mikrometrów ujawniły, że kryształy brucytu były ułożone w ciągłe kolumny, które działały jak nanokanały dla płynu wentylacyjnego.
Naukowcy zauważyli, że powierzchnia osadu była naładowana elektrycznie, a wielkość i kierunek ładunku – dodatniego lub ujemnego – różniły się na powierzchni. Wiedząc, że strukturyzowane nanopory o zmiennym ładunku są cechami charakterystycznymi konwersji energii osmotycznej, następnie zbadali, czy konwersja energii osmotycznej rzeczywiście zachodzi naturalnie w nieorganicznej skale głębinowej.
Mechanizm transportu jonów
Zespół użył elektrody do zarejestrowania prądu i napięcia próbek. Gdy próbki poddano działaniu chlorku potasu o wysokim stężeniu, przewodność była proporcjonalna do stężenia soli na powierzchni nanoporów. Jednakże przy niższych stężeniach przewodność była stała, a nie proporcjonalna i była określana na podstawie lokalnego ładunku elektrycznego powierzchni osadu. Ten transport jonów sterowany ładunkiem jest bardzo podobny do kanałów jonowych bramkowanych napięciem obserwowanych w żywych komórkach, takich jak neurony.
Testując próbki przy gradientach chemicznych występujących w głębinach oceanu, z których zostały wydobyte, badaczom udało się wykazać, że nanopory działają jak selektywne kanały jonowe. W miejscach, w których do powierzchni przylegał węglan, nanopory umożliwiały przepływ dodatnich jonów sodu. Jednakże w przypadku nanoporów z wapniem przylegającym do powierzchni pory przepuszczały jedynie ujemne jony chlorkowe.
„Spontaniczne tworzenie się kanałów jonowych odkryte w głębinowych kominach hydrotermalnych ma bezpośrednie implikacje dla powstania życia na Ziemi i poza nią” – mówi Nakamura. „W szczególności nasze badanie pokazuje, jak konwersja energii osmotycznej, kluczowa funkcja współczesnego życia, może zachodzić abiotycznie w środowisku geologicznym”.
Konsekwencje dla pozyskiwania niebieskiej energii
Elektrownie przemysłowe wykorzystują gradienty zasolenia pomiędzy wodą morską a wodą rzeczną do wytwarzania energii w procesie zwanym pozyskiwaniem niebieskiej energii. Według Nakamury zrozumienie, w jaki sposób struktura nanoporów jest spontanicznie generowana w kominach hydrotermalnych, może pomóc inżynierom w opracowaniu lepszych syntetycznych metod wytwarzania energii elektrycznej w wyniku konwersji osmotycznej.
Odniesienie: „Konwersja energii osmotycznej w głębinowych kominach hydrotermalnych wypełnionych serpentynitem” autorstwa Hye-Eun Lee, Tomoyo Okumura, Hideshi Ooka, Kiyohiro Adachi, Takaaki Hikima, Kunio Hirata, Yoshiaki Kawano, Hiroaki Matsuura, Masaki Yamamoto, Masahiro Yamamoto, Akira Yamaguchi, Ji-Eun Lee, Hiroya Takahashi, Ki Tae Nam, Yasuhiko Ohara, Daisuke Hashizume, Shawn Erin McGlynn i Ryuhei Nakamura, 25 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52332-3
