Nature Communications: Наноструктуры на дне океана намекают на зарождение жизни

Исследователи из Центра устойчивого ресурсоведения RIKEN в Японии и Научного института Земли и жизни Токийского технологического института обнаружили наноструктуры, окружающие глубоководные гидротермальные источники океана. Они похожи на молекулы, которые делают возможной жизнь.

Эти наноструктуры самоорганизуются и действуют как селективные ионные каналы, создавая энергию в виде электричества.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, могут быть использованы для промышленного сбора «голубой» энергии.

Морская вода, просачиваясь через трещины в океанском дне, нагревается магмой и поднимается к поверхности. Здесь она снова попадает в океан через гидротермальные источники. Горячая вода содержит минералы, полученные из глубин Земли. При встрече с прохладной океанской водой происходят химические реакции, которые выталкивают ионы минералов из воды. Вокруг жерла эти ионы образуют твёрдые структуры — преципитаты.

Гидротермальные источники — возможное место зарождения жизни на Земле, так как они стабильны, богаты минералами и содержат источники энергии.

Большинство живых организмов на планете существуют благодаря осмотической энергии, которая создаётся разницей в концентрации солей и протонов между внутренней и внешней сторонами клеток.

Учёные из RIKEN CSRS исследовали гидротермальные источники на серпентинитах, поскольку там минеральные осадки со слоистой структурой из оксидов, гидроксидов и карбонатов металлов. Исследователи обнаружили, что преобразование осмотической энергии может происходить без участия живых существ в геологической среде.

Исследователи изучили образцы, собранные на месторождении Shinkai Seep Field в Марианской впадине на глубине 5743 метра.

Один из образцов — кусок длиной 84 см, состоящий в основном из брусита. С помощью оптических микроскопов и рентгеновских лучей учёные выяснили, что кристаллы брусита образуют непрерывные колонны — наноканалы для жерловой жидкости.

Поверхность осадка оказалась электрически заряжена. Размер и направление заряда (положительный или отрицательный) менялись по всей поверхности. Такие структурированные нанопоры с переменным зарядом характерны для осмотического преобразования энергии. Поэтому исследователи решили проверить, происходит ли такое преобразование естественным образом в неорганической глубоководной породе.

Команда использовала электрод для измерения тока и напряжения в образцах. Когда образцы подвергались воздействию высоких концентраций хлорида калия, проводимость была прямо пропорциональна концентрации соли на поверхности нанопор. При более низких концентрациях проводимость оставалась постоянной и зависела от локального электрического заряда поверхности осадка. Такой ионный транспорт похож на ионные каналы в живых клетках, которые управляются напряжением, например, в нейронах.

Исследователи изучили образцы из глубин океана и выяснили, что нанопоры действуют как селективные ионные каналы.

В местах с карбонатом нанопоры пропускали положительно заряженные ионы натрия. А в нанопорах с кальцием — отрицательно заряженные ионы хлорида.

По словам Накамуры, открытие спонтанного образования ионных каналов в глубоководных гидротермальных источниках может помочь понять происхождение жизни на Земле и за её пределами. В частности, оно показывает, как осмотическое преобразование энергии может происходить без участия живых организмов.

Промышленные электростанции используют разницу в солёности морской и речной воды для получения энергии. Этот процесс называется «сбор голубой энергии».

Понимание того, как формируется нанопоровая структура в гидротермальных источниках, может помочь инженерам создать более совершенные способы получения электроэнергии за счёт осмотического преобразования.

25.09.2024