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在热梯度环境中模拟早期地球热液烟囱

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DOI：

10.3791/61789

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2021年2月27日

 ,  , 
1NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2The University of Tulsa

本文内容

摘要

本实验方案的目标是通过化学花园注入实验形成模拟的海底热液烟囱，并利用可3D打印的冷凝器在无机沉淀膜上引入热梯度，该冷凝器可重复制作，适用于教学目的。

摘要

深海热液喷口是由地球化学不平衡产生的自组织沉淀物，被认为是生命可能起源的环境之一。通过将不同热液模拟物（如硫化钠）注入含有溶解亚铁的早期地球海洋模拟液中，成功模拟了早期地球热液系统中热液烟囱在温度梯度环境下的生长过程。此外，研究还开发了一种装置，可通过将冷凝容器浸入冷水浴中，使海洋模拟液充分冷却至接近 0 °C，同时注入从高温到室温的硫化物溶液，从而在数小时内有效地在温度梯度环境中构建出人工烟囱结构。通过使用不同化学成分和可变温度 梯度的实验条件，获得了多种形态的烟囱结构。在室温下使用海洋和热液流体模拟物时，可形成垂直的烟囱结构；而高温热液流体与低温海洋模拟物的组合则抑制了坚固烟囱结构的形成。本研究中定制的3D打印冷凝器作为一种夹套式反应容器，可被不同研究人员方便地修改和使用。该装置将有助于精确控制热液和海洋模拟物的注入速率及化学组成，从而更准确地模拟自然界中具有类似温度梯度的烟囱系统内的前生命化学反应。

引言

海底热液烟囱是由深海热液喷口环境中受热的、经热液蚀变的流体渗入较冷海洋时，因地球化学不平衡而形成的自组织化学花园沉淀物。在早期地球的假说情景中，人们提出古代碱性喷口处形成的烟囱可能横跨了环境中的pH/氧化还原/化学梯度，从而驱动反应向代谢系统的起源方向发展1,2,3,4,5,6。此外，人们也推测其他行星上可能存在热液喷口，包括海洋星球欧罗巴（Europa）和恩克拉多斯（Enceladus）7,8,9,10。已有多种实验尝试模拟前生命热液烟囱化学的某些方面，包括可催化CO2还原的硫化铁矿物的沉淀11,12、由梯度驱动的有机合成13,14,15，以及有机物被整合进烟囱结构的过程16。在构建模拟地球或其他星球热液喷口的实验装置时，必须考虑系统的地球化学梯度以及其开放且远离平衡态的本质，以实现更真实的模拟。

除了pH、氧化还原和化学梯度外，热液喷口还将加热的喷口流体注入寒冷的海底环境，从而在烟囱膜/壁上形成温度梯度。寒冷的海底海水温度会随深度、太阳辐射穿透程度和盐度而变化；在喷口位置（主要位于洋中脊）的平均海底深度处，海水温度范围通常为0–4 °C17。根据喷口类型的不同，海水与喷口流体之间的温度梯度可能差异显著——从温度梯度较温和的碱性喷口（如“失落之城”（Lost City）18,19或斯垂坦热液区（Strytan Hydrothermal Field），其喷口流体温度为40–90 °C20,21），到深海海底的黑烟囱，其喷口流体温度可达数百摄氏度22,23,24,25。从生命起源的角度来看，模拟热液系统中的温度梯度具有重要意义，因为这些梯度可能影响烟囱沉淀物的矿物学特征和化学反应活性3,13，和/或可能影响宜居性，因为热液烟囱中栖息着能够直接从矿物表面获取电子的微生物26。在穿过烟囱壁的梯度范围内，短距离内即存在一系列不同的温度条件，因此烟囱壁将体现所有这些不同热环境所特有的矿物组合与化学反应特征。

通过在温度梯度条件下模拟实验室培养的热液烟囱，以探究寒冷海洋与高温热液流体对该潜在前生命环境的影响。通常情况下，由于采用内部加热、外部冷却的注入法培养模拟热液烟囱存在实际操作上的困难，因此最容易实现的烟囱实验是在常压下进行的（从而无需使用昂贵且复杂的反应器）。以往在温度梯度下开展的实验室培养烟囱尝试，均未能同时实现热/温热液流体与冷海水环境。为了使整个烟囱长时间维持在较高温度，以形成可驱动有机反应的活性矿物，一些研究通过加热夹套或热水浴将整个实验体系（包括海水和热液流体）加热至约 70 °C13,14。另一种类型的烟囱沉淀形成实验是在"燃料电池"装置中进行的，其烟囱壁模拟物在平面膜模板上生成；这些实验同样通过将整个燃料电池梯度装置浸入热水浴中进行整体加热27,28。先前的研究已通过将高温热液流体（采用多种方法加热至约 70 °C）注入室温海水中成功生成模拟热液烟囱3,12；然而，尚未有研究尝试构建冷海水环境。

本研究推进了前生命烟囱生长的实验室模拟方法4，以构建从寒冷（0–5 °C）海洋环境到加热的热液流体之间的真实热梯度，用于合成烟囱材料并测试其相关性质。迄今为止，尚无任何前生命烟囱实验在碱性热液喷口的真实温度梯度条件下成功开展：即内部喷口溶液维持在约 70 °C，而外部海洋溶液冷却至约 5 °C。此外，在少数已开展的加热烟囱实验中，实验装置复杂且成本较高。化学花园实验在揭示早期地球热液喷口可能发生的化学过程方面具有巨大潜力。因此，能够快速搭建多种变体的烟囱实验装置具有显著优势，同时拥有一个结构简单、成本低廉、不易损坏、易于修改且适合学生操作的装置也极为理想。本文介绍了一种新型实验装置（图 1），旨在促进模拟热液烟囱的生长，同时在冷海洋环境与加热的热液模拟流体之间维持并监测真实的热梯度。该实验装置的设计类似于夹套反应器，但采用三维（3D）打印的冷凝器结构，任何希望开展类似实验的研究团队均可轻松制作（参见 补充 可打印文件）。利用该 3D 打印冷凝器，开展了具有热梯度的烟囱实验，以验证该装置在维持稳定温度梯度方面的有效性，并探究温度梯度对烟囱结构与形貌的影响。

方案

1. 安全注意事项

  1. 使用实验室个人防护装备，包括丁腈手套、护目镜、实验服和合适的鞋子（不得暴露皮肤）。
    1. 使用注射器和针头时，注意避免刺穿手套或皮肤。
    2. 在通风橱内检查整个装置是否存在泄漏。
    3. 在向混合物中添加任何化学品之前，检查玻璃小瓶和冷凝器在支架上的稳定性。
  2. 所有温度梯度实验均应在通风橱内操作，以防止水溢出。
  3. 所有硫化钠（Na2S•9H2O）的使用均须在通风橱内进行，因其对健康有害。
    1. 将硫化钠保存在通风橱内，并将天平置于通风橱内用于称量硫化物。
    2. 含硫化物的溶液必须始终置于通风橱内，因其会释放有毒的H2S气体；硫化物液体、锐器及固体废物容器也应置于通风橱内。
    3. 不得将含硫化物的废液与其他已知化学品混合。
  4. 使用反应物Fe(II)Cl2•4H2O时，需持续用N2/Ar吹扫 ，因其暴露于空气中易被氧化。在通风橱内通过向液面上方通入N2/Ar气体以保持溶液处于无氧状态，并用封口膜密封，防止进一步氧化。

2. 注射实验的设置

  1. 将3D打印的冷凝器注射装置夹在通风橱内的支架上，使小孔朝向通风橱底部。确保冷凝器在夹具中保持水平。
  2. 通过使用玻璃切割器从100 mL透明玻璃压盖血清瓶（20 mm压盖密封类型）底部切下1 cm的方式，制作玻璃"注射容器"，并确保容器从底部向上与空气相通。
    1. 将小瓶在1 M HCl酸浴中清洗过夜，然后在进行新实验前用双蒸水（ddH2O）冲洗。
    2. 除非玻璃瓶出现裂纹或破损，否则可重复使用；若破损则应丢弃。
  3. 准备注射小瓶（图1）。
    1. 准备以下材料：一个20 mm隔垫、一个20 mm铝制压盖、一个0.5–10 µL塑料移液器吸头、一根16 G注射器针头以及一个压盖工具。
    2. 小心地在橡胶隔垫中心刺一个小孔，然后将针头取出并丢弃至锐器废物容器中。
    3. 将移液器吸头插入针孔中，从橡胶隔垫将面向小瓶压盖内侧的一侧穿入。推动移液器吸头穿过隔垫，使其在另一侧略微突出。
      ​注意：不要完全穿透，否则将无法为使用压盖工具安装压盖密封留出足够空间。
    4. 将压盖工具置于压盖上，挤压压盖工具，将带有移液器吸头的隔垫密封到注射容器上，以确保其密封不漏水。密封完成后，将移液器吸头推过玻璃瓶，使其从玻璃瓶突出约1.0"。
    5. 在移液器吸头上安装一段内径为1/16"的透明、柔软且耐化学腐蚀的管路，以确保移液器吸头处密封不漏水。
      注意：管路应足够长，以便连接至位于注射泵上方的16 G注射器，因为注射器将通过这段透明管路将热液流体泵入海洋模拟液中。
    6. 将注射小瓶放入通风橱内的3D打印冷凝器中，使管路从底部的冷凝器孔中穿入。确保小瓶从冷凝器的小孔中伸出。
      注意：若需使用多个冷凝器，可同时设置多个小瓶，并通过不同的注射器同时供液。
    7. 通过将装有10 mL ddH2O并配有16 G针头的注射器插入管路的另一端来检查是否存在泄漏。小心地将16 G针头插入管路中，避免刺穿管壁。缓慢注入ddH2O，使其沿管路上升并进入反应容器底部，以确认注射器/管路、管路/吸头及压盖密封均无泄漏。
    8. 用封口膜紧密覆盖小瓶被切去的顶部，并在封口膜上方贴一小块胶带。在胶带上打一个小孔，以便在通入N2/Ar气体时使O2排出。
    9. 设置N2/Ar气体管路，分别从顶部切口处通入各个注射小瓶，以便在倒入海洋模拟液前使玻璃小瓶处于无氧环境。
    10. 将来自N2/Ar气源的气体分流至多根管路，确保每个注射小瓶均有独立的N2/Ar供气（若同时进行多个实验）。
    11. 将连接N2/Ar的注射器穿过胶带，悬置于小瓶内的海洋溶液上方。注意不要让针头刺入海洋溶液中，以免干扰烟囱结构的生长。

3. 化学花园生长用溶液的制备

  1. 配制海洋模拟液
    1. 每次实验准备 100 mL 溶液。
      注意：本示例中，使用 表 1 中列出的具体浓度作为沉淀阳离子。
    2. 在锥形瓶中，向 100 mL 去离子水（ddH2O）中通入 N2/Ar 气体约 15 分钟（每 100 mL 溶液），以制备无氧溶液。
    3. 称取并加入海洋化学成分中的任一组分，轻轻搅拌至溶解（避免剧烈搅拌，以防引入氧气）。
    4. 试剂溶解后，在准备热液注入液的同时，立即恢复对海洋模拟液进行轻微的 N2/Ar 气体鼓泡处理。
  2. 配制热液流体模拟液（硫化钠溶液的制备）
    1. 从 表 1 所示的注入浓度中选择一种，配制 10 mL 该浓度的溶液。将溶液装入 10 mL 注射器中，盖上针帽并置于一旁备用。
      注意：含硫化物的溶液和注射器必须始终置于通风橱内。
    2. 仅在通风橱内称取所需量的硫化钠（Na2S•9H2O），用去离子水（ddH2O）配制成 50 mL 溶液。
      1. 向 50 mL 离心管中加入去离子水（ddH2O）。
      2. 将 Na2S•9H2O 加入 50 mL 离心管中，并在通风橱内 tightly 密封。
      3. 在通风橱内充分震荡离心管，直至所有硫化物颗粒完全溶解。
      4. 使用封口膜密封溶液，并插入一根 10 号针头持续通入 N2/Ar 气体，以保持溶液处于无氧状态，且始终存放于通风橱内。

4. 设置热敏电阻

  1. 将热敏电阻放置在靠近通风橱的侧边实验台上的稳定位置。将RS232适配器电缆的USB端插入计算机的USB端口。
  2. 打开热敏电阻的电源。有关设置电缆电阻的说明，请参见 热敏电阻 步骤在 补充附录 2.
  3. 打开计算机上的热敏电阻软件。
    1. 向下滚动以查看 通信端口. 选择前几个通信端口，然后单击 连接 每个端口左侧的按钮，直到热敏电阻与软件连接。
      注意：软件将显示 读取设置 绿色的条形。 采样 图标将持续闪烁，表明正在频繁采样当前温度。如果未观察到上述任一信号，请选择其他通信端口。若所有通信端口均无法连接，将弹出提示消息，显示 通信错误 或 无法沟通.
    2. 如果 通信错误 弹出窗口出现后，关闭程序并重新启动。重新检查带状电缆，确保其正确连接到RS232电缆引脚排列的针脚上。
  4. 连接后，确保 输出 红色条形图显示读数为100%。
  5. 当热敏电阻开始以较短间隔频繁测量时，将间隔时间更改为 60 s。在 控制器选项 盒子底部，将1秒清除并更改为60秒。点击 好的 按钮
  6. 公司标志旁边会有一个椭圆形按钮 标记的 自动缩放单击该按钮以开启自动缩放功能。注意黄色线条将显示温度读数。
  7. 在绘图区域内，右键单击以按需调整图形，例如缩放 x 轴和 y 轴。
  8. 右键单击图表区域，然后点击 导出至 Excel 每次读数开始前间隔 5000 秒或 83.33 分钟（取决于所选的记录间隔）。将温度和时间数据保存在程序自动生成的电子表格中。
  9. 将金属热敏电阻探头放入冷凝器内的玻璃海洋培养容器中。确保探头置于玻璃容器侧边，避免悬挂在玻璃小瓶中央，以免干扰烟囱状结构的生长。再次用封口膜覆盖。

5. 设置冰浴

  1. 取一个较大的塑料盆和一个中等大小的水桶，将水桶加水至半满。
  2. 将桶放入托盘中，并将冰块放入水中，直至接近装满。
  3. 将两根塑料截断的软管分别安装到水泵的两端补充附录 3， 图1）。请注意，垂直的泵入口用于倒入水以开始引水，水平的出口则是水被排出的位置。将泵插入电源插座，但保持电线接头断开，待连接后即可为泵供电。
  4. 连接水平塑料软管（补充附录 3， 图2）连接到右侧的较高冷凝器接口，确保软管长度足以延伸至冰桶。
  5. 在左侧（下方）冷凝器接口处连接另一段截断的塑料软管，确保该软管足够长，能够伸入冰水浴中。将软管末端置于盛有冰水的容器内，以便冷凝器排出的水直接进入其中。
  6. 通过连接到泵垂直开口的软管注入冷水。当泵内充满水并到达冷凝器接口时，将软管浸入冰水浴中，并立即连接电源接头。
    注意：此步骤可能需要两人配合完成。
  7. 启动水泵以使水流经冷凝器，用冰装满水桶，并将温度计放入水桶中以监测温度。
    注意：水温应降至约 0 °C。参见对照试验 补充附录 1 图2.
  8. 不断添加更多冰块以保持水处于低温状态，同时移除 部分温度较高的水。

6. 注射前准备

  1. 加入ddH₂O至终体积2将O型注射器（第2.3节）放置在水热流体注入注射器旁边。小心地将塑料注入管从ddH₂O注射器上滑脱。2将针头立即直接转移到其中一个主注射器针头上。
    注意：切勿刺破管壁。
  2. 将加热垫插上电源，将水热模拟液加热至 70-80 °C。 （警告：较高温度可能导致塑料注射器变形或损坏。）
  3. 将垫片缠绕在硫化物注射器周围，并在垫片两侧牢固地拧紧两个金属夹子（补充附录 3， 图3).
  4. 夹子固定到位后，将其放置在注射泵上，并牢固固定泵体（具体操作取决于所选的注射泵型号）。
  5. 将控制箱的温度设置为约 70 °C，方法是按下 上箭头 关键补充附录 3， 图5）。按压 设置/启动.
  6. 将加热后的注射器固定在注射泵上后，设置注射泵以1-2 mL/h的速度进行注射。
  7. 检查海水溶液是否完全溶解。若出现浑浊，搅拌至大部分溶解。
  8. 将海洋模拟液滴定至 pH 5.5，以模拟冥古宙海洋的酸度30,31. 使用10 M HCl，缓慢滴加（在N下）2/Ar 饲料）直至 pH 计显示稳定的 5.5。如果超过 5.5，则使用 NaOH 以同样缓慢的滴加方法将 pH 调回至更偏碱性的水平。
  9. 将一至两种海水溶液倒入预制的烟囱式反应容器中。将一种海水溶液倒入冷凝器内的玻璃小瓶中，另一种倒入未配备冷凝器的室温容器中（若同时进行两个实验）。图6).
    注意：请勿移动温度探针。
  10. 用封口膜密封玻璃小瓶的瓶口。更换 N2将氩气通入海洋模拟液顶空的上部，注意不要将针头插入海洋模拟液中。
  11. 将注射泵设置为以1-2 mL/h的速度注射（根据所用注射泵类型校准注射器尺寸），但暂不启动 开始.
  12. 为防止热量在管道长度方向上散失，应快速注入热流体，使其立即与海洋储层接触。随后，以1-2 ml/h的速率持续向冷海水中注入。（参见注射器的热测试） 补充附录 1使用废液杯收集任何滴落的液体。
  13. 开始注射，同时开始记录热敏电阻上的海洋温度。

7. 监测温度与实验过程

注意：当水开始在冷凝器中循环后，热敏电阻温度探头将开始显示海洋内部温度的下降。目标是使温度降至接近 0 °C。精确的温度（热）梯度设置请参见表 2。

  1. 通过右键单击图表区域保存所有温度数据，并另存为 .CSV 文件。
    注意：程序将记录长达 5000 秒的温度数据，然后重新开始。
  2. 持续向桶中添加冰块以维持接近冰点的温度，直至烟囱结构基本形成，或至少持续到注射器中的液体几乎排空。
  3. 同时监测室温下的烟囱结构。在两个烟囱生长过程中定期拍摄照片。
  4. 烟囱完全形成后，在两个烟囱旁放置一把小尺子，然后拍摄并保存图像。
    ​注意：整个过程应持续约 6 小时。

8. 结束实验

  1. 停止注射泵，然后停止记录热敏电阻上的温度，并将数据保存到电子表格中。
  2. 关闭氮气（N2）/氩气（Ar）气流，移除进样容器上的管路和封口膜。
  3. 如有需要，可取样海洋溶液或沉淀物用于进一步分析。为在不扰动沉淀物的情况下小心移除储液，使用25 mL移液管小心吸取数份储液，并将溶液弃入废液烧杯中。
  4. 小心将冷凝器内的小瓶内容物排入废液烧杯。从注射器上取下管路，使海洋溶液流入通风橱中的烧杯内。对无冷凝器的小瓶进行相同操作。
  5. 依次从夹具上取下容器，使用去离子水（ddH2O）冲洗沉淀物碎片至废液烧杯中。
  6. 从注射泵上取下管路和注射器。将注射器内残留液体及多余的进样液体排入废液转移烧杯，并将注射器弃置于通风橱内专用的硫化物锐器容器中。
  7. 从实验小瓶上取下管路并弃入固体废物袋中。解开压紧的密封装置，丢弃隔垫、密封圈和移液枪头。
  8. 用清水冲洗玻璃实验小瓶，并在1 M盐酸（HCl）酸浴中浸泡过夜。
    注意：接触过硫化钠的玻璃器皿在酸中会释放有毒的硫化氢（H2S）气体，因此所有酸浴必须置于通风橱内。

结果

与之前的研究一致1,2,13,29；当模拟的热液流体进入海水小瓶后，矿物沉淀结构即开始形成，并在注入过程中持续增厚和增高。硫化铁烟囱结构较为脆弱，机械强度较低，若海水小瓶或注入过程受到物理扰动，极易发生解体。这一现象与先前研究结果一致3。硫化物溶液的化学浓度也对硫化物烟囱的形态起着关键作用。较高浓度的硫化物溶液可形成更高大且坚固的矿物沉淀（如图5所示），而较低浓度的硫化物溶液则生成结构较弱的烟囱。在某些情况下，甚至无法形成任何结构，仅产生一种液态的硫化物-矿物“汤状物”，最终会沉降为沉积物（图3D）。该现象在具有或不具有热梯度的条件下均可能发生。

在硫化铁的热梯度烟囱实验中，固体烟囱结构的融合程度通常不如室温下良好。 图3E-H 显示了在冷海水与室温热液流体之间生长的硫化铁烟囱的形态。在温度梯度条件下形成的烟囱呈细丝状，结构疏松，而无温度梯度条件下的结果（图3A- D）显示出更多的半永久性结构。当水热流体被加热时，情况也是如此（图4). 例外情况出现在较高的硫化物和铁浓度下（图5在室温热液溶液与低温海水模拟液之间形成固体硫化铁烟囱的环境中。

还测试了热梯度对氢氧化铁烟囱生长的影响。结果显示的模式与硫化铁烟囱相似：尽管室温下的氢氧化铁实验产生了更坚固的烟囱状沉淀物，但在温暖的热液流体与寒冷海洋之间形成热梯度的实验中，仅生成了较小的烟囱物质堆，且未发生垂直聚集（图6）。与先前研究中观察到的高大直立氢氧化铁烟囱结构（在室温实验中）相比29，本实验中的热梯度条件呈现出不同的形态。

带有Ar(g)和Na2S注入及沉淀的热电温度控制实验示意图
图1：热梯度烟囱装置。 请点击此处查看该图的放大版本。

真空室示意图，显示液体高度测量值为 9.652 cm 和 5.715 cm。
图 2：3D 打印冷凝器。（A）3D 打印冷凝器的示意图，显示冷凝器的尺寸。（B）将玻璃海洋容器置于冷凝器内部，以冷却海洋模拟液。请点击此处查看此图的放大版本。

用于蛋白质纯化过程的色谱系统静态平衡实验装置。
图3：多种热梯度与非热梯度烟囱结构。（A-D）从室温水热流体（HTF）到室温海洋模拟液的非热梯度对照实验。（A）10 mM Na2S•9H2O HTF 与 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（B）20 mM Na2S•9H2O HTF 与 10 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（C）20 mM Na2S•9H2O HTF 与 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（D）20 mM Na2S•9H2O HTF 与 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（E-H）从室温 HTF 模拟液到低温海洋储层（~5–10 °C）的热梯度烟囱实验。（E）20 mM Na2S•9H2O HTF 与 10 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（F）10 mM Na2S•9H2O HTF 与 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（G）20 mM Na2S•9H2O HTF 与 10 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。（H）10 mM Na2S•9H2O HTF 与 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液。请点击此处查看此图的放大版本。

湿度控制实验中封闭腔室内的液滴形成。
图 4：热梯度实验。实验中将温热（约 35–40 °C）的 20 mM Na2S•9H2O 溶液注入低温（约 5–10 °C）的 20 mM FeCl2·4H2O 海洋模拟液中，生成细小的烟囱状结构。请点击此处查看该图的放大版本。

水热流体实验；带有氩气注入和温度流控制的海洋与冷凝装置。
图 5：海洋模拟液浓度对烟囱结构的影响。 较高浓度（约 50 mM Na2S•9H2O、10 mM FeCl2·4H2O 和 200 mM NaCl）的缺氧海洋模拟液生成了结构更坚固、更高的烟囱。室温硫化物溶液被注入 2–10 °C 的海洋模拟液中。请点击此处查看此图的放大版本。

发酵过程，设置A未覆盖，设置B隔热；关于微生物生长比较的实验。
图6：热梯度与非热梯度烟囱的同步生长。（A）在室温下，将100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O 的海水溶液与200 mM NaOH 的热液流体（HTF）模拟物混合。（B）热梯度实验，使用相同浓度，将约35–50 °C 的温热HTF注入约5–10 °C 的冷海水模拟物中。请点击此处查看该图的放大版本。

热液流体化学成分（注入）海水化学成分（储层）
50 mM Na2S10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 或 NaHCO3
20 mM Na2S10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 或 NaHCO3
10 mM Na2S20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 或 NaHCO3
200 mM NaOH100 mM FeCl2·4H2O +  100 mM FeCl3·6H2O

表1：模拟海水与热液注入溶液的浓度矩阵。

HTF °C海洋模拟物温度 °C
~23~235-10
~35-50 ~235-10

表2：热梯度实验矩阵。 水热流体（HTF）温度指的是注射器内流体的温度；实际进入海洋小瓶入口处的温度比注射器内的温度低约20至35摄氏度（约70 °C）（参见补充附录1、图3和图4）。

补充可打印文件。 请点击此处下载该文件。

补充附录1。 请点击此处下载该文件。

补充附录 2。 请点击此处下载该文件。

补充附录 3。 请点击此处下载该文件。

讨论

热梯度对模拟烟囱生长的影响：该实验装置因多种实验参数而产生了若干不同的烟囱形态。在室温下，硫化铁和氢氧化铁形成的烟囱为高大直立的结构，而在热梯度实验中则形成更稀薄、呈丝状的沉淀物或扁平的堆状结构。这与Herschy等人的研究结果一致，即当热液流体被加热至70–80 °C并注入室温的模拟海洋环境中时，会形成纤细、非直立的烟囱状沉淀物33。对此可能有多种解释：对流传热可产生更强的自然浮力（连同注射泵送的强制作用），使沉淀物在形成过程中迅速向上流向海洋容器顶部。或者，加热注射器中的流体使模拟热液密度降低，因而更倾向于垂直上升，而非在注射点上方稳定沉积。通过降低注射速率至更慢的速度，可能缓解这一效应，从而允许更稳定结构的生长。White等人以极慢速率（0.08 mL/h）注入模拟热液研究硫化铁烟囱的生长，尽管烟囱需数日才能聚集形成，但其结构稳定13。由于Herschy等人使用蠕动泵的注射速率为10–120 mL/h，比本研究中热梯度实验所用速率快数个数量级，因此他们同样产生丝状烟囱结构也就不足为奇了33。

海洋和热液溶液中沉淀反应物的较高浓度也可能在热梯度条件下生成更坚固的烟囱结构。热液流体或模拟海水中沉淀离子（如硫化物或氢氧化物）的化学浓度越高，总体沉淀物质量就越大，从而形成更坚固的结构。由于Herschy等人和White等人在热液流体中使用的硫化物浓度较低（10 mM），他们所形成的结构比本研究中使用较高硫化物浓度（20–50 mM）所生成的结构更小。此外，一些关于硫化铁烟囱生长的研究还在热液流体中加入了二氧化硅（silica）与硫化钠共同作用，这有助于形成更坚固的烟囱结构3,13,33。二氧化硅化学花园结构也被用于模拟热液烟囱生长的某些方面34，这类结构通常能形成非常坚固的产物，可从试管或小瓶中取出进行物理分析。然而，温度梯度对二氧化硅注入结构的影响尚不清楚，这将是未来进一步研究的方向。

未来烟囱模拟实验的注意事项：本研究中创建的用于冷却海洋容器的3D打印冷凝器起到了夹套反应容器的作用，但具有一些实际改进：1）开放的顶部便于对烟囱进行取样，并维持海洋上方空间的无氧环境；2）3D打印部件 具有良好的可重复性；3）由于设计文件可进行数字化编辑，若需要，装置可快速修改并重新打印；4）使用低成本材料使得每个冷凝器的成本低于实际的玻璃夹套反应容器。这些3D打印的冷凝器是一种灵活且易于共享的实验装置，可用于不同研究团队之间模拟热液烟囱实验平台的标准化，从而实现样品与数据的更好比较。该冷凝器的设计文件可发送给同事，供其自行打印用于教学或科研目的（参见本研究使用的冷凝器的补充3D打印文件）。这种低成本装置也可用作本科生化学花园或化学涌泉现象的实验教学内容29,35。

综上所述，本研究介绍了一种利用3D打印技术构建的新型实验装置，可用于在温度梯度环境中模拟海底热液烟囱的生长过程。3D打印的冷凝器能够将模拟海水冷却至接近冰点的温度，类似于海底热液系统附近的天然海水温度。同时，通过加热的注射器模拟高温热液流体注入该低温海洋环境的过程。硫化铁和氢氧化铁烟囱的形态与结构受到热梯度的影响：当模拟海水和模拟热液流体均处于室温时，形成的烟囱呈现垂直取向的结构；而当热液流体被加热且海水被冷却时，坚固烟囱结构的形成则受到抑制。为了准确模拟此类具有类似天然系统热梯度的烟囱中可能发生的前生命化学反应，必须精确控制喷口和海水模拟物的注入速率及化学成分等参数。本研究设计的定制化、低成本3D打印冷凝器在功能上类似于夹套反应容器，可轻松进行修改，并以电子形式分发给各类科研与教育机构，适用于多种类型的化学自生沉淀实验。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究在加州理工学院喷气推进实验室进行，由美国国家航空航天局（NASA）合同资助，并得到NASA天体生物学研究所冰世界项目的支持。加布里埃尔·勒布朗博士的部分研究工作由俄克拉荷马州NASA EPSCoR合作协议（NNX15AK42A）下的研究启动基金（2017-34）资助。我们感谢希瑟·怀特黑德在初始3D打印冷凝器设计方面的协助，感谢卡琳·卡彭特在3D打印方面的帮助，感谢约翰-保罗·琼斯就冷凝器容器提供的有益讨论，感谢劳拉·罗德里格斯在温度数据分析方面的帮助，以及感谢埃里卡·弗洛雷斯在实验室工作中提供的协助。版权所有 2020 年加州理工学院。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3/8英寸透明乙烯基软管瓦特SVIG10 根据实验需求裁剪至所需长度
40针公对母多色带状跳线电缆EDGELECED-DP_L30_混合_120件这些导线需要剥去塑料端头，并小心移除两个塑料外壳中的一个
铝封口Fisher0337523C赛默飞世尔科技 国家标准顶空瓶 20 毫米压盖密封垫
六水合氯化铁FisherI88-100 三价铁 氯离子 六水合物 （块状/认证ACS）
四水合氯化亚铁FisherI90500四水合氯化亚铁（结晶型/优级纯）
齿轮软管夹Glarks40件
灰色丁基橡胶塞Fisher0337522AA赛默飞世尔科技国家品牌 20 毫米顶空瓶隔垫
移液器吸头VWR53511-6820.5-10 微升移液器吸头
血清瓶Sigma-Aldrich33110-U小瓶，压盖式瓶口，血清瓶，规格 100 mL，透明玻璃，外径 × 高度 51.7 mm × 94.5 mm。本实验需将血清瓶底部切除。
氢氧化钠Sigma-AldrichS5881试剂级， ≥98%，无水丸粒
九水合硫化钠FisherS425212九水合硫化钠（结晶体/符合ACS标准）  -20℃保存 °C. 仅可在手套箱或通风橱中打开。会释放有毒的H2S气体；所有含硫化物的溶液必须保存在手套箱或通风橱中。
注射器加热器 Syringepump.comHEATER-KIT-5SP 在加热毯周围夹紧齿轮式软管夹
注射器针头（16 号）Fisher14-826-18BBD通用型与PrecisionGlide皮下注射针头，16 G × 1.5 英寸（38 mm）
注射泵Syringepump.comNE-4000双通道或多通道，取决于所需同时进行的实验数量
注射器（10 mL）Fisher14-823-16EBD 带鲁尔锁扣针头的注射器（无针头）
导管Cole ParmerEW-06407-71Tygon 实验室管路，不含 DEHP，1/16 英寸" 内径 X 1/8" 外径
水循环泵 巴伊特 BYT-7A015 可能需要两人协助启动泵

参考文献

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

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