Sciencemag.cz
Doporučujeme
Tajemný a fascinující svět hydrotermálních průduchů.
Vědci z japonského centra RIKEN a Tokijského technologického institutu objevili anorganické nanostruktury obklopující hlubokomořské hydrotermální průduchy (kuřáky), které se nápadně podobají systémům umožňujícím život. Tyto nanostruktury jsou samoorganizované a fungují jako selektivní iontové kanály vytvářející energii, kterou lze využít ve formě elektřiny.
Nanostruktury proto mohou hodně napovídat o původu života. Navíc objevené systémy by nás mohly inspirovat i k vývoji nových technologií.
Samo o sobě je dávná vazba života na anorganické substráty velmi pravděpodobná. Enzym je „kámen, který obrostl masem“, za přenos elektronů v některých klíčových a evolučně starých enzymech odpovídají například různé struktury ze železa a síry. Lze si snadno představit, že protobuňky takto původně využívaly katalytických schopností (např.) pyritu. Také kanálky v průduších kuřáků se životu jistě hodily, předmíchávaly mu oxid uhličitý s vodíkem a nejspíš právě zde fungovala jedna z nejstarších metabolických drah vytvářejících organickou hmotu (před všemi typy fotosyntézy apod.).
Dnes organismy využívají energii například na pohyb látek proti jejich koncentračnímu gradientu. Mechanismy nově objevené u průduchů běží opačně – pohyb po gradientu naopak vytváří energii v podobě nábojů, dalo by se tedy říct, že osmotická energie se mění na elektrickou a dochází k nabíjení anorganické baterie.
Zpět k původní tiskové zprávě.
Když mořská voda proniká puklinami na dně oceánu hluboko do Země, ohřívá se magmatem, stoupá zase k povrchu a uvolňuje se zpět do oceánu hydrotermálními průduchy. Stoupající horká voda obsahuje rozpuštěné minerály, které získala v hlubinách Země, a když se setká s chladnou vodou oceánu, chemické reakce vytlačí ionty minerálů z vody, kde vytvoří kolem průduchu pevné struktury (sraženiny, precipitáty).
Hydrotermální průduchy jsou považovány za místo zrodu života na Zemi, protože poskytují potřebné podmínky: jsou stabilní, bohaté na minerály a obsahují zdroje energie. Velká část života na Zemi je závislá na osmotické energii, která vzniká díky iontovým gradientům – rozdílu v koncentraci iontů anorganických solí a protonů – mezi vnitřkem a vnějškem živých buněk.
Výzkumníci studovali hydrotermální vývěry s výskytem serpentinitů (hadce, metamorfované horniny), protože tento druh vývěrů obsahuje minerální sraženiny s velmi složitou vrstevnatou strukturou tvořenou oxidy kovů, hydroxidy a uhličitany. „Nečekaně jsme zjistili, že osmotická přeměna energie může probíhat abioticky,“ uvádí hlavní autor studie Ryuhei Nakamura.
Vědci zkoumali vzorky odebrané v oblasti Shinkai Seep Field, která se nachází v Mariánském příkopu v Tichém oceánu v hloubce 5 743 m. Klíčovým vzorkem byl 84 cm dlouhý kus složený převážně z brucitu (hydroxid hořečnatý). Optické mikroskopy a skenování pomocí rentgenových paprsků odhalily, že krystaly brucitu jsou uspořádány do souvislých sloupců, které fungují jako nanokanály pro procházející tekutinu.
Vědci si všimli, že povrch sraženiny je elektricky nabitý a že velikost a „směr“ náboje (tj. zda je kladný, nebo záporný) se na povrchu liší. Protože věděli, že strukturované nanopóry s proměnlivým nábojem jsou charakteristickým znakem osmotické přeměny energie, dále testovali, zda k osmotické přeměně energie skutečně přirozeně dochází v anorganických hlubokomořských horninách.
Odpověď zní ano.
Tým použil elektrodu pro záznam proudu a napětí vzorků. Když byly vzorky vystaveny vysoké koncentraci chloridu draselného, byla vodivost úměrná koncentraci soli na povrchu nanopórů. Při nižších koncentracích však byla vodivost konstantní a určená lokálním elektrickým nábojem povrchu sraženiny. Takto řízený transport iontů je velmi podobný napětím řízeným iontovým kanálům v živých buňkách (např. v neuronech).
Testováním vzorků s chemickými gradienty obdobnými těm, jaké existují v hlubokém oceánu, se vědcům podařilo prokázat, že nanopóry fungují jako selektivní iontové kanály. V místech, kde na povrchu ulpěl uhličitan, nanopóry propouštěly kladné sodíkové ionty. Naopak v nanopórech s vápníkem přilepeným k povrchu propouštěly póry pouze záporné chloridové ionty.
Dnes se přeměna osmotické energie na elektrickou využívá např. v elektrárnách, které jsou založeny na gradientu salinity mezi sladkou a mořskou vodou.
Osmotic energy conversion in serpentinite-hosted deep-sea hydrothermal vents, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52332-3. www.nature.com/articles/s41467-024-52332-3
Zdroj: RIKEN / Pshy.org
Poznámky PH:
Subjektivně mi přijde velmi zajímavé, ukazuje to, kolik subsystémů využívaných životem mohlo vzniku samotného života předcházet. Viz třeba i teorie „živých jílů“.
Detekovat něco podobného mimo Zemi, budeme to možná považovat za formu místního života?
