Chemische Gardens als Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, natürliche Schornsteine, die an submarinen hydrothermalen Quellen der frühen Erde ausgefällt wurden, mit Hilfe chemischer Gartenexperimente zu simulieren, um die selbstorganisierenden Strukturen in kleinem Maßstab zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem zunächst zwei Lösungen vorbereitet werden. Eine Lösung simuliert die Zusammensetzung des frühen Meerwassers der Erde, und eine Lösung simuliert eine alkalische hydrothermale Flüssigkeit, die durch Wassergesteinsreaktionen entsteht.

Als nächstes wird eine Apparatur aufgebaut, so dass die hydrothermale Flüssigkeit in ein Reservoir des simulierten Ozeans unter einer anoxischen Atmosphäre injiziert werden kann. In einem dritten Schritt werden Elektroden aufgestellt, um die Spannung zwischen hydrothermalen und ozeanischen Lösungen während der Injektion zu messen. Schließlich wird die hydrothermale Lösung langsam in den Boden eines Fläschchens injiziert, das die simulierte Meereslösung enthält, wodurch das natürliche Versickern von Schlotflüssigkeit aus der Ozeankruste in das umgebende Meerwasser nachgeahmt wird.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich an der Grenzfläche zwischen Ozean und hydrothermalen Lösungen ein mineralischer Niederschlag bildet, der sich zu einer sich selbst organisierenden chemischen Gartenstruktur entwickelt, die einem natürlichen hydrothermalen Schornstein U-Boot ähnelt. Hydrothermale Schornsteine sind wie natürliche chemische Gärten. Sie wurden, wir glauben auf der Erde, vor etwa 4,4 Milliarden Jahren erzeugt, und sie bestehen aus Eisensulfiden und Eisenhydroxiden, zum größten Teil mit ein wenig Siliziumdioxid.

Und sie verhalten sich wie eine Haut, die dort entsteht, wo alkalische Lösungen in den Ozean gelangen, der etwas sauer ist. Und an der Schnittstelle zwischen den beiden fällen sie diese Mineralien aus, wie ich schon sagte, und sehen dabei eher aus wie eine Haut. Man könnte sie sogar mit dem Leben vergleichen, wie wir es heute kennen.

Und das heißt, das Leben neigt dazu, ein alkalisches Inneres zu haben, wie wir es zum Beispiel tun. Und es neigt dazu, ein säuerliches Äußeres zu mögen. Ich meine, ich kann vielleicht flapsig sagen, dass wir ein Shampoo mit einem pH-Wert von 5,5 mögen.

Wir mögen zum Beispiel saure Limonade am Stiel. Aber wir trinken auch gerne basische Getränke, um uns gesund zu halten, denn schließlich ist unser Interieur gesund, genau wie natürliche chemische Gärten. Und was wir heute im Labor gesehen haben, ist die Tatsache, dass das Innere dieser chemischen Gärten alkalisch ist.

Das Äußere ist säurehaltig. Es ist etwas oxidiert, und wir haben, was passiert, ist, dass diese chemischen Gärten einen chemischen Gradienten über die beiden auferlegen, diese chemischen Gradienten von pH und Redox, und sie summierten sich zu etwa einem halben Volt, was ungefähr der Menge an elektrochemischer Energie entspricht, die benötigt wird, um Leben anzutreiben. Und wir haben das Gefühl, dass dies genau richtig war, um das Leben in einem dieser chemischen Gärten auf dem Meeresboden vor 4 Milliarden Jahren überhaupt erst ins Leben zu rufen.

Dieses Experiment ermöglicht es uns, verschiedene planetare Bedingungen wie Ozeane, hydrothermale Fluide und Atmosphären zu simulieren, aber auch die Auswirkungen der Änderung bestimmter experimenteller Parameter und deren Auswirkungen auf das System zu simulieren. Ursprünglich untersuchten wir chemische Gärten, die direkt aus Kristallen in Reagenzgläsern wuchsen, aber wir waren nicht in der Lage, das Membranpotenzial zu messen, weil wir keinen Draht direkt in die Membran selbst bekommen konnten. Um dies zu erreichen, haben wir eine neue Methode entwickelt.

Es handelt sich um eine Injektionsmethode, bei der wir hydrothermales Simulanz in die Meeresflüssigkeit in einem Reservoir injiziert haben. Dies ermöglichte es uns, einen automatisierten Datenlogger zu verwenden, um das Membranpotenzial über das Wachstum der Membran zu messen. Diejenigen, die neu in dieser Methode sind, könnten Schwierigkeiten haben, schön strukturierte chemische Gärten anzulegen und Viren in den Chi-Bedarf für die Spannungsmessung zu positionieren.

Durch die Fehlerbehebung können sie jedoch all diese Probleme lösen. Beginnen Sie damit, mit einem Glasschneider den Boden einer 100-Milliliter-Serumflasche aus Klarglas mit Bördelverschluss für die Verwendung des Injektionsfläschchens abzuschneiden. Sammeln Sie auch ein 20-Millimeter-Septum, eine 20-Millimeter-Aluminium-Crimpdichtung und eine 0,5- bis 10-Mikroliter-Kunststoffpipettenspitze.

Stechen Sie mit einer 16-Gauge-Spritzennadel vorsichtig ein Loch durch die Mitte des Septums, entfernen Sie die Nadel und entsorgen Sie sie in den entsprechenden Abfallbehälter für scharfe Gegenstände. Führen Sie dann die Pipettenspitze in das Nadelloch ein und schieben Sie die Pipettenspitze durch das Septum, so dass sie auf der anderen Seite herausragt. Crimpen Sie das Septum mit der Pipettenspitze auf das Injektionsgefäß.

Um einen wasserdichten Verschluss winddicht zu machen, schieben Sie die Pipettenspitze weiter durch das Septum, so dass sie nach außen ragt. Befestigen Sie dann ein klares, flexibles und chemikalienbeständiges Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 16 Zoll an der Pipettenspitze. Schieben Sie den Schlauch nach oben auf die Pipettenspitze Um eine wasserdichte Abdichtung zu erzielen, stellen Sie sicher, dass der Schlauch lang genug ist, um von der Injektionsfläschchen zur Spritzenpumpe zu gelangen.

Klemmen Sie anschließend die Injektionsfläschchen auf einen Ständer in einem Abzug, so dass die Injektion vom Boden des Fläschchens eingebracht wird. Schneiden Sie zwei Längen isolierter Drähte so ab, dass sie lang genug sind, um von der Innenseite der Reaktionsgefäße zum Datenlogger zu gelangen. Lassen Sie ein wenig Spielraum in den Drähten für die Positionierung.

Entfernen Sie anschließend etwa drei Millimeter Isolierung vom Ende jedes Drahtes, der sich an den anderen Enden im Reaktionsgefäß befindet. Diese wird mit den Multimeter-Kabeln verbunden. Ziehen Sie etwa einen Zentimeter des Drahtes ab und führen Sie einen Draht ein, den Draht, der sich im chemischen Garten befindet, in der Nähe der Öffnung der Pipettenspitze, um den Kontakt mit der Injektionslösung zu gewährleisten, aber nicht so weit, dass er den Injektionsfluss verstopft.

Befestigen Sie dann beide Enden der Drähte mit Klebeband. Platzieren Sie dann den äußeren Draht so, dass er das Lösungsreservoir berührt, aber nicht den chemischen Gartenausschlag verursacht. Befestigen Sie als Nächstes die freien Enden der Drähte am Datenlogger, um den Kopfraum über dem Lösungsbehälter zu halten.

Und IC hat Stickstoffgasleitungen eingerichtet. Teilen Sie die Gaszufuhr aus einem Stickstoffquellentank in mehrere Röhrchen auf, so dass für jedes Injektionsfläschchen eine Zuführung vorhanden ist. Bereiten Sie 200 Milliliter der Reservoirlösung, auch bekannt als Ozeansimulans, für jedes Reaktionsgefäß vor, indem Sie zuerst deionisiertes Wasser etwa 15 Minuten pro 100 Milliliter mit Stickstoffgas sprudeln.

Dadurch wird sichergestellt, dass das Experiment während der gesamten Injektion anoxisch bleibt. Dann wiegen Sie ab und fügen 25 Millimolar Eisen, zwei Chlorid-Tetra und 75 Millimolar Eisen hinzu. Drei Chloridhexahydrate geben das Wasser ab.

Rühren Sie die Mischung vorsichtig um, um die Ionen aufzulösen, ohne Sauerstoff in die Mischung einzubringen. Nachdem die Ionen gelöst sind, setzen Sie sofort das leichte Blasen der Lösung mit Stickstoffgas fort. Während die Injektionen vorbereitet werden, wählen Sie zwei der primären Injektionslösungen aus der hier gezeigten Tabelle aus und bereiten Sie 10 Milliliter jeder Lösung vor.

Füllen Sie dann jeweils eine 10-Milliliter-Spritze bis zur Sieben-Milliliter-Markierung, verschließen Sie diese und stellen Sie sie beiseite. Bereiten Sie anschließend 20 Milliliter 50 Millimolar Natriumsulfid im Abzug als Sekundärinjektion vor. Füllen Sie zwei 10-Milliliter-Spritzen bis zur Sieben-Milliliter-Markierung. Setzen Sie mit der Lösung die Nadelkappen wieder auf und legen Sie sie beiseite.

Befestigen Sie die Primärinjektionsspritzen auf einer programmierbaren Spritzenpumpe, die sich im Abzug befindet. Stellen Sie die Injektionsrate auf einen Milliliter pro Minute ein und schalten Sie die Pumpe ein, bis beide Spritzen in das Abfallbecherglas zu tropfen beginnen. Stoppen Sie dann die Injektion.

Führen Sie dann die Spritzen mit deionisiertem Wasser in die beiden Kunststoff-Injektionsschläuche ein und injizieren Sie so, dass das Wasser den durchsichtigen Schlauch bis zur Öffnung füllt, wo es in das Hauptreservoir eintritt. Legen Sie dann die Spritzen auf den Ständer über den Injektionsfläschchen. Gießen Sie dann vorsichtig 100 Milliliter der eisenhaltigen Reservoirlösung in jedes Fläschchen.

Verschließen Sie die Fläschchen vorsichtig mit Perfil luftdicht und geben Sie in jedes Fläschchen eine Stickstoffzufuhr. Der Durchfluss der Stickstoffgasleitungen ist wie gewünscht einzustellen, um das Experiment für die Dauer der Injektionen anoxisch zu halten. Bringen Sie dann die mit Wasser gefüllten Spritzen nacheinander neben die Primärinjektionsspritzen.

Schieben Sie den Kunststoff-Injektionsschlauch vorsichtig ab und übertragen Sie ihn sofort direkt auf eine der Nadeln der Primärinjektionsspritze. Achten Sie darauf, die Wand des Schlauchs nicht zu durchstechen. Stellen Sie dann die Spritzenpumpe drei Stunden lang auf zwei Milliliter pro Stunde ein und starten Sie gleichzeitig die Injektion.

Starten Sie die Aufzeichnung des Membranpotentials. Drücken Sie nach drei Stunden auf Stopp an der Spritzenpumpe. Sobald sich die chemischen Gartenstrukturen gebildet haben, entfernen Sie vorsichtig die primären Injektionsspritzen aus der Spritzenpumpe, lassen Sie sie jedoch mit dem Schlauch verbunden, damit die Strukturen nicht gestört werden.

Platzieren Sie sie auf dem Ständer über dem Niveau der Flüssigkeit in den Durchstechflaschen, damit die Flüssigkeit nicht in die Spritze zurückfließt. Befestigen Sie anschließend die Sekundärinjektionsspritzen, die in diesem Fall aus Natriumsulfid bestehen, an der Spritzenpumpe und entleeren Sie die Nadel, bis beide zu tropfen beginnen. Entsorgen Sie die Sulfidlösung in einem speziellen Sonderabfallbehälter. Nehmen Sie dann die Spritzen nacheinander aus der Spritzenpumpe und übertragen Sie den Schlauch von der primären Injektionsspritze auf die natriumsulfidhaltige Spritze.

Programmieren Sie die Spritzenpumpe so um, dass die Lösung mit zwei Millilitern pro Stunde injiziert wird, und drücken Sie auf Start, um die Natriumsulfidlösung drei Stunden lang mit dieser Geschwindigkeit zu injizieren. Sobald die primäre Injektionslösung in die Reservoirlösung eingespeist wird, beginnt sich an der Fluidgrenzfläche ein chemischer Gartenniederschlag zu bilden, und diese Struktur wächst im Verlauf der Injektion weiter unter Umwelt-Rasterelektronenmikroskopie, die primären Ausfällungen, die in Gegenwart von Alanin gebildet werden, erscheinen in amorph runder auf, während reine Eisenoxyhydroxidausfällungen sowie solche, die Pyrophosphat enthalten, kristalliner nach dem primären Ausscheiden erscheinen Injektion. Das Potential tendierte dazu, sofort bei 0,45 bis 0,55 Volt seinen Höhepunkt zu erreichen und dann für etwa eine Stunde abzunehmen, bevor es sich für den Rest der Primärinjektion bei etwa 0,1 bis 0,2 Volt stabilisierte.

Als die Primärspritzen auf die Sekundärspritzen mit Natriumsulfid umgestellt wurden, wuchs der chemische Garten weiter, nur dass die sichtbaren neuen Wucherungen nun aus schwarzem Eisensulfid bestanden. Anstatt zu den bestehenden Mauern beizutragen, schienen sich die schwarzen Sulfidteile des Chemiegartens zu verzweigen und separat zu wachsen. Sobald die Sulfid-Injektionslösung den chemischen Garten erreichte, stieg das Membranpotential sofort auf etwa 0,9 Volt an.

Es gibt viele mögliche Kombinationen von Lösungen, die Sie für den Anbau Ihrer Chemiegärten verwenden können. Es ist auch möglich, die Injektionsrate jederzeit während des Experiments von einer schnelleren auf eine langsamere Rate umzustellen und die primäre Injektion auf eine sekundäre zu ändern, solange Ihre chemische Gartenstruktur vollständig ausgebildet ist. Natriumsulfidlösungen setzen Schwefelwasserstoffgas frei, das äußerst gefährlich ist.

Offene Natriumsulfidbehälter und sulfidhaltige Lösungen müssen im Abzug verwendet und gemäß den Richtlinien des Sicherheitsdatenblatts behandelt werden: Sowohl gebrauchte als auch unbenutzte Lösungen müssen als Sondermüll entsorgt werden. Hydrothermale Schornsteine, die wir gerade im Labor gezüchtet haben, bestehen aus porösen Mineralien, im Wesentlichen Eisensulfiden und Eisenhydroxiden. Wir glauben, dass sie als Katalysatoren für das frühe Leben wirken werden, und sie sind in ihrer Struktur den Katalysatoren und Enzymen, die wir sogar in unserer eigenen Haut haben, bis heute sehr ähnlich.

Dieses Experiment kann verwendet werden, um verschiedene geologische Umgebungen zu simulieren, ist aber auch aus Sicht der Materialwissenschaften anwendbar, da es ein großes Interesse daran gibt, zu lernen, wie man das Wachstum dieser selbstorganisierenden Strukturen durch Manipulation der Parameter des Experiments kontrollieren kann, und vielleicht auch um Strukturen und Materialien zu schaffen, die als Katalysatoren für verschiedene Reaktionen fungieren könnten.