Yaşamın Kökenlerine Dair Yeni İpuçları: Bilim İnsanları Hidrotermal Bacalarda “Yaşam Benzeri” Nanokanallar Buldu…
RIKEN CSRS ve ELSI’den araştırmacılar, yaşamın yapı taşlarına benzer şekilde, iyonları seçici bir şekilde yönlendirebilen ve ozmotik enerjiyi dönüştürebilen, potansiyel olarak yaşamın kökenlerini aydınlatabilen ve mavi enerji hasadına yardımcı olabilen hidrotermal bacalarda nanoyapılar buldular.
Hidrotermal baca nanoyapıları, yaşamın süreçlerini taklit edebilir, iyonları yönlendirebilir ve enerji üretebilir; bu da yaşamın kökenine ilişkin teorilere ve mavi enerji teknolojilerine yardımcı olabilir.
Bir bilim insanları ekibi, derin okyanus hidrotermal bacalarını çevreleyen ve bildiğimiz şekliyle yaşamı mümkün kılan moleküllere oldukça benzeyen inorganik nanoyapılar keşfetti. Bu nanoyapılar kendi kendine organize oluyor ve seçici iyon kanalları gibi davranarak elektrik formunda kullanılabilen enerji yaratıyor. Bu keşif, yalnızca yaşamın kökenlerine dair anlayışımızı etkilemekle kalmayıp aynı zamanda endüstriyel mavi enerji hasadına da uygulanabilir.
Japonya’daki RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilimi Merkezi’nden (CSRS) ve Tokyo Teknoloji Enstitüsü’ne bağlı Dünya-Yaşam Bilimi Enstitüsü’nden (ELSI) Ryuhei Nakamura liderliğinde yürütülen araştırma yakın zamanda Nature Communications’da yayınlandı .
Jeolojik Enerji Sistemleri
Deniz suyu okyanus tabanındaki çatlaklardan Dünya’nın derinliklerine sızdığında, magma tarafından ısıtılır, yüzeye geri yükselir ve hidrotermal bacalar adı verilen çatlaklar aracılığıyla okyanusa geri salınır. Yükselen sıcak su, Dünya’nın derinliklerinde geçirdiği zamandan kazanılan çözünmüş mineralleri içerir ve soğuk okyanus suyuyla karşılaştığında, kimyasal reaksiyonlar mineral iyonlarını sudan dışarı iter ve burada bacanın etrafında çökelti adı verilen katı yapılar oluştururlar.
Doğada Ozmotik Enerji Dönüşümü
Hidrotermal bacaların Dünya’daki yaşamın doğum yeri olduğu düşünülüyor çünkü gerekli koşulları sağlıyorlar: kararlılar, mineraller açısından zenginler ve enerji kaynakları içeriyorlar. Dünya’daki yaşamın çoğu, canlı hücrelerin içi ve dışı arasındaki iyon gradyanları (tuz ve proton konsantrasyonundaki fark) tarafından oluşturulan ozmotik enerjiye dayanır.
RIKEN CSRS araştırmacıları, serpantinit barındıran hidrotermal bacaları incelediler çünkü bunlar, metal oksitler, hidroksitler ve karbonatlardan oluşan çok karmaşık katmanlı bir yapıya sahip mineral çökeltileri içeriyor.
Nakamura, “Beklenmedik bir şekilde, modern bitki, hayvan ve mikrobiyal yaşamda hayati bir işlev olan ozmotik enerji dönüşümünün jeolojik bir ortamda abiyotik olarak gerçekleşebileceğini keşfettik” diyor.
İyon Kanallarının Deneysel Gözlemleri
Araştırmacılar, Pasifik Okyanusu’nun Mariana Çukuru’nda 5743 m derinlikte bulunan Shinkai Sızıntı Alanı’ndan toplanan örnekleri inceliyorlardı. Önemli örnek, çoğunlukla brusitten oluşan 84 cm’lik bir parçaydı. Optik mikroskoplar ve mikron boyutunda X-ışını ışınlarıyla yapılan taramalar, brusit kristallerinin, menfez sıvısı için nano kanallar görevi gören sürekli sütunlarda düzenlendiğini ortaya koydu.
Araştırmacılar, çökeltinin yüzeyinin elektriksel olarak yüklendiğini ve yükün boyutunun ve yönünün (pozitif veya negatif) yüzey boyunca değiştiğini fark ettiler. Değişken yüklü yapılandırılmış nano gözeneklerin ozmotik enerji dönüşümünün ayırt edici özellikleri olduğunu bilerek, daha sonra ozmotik enerji dönüşümünün inorganik derin deniz kayasında gerçekten doğal olarak meydana gelip gelmediğini test ettiler.
İyon Taşıma Mekanizması
Ekip, numunelerin akımını ve voltajını kaydetmek için bir elektrot kullandı. Numuneler yüksek konsantrasyonlarda potasyum klorüre maruz bırakıldığında, iletkenlik nano gözeneklerin yüzeyindeki tuz konsantrasyonuyla orantılıydı. Ancak, daha düşük konsantrasyonlarda iletkenlik sabitti, orantılı değildi ve çökeltinin yüzeyinin yerel elektrik yükü tarafından belirlendi. Bu yük yönetimli iyon taşımacılığı, nöronlar gibi canlı hücrelerde gözlemlenen voltaj kapılı iyon kanallarına çok benzer.
Örnekleri çıkarıldığı derin okyanusta bulunan kimyasal gradyanlarla test ederek araştırmacılar nano gözeneklerin seçici iyon kanalları olarak davrandığını gösterebildiler. Karbonatın yüzeye yapıştığı yerlerde nano gözenekler pozitif sodyum iyonlarının akmasına izin verdi. Ancak kalsiyumun yüzeye yapıştığı nano gözeneklerde gözenekler yalnızca negatif klorür iyonlarının geçmesine izin verdi.
Nakamura, “Derin deniz hidrotermal bacalarında keşfedilen iyon kanallarının kendiliğinden oluşması, Dünya’da ve ötesinde yaşamın kökeni için doğrudan çıkarımlara sahiptir” diyor. “Özellikle, çalışmamız, modern yaşamda hayati bir işlev olan ozmotik enerji dönüşümünün jeolojik bir ortamda abiyotik olarak nasıl meydana gelebileceğini gösteriyor.”
Mavi Enerji Hasadı İçin Sonuçlar
Endüstriyel enerji santralleri, enerji üretmek için deniz suyu ve nehir suyu arasındaki tuzluluk gradyanlarını kullanır, buna mavi enerji hasadı adı verilir. Nakamura’ya göre, nano gözenek yapısının hidrotermal menfezlerde kendiliğinden nasıl üretildiğini anlamak, mühendislerin ozmotik dönüşümden elektrik enerjisi üretmek için daha iyi sentetik yöntemler geliştirmelerine yardımcı olabilir.
