Исследователи под руководством Рюхея Накамуры из Центра RIKEN по устойчивой ресурсной науке (CSRS) в Японии и Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института обнаружили неорганические наноструктуры, окружающие глубоководные гидротермальные источники, которые поразительно похожи на молекулы, которые делают жизнь такой, какой мы ее знаем, возможной.
Эти наноструктуры самоорганизуются и действуют как селективные ионные каналы, которые создают энергию, которую можно использовать в форме электричества. Опубликованные в Nature Communications, результаты исследования влияют не только на наше понимание того, как зародилась жизнь, но и могут быть применены к промышленному сбору голубой энергии.
Когда морская вода просачивается глубоко в Землю через трещины в дне океана, она нагревается магмой, поднимается обратно на поверхность и высвобождается обратно в океан через трещины, называемые гидротермальными источниками. Поднимающаяся горячая вода содержит растворенные минералы, накопленные за время своего пребывания в глубине Земли, и когда она встречается с холодной океанской водой, химические реакции вытесняют минеральные ионы из воды, где они образуют твердые структуры вокруг жерла, называемые осадками.
Гидротермальные жерла считаются местом зарождения жизни на Земле, поскольку они обеспечивают необходимые условия: они стабильны, богаты минералами и содержат источники энергии. Большая часть жизни на Земле зависит от осмотической энергии, которая создается ионными градиентами — разницей в концентрации соли и протонов — между внутренней и внешней частью живых клеток. Исследователи RIKEN CSRS изучали гидротермальные жерла, размещенные в серпентините, поскольку этот тип жерла имеет минеральные осадки с очень сложной слоистой структурой, образованной из оксидов, гидроксидов и карбонатов металлов.
«Неожиданно мы обнаружили, что осмотическое преобразование энергии, жизненно важная функция в современной растительной, животной и микробной жизни, может происходить абиотически в геологической среде», — говорит Накамура.
Исследователи изучали образцы, собранные с поля просачивания Синкай, расположенного в Марианской впадине Тихого океана на глубине 5743 м. Ключевым образцом был 84-сантиметровый кусок, состоящий в основном из брусита. Оптические микроскопы и сканирование с помощью рентгеновских лучей микрометрового размера показали, что кристаллы брусита были расположены в непрерывных колоннах, которые действовали как наноканалы для флюида из источника. Исследователи заметили, что поверхность осадка была электрически заряжена, и что размер и направление заряда — положительный или отрицательный — различались по поверхности. Зная, что структурированные нанопоры с переменным зарядом являются признаками осмотического преобразования энергии, они затем проверили, действительно ли осмотическое преобразование энергии происходило естественным образом в неорганической глубоководной породе.
Команда использовала электрод для регистрации вольт-амперной характеристики образцов. Когда образцы подвергались воздействию высоких концентраций хлорида калия, проводимость была пропорциональна концентрации соли на поверхности нанопор. Но при более низких концентрациях проводимость была постоянной, а не пропорциональной и определялась локальным электрическим зарядом поверхности осадка. Этот управляемый зарядом ионный транспорт очень похож на потенциал-зависимые ионные каналы, наблюдаемые в живых клетках, таких как нейроны.
Проверяя образцы с химическими градиентами, которые существуют в глубоком океане, откуда они были извлечены, исследователи смогли показать, что нанопоры действуют как селективные ионные каналы. В местах, где карбонат прилип к поверхности, нанопоры пропускали положительные ионы натрия. Однако в нанопорах с кальцием, прилипшим к поверхности, поры пропускали только отрицательные ионы хлорида.
«Спонтанное образование ионных каналов, обнаруженное в глубоководных гидротермальных источниках, имеет прямые последствия для происхождения жизни на Земле и за ее пределами», — говорит Накамура. «В частности, наше исследование показывает, как осмотическое преобразование энергии, жизненно важная функция в современной жизни, может происходить абиотически в геологической среде».
Промышленные электростанции используют градиенты солености между морской и речной водой для выработки энергии, процесс, называемый сбором голубой энергии. По словам Накамуры, понимание того, как структура нанопор спонтанно генерируется в гидротермальных источниках, может помочь инженерам разработать более совершенные синтетические методы для выработки электроэнергии путем осмотического преобразования.
