热液喷口纳米结构可模仿生命过程，引导离子并产生能量，为生命起源理论和蓝色能源技术提供帮助。一个科学家小组在深海热液喷口周围发现了无机纳米结构，它们与我们所知的生命分子极为相似。 这些纳米结构是自组织的，起到选择性离子通道的作用，可以产生能量，并以电力的形式加以利用。 这一发现不仅能影响我们对生命起源的理解，还能应用于工业蓝色能源采集。
这项研究由日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平和东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI）领导，最近发表在Nature Communications上。
a) 从新海渗流场采集的高压沉淀物照片。 b) 沉淀物横截面的交叉偏振光学显微镜图像。 c，d) 扫描电子图像显示沉淀物内部的层。
地质能源系统
当海水通过海底裂缝渗入地球深处时，会被岩浆加热，重新上升到地表，并通过称为热液喷口的裂缝释放回海洋。 上升的热水中含有从地球深处获得的溶解矿物质，当它遇到凉爽的海水时，化学反应迫使矿物质离子从水中出来，在喷口周围形成固体结构，称为沉淀物。
显示接触氯化钾（KCl）后产生渗透力的示意图。 纳米孔内的电双层重叠建立了一个屏蔽屏障，只对带特定电荷的离子具有渗透性。 资料来源：理化学研究所
自然界中的渗透能量转换
热液喷口被认为是地球上生命的发源地，因为它们提供了必要的条件：稳定、富含矿物质和能量来源。 地球上的大部分生命都依赖渗透能，渗透能是由活细胞内外的离子梯度（盐和质子浓度的差异）产生的。
理化学研究所 CSRS 研究人员对蛇纹石寄生的热液喷口进行了研究，因为这些喷口的矿物沉淀物具有非常复杂的层状结构，由金属氧化物、氢氧化物和碳酸盐形成。
中村隆平说："我们意外地发现，渗透能量转换这一现代植物、动物和微生物生命的重要功能可以在地质环境中非生物地发生。"
离子通道的实验观察
研究人员正在研究从位于太平洋马里亚纳海沟 5743 米深处的新海渗场采集的样本。 光学显微镜和微米级 X 射线扫描显示，青金石晶体呈连续柱状排列，是喷口流体的纳米通道。
研究人员注意到，沉淀物表面带电，电荷的大小和方向--正电荷或负电荷--在整个表面各不相同。 研究人员知道，电荷可变的结构化纳米孔是渗透能量转换的标志，因此他们接下来测试了渗透能量转换是否确实在无机深海岩石中自然发生。
离子传输机制
研究小组使用电极记录样品的电流和电压。 当样品接触高浓度氯化钾时，电导与纳米孔表面的盐浓度成正比。 然而，在较低浓度下，电导是恒定的，而不是成比例的，并且由沉淀表面的局部电荷决定。 这种电荷支配的离子传输与神经元等活细胞中观察到的电压门控离子通道非常相似。
通过用深海中存在的化学梯度对样本进行测试，研究人员能够证明纳米孔起到了选择性离子通道的作用。 在表面附着碳酸盐的位置，纳米孔允许正钠离子流过。 然而，在表面附着钙的纳米孔中，孔隙只允许负氯离子通过。
中村隆平说："在深海热液喷口发现的离子通道的自发形成对地球及其他地区的生命起源具有直接影响。特别是，我们的研究显示了渗透能量转换这一现代生命的重要功能是如何在地质环境中非生物地发生的。"
对蓝色能源采集的影响
工业发电厂利用海水和河水之间的盐度梯度来产生能量，这一过程被称为蓝色能源采集。 中村表示，了解热液喷口中如何自发产生纳米孔结构，有助于工程师设计出更好的合成方法，利用渗透转换产生电能。
编译自/SciTechDaily