Name: محاكاة المداخن الحرارية المائية للأرض في وقت مبكر في بيئة الانحدار الحراري (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 29 s
Description: استكشف محاكاة المداخن الحرارية المائية باستخدام مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد للتحكم في درجة الحرارة. تساعد هذه الطريقة الباحثين على دراسة تأثيرات التدرجات الحرارية على تكوين الراسبات المعدنية.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

وقد أجري هذا البحث في مختبر الدفع النفاث، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بموجب عقد مع وكالة ناسا، بدعم من معهد البيولوجيا الفلكية التابع لوكالة ناسا للعوالم الجليدية. وقد تم دعم الدكتور غابرييل لوبلان جزئيا من خلال منحة بدء البحث (2017-34) من خلال اتفاقية تعاون EPSCoR التابعة لوكالة ناسا في أوكلاهوما (NNX15AK42A). نود أن نشكر هيذر وايتهيد للمساعدة في تصميم المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد الأولي ، وكاليند كاربنتر للمساعدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وجون بول جونز للمناقشة المفيدة على سفن المكثف ، ولورا رودريغيز للمساعدة في تحليل بيانات درجة الحرارة ، وإريكا فلوريس بمساعدة المختبر. حقوق الطبع والنشر 2020 معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

<ol><li>Sojo, V., Herschy, B., Whicher, A., Camprubi, E., Lane, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+life+in+alkaline+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The origin of life in alkaline hydrothermal vents.</a> Astrobiology. 16 (2), 181-197 (2016).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+chemical+gardens+to+fuel+cells%3A+Generation+of+electrical+potential+and+current+across+self-assembling+iron+mineral+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">From chemical gardens to fuel cells: Generation of electrical potential and current across self-assembling iron mineral membranes.</a> Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8184-8187 (2015).</li>
<li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iron-sulfide-bearing+chimneys+as+potential+catalytic+energy+traps+at+life%27s+emergence%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Iron-sulfide-bearing chimneys as potential catalytic energy traps at life's emergence.</a> Astrobiology. 11 (10), 933-950 (2011).</li>
<li>Russell, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+drive+to+life+on+wet+and+icy+worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The drive to life on wet and icy worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+life+from+iron+monosulphide+bubbles+at+a+submarine+hydrothermal+redox+and+pH+front%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Geological+Society%2C+London%22%5BJournal%5D)">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> Journal of the Geological Society, London. 154 (3), 377-402 (1997).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRussell%2C+MJ+%22Evolution+of+Early+Earth%27s+Atmosphere%2C+Hydrosphere%2C+and+Biosphere-Constraints+from+Ore+Deposits%2C+Geological+Society+of+America%22">Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere-Constraints from Ore Deposits, Geological Society of America</a>. Kesler, S. E., Ohmoto, H. 198, 1-32 (2006).</li>
<li>Hsu, H. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ongoing+hydrothermal+activities+within+Enceladus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ongoing hydrothermal activities within Enceladus.</a> Nature. 519, 207-210 (2015).</li>
<li>Vance, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+systems+in+small+ocean+planets%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal systems in small ocean planets.</a> Astrobiology. 7 (6), 987-1005 (2007).</li>
<li>Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Sainz-Díaz, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbonate-hydroxide+chemical-garden+tubes+in+the+soda+ocean+of+Enceladus%3A+abiotic+membranes+and+microtubular+forms+of+calcium+carbonate%5BTitle%5D)+AND+%22Icarus%22%5BJournal%5D)">Carbonate-hydroxide chemical-garden tubes in the soda ocean of Enceladus: abiotic membranes and microtubular forms of calcium carbonate.</a> Icarus. 319, 337-348 (2019).</li>
<li>Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+possible+emergence+of+life+and+differentiation+of+a+shallow+on+irradiated+icy+worlds%3A+the+example+of+Europa%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa.</a> Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).</li>
<li>Yamaguchi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+CO2+reduction+by+Ni-containing+iron+sulfides%3A+How+is+CO2+electrochemically+reduced+at+bisulfide-bearing+deep-sea+hydrothermal+precipitates%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrochemical CO2 reduction by Ni-containing iron sulfides: How is CO2 electrochemically reduced at bisulfide-bearing deep-sea hydrothermal precipitates.</a> Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).</li>
<li>Roldan, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-inspired+CO2+conversion+by+iron+sulfide+catalysts+under+sustainable+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions.</a> Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).</li>
<li>White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mackinawite+and+greigite+in+ancient+alkaline+hydrothermal+chimneys%3A+identifying+potential+key+catalysts+for+emergent+life%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life.</a> Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).</li>
<li>Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redox+and+pH+gradients+drive+amino+acid+synthesis+in+iron+oxyhydroxide+mineral+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).</li>
<li>Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+of+possible+relevance+to+the+origin+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+of+Life+and+Evolution+of+the+Biosphere%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life.</a> Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).</li>
<li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+and+RNA+contributions+to+iron%E2%80%93sulphur+chemical+gardens+as+life%27s+first+inorganic+compartments%2C+catalysts%2C+capacitors+and+condensers%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+A%3A+Mathematical%2C+Physical+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">Peptide and RNA contributions to iron–sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensers.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).</li>
<li>Cutler, K. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+sea-level+fall+and+deep-ocean+temperature+change+since+the+last+interglacial+period%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period.</a> Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).</li>
<li>Kelley, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+off-axis+hydrothermal+vent+field+near+the+Mid-Atlantic+Ridge+at+30+N%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30 N.</a> Nature. 412 (6843), 145-149 (2001).</li>
<li>Kelley, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+serpentinite-hosted+ecosystem%3A+the+Lost+City+hydrothermal+field%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field.</a> Science. 307 (5714), 1428-1434 (2005).</li>
<li>Price, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alkaline+vents+and+steep+Na%2B+gradients+from+ridge-flank+basalts-Implications+for+the+origin+and+evolution+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Alkaline vents and steep Na+ gradients from ridge-flank basalts-Implications for the origin and evolution of life.</a> Geology. 45 (12), 1135-1138 (2017).</li>
<li>Proskurowski, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Abiogenic+hydrocarbon+production+at+Lost+City+hydrothermal+field%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Abiogenic hydrocarbon production at Lost City hydrothermal field.</a> Science. 319 (5863), 604-607 (2008).</li>
<li>Francheteau, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massive+deep-sea+sulphide+ore+deposits+discovered+on+the+East+Pacific+Rise%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massive deep-sea sulphide ore deposits discovered on the East Pacific Rise.</a> Nature. 277 (5697), 523-528 (1979).</li>
<li>Spiess, F. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((East+Pacific+Rise%3A+hot+springs+and+geophysical+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">East Pacific Rise: hot springs and geophysical experiments.</a> Science. 207 (4438), 1421-1433 (1980).</li>
<li>Hekinian, R., Fevrier, M., Bischoff, J. L., Picot, P., Shanks, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfide+deposits+from+the+East+Pacific+Rise+near+21+N%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Sulfide deposits from the East Pacific Rise near 21 N.</a> Science. 207 (4438), 1433-1444 (1980).</li>
<li>Haymon, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+history+of+hydrothermal+black+smoker+chimneys%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Growth history of hydrothermal black smoker chimneys.</a> Nature. 301 (5902), 695-698 (1983).</li>
<li>Ishii, T., Kawaichi, S., Nakagawa, H., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+chemolithoautotrophs+to+electrolithoautotrophs%3A+CO2+fixation+by+Fe+%28II%29-oxidizing+bacteria+coupled+with+direct+uptake+of+electrons+from+solid+electron+sources%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Microbiology%22%5BJournal%5D)">From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe (II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources.</a> Frontiers in Microbiology. 6, 994(2015).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pyrophosphate+synthesis+in+iron+mineral+films+and+membranes+simulating+prebiotic+submarine+hydrothermal+precipitates%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).</li>
<li>Barge, L. M., White, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimentally+testing+hydrothermal+vent+origin+of+life+on+Enceladus+and+other+icy%2Focean+worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Experimentally testing hydrothermal vent origin of life on Enceladus and other icy/ocean worlds.</a> Astrobiology. 17 (9), 820-833 (2017).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+gardens+as+flow-through+reactors+simulating+natural+hydrothermal+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems.</a> Journal of Visualized Experiments. 105, e53015(2015).</li>
<li>Morse, J. W., Mackenzie, F. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hadean+ocean+carbonate+geochemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Aquatic+Geochemistry%22%5BJournal%5D)">Hadean ocean carbonate geochemistry.</a> Aquatic Geochemistry. 4 (3-4), 301-319 (1998).</li>
<li>Russell, M. J., Arndt, N. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geodynamic+and+metabolic+cycles+in+the+Hadean%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeosciences%22%5BJournal%5D)">Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean.</a> Biogeosciences. 2 (1), 97-111 (2005).</li>
<li>Price, R. E., Giovannelli, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Review+of+the+geochemistry+and+microbiology+of+marine+shallow-water+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22Reference+Module+in+Earth+Systems+and+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">A Review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents.</a> Reference Module in Earth Systems and Environmental Science. , Elsevier. New York, USA. (2017).</li>
<li>Herschy, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Molecular+Evolution%22%5BJournal%5D)">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> Journal of Molecular Evolution. 79 (5-6), 213-227 (2014).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+iron-phosphate-silicate+chemical+garden+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Characterization of iron-phosphate-silicate chemical garden structures.</a> Langmuir. 28 (8), 3714-3721 (2012).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+chemical+gardens+to+chemobrionics%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">From chemical gardens to chemobrionics.</a> Chemical Reviews. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li>
</ol>

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

تأثير التدرجات الحرارية على نمو المدخنة المحاكاة:أثمر هذا الجهاز التجريبي عن عدة اختلافات في مورفولوجيا المدخنة التي كانت بسبب العديد من المعلمات التجريبية. شكلت مداخن كبريتيد الحديد وهيدروكسيد الحديد هياكل مستقيمة طويلة في درجة حرارة الغرفة ، ولكنها شكلت رواسب أكثر هشاشة أو رواسب وترية أو تلال مسطحة في تجارب التدرج الحراري. وكان هذا متسقا مع النتائج التي توصل إليها هيرشي وآخرون حيث تشكلت رواسب المدخنة غير المنتصبة من سائل حراري مائي ساخن إلى 70-80 درجة مئوية وحقن في محيط33درجة حرارة الغرفة. هناك تفسيرات مختلفة ممكنة لهذا: نقل الحرارة الحمل الحراري يمكن أن يسبب المزيد من القوى المزدهرة الطبيعية (جنبا إلى جنب مع الضخ القسري للحقن) لجعل تدفق عجل بسرعة نحو الجزء العلوي من سفينة المحيط لأنها تتشكل. بدلا من ذلك، تسخين السائل حقنة يجعل الزهماة الحرارية المائية أقل كثافة، وبالتالي أكثر عرضة للارتفاع عموديا من لتحقيق الاستقرار على رأس نقطة الحقن. ومن الممكن تخفيف هذا التأثير عن طريق تغيير معدل حقن المحاقن إلى معدلات أبطأ للسماح بنمو هيكل أكثر استقرارا. الأبيض وآخرون فحص نمو مدخنة كبريتيد الحديد مع حقن الزناد الحراري المائي بمعدلات بطيئة للغاية (0.08 مل / ساعة) ، وعلى الرغم من أن المدخنة استغرقت أياما للتحام ، إلا أنها كانت مستقرة هيكليا13. كما Herschy وآخرون تستخدم مضخات التثابر بمعدلات الحقن من 10-120 مل / ساعة، وهو عدة أوامر من حجم أسرع من المعدلات المستخدمة في تجاربنا التدرج الحراري، فإنه ليس من المستغرب أنها أنتجت أيضا سلسلة تشبه هياكل المدخنة33.
كما أن التركيزات الأعلى من المواد المتفاعلة المترسبة في المحيطات وحلول التهوية يمكن أن تسفر عن مداخن أكثر قوة في التدرجات الحرارية. ويمكن أن تؤدي التركيزات الكيميائية الأعلى من الأيونات المترسبة (الكبريتيد أو الهيدروكسيد) في السائل الحراري المائي أو سيمولانت المحيطات إلى ارتفاع الكتلة الكلية المعجلة، مما يخلق هيكلا أقوى. وبما أن هيرشي وآخرون ووايت وآخرين استخدموا تركيزات أقل من الكبريتيد في السائل الحراري المائي (10 أمتار)، كانت هياكلها أصغر من تلك التي أنتجت في هذا العمل باستخدام تركيزات كبريتيد أعلى (20-50 مليون متر). بالإضافة إلى ذلك، شملت بعض الدراسات لنمو مدخنة كبريتيد الحديد أيضا السيليكا في السائل الحراري المائي جنبا إلى جنب مع كبريتيد الصوديوم، والتي يمكن أن تساعد في إنتاج مداخن أكثرقوة 3،13،33. كما تم استخدام هياكل الحديقة الكيميائية السيليكا لمحاكاة جوانب نمو المدخنة الحرارية المائية34، وهذه تميل إلى إنتاج هياكل قوية جدا التي يمكن إزالتها من أنبوب / قارورة للتحليل المادي. ومع ذلك، فإن آثار تدرجات درجة الحرارة على هياكل حقن السيليكا غير معروفة وستكون مجالا لمزيد من الدراسة.
اعتبارات تجارب محاكاة المدخنة المستقبلية:عمل المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه في هذه الدراسة لتبريد سفينة المحيطات مثل وعاء رد فعل سترة ، ولكن مع بعض التحسينات العملية: 1) سمح الجزء العلوي المفتوح بأخذ عينات من المدخنة والحفاظ على مساحة رأس المحيط الأنوكسي ؛ 2) الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد منح سهولة الإعادة إنتاجها؛ 3) كما يمكن تحرير التصاميم رقميا، يمكن تعديل الجهاز بسرعة وإعادة طباعتها إذا رغبت في ذلك؛ و4) استخدام مواد غير مكلفة جعل كل مكثف أكثر فعالية من حيث التكلفة من السفن الفعلية رد فعل الزجاج سترة. هذه المكثفات المطبوعة ثلاثية الأبعاد هي جهاز تجريبي مرن وسهل المشاركة يمكن أن يكون طريقة مفيدة لتوحيد منصات تجارب المدخنة الحرارية المائية المحاكاة عبر مجموعات بحثية مختلفة ، مما يسمح بمقارنة أفضل للعينات والبيانات. يمكن إرسال ملفات المكثف إلى الزملاء للطباعة من تلقاء أنفسهم لأغراضهم التعليمية أو العلمية (انظر ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد التكميلي للمكثف المستخدم في هذا العمل). ويمكن أيضا أن تستخدم هذا الإعداد غير مكلفة كتجربة مختبر الجامعية للحدائق الكيميائية أو chemobrionics29،35.
في الختام، يصف هذا العمل جهازا تجريبيا جديدا يستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتسهيل نمو المداخن الحرارية المائية المحاكاة في بيئات تدرج درجة الحرارة. المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد قادر على تبريد المحيط إلى درجات حرارة شبه متجمدة، على غرار مياه البحر بالقرب من الأنظمة الحرارية المائية في قاع البحر. وفي الوقت نفسه، تم استخدام حقنة ساخنة لمحاكاة السائل الحراري المائي عالي الحرارة الذي يحقن في هذا المحيط البارد. تأثرت مورفولوجيا وهياكل كبريتيد الحديد ومداخن هيدروكسيد الحديد بالتدرج الحراري: عندما كان كل من المحيط وزماع السوائل الحرارية المائية في درجة حرارة الغرفة ، شكلت المداخن هياكل موجهة عموديا ، ولكن عندما تم تسخين السائل الحراري المائي وتبريد المحيط ، تم تثبيط تكوين هياكل مدخنة قوية. ومن أجل محاكاة التفاعلات البريبايوتية بدقة في نظم المدخنة هذه ذات التدرجات الحرارية المماثلة لتفاعلات النظم الطبيعية، سيكون من الضروري التحكم بعناية في بارامترات مثل معدل الحقن والتركيب الكيميائي لكل من المخارج والمحيطات. المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد المخصص وغير المكلف الذي تم إنشاؤه لهذه الدراسة يشبه في وظيفته وعاء رد الفعل الم وسترة ويمكن تعديله بسهولة وتوزيعه إلكترونيا على مجموعات بحثية وتعليمية مختلفة لاستخدامه في العديد من أنواع التجارب الكيميائية.

المداخن الحرارية المائية هي ذاتية التنظيم رواسب الحديقة الكيميائية المتولدة من اختلال التوازن الجيوكيميائية داخل بيئات تنفيس أعماق البحار كما ساخنة، السائل المعدلة هيدروثيرميا يتسرب إلى محيط أكثر برودة. في سيناريو الأرض في وقت مبكر، وقد اقترح أن المداخن التي تشكلت في فتحات القلوية القديمة، وأن تحويل درجة الحموضة المحيطة / الأكسدة / التدرجات الكيميائية يمكن أن يكون الدافع وراء ردود الفعل نحو ظهور التمثيل الغذائي1،2،3،4،5،6. كما تم فترض الفتحات الحرارية المائية أن تكون موجودة على كواكب أخرى بما في ذلك عوالم المحيطات، أوروبا وانسيلادوس7،8،9،10. وقد أجريت تجارب مختلفة لمحاكاة جوانب الكيمياء المدخنة الحرارية المائية prebiotic المقترحة بما في ذلك هطول الأمطار من معادن كبريتيد الحديد الحفاز التي يمكن أن تقلل من CO211،12، التوليف العضوي التدرج يحركها13،14،15، ودمج المواد العضوية في هياكل المدخنة16. ومن الضروري عند إنشاء أجهزة تجريبية لمحاكاة الفتحات الحرارية المائية، سواء على الأرض أو في عوالم أخرى، النظر في التدرجات الجيوكيميائية والطبيعة المفتوحة البعيدة عن التوازن للنظام لإنتاج محاكاة واقعية.
بالإضافة إلى درجة الحموضة والأكسدة والتدرجات الكيميائية، تفرض الفتحات الحرارية المائية أيضا تدرجا حراريا عبر غشاء المدخنة / الجدار بسبب تغذية سائل الفتحات الساخن في بيئة قاع البحر الباردة. ويمكن أن تتفاوت درجات حرارة المحيطات الباردة في قاع البحر كدالة للعمق، والاختراق الشمسي، والملوحة؛ متوسط أعماق المحيطات قاع البحر في مواقع تنفيس (معظمها في منتصف المحيطات التلال) هي في حدود 0-4 درجة مئوية17. اعتمادا على نوع تنفيس، يمكن أن التدرج الحراري بين المحيطات والسوائل تنفيس تختلف بشكل كبير من التدرجات أخف من الفتحات القلوية، مثل فقدت مدينة18،19 أو حقل Strytan الحرارية المائية حيث السائل تنفيس هو 40-90 درجة مئوية20،21، إلى المدخنين السود قاع البحر العميق حيث تنفيس السوائل يمكن أن تصل إلى عدة مئات من الدرجات مئوية22، 23،24،25. من منظور أصل الحياة ، فإن محاكاة التدرجات الحرارية في الأنظمة الحرارية المائية مهمة لأنها يمكن أن تؤثر على المعادن والتفاعل الكيميائي للمدخنة يترسب3و13 و / أو يمكن أن يؤثر على قابلية السكن حيث تستضيف المداخن الحرارية المائية الميكروبات التي تأخذ الإلكترونات مباشرة من الأسطح المعدنية26. في الانحدار عبر جدار المدخنة ، ستكون هناك مجموعة من ظروف درجة الحرارة على مسافة قصيرة ، وسيمثل جدار المدخنة مزيجا من المعادن وردود الفعل المميزة لجميع هذه الأنظمة الحرارية.
وتم محاكاة المداخن الحرارية المائية المزروعة في المختبر في التدرجات الحرارية لاستكشاف آثار المحيط البارد والسوائل الحرارية المائية الساخنة على هذه البيئة البريبايوتية المحتملة. عموما، لأن تزايد محاكاة المداخن الحرارية المائية عن طريق طريقة الحقن مع الخارجي الداخلية والباردة ساخنة يمثل تحديات عملية، والتجارب المدخنة الأكثر سهولة هي تلك التي تتم في الضغط المحيط (وبالتالي لا تتطلب مفاعلات مكلفة ومعقدة). ولم تتمكن المحاولات السابقة في المداخن المزروعة في المختبر في تدرج حراري من إنتاج سائل حراري مائي ساخن/دافئ ومحيط بارد. في محاولة للحفاظ على المدخنة بأكملها في درجة حرارة عالية لفترات طويلة لتشكيل المعادن التفاعلية التي يمكن أن تدفع التفاعلات العضوية، قامت بعض الدراسات بتسخين التجربة بأكملها (المحيطات والسوائل الحرارية المائية) إلى ~ 70 درجة مئوية باستخدام إما سترة التدفئة أو حمام ساخن13،14. نوع آخر من المدخنة عجلت تشكيل التجربة، في جهاز "خلايا الوقود"، شكلت جدار المدخنة simulant على قالب غشاء مسطح. وقد تم تسخين هذه التجارب أيضا بكميات كبيرة عن طريق غمر جهاز التدرج خلايا الوقود في حمام الماء الساخن27،28. وقد شكلت الدراسات السابقة محاكاة المداخن الحرارية المائية من السوائل الحرارية المائية الساخنة (تسخينها إلى ~ 70 درجة مئوية باستخدام أساليب مختلفة) حقنها في محيط درجة حرارة الغرفة3,12; ومع ذلك، لم تتم محاولة المحيط البارد.
هذا العمل يعزز أساليب لمحاكاة مختبر نمو المدخنة prebiotic4 لخلق الانحدار الحراري واقعية من المحيط البارد (0-5 درجة مئوية) إلى السائل الحراري المائي ساخنة التي لتجميع مواد المدخنة واختبار خصائص ذات أهمية. حتى الآن، لم تكن هناك تجارب مدخنة prebiotic أجريت بنجاح مع الانحدار درجة حرارة واقعية للفتحات القلوية: مع حل تنفيس الداخلية التي عقدت في ~ 70 درجة مئوية والحل المحيط الخارجي مبردة إلى ~ 5 درجة مئوية. وعلاوة على ذلك، في عدد قليل من التجارب المدخنة ساخنة التي أجريت، والإعداد التجريبي معقدة ويمكن أن تكون مكلفة. تجارب الحديقة الكيميائية لديها إمكانات كبيرة للسفر عن رؤى حول العمليات التي قد تكون وقعت في الفتحات الحرارية المائية على الأرض في وقت مبكر. وبالتالي ، فإن القدرة على إعداد اختلافات متعددة بسرعة لتجربة المدخنة مفيدة ، وكذلك القدرة على الحصول على جهاز بسيط غير مكلف وغير هش ، وتعديله بسهولة ، ومثالي للطلاب للعمل معه. هنا هو جهاز جديد (الشكل 1) مصممة لتسهيل نمو مدخنة الحرارية المائية محاكاة مع الحفاظ على ورصد الانحدار الحراري واقعية بين المحيط البارد وسخونة السائل الحراري المائي simulant. يشبه هذا الجهاز التجريبي في تصميمه مفاعل الجاكيت ، ولكنه مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) يمكن أن ينتج بسهولة من قبل أي مجموعة بحثية مهتمة بإجراء تجارب مماثلة (انظر الملف التكميلي القابل للطباعة). باستخدام هذا المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد ، أجريت تجارب مدخنة متدرجة حرارية لاختبار فائدة هذا الجهاز للحفاظ على تدرجات درجة الحرارة القوية واختبار آثار تدرجات درجة الحرارة على هيكل المدخنة ومورفولوجيا.

<table><tbody><tr><td>3/8 بوصة أنابيب فينيل شفافة</td><td>Watts</td><td>SVIG10 &nbsp ؛</td><td>قص إلى الطول المطلوب للتجربة</td></tr><tr><td>40 دبوس من الذكور إلى الإناث سلك الطائر متعدد الألوان كابلات الشريط</td><td>EDGELEC</td><td>ED-DP_L30_Mix_120pcs</td><td>ستتطلب هذه الأسلاك تجريد النهايات البلاستيكية وإزالة أحد الأغلفة البلاستيكية بعناية</td></tr><tr><td>أختام الألومنيوم</td><td>فيشر</td><td>0337523C</td><td>الحرارية العلمية الوطنية Headspace 20 مم أختام تجعيد</td></tr><tr><td>كلوريد الحديديك سداسي هيدرات</td><td>فيشر</td><td>I88-100 & nbsp ؛</td><td>الحديدي&nbsp; كلوريد&nbsp; سداسي هيدرات&nbsp; (كتل / ACS معتمدة)</td></tr><tr><td>رباعي هيدرات كلوريد الحديدوز</td><td>فيشر</td><td>I90500</td><td>رباعي هيدرات كلوريد الحديدوز (بلوري / معتمد)</td></tr> <tr><td>مشابك خرطوم التروس</td><td>Glarks</td><td>40 قطعة</td><td></td></tr><tr><td>سدادات بوتيل رمادية</td><td>فيشر</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific National 20 مم الحاجز للقوارير Headspace</td></tr><tr><td>نصائح الماصة</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>أطراف الماصة 0.5-10 ميكرولتر</td></tr><tr><td>زجاجات مصل</td> قارورة <td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>، قمة تجعيد ، زجاجة مصل ، مقاس 100 مل ، زجاج شفاف ، القطر الخارجي × الارتفاع 51.7 مم × 94.5 مم. في هذه التجارب ، يجب قطع الجزء السفلي من زجاجة المصل.</td></tr><tr><td>هيدروكسيد الصوديوم</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>درجة الكاشف ، & ge ؛ 98٪ ، الكريات (اللامائية)</td></tr> <tr><td>كبريتيد الصوديوم nonahydrate</td><td>فيشر</td><td>S425212</td><td>كبريتيد الصوديوم Nonahydrate (بلوري / معتمد ACS).&nbsp; يخزن في درجة حرارة -20 درجة مئوية. افتح فقط في صندوق القفازات أو غطاء الدخان. يطلق غاز H2S السام. يجب حفظ جميع المحاليل المحتوية على الكبريتيد في صندوق قفازات أو غطاء دخان.</td></tr><tr><td>سخان حقنة&nbsp;</td><td>Syringepump.com</td><td>HEATER-KIT-5SP&nbsp;</td><td>المشبك والعتاد خرطوم المشابك حول بطانية التدفئة</td></tr><tr><td>إبر الحقنة (16 مقياس)</td><td>فيشر</td><td>14-826-18B</td><td>BD الاستخدام العام والإبر تحت الجلد PrecisionGlide ، 16 جم × 1.5 بوصة. (38 ملم)</td></tr><tr><td>مضخة حقنة</td><td>Syringepump.com</td><td>NE-4000</td><td>قناة مزدوجة أو متعددة ، اعتمادا على العدد المطلوب من التجارب المتزامنة</td></tr><tr><td>المحاقن (10 مل) حقنة</td> <td>فيشر</td><td>14-823-16E</td><td>BD مع أطراف Luer-Lok (بدون إبرة)</td></tr> <tr><td>أنابيب</td><td>كول بارمر</td><td>EW-06407-71</td><td>أنابيب مختبر Tygon ، غير DEHP ، 1/16 "القطر الداخلي × 1/8" مضخة تدوير المياه ذات القطر الخارجي</td></tr><tr><td>&nbsp ؛</td><td>Bayite&nbsp;</td><td>BYT-7A015&nbsp;</td><td>قد تحتاج إلى شخصين للمساعدة في الضخ</td></tr></tbody></table>

محاكاة المداخن الحرارية المائية للأرض في وقت مبكر في بيئة الانحدار الحراري

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

10 - والفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار هي رواسب ذاتية التنظيم تتولد عن اختلال التوازن الكيميائي الجيولوجي، وقد اقترحت بوصفها بيئة ممكنة لظهور الحياة. وقد تمت محاكاة نمو المداخن الحرارية المائية في بيئة تدرج حراري داخل نظام تنفيس الأرض المبكر بنجاح باستخدام زنافات حرارية مائية مختلفة، مثل كبريتيد الصوديوم، التي حقنت في سيمولانت محيطي أرضي مبكر يحتوي على الحديد الحديدي الذائب. وعلاوة على ذلك، تم تطوير جهاز لتبريد المحيطات بشكل كاف إلى ما يقرب من 0 درجة مئوية في وعاء مكثف مغمور في حمام الماء البارد أثناء حقن محلول كبريتيد في درجات حرارة ساخنة إلى درجة حرارة الغرفة، مما يخلق بشكل فعال هيكل مدخنة اصطناعية في بيئة تدرج درجة الحرارة على مدى بضع ساعات. مثل هذه التجارب مع كيمياء مختلفة وتدرجات درجة الحرارة المتغيرة أسفرت عن مجموعة متنوعة من المورفولوجيا في هيكل المدخنة. وأدى استخدام زنافضات المحيطات والسوائل الحرارية المائية في درجة حرارة الغرفة إلى مداخن عمودية، في حين أن الجمع بين السائل الحراري المائي الساخن وزمن المحيطات البارد يحول دون تكوين هياكل مدخنة قوية. يعمل المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد القابل للتخصيص الذي تم إنشاؤه لهذه الدراسة كوعاء رد فعل سترة يمكن تعديله واستخدامه بسهولة من قبل باحثين مختلفين. وسيسمح بالتحكم الدقيق في معدل الحقن والتركيب الكيميائي للنفتاحات ومزيلات المحيطات، مما سيساعد على محاكاة التفاعلات البريبايوتية بدقة في أنظمة المدخنة ذات التدرجات الحرارية المماثلة لتلك الموجودة في النظم الطبيعية.

كما في الدراسات السابقة1،2،13،29؛ بمجرد وصول السائل الحراري المائي إلى قارورة المحيط ، بدأ هيكل الرواسب المعدنية في التشكل الذي نما أكثر سمكا وأطول طوال مدة الحقن. وكانت مداخن كبريتيد الحديد هياكل حساسة لم تكن قوية جدا وكانت مصنفة بسهولة إذا كانت قارورة المحيط أو الحقن مضطربة جسديا. وهذا يتفق مع نتائج الدراسات السابقة3. كما لعب التركيز الكيميائي لمحلول الكبريتيد دورا حيويا في مورفولوجيا مداخن الكبريتيد. وقد سمحت المحاليل الأكثر تركيزا للكبريتيد برواسب معدنية أطول وقوية، كما هو مبين في الشكل 5،في حين أن التركيزات المنخفضة من حلول الكبريتيد أنتجت هياكل مدخنة ضعيفة. في بعض الحالات، لم يتم تشكيل أي هيكل، تم إنشاء فقط السائل كبريتيد المعدنية "حساء"، التي من شأنها أن تستقر في نهاية المطاف كرواسب(الشكل 3D). وقد حدث ذلك في ظروف التدرج الحراري وغير الحراري على حد سواء.
في تجارب مدخنة التدرج الحراري مع كبريتيد الحديد ، لم تتجمع هياكل المدخنة الصلبة بشكل عام كما فعلت في درجة حرارة الغرفة. الشكل 3E-H يظهر مورفولوجيا مدخنة كبريتيد الحديد التي تزرع بين المحيط البارد والسوائل الحرارية المائية درجة حرارة الغرفة. وكانت المداخن في تدرج درجة الحرارة تشبه السلسلة وضعيفة في الطبيعة، في حين أن نتائج التدرج غير الحرارية(الشكل 3A-D)تظهر المزيد من الهياكل شبه الدائمة. وينطبق الشيء نفسه عندما تم تسخين السائل الحراري المائي (الشكل 4). وكان الاستثناء في تركيزات كبريتيد والحديد أعلى(الشكل 5)حيث تشكلت مدخنة كبريتيد الحديد الصلب بين محلول حراري مائي درجة حرارة الغرفة وسيمولانت المحيط البارد.
كما تم اختبار تأثير الانحدار الحراري على نمو مداخن هيدروكسيد الحديد. وأظهرت النتائج أنماطا مماثلة لتلك التي كانت مدخنة كبريتيد الحديد: ففي حين أسفرت تجربة هيدروكسيد الحديد في درجة حرارة الغرفة عن عجل مدخنة أكثر قوة، أسفرت تجربة التدرج الحراري بين السائل الحراري المائي الدافئ والمحيط البارد عن كومة أصغر من مواد المدخنة التي لم تتجمع عموديا(الشكل 6). على النقيض من الهياكل المستقيمة الطويلة لمداخن هيدروكسيد الحديد التي لوحظت في العمل السابق (في تجارب درجة حرارة الغرفة)29، أظهرت تجربتنا التدرج الحراري مورفولوجيا مختلفة.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg"> الشكل 1: جهاز مدخنة التدرج الحراري. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg"> الشكل 2: مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد. (A) تخطيطي لمكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد يظهر أبعاد المكثف. (ب) وضع سفينة المحيط الزجاجي داخل المكثف لتبريد المحيط simulant. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg"> الشكل 3:مجموعة متنوعة من المداخن الحرارية وغير الحرارية المتدرجة. (A-D) تجربة التحكم في التدرج غير الحراري من السائل الحراري المائي في درجة حرارة الغرفة (HTF) إلى محيط درجة حرارة الغرفة. أ) 10 م منا 2S • 9H2O HTF و 20m FeCl2· 4H2O المحيط simulant. (ب) 20 م منا 2S • 9H2O HTF و 10 mM FeCl2· 4H2O المحيط simulant. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF و20m FeCl2·4H2O المحيط simulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF و20m FeCl2·4H2O المحيط simulant. (E-H) تجربة مدخنة التدرج الحراري من درجة حرارة الغرفة HTF simulant إلى خزان المحيط البارد (~ 5-10 درجة مئوية). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF و 10 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (F) 10 mMNa 2S•9H2O HTF و20 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF و 10 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (H) 10 mMNa 2S•9H2O HTF و20 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg"> الشكل 4: تجربة التدرج الحراري. تجربة أجريت مع الحارة (~ 35-40 درجة مئوية) 20 mM Na2S •9H 2O حل حقنها في البرد (~ 5-10 درجة مئوية) 20 MM FeCl2· 4H2O المحيط simulant، وإنتاج خيوط مدخنة صغيرة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg"> الشكل 5: تأثير تركيز المحيطات على المداخن. تركيزات أعلى (~ 50 mM Na2S •9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O, و 200 mM NaCl) من مداخن المحيط الأنوكسي أنتجت مداخن أكثر قوة من الناحية الهيكلية وأطول. تم حقن محلول كبريتيد درجة حرارة الغرفة في سيمولانت المحيط 2-10 درجة مئوية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg"> الشكل 6: النمو المتزامن للمداخن التدرج الحراري وغير الحرارية. (A) 100 mM FeCl2· 4H2O + 100 mM FeCl3· 6H2O حل المحيط مع 200 mM NaOH السائل الحراري المائي (HTF) السائل simulant في درجة حرارة الغرفة. (ب) تجربة التدرج الحراري مع نفس التركيزات مع HTF الحارة في ~ 35-50 درجة مئوية في المحيط البارد simulant في ~ 5-10 درجة <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">مئوية.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>كيمياء السوائل الحرارية المائية (حقن)</td>
			<td>كيمياء المحيطات (الخزان)</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 مليون نا2S</td>
			<td>10 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>20 mM نا2S</td>
			<td>10 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>10 mM نا2S</td>
			<td>20 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>200 مليون متر ناوه</td>
			<td>100 mM FeCl2· 4H2O + 100 mM FeCl3· 6H2O</td>
		</tr>
</tbody></table>الجدول 1: مصفوفة التركيز لحلولحقن المحيطات والسوائل الحرارية المائية المحاكاة بو.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>HTF °C</td>
			<td colspan="2" style="text-align:center">المحيطات Simulant درجات الحرارة °C</td>
		</tr>
<tr>
<td>~23</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
<tr>
<td>~ 35-50</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
</tbody></table>الجدول 2: مصفوفة تجريبية للتدرج الحراري. تشير درجة حرارة السائل الحراري المائي (HTF) إلى درجة حرارة السائل في الحقنة؛ وكانت درجة الحرارة الفعلية عند مدخل قارورة المحيطات أقل من درجة الحرارة في المحقنة (~70 درجة مئوية)(انظر الملحق التكميلي 1 والشكل 3 والشكل 4).
ملف قابل للطباعة تكميلية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.</a> 
الملحق التكميلي 1- المرونة في استخدام البطاقات <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.</a> 
الملحق التكميلي 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.</a> 
الملحق التكميلي 3- المرونة في نهاية الأمر <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App3%20Other%20supplies.docx" target="_blank">الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.</a>

والهدف من هذا البروتوكول هو تشكيل مداخن حرارية مائية محاكاة عن طريق تجارب حقن الحديقة الكيميائية وإدخال تدرج حراري عبر الغشاء الراسب غير العضوي، وذلك باستخدام مكثف قابل للطباعة ثلاثي الأبعاد يمكن استنساخه لأغراض تعليمية.

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

الطباعة ثلاثية الأبعاد يسمح مكثف التبريد لأساليب تجريبية وضعت سابقا ليتم تعديلها بسهولة للتحكم في درجة الحرارة. ويمكن بعد ذلك مشاركة التصاميم الرقمية وتعديلها وطباعتها بسهولة من قبل أي باحث لديه إمكانية الوصول إلى طابعة ثلاثية الأبعاد. ويمكن استخدام هذه الطريقة لمحاكاة العمليات الحرارية المائية على الأرض، ولكن يمكن استخدامها أيضا لمحاكاة الأحداث الحرارية المائية على قمر المشتري يوروبا أو قمر زحل إنسيلادوس.الطريقة التي طورناها تجمع بين مجموعة متنوعة من المكونات بطريقة فريدة من نوعها. ستسمح المظاهرة البصرية للطلاب والباحثين المهتمين بإعادة إنتاج أو تكييف هذه الأساليب لمعرفة كيفية تجميع وتشغيل الجهاز التجريبي. تبدأ بوضع thermistor في وضع مستقر على مقاعد البدلاء الجانبية أقرب إلى غطاء الدخان ممكن.أدخل جانب USB من كبل محول RS-232 في منفذ USB للكمبيوتر وقم بتوصيل السلك بمأخذ توصيل الطاقة. تشغيل الطاقة ل thermistor و برنامج thermistor على الكمبيوتر. تحقق من كابلات الشريط وتأكد من أنها متصلة بشكل صحيح إلى دبابيس على pinouts كابل RS-232.بمجرد الاتصال، تأكد من قراءة الإخراج بنسبة 100٪ في الأشرطة الحمراء. عندما تومض thermistor قياسات الفاصل الزمني المتكرر تغيير وقت الفاصل الزمني إلى 60 ثانية. في مربع خيارات وحدة التحكم باتجاه الأسفل، احذف ثانية واحدة ثم قم بالتغيير إلى 60 ثانية.ثم انقر على OK زر. انقر على الزر البيضاوي بجوار شعار الشركة المسمى مقياس تلقائي. لاحظ السطر الأصفر الذي يظهر قراءات درجة الحرارة.داخل منطقة المؤامرة، انقر بزر الماوس الأيمن لضبط المؤامرة ترضيك، مثل التحجيم وفؤوس X و Y. انقر بزر الماوس الأيمن على منطقة الرسم وانقر على التصدير إلى Excel قبل بدء قراءة جديدة. حفظ بيانات درجة الحرارة والوقت في جدول البيانات التي تم إنشاؤها تلقائيا من قبل البرنامج.ضع مسبار thermistor المعدني في وعاء المحيط الزجاجي داخل المكثف. تأكد من تعيين المسبار إلى جانب الزجاج ثم قم بتغطية الزجاج بالبارافيلم. ملء دلو متوسطة الحجم مع الماء حتى منتصف الطريق، ووضع دلو داخل مقلاة بلاستيكية وإضافة الجليد إلى الماء حتى كامل تقريبا.ضع خراطيم القطع البلاستيكية اثنين على طرفي مضخة المياه. لاحظ أن فتحة المضخة الرأسية هي المكان الذي سيتم فيه صب الماء لبدء الفتيل ، والفتح الأفقي هو المكان الذي يتم فيه إخراج الماء. قم بتوصيل المضخة بمقبس طاقة، ولكن اترك الموصلات الكهربائية مفتوحة.قم بتوصيل الخرطوم البلاستيكي الأفقي بمنفذ المكثف الأعلى المواجه لليمين وتأكد من أن الخرطوم طويل بما يكفي للوصول إلى دلو الثلج. قم بتوصيل خرطوم بلاستيكي قطع آخر بمنفذ المكثف الأيسر. ضع هذا الخرطوم فوق دلو الماء المثلج الذي سيتم فيه إخراج الماء من المكثف.صب الماء البارد من خلال خرطوم متصلة الفتحة الرأسية للمضخة. عندما تكون المضخة مليئة بالماء، وتصل إلى كل وسيلة لمنفذ مكثف، تزج خرطوم في حمام الماء المثلج، وعلى الفور توصيل الموصلات الكهربائية. قم بتشغيل المضخة لبدء تدفق المياه عبر المكثف ، وملء الدلو بالثلج ، ووضع ميزان حرارة في الدلو للتحقق من درجة الحرارة.استمر في إضافة المزيد من الثلج للحفاظ على الماء في درجة حرارة باردة واستخراج بعض الماء الأكثر دفئا. التفاف لوحة حول حقنة كبريتيد والمسمار بحزم على اثنين من المشابك المعدنية حول لوحة. صب واحد أو اثنين من حلول المحيطات في السفن المدخنة الجاهزة.صب محلول المحيط واحد في قارورة الزجاج مع مكثف والآخر في وعاء درجة حرارة الغرفة مع عدم وجود مكثف، مع التأكد من عدم تحريك مسبار درجة الحرارة. بدء الحقن والبدء في تسجيل درجة حرارة المحيط على thermistor. بمجرد دوران الماء من خلال المكثف ، سيبدأ مسبار درجة حرارة الثيرمستور في عرض الانخفاض في درجة الحرارة داخل المحيط.وبمجرد وصول السائل الحراري المائي إلى قارورة المحيط، بدأ هيكل الرواسب المعدنية في التشكل الذي ازداد سمكا وأطول طوال مدة الحقن. حلول أكثر تركيزا من الكبريتيد يسمح لرواسب معدنية أطول وأكثر متانة. وفي بعض الحالات، لم يشكل أي هيكل سوى حساء معدني من كبريتيد سائل يستقر في نهاية المطاف كرواسب.في التدرج الحراري المدخنة التجارب مع هياكل مدخنة الصلبة كبريتيد الحديد عموما لم تتجمع وكذلك فعلوا في درجة حرارة الغرفة. وكانت المداخن في درجة الحرارة الانحدار سلسلة مثل وضعيفة في الطبيعة. في حين أن نتائج التدرج غير الحراري كان لها هياكل شبه دائمة أكثر.وينطبق الشيء نفسه عندما تم تسخين السائل الحراري المائي. وتمكنت مدخنة كبريتيد الحديد الصلب من التشكل بين محلول حراري مائي بدرجة حرارة الغرفة وسيمولانت المحيط البارد بتركيزات أكبر من الكبريتيد والحديد. كما تم اختبار تأثير الانحدار الحراري على نمو مداخن هيدروكسيد الحديد.في حين أن تجربة هيدروكسيد الحديد درجة حرارة الغرفة أنتجت مدخنة قوية تترسب، أسفرت تجربة التدرج الحراري في كمية أقل من المواد المدخنة التي لم تتجمع عموديا. بعد هذا الإجراء، يمكن استكشاف مجموعة واسعة من الكيمياء وتدرجات درجة الحرارة لفهم دور تدرجات درجة الحرارة بشكل أفضل على هذه الأنظمة الكيميائية الديناميكية.

simulation-early-earth-hydrothermal-chimneys-thermal-gradient

Research

JoVE Journal

Environment

البيئة

ارتفاع الضغط وارتفاع درجة الحرارة التجارب وصفها هنا تقليد الكوكب عمليات التمايز الداخلية. وتصور العمليات وفهمها بشكل أفضل من خلال التصوير ذات الدقة العالية 3D والتحليل الكيميائي الكمي.

محاكاة لعمليات الكواكب الداخلية التمايز في المختبر

نقدم منهجية لتصوير مراحل السوائل المتعددة في ظروف الخزان باستخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية. نعرض بعض النتائج التمثيلية للاصطياد الشعري في عينة من صخور الكربونات.

التصوير خزان الحالة المسام النطاق من مراحل متعددة باستخدام السوائل مجهري الأشعة السينية

نصف تكوين الحديقة الكيميائية من خلال تجارب الحقن التي تسمح بالمحاكاة المعملية لأنظمة الحدائق الكيميائية الطبيعية التي تتشكل في فتحات التهوية الحرارية المائية البحرية.

حدائق الكيميائية كما تدفق من خلال المفاعلات محاكاة الأنظمة الحرارية المائية الطبيعية

نحن محاكاة حديدي نظام الموجات المتقلبة البحرية عصر ما قبل الكمبري في عمود مختبر مقياس التدفق من خلال العمودي. وكان الهدف هو فهم الشخصية كيف الجيوكيميائية من O 2 والحديد (II) تتطور البكتيريا الزرقاء تنتج O 2. وأظهرت النتائج أن إنشاء تدرج كيميائي بسبب الحديد (II) الأكسدة التي تنتجها الضوئي O 2.

محاكاة المختبر من الحديد (II) الغنية نظام الموجات المتقلبة عصر ما قبل الكمبري البحرية لاستكشاف نمو البكتيريا الضوئي

الأرض-وفرة المعادن تلعب أدواراً هامة في النظم الحرارية المائية الطبيعية. وهنا يصف لنا طريقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة للتحقيق التجريبي للتفاعلات العضوية المعدنية تحت ظروف حرارية مائية.

وضع بروتوكول تجريبي لدراسة الآثار المعدنية على التحولات الحرارية المائية العضوية

انتشارية الحراري (DC) يحدث على نطاق واسع في العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، تتميز بمجموعة من السلالم مع طبقات كونفيكتينج متجانسة وواجهات طبقية. إجراء تجريبي وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيل.

تطور الهياكل الدرج في الحمل الحراري انتشارية

يصف هذا البروتوكول التجارب الميكروبية تحت ضغوط مرتفعه للدراسة في عمليات البيولوجيا الموضعية. ويستخدم النهج التجريبي مفاعلا هزازا عالي الضغط مزودا بخليه تفاعل من الذهب والتيتانيوم تحتوي علي ثقافة جرثوميه في وسط حمضي غني بالحديد.

استخدام خلايا تفاعل الذهب والتيتانيوم المرنة لمحاكاة النشاط الميكروبي المعتمد علي الضغط في سياق الحيوية تحت السطحية

عادة ما تستخدم تجارب تسخين التربة المختبرية درجتي حرارة ثابتتين أو أكثر في غرف متعددة. من خلال تقديم غرفة بيئية متطورة ، نقدم طريقة دقيقة للتحكم في درجة الحرارة لتقليد حجم وسعة درجة حرارة التربة في الموقع وتحسين التصميم التجريبي لدراسات حضانة التربة.

محاكاة درجة الحرارة في تجربة حضانة التربة

يعالج هذا البحث مشكلة ارتفاع درجة الحرارة للوحدة الرئيسية الحلقية من خلال إنشاء نموذج مبسط وإجراء تحليل مقارن في وحدتين لحل مجال درجة الحرارة.

دراسة مقارنة لمحاكاة ارتفاع درجة الحرارة في الوحدة الرئيسية الحلقية

نقدم كتلة تدرج درجة الحرارة ونفصل بنائها واستخدامها. توفر الكتلة 22 درجة حرارة منفصلة، موزعة خطيا بين نطاق محدد من قبل المستخدم من 0 إلى 90 درجة مئوية.  تمكن البيانات التي جمعت من هذا النظام من اختبار وتطوير نظريات جديدة حول استجابة الحرارة لمعدلات تحلل المواد العضوية في التربة.

استجابة درجة الحرارة لمعدلات تحلل المادة العضوية في التربة: بناء وتطبيقات كتلة تدرج درجة الحرارة

استكشف محاكاة المداخن الحرارية المائية باستخدام مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد للتحكم في درجة الحرارة. تساعد هذه الطريقة الباحثين على دراسة تأثيرات التدرجات الحرارية على تكوين الراسبات المعدنية.

محاكاة المداخن الحرارية المائية للأرض في وقت مبكر في بيئة الانحدار الحراري

استكشف المزيد من الفيديوهات