Una squadra di ricercatori guidato da Ryuhei Nakamura del RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Giappone e dall’Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology ha scoperto nanostrutture inorganiche intorno alle bocche idrotermali nell’oceano profondo che sono sorprendentemente simili alle molecole che rendono possibile la vita come la conosciamo.
Le nanostrutture inorganiche e la loro organizzazione
Queste nanostrutture si organizzano in modo autonomo e agiscono come canali ionici selettivi, creando energia che può essere sfruttata sotto forma di elettricità; pubblicati il 25 settembre su Nature Communications, i risultati influenzano non solo la nostra comprensione di come ha avuto inizio la vita, ma possono anche essere applicati alla raccolta industriale di energia blu.
Quando l’acqua di mare penetra nelle profondità della Terra attraverso le fessure sul fondo oceanico, viene riscaldata dal magma, risale in superficie e viene rilasciata nell’oceano attraverso fessure chiamate bocche idrotermali.
L’acqua calda in risalita contiene minerali disciolti acquisiti durante il suo viaggio nelle profondità terrestri, e quando incontra l’acqua fredda dell’oceano, le reazioni chimiche fanno precipitare gli ioni minerali fuori dall’acqua, formando strutture solide intorno alla bocca, chiamate precipitati.
Le bocche idrotermali sono considerate il luogo di nascita della vita sulla Terra perché forniscono le condizioni necessarie: sono stabili, ricche di minerali e contengono fonti di energia e gran parte della vita sulla Terra dipende dall’energia osmotica, che viene creata dai gradienti ionici (a differenza nella concentrazione di sale e protoni) tra l’interno e l’esterno delle cellule viventi.
I ricercatori del RIKEN CSRS stavano studiando le bocche idrotermali ospitate da serpentiniti, poiché questo tipo di bocche presenta precipitati minerali con una struttura stratificata molto complessa, formata da ossidi di metallo, idrossidi e carbonati. “Inaspettatamente, abbiamo scoperto che la conversione dell’energia osmotica, una funzione vitale nella vita moderna di piante, animali e microbi, può avvenire abioticamente in un ambiente geologico“, afferma Nakamura.
Le nanostrutture e il fondali del pacifico
I ricercatori stavano studiando campioni di queste nanostrutture raccolti dal campo di Shinkai Seep, situato nella Fossa delle Marianne nel Pacifico a una profondità di 5743 metri; il campione chiave era un pezzo di 84 cm composto principalmente di brucite; microscopi ottici e scansioni con fasci di raggi X di dimensioni micrometriche hanno rivelato che i cristalli di brucite erano disposti in colonne continue che fungevano da nano-canali per il fluido della bocca.
I ricercatori hanno notato che la superficie del precipitato era elettricamente carica e che la grandezza e la direzione della carica (positiva o negativa) variavano lungo la superficie; sapendo che i nanopori strutturati con carica variabile sono caratteristiche distintive della conversione dell’energia osmotica, hanno quindi testato se tale conversione avveniva naturalmente nella roccia inorganica del mare profondo.
La squadra scientifica del RIKEN ha utilizzato un elettrodo per registrare la corrente-tensione dei campioni; quando i campioni sono stati esposti a elevate concentrazioni di cloruro di potassio, la conducibilità era proporzionale alla concentrazione di sale sulla superficie dei nanopori.
Tuttavia a concentrazioni più basse, la conducibilità era costante, non proporzionale, e determinata dalla carica elettrica locale della superficie del precipitato e questo trasporto ionico governato dalla carica è molto simile ai canali ionici dipendenti dal voltaggio osservati nelle cellule viventi, come nei neuroni.
Testando i campioni con gradienti chimici che esistono nell’oceano profondo da cui sono stati estratti, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che i nanopori agiscono come canali ionici selettivi; nei luoghi in cui il carbonato era aderito alla superficie, i nanopori permettevano il passaggio di ioni di sodio positivi. Tuttavia, nei nanopori con calcio aderito alla superficie, i pori permettevano il passaggio solo di ioni di cloruro negativi.
“La formazione spontanea di canali ionici scoperta nelle bocche idrotermali del mare profondo ha implicazioni dirette per l’origine della vita sulla Terra e oltre“, afferma Nakamura. “In particolare, il nostro studio mostra come la conversione dell’energia osmotica, una funzione vitale nella vita moderna, possa avvenire abioticamente in un ambiente geologico.”
Le centrali industriali utilizzano i gradienti di salinità tra l’acqua marina e l’acqua dei fiumi per generare energia, un processo chiamato raccolta di energia blu; secondo Nakamura, comprendere come la struttura dei nanopori si genera spontaneamente nelle bocche idrotermali potrebbe aiutare gli ingegneri a ideare migliori metodi sintetici per generare energia elettrica dalla conversione osmotica.
E tu cosa pensi della scoperte e dell’analisi di queste nuove nanostrutture da parte del RIKEN e del ricercatore Ryuhei Nakamura? Scrivilo sui commenti.
