熱液噴口奈米結構可模仿生命過程，引導離子並產生能量，為生命起源理論和藍色能源技術提供幫助。一個科學家團隊在深海熱液噴口周圍發現了無機奈米結構，它們與我們所知的生命分子極為相似。 這些奈米結構是自組織的，起到選擇性離子通道的作用，可以產生能量，並以電力的形式加以利用。 這項發現不僅能影響我們對生命起源的理解，也能應用於工業藍色能源採集。

這項研究由日本理化學研究所永續資源科學中心（CSRS）的中村隆平和東京工業大學地球生命科學研究所（ELSI）領導，最近發表在Nature Communications上。

a) 從新海滲流場採集的高壓沉澱物照片。 b) 沉澱物橫斷面的交叉偏振光學顯微鏡影像。 c，d) 掃描電子影像顯示沉澱物內部的層。

地質能源系統

當海水透過海底裂縫滲入地球深處時，會被岩漿加熱，重新上升到地表，並透過稱為熱液噴口的裂縫釋放回海洋。 上升的熱水中含有從地球深處獲得的溶解礦物質，當它遇到涼爽的海水時，化學反應迫使礦物質離子從水中出來，在噴口周圍形成固體結構，稱為沉澱物。

顯示接觸氯化鉀（KCl）後產生滲透力的示意圖。 奈米孔內的電雙層重疊建立了一個屏蔽屏障，只對帶特定電荷的離子具有滲透性。 資料來源：理化學研究所

自然界中的滲透能量轉換

熱液噴口被認為是地球上生命的發源地，因為它們提供了必要的條件：穩定、富含礦物質和能量來源。 地球上的大部分生命都依賴滲透能，滲透能是由活細胞內外的離子梯度（鹽和質子濃度的差異）產生的。

理化學研究所CSRS 研究人員對蛇紋石寄生的熱液噴口進行了研究，因為這些噴口的礦物沉澱物具有非常複雜的層狀結構，由金屬氧化物、氫氧化物和碳酸鹽形成。

中村隆平說：”我們意外地發現，滲透能量轉換這一現代植物、動物和微生物生命的重要功能可以在地質環境中非生物地發生。”

離子通道的實驗觀察

研究人員正在研究從位於太平洋馬裡亞納海溝5743 公尺深處的新海滲場採集的樣本。 光學顯微鏡和微米級X 射線掃描顯示，青金石晶體以連續柱狀排列，是噴口流體的奈米通道。

研究人員注意到，沉澱物表面帶電，電荷的大小和方向–正電荷或負電荷–在整個表面各不相同。 研究人員知道，電荷可變的結構化奈米孔是滲透能量轉換的標誌，因此他們接下來測試了滲透能量轉換是否確實在無機深海岩石中自然發生。

離子傳輸機制

研究團隊使用電極記錄樣本的電流和電壓。 當樣品接觸高濃度氯化鉀時，電導與奈米孔表面的鹽濃度成正比。 然而，在較低濃度下，電導是恆定的，而不是成比例的，並且由沉澱表面的局部電荷決定。 這種電荷支配的離子傳輸與神經元等活細胞中觀察到的電壓門控離子通道非常相似。

透過用深海中存在的化學梯度對樣本進行測試，研究人員能夠證明奈米孔起到了選擇性離子通道的作用。 在表面附著碳酸鹽的位置，奈米孔允許正鈉離子流過。 然而，在表面附著鈣的奈米孔中，孔隙只允許負氯離子通過。

中村隆平說：”在深海熱液噴口發現的離子通道的自發形成對地球及其他地區的生命起源具有直接影響。特別是，我們的研究顯示了滲透能量轉換這一現代生命的重要功能是如何在地質環境中非生物地發生的。

對藍色能源採集的影響

工業發電廠利用海水和河水之間的鹽度梯度來產生能量，這個過程稱為藍色能源收集。 中村表示，了解熱液噴口中如何自發性產生奈米孔結構，有助於工程師設計出更好的合成方法，利用滲透轉換產生電能。

編譯自/ SciTechDaily