Istraživači koje vodi Riuhei Nakamura iz RIKEN Centra za nauku o održivim resursima (CSRS) u Japanu i Instituta za nauku o životu na Zemlji (ELSI) Tokijskog tehnološkog instituta otkrili su neorganske nanostrukture koje okružuju duboke okeanske hidrotermalne otvore koje su zapanjujuće slične molekulima koji učiniti mogućim život kakav poznajemo. Ove nanostrukture su samoorganizovane i deluju kao selektivni jonski kanali, koji stvaraju energiju koja se može iskoristiti u obliku električne energije.
Objavljeni 25. septembra u Nature Communications, nalazi utiču ne samo na naše razumevanje kako je život počeo, već se mogu primeniti i na industrijsko sakupljanje plave energije.
Kada morska voda uđe u Zemlju kroz pukotine na dnu okeana, zagreva se magmom, ponovo se podiže na površinu i pušta se nazad u okean kroz pukotine koje se nazivaju hidrotermalni otvori. Vruća voda koja se diže sadrži rastvorene minerale dobijene iz svog vremena duboko u Zemlji, a kada se sretne sa hladnom okeanskom vodom, hemijske reakcije teraju mineralne jone iz vode gde oni formiraju čvrste strukture oko otvora zvane precipitati.
Smatra se da su hidrotermalni otvori rodno mesto života na Zemlji jer obezbeđuju neophodne uslove: stabilni su, bogati mineralima i sadrže izvore energije. Veliki deo života na Zemlji oslanja se na osmotsku energiju, koju stvaraju gradijenti jona – razlika u koncentraciji soli i protona – između unutrašnjosti i spolja živih ćelija.
Istraživači RIKEN CSRS proučavali su hidrotermalne otvore sa serpentinitom jer ova vrsta otvora ima mineralne precipitate sa veoma složenom slojevitom strukturom formiranom od metalnih oksida, hidroksida i karbonata.
„Neočekivano, otkrili smo da se osmotska konverzija energije, vitalna funkcija u modernom biljnom, životinjskom i mikrobnom životu, može desiti abiotički u geološkom okruženju“, kaže Nakamura.
Istraživači su proučavali uzorke prikupljene sa polja Shinkai Seep, koje se nalazi u Marijanskom rovu u Tihom okeanu na dubini od 5.743 m. Ključni uzorak bio je komad od 84 cm sastavljen uglavnom od brucita. Optički mikroskopi i skeniranja sa rendgenskim zrakama veličine mikrometara otkrili su da su kristali brucita raspoređeni u neprekidne kolone koje su delovale kao nano-kanali za tečnost za ventilaciju.
Istraživači su primetili da je površina precipitata električno naelektrisana i da se veličina i smer naelektrisanja – pozitivnog ili negativnog – razlikuju po površini. Znajući da su strukturirane nanopore sa promenljivim nabojem obeležja konverzije osmotske energije, oni su zatim testirali da li se konverzija osmotske energije zaista dešava prirodno u neorganskom dubokom moru.
Tim je koristio elektrodu za snimanje strujnog napona uzoraka. Kada su uzorci bili izloženi visokim koncentracijama kalijum hlorida, provodljivost je bila proporcionalna koncentraciji soli na površini nanopora. Ali pri nižim koncentracijama, provodljivost je bila konstantna, a ne proporcionalna, i određena je lokalnim električnim nabojem površine precipitata. Ovaj transport jona vođen naelektrisanjem je veoma sličan naponskim jonskim kanalima koji se primećuju u živim ćelijama poput neurona.
Testiranjem uzoraka sa hemijskim gradijentima koji postoje u dubokom okeanu odakle su izvađeni, istraživači su uspeli da pokažu da nanopore deluju kao selektivni jonski kanali. Na mestima gde je karbonat prilepljen na površinu, nanopore su omogućavale da pozitivni joni natrijuma prolaze kroz njih. Međutim, u nanoporama sa kalcijumom zalepljenim na površinu, pore su dozvoljavale samo negativnim hloridnim jonima da prođu.
„Spontano formiranje jonskih kanala otkrivenih u dubokim hidrotermalnim otvorima ima direktne implikacije na nastanak života na Zemlji i šire“, kaže Nakamura. „Konkretno, naša studija pokazuje kako se konverzija osmotske energije, vitalna funkcija u savremenom životu, može dogoditi abiotički u geološkom okruženju.“
Industrijske elektrane koriste gradijente slanosti između morske i rečne vode za proizvodnju energije, proces koji se naziva sakupljanje plave energije. Prema Nakamuri, razumevanje kako se struktura nanopora spontano generiše u hidrotermalnim otvorima moglo bi pomoći inženjerima da osmisle bolje sintetičke metode za generisanje električne energije iz osmotske konverzije.
