化学花园作为模拟天然热液系统的流动反应器

以下实验的总体目标是利用化学花园实验，在小尺度上模拟早期地球海底热液喷口自然形成的烟囱结构，生成自组装结构。该目标通过首先配制两种溶液来实现：一种溶液模拟早期地球海水的成分，另一种溶液模拟由水岩反应产生的碱性热液流体。

接下来，搭建一套装置，使类热液流体能够在无氧气氛下注入模拟海洋的储液池中。第三步，设置电极以测量注入过程中热液溶液与海洋溶液之间的电压。最后，将类热液溶液缓慢注入含有模拟海洋溶液的小瓶底部，模拟热液流体从洋壳中自然渗出并进入周围海水的过程。

实验结果表明，在海水与热液溶液的界面处会形成一种矿物沉淀物，该沉淀物进一步发育成类似天然海底热液烟囱的自组装化学花园结构。海底热液烟囱本质上就是天然的化学花园。据我们推测，它们大约在44亿年前就已出现在地球上，主要由硫化铁和氢氧化铁构成，含有少量二氧化硅。

它们的行为类似于皮肤，在碱性溶液上升进入海洋（海洋略呈酸性）的区域形成。在两者交界处，这些矿物会沉淀析出，正如我所说，外观上非常像一层皮肤。事实上，可以将它们与目前已知的生命形式相比较。

生命体内部通常呈碱性，我们人类也是如此。而外部环境则往往偏好酸性。举个例子，我可以随意地说，我们喜欢使用 pH 值为 5.5 的洗发水。

例如，我们喜欢酸性的碳酸饮料。但为了保持健康，我们也需要饮用碱性饮品，因为毕竟我们的身体内部环境是偏碱性的，就像天然的化学花园一样。而今天我们从实验中观察到，这些化学花园的内部确实是碱性的。

其外部呈酸性。它在一定程度上被氧化，我们发现，这些化学花园在两者之间形成了一种化学梯度，即pH和氧化还原（Redox）的化学梯度，其总和约为0.5伏特，这恰好是驱动生命所需的电化学能量量级。我们认为，大约40亿年前，在海底的某个化学花园中，这种条件恰好适宜，足以首次催生生命的出现。

本实验使我们能够模拟不同的行星环境条件，例如海洋、热液流体、大气，同时也允许我们模拟改变特定实验参数所产生的影响及其对系统的作用。最初，我们研究的是直接从试管内晶体生长的化学花园，但由于无法将导线直接插入膜内部，因此无法测量膜电位。为实现这一目标，我们开发了一种新方法。

这是一种注射方法，我们将水热模拟液注入储层的海洋流体中。这使我们能够使用自动数据记录仪来测量膜生长过程中膜电位的变化。对于初次使用该方法的研究人员而言，可能难以成功生长出结构良好的化学花园，并将病毒准确放置于用于电压测量的芯片所需位置。

然而，通过故障排除，他们可以解决所有这些问题。首先使用玻璃切割器将一个 100 毫升透明玻璃压盖血清瓶的底部切下，用作注射小瓶。同时准备一个 20 毫米隔垫、一个 20 毫米铝制压盖密封圈，以及一个 0.5 至 10 微升的塑料移液器吸头。

使用16号注射器针头，小心地在隔垫中心刺一个小孔，然后将针头取出并丢弃至适当的锐器废物容器中。接着，将移液枪吸头插入针孔中，并推动移液枪吸头穿过隔垫，使其从另一侧穿出。将带有移液枪吸头的隔垫压紧密封到进样容器上。

为了形成密封的防水密封，将移液枪头进一步穿过隔垫，使其延伸至外部。然后将一段内径为1/16英寸、透明、柔软且耐化学腐蚀的管路连接到移液枪头上。将管路沿移液枪头向上推入，为确保形成防水密封，需保证管路长度足以从进样小瓶延伸至注射泵。

接下来，将注射小瓶夹在通风橱内的支架上，使注射液从瓶底进入。剪下两段绝缘导线，使其长度足以从反应容器内部延伸至数据记录仪。导线预留少许余量，以便定位。

接下来，将每根导线末端约三毫米的绝缘层剥除，这些导线末端将置于反应小瓶内，另一端则连接至万用表表笔。剥除约一厘米长的导线绝缘层，将其中一根导线（置于化学花园内部的导线）插入移液枪头开口附近，以确保与注入溶液接触，但插入深度不宜过大，以免堵塞溶液注入流路。

然后用胶带将两根导线的两端固定。接着将外侧导线放置好，使其接触溶液储液池，但不接触化学花园沉淀物。接下来，将导线的自由端连接到数据记录仪，以监测溶液储液池上方的顶空区域。

同时，安装氮气管线。将氮气源储罐的气体分流至多根导管，确保每个注射小瓶各有一路供气。通过向去离子水中通入氮气约15分钟（每100毫升），为每个反应小瓶配制200毫升的储液溶液，也称为海水模拟液。

这可确保实验在注射过程中始终保持厌氧状态。然后称取并加入25毫摩尔的氯化亚铁四水合物和75毫摩尔的三氯化铁六水合物至水中。

轻轻搅拌混合物，使离子溶解，同时避免将氧气引入混合物中。离子溶解后，立即恢复用氮气对溶液进行轻微鼓泡。在准备注射液的同时，从下表所示的溶液中任选两种主要注射液，并分别配制10毫升。

然后用每种溶液分别将10毫升注射器填充至7毫升刻度处，盖上盖子并放置一旁。接下来，在通风橱中配制20毫升50毫摩尔的硫化钠溶液作为二次注射液。用该溶液将两个10毫升注射器分别填充至7毫升刻度处，更换针头盖后放置一旁备用。

将主注射器固定在通风橱内的可编程注射泵上。设置注射速率为每分钟1毫升，并启动泵，直至两个注射器均开始向废液杯中滴液，然后停止注射。

接下来，将装有去离子水的注射器插入两个塑料注入口管中并注入，使水充满透明管路，直至到达进入主储液罐的开口处。然后将注射器放置在注样瓶上方的支架上。随后，小心地将100毫升含铁的储液溶液分别倒入每个注样瓶中。

使用封口膜仔细地在小瓶上创建一个气密密封，并向每个小瓶中插入氮气进气管。根据需要调节氮气管线的流量，以确保在整个注射过程中实验环境保持无氧状态。接下来，将装有水的注射器逐个移至主注射用注射器旁边。

小心地将塑料注射导管滑脱，并立即直接转移到一支主注射器针头上，注意避免刺穿导管管壁。然后将注射泵设置为每小时2毫升，持续3小时，同时开始注射。

开始记录膜电位。三小时后，按下注射泵的停止按钮。待化学花园结构形成后，小心地将主注射器从注射泵上取下，但仍保持其与管路的连接，以免扰动所形成的结构。

将它们放置在支架上，位置高于小瓶内液体的液面，以防止液体倒流回注射器中。接下来，将次级注射用注射器（本实验中为硫化钠溶液）固定到注射泵上，并对针头进行预灌注，直至两者均开始滴液，随后将硫化钠溶液弃置于专用的危险废物容器中。然后，依次将注射器从注射泵上取下，并将管路从主注射器切换至含有硫化钠的注射器上。

重新编程注射泵，以每小时 2 毫升的速度注入溶液，然后点击开始，以该速率注入硫化钠溶液持续 3 小时。一旦初级注入溶液进入储液池溶液中，在液-液界面处便开始形成化学花园沉淀物；在注入过程中，该结构在环境扫描电子显微镜下持续生长。在丙氨酸存在下形成的初级沉淀物显得更为圆润且呈无定形，而纯的羟基氧化铁沉淀物以及含焦磷酸盐的沉淀物则表现出更明显的结晶特征。电位在初级注入阶段初期迅速上升至约 0.45 至 0.55 伏的峰值，随后在约一小时内逐渐下降，最终在剩余的初级注入过程中稳定在 0.1 至 0.2 伏左右。

当主注射器切换为含有硫化钠的次级注射器时，化学花园继续生长，但此时可见的新生长物为黑色的硫化铁。这些黑色硫化物部分并未融入已有的结构壁中，而是呈现出分枝状并独立生长。一旦硫化物注入溶液到达化学花园，膜电位立即跃升至约0.9伏特。

可用于培养化学花园的溶液组合有多种可能。只要化学花园结构已完全形成，在实验过程中，您还可以随时将注射速率从较快调整为较慢，并将主注射切换为次级注射。硫化钠溶液会释放硫化氢气体，该气体具有极高危险性。

打开硫化钠容器及含硫化物的溶液必须在通风橱内操作，并根据材料安全数据表的指导进行处理；无论是否使用过的溶液，均须作为危险废物处置。我们刚刚在实验室中培育出的热液烟囱由多孔矿物构成，主要是硫化铁和氢氧化铁。我们认为，这些物质可能在早期生命过程中起到催化作用，其结构与至今仍存在于我们人类皮肤中的催化剂和酶在结构上非常相似。

该实验可用于模拟不同的地质环境，同时也适用于材料科学领域，因为人们非常关注如何通过调控实验参数来控制这些自组装结构的生长，以及可能用于制造可作为不同反应催化剂的结构和材料。