Nanoestructuras del fondo marino dan pistas sobre el origen de la vida

Nanoestructuras inorgánicas halladas en respiraderos hidrotermales de las profundidades oceánicas son sorprendentemente similares a las moléculas que hacen posible la vida tal como la conocemos.

Estas nanoestructuras se autoorganizan y actúan como canales iónicos selectivos, que crean energía que se puede aprovechar en forma de electricidad, según investigadores japoneses.

Publicado en Nature Communications, los hallazgos no solo afectan nuestra comprensión de cómo comenzó la vida, sino que también se pueden aplicar a la recolección de energía azul industrial.

Cuando el agua de mar se filtra hacia la Tierra a través de grietas en el fondo del océano, se calienta por el magma, sube de nuevo a la superficie y se libera de nuevo al océano a través de fisuras llamadas respiraderos hidrotermales. El agua caliente que sube contiene minerales disueltos que obtuvo durante su estancia en las profundidades de la Tierra y, cuando se encuentra con el agua fría del océano, las reacciones químicas hacen que los iones minerales salgan del agua, donde forman estructuras sólidas alrededor del respiradero llamadas precipitados.

Se cree que los respiraderos hidrotermales son el lugar de nacimiento de la vida en la Tierra porque proporcionan las condiciones necesarias: son estables, ricos en minerales y contienen fuentes de energía. Gran parte de la vida en la Tierra depende de la energía osmótica, que se crea mediante gradientes de iones (la diferencia en la concentración de sal y protones) entre el interior y el exterior de las células vivas.

Investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles (CSRS) estaban estudiando los respiraderos hidrotermales alojados en serpentinitas porque este tipo de respiradero tiene precipitados minerales con una estructura en capas muy compleja formada por óxidos metálicos, hidróxidos y carbonatos.

"Inesperadamente, descubrimos que la conversión de energía osmótica, una función vital en la vida vegetal, animal y microbiana moderna, puede ocurrir de forma abiótica en un entorno geológico", dice Nakamura.

Los investigadores estaban estudiando muestras recogidas en el campo de filtraciones Shinkai, situado en la fosa de las Marianas del océano Pacífico a una profundidad de 5.743 metros. La muestra clave era una pieza de 84 cm compuesta principalmente de brucita. Los microscopios ópticos y los escaneos con rayos X de tamaño micrométrico revelaron que los cristales de brucita estaban dispuestos en columnas continuas que actuaban como nanocanales para el fluido de ventilación.

Los investigadores notaron que la superficie del precipitado estaba cargada eléctricamente y que el tamaño y la dirección de la carga (positiva o negativa) variaban a lo largo de la superficie. Sabiendo que los nanoporos estructurados con carga variable son el sello distintivo de la conversión de energía osmótica, a continuación comprobaron si la conversión de energía osmótica se estaba produciendo de hecho de forma natural en la roca inorgánica de las profundidades marinas.

El equipo utilizó un electrodo para registrar la corriente-voltaje de las muestras. Cuando las muestras se expusieron a altas concentraciones de cloruro de potasio, la conductancia fue proporcional a la concentración de sal en la superficie de los nanoporos. Pero a concentraciones más bajas, la conductancia era constante, no proporcional, y estaba determinada por la carga eléctrica local de la superficie del precipitado. Este transporte de iones controlado por la carga es muy similar a los canales iónicos controlados por voltaje que se observan en células vivas como las neuronas.

Al probar las muestras con gradientes químicos que existen en las profundidades del océano de donde fueron extraídas, los investigadores pudieron demostrar que los nanoporos actúan como canales iónicos selectivos. En los lugares con carbonato adherido a la superficie, los nanoporos permitían el paso de iones de sodio positivos. Sin embargo, en los nanoporos con calcio adherido a la superficie, los poros solo permitían el paso de iones de cloruro negativos.

"La formación espontánea de canales iónicos descubierta en los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas tiene implicaciones directas para el origen de la vida en la Tierra y más allá", dice Ryuhei Nakamura, primer autor del estudio. "En particular, nuestro estudio muestra cómo la conversión de energía osmótica, una función vital en la vida moderna, puede ocurrir de forma abiótica en un entorno geológico".

Las centrales eléctricas industriales utilizan gradientes de salinidad entre el agua del mar y el agua del río para generar energía, un proceso denominado recolección de energía azul. Según Nakamura, comprender cómo se genera espontáneamente la estructura de nanoporos en los respiraderos hidrotermales podría ayudar a los ingenieros a idear mejores métodos sintéticos para generar energía eléctrica a partir de la conversión osmótica.