Jardines químicos como flujo continuo Reactores simulación de sistemas hidrotermales Naturales

El objetivo general del siguiente experimento es simular chimeneas naturales precipitadas en respiraderos hidrotermales submarinos de la tierra primitiva utilizando experimentos de jardín químico para generar las estructuras autoensamblables a pequeña escala. Esto se logra preparando primero dos soluciones. Una solución simula la composición del agua de mar de la Tierra primitiva, y una solución simula un fluido hidrotermal alcalino producido por las reacciones de las rocas de agua.

A continuación, se configura un aparato para que el fluido hidrotermal pueda inyectarse en un depósito del océano simulado bajo una atmósfera anóxica. Como tercer paso, se colocan electrodos para medir el voltaje entre las soluciones hidrotermales y oceánicas durante la inyección. Finalmente, la solución hidrotermal se inyecta lentamente en la base de un vial que contiene la solución oceánica simulada, imitando la filtración natural del fluido de ventilación fuera de la corteza oceánica y en el agua de mar circundante.

Los resultados muestran que se forma un precipitado mineral en la interfaz del océano y las soluciones hidrotermales, y esto se convierte en una estructura de jardín químico autoensamblable que se asemeja a una chimenea hidrotermal natural submarina. Las chimeneas hidrotermales son como los jardines químicos naturales. Se generaron, creemos que en la Tierra, hace unos 4.400 millones de años, y están hechos de sulfuros de hierro e hidróxidos de hierro, en su mayor parte con un poco de sílice.

Y se comportan como una piel que se genera donde las soluciones alcalinas suben al océano, que es algo ácido. Y en la interfaz entre los dos, precipitan estos minerales, como digo, pareciéndose más bien a una piel. De hecho, se podrían comparar con la vida tal y como la conocemos hoy en día.

Y es que la vida tiende a tener un interior alcalino como nosotros, por ejemplo. Y tiende a gustarle bastante los exteriores ácidos. Quiero decir, puedo decir con ligereza que nos gusta un champú de pH de pH 5.5.

Nos gustan las paletas de soda ácidas, por ejemplo. Pero también nos gusta tomar bebidas alcalinas para mantenernos sanos porque, al fin y al cabo, nuestros interiores son sanos, al igual que los jardines químicos naturales. Y lo que hemos visto hoy en el laboratorio es el hecho de que el interior de estos jardines químicos es alcalino.

El exterior es ácido. Está algo oxidado, y lo que sucede es que estos jardines químicos imponen un gradiente químico a través de los dos, esos gradientes químicos de pH y Redox, y suman aproximadamente medio voltio, que es aproximadamente la cantidad de energía electroquímica requerida para impulsar la vida. Y creemos que esto fue justo para impulsar la vida a la existencia en primer lugar en uno de estos jardines químicos en el fondo del océano hace 4.000 millones de años.

Este experimento nos permite simular diferentes condiciones planetarias como océanos, fluidos hidrotermales, atmósferas, pero también nos permite simular los efectos de cambiar parámetros experimentales específicos y qué efecto tendrá eso en el sistema. Originalmente, estábamos estudiando jardines químicos que crecían directamente de cristales dentro de tubos de ensayo, pero no pudimos medir el potencial de la membrana porque no podíamos obtener un cable directamente dentro de la membrana misma. Así que para hacer esto, desarrollamos un nuevo método.

Es un método de inyección en el que inyectamos simulante hidrotermal en el fluido oceánico en un embalse. Esto nos permitió utilizar un registrador de datos automatizado para medir el potencial de membrana sobre el crecimiento de la membrana. Aquellos que son nuevos en este método pueden tener dificultades para cultivar jardines químicos bien estructurados y posicionar el virus en las necesidades de chi para la medición de voltaje.

Sin embargo, mediante la resolución de problemas, pueden resolver todos estos problemas. Comience usando un cortador de vidrio para cortar el fondo de una botella de suero con tapa engarzada de vidrio transparente de 100 mililitros para usar el vial de inyección. Recoja también un tabique de 20 milímetros, un sello de engarce de aluminio de 20 milímetros y una punta de pipeta de plástico de 0,5 a 10 microlitros.

Con una aguja de jeringa de calibre 16, perfore con cuidado un orificio a través del centro del tabique, luego retire y deseche la aguja en el contenedor de desechos punzocortantes apropiado. A continuación, inserte la punta de la pipeta en el orificio de la aguja y empuje la punta de la pipeta a través del tabique para que sobresalga por el otro lado. Selle el tabique con la punta de la pipeta en el recipiente de inyección.

Para hacer un sello hermético sellado contra el viento, empuje la punta de la pipeta más a través del tabique para que sobresalga hacia el exterior. A continuación, fije un tubo de 16 pulgadas de diámetro interior, transparente, flexible y resistente a los productos químicos en la punta de la pipeta. Deslice el tubo hacia arriba sobre la punta de la pipeta Para crear un sello hermético, asegúrese de que el tubo sea lo suficientemente largo como para llegar desde el vial de inyección hasta la bomba de jeringa.

A continuación, sujete los viales de inyección en un soporte dentro de una campana extractora para que la inyección se alimente desde el fondo del vial. Corte dos tramos de cables aislados para que sean lo suficientemente largos como para llegar desde el interior de los recipientes de reacción al registrador de datos. Deje un poco de holgura en los cables para el posicionamiento.

A continuación, pele unos tres milímetros de aislamiento del extremo de cada cable que se ubicará dentro del vial de reacción en los otros extremos. Eso se conectará a los cables del multímetro. Pele aproximadamente un centímetro del alambre, inserte un alambre el alambre que estará dentro del jardín químico cerca de la abertura de la punta de la pipeta para asegurar el contacto con la solución de inyección, pero no tanto como para obstruir el flujo de inyección.

Y luego asegure ambos extremos de los cables en su lugar con cinta adhesiva. A continuación, coloque el cable exterior de forma que entre en contacto con el depósito de solución, pero no con el precipitado del jardín químico. A continuación, conecte los extremos libres de los cables al registrador de datos para mantener el espacio de cabeza por encima del depósito de solución.

Y IC instaló líneas de gas nitrógeno. Divida la alimentación de gas de un tanque de fuente de nitrógeno en varios tubos para que haya una alimentación para cada vial de inyección. Prepare 200 mililitros de la solución del depósito, también conocida como simulante oceánico para cada vial de reacción, burbujeando primero agua desionizada con gas nitrógeno durante unos 15 minutos por cada 100 mililitros.

Esto asegura que el experimento permanecerá anóxico durante toda la inyección. A continuación, se pesan y se añaden 25 milimolares de hierro, dos tetra cloruro y 75 milimolares de hierro. Tres cloruros hexahidratados al agua.

Revuelva la mezcla suavemente para disolver los iones sin introducir oxígeno en la mezcla. Después de que los iones se disuelvan, reanude inmediatamente el ligero burbujeo de la solución con gas nitrógeno. Mientras se preparan las inyecciones, elija dos de las soluciones de inyección primarias de la tabla que se muestra aquí y prepare 10 mililitros de cada solución.

Luego llene una jeringa de 10 mililitros hasta la marca de siete mililitros con cada una de las soluciones, táptelas y déjelas a un lado. A continuación, prepare 20 mililitros de sulfuro de sodio de 50 milimolares en la campana extractora como inyección secundaria. Llene dos jeringas de 10 mililitros hasta la marca de siete mililitros Con la solución, vuelva a colocar las tapas de las agujas y déjelas a un lado.

Asegure las jeringas de inyección primaria en una bomba de jeringa programable que se encuentra dentro de la campana extractora. Ajuste la velocidad de inyección a un mililitro por minuto y encienda la bomba hasta que ambas jeringas comiencen a gotear en el vaso de precipitados. A continuación, detenga la inyección.

A continuación, inserte las jeringas que contienen agua desionizada en los dos tubos de inyección de plástico e inyecte de modo que el agua llene el tubo transparente hasta la abertura donde ingresa al depósito principal. A continuación, coloque las jeringas en el soporte situado encima de los viales de inyección. A continuación, vierta con cuidado 100 mililitros de la solución del depósito que contiene hierro en cada vial.

Cree con cuidado un sello hermético sobre los viales con perfil e inserte una alimentación de nitrógeno en cada vial. Ajuste el flujo de las líneas de gas nitrógeno según lo desee para mantener el experimento anóxico durante la duración de las inyecciones. A continuación, coloque las jeringas llenas de agua una a la vez junto a las jeringas de inyección primaria.

Deslice con cuidado el tubo de inyección de plástico y transfiéralo inmediatamente directamente a una de las agujas de la jeringa de inyección principal. Teniendo cuidado de no perforar la pared del tubo. A continuación, configure la bomba de jeringa para que funcione a dos mililitros por hora durante tres horas y comience la inyección al mismo tiempo.

Inicie el registro del potencial de membrana. Presione detener la bomba de jeringa después de tres horas. Una vez que se hayan formado las estructuras del jardín químico, retire con cuidado las jeringas de inyección primaria de la bomba de jeringa, pero déjelas conectadas a la tubería para que las estructuras no se alteren.

Colóquelos en el soporte por encima del nivel del líquido en los viales para que el líquido no regrese a la jeringa. A continuación, asegure las jeringas de inyección secundaria, que en este caso consisten en sulfuro de sodio, a la bomba de jeringa y cebe la aguja hasta que ambas comiencen a gotear, deseche la solución de sulfuro en un contenedor especial para desechos peligrosos. Luego, retire las jeringas una a la vez de la bomba de jeringa y transfiera el tubo de la jeringa de inyección primaria a la jeringa que contiene sulfuro de sodio.

Reprograme la bomba de jeringa para inyectar la solución a dos mililitros por hora y presione iniciar para inyectar la solución de sulfuro de sodio a esta velocidad durante tres horas. Una vez que la solución de inyección primaria se alimenta a la solución del depósito, comienza a formarse un precipitado de jardín químico en la interfaz del fluido, y esta estructura continúa creciendo en el transcurso de la inyección bajo microscopía electrónica de barrido ambiental, los precipitados primarios formados en presencia de alanina parecían más redondeados en amorfo, mientras que los precipitados de oxihidróxido de hierro puro, así como los que contenían pirofosfato, parecían más cristalinos después del primario inyección. El potencial tendía a alcanzar su punto máximo inmediatamente alrededor de 0,45 a 0,55 voltios, y luego disminuyó durante aproximadamente una hora antes de estabilizarse alrededor de 0,1 a 0,2 voltios para el resto de la inyección primaria.

Cuando las jeringas primarias se cambiaron por las jeringas secundarias que contenían sulfuro de sodio, el jardín químico continuó creciendo, excepto que los nuevos crecimientos visibles ahora eran sulfuro de hierro negro. En lugar de contribuir a los muros existentes, las porciones de sulfuro negro del jardín químico parecían ramificarse y crecer por separado. Tan pronto como la solución de inyección de sulfuro llegó al jardín químico, el potencial de la membrana saltó inmediatamente a aproximadamente 0,9 voltios.

Hay muchas combinaciones posibles de soluciones que puedes utilizar para cultivar tus jardines químicos. También es posible cambiar la tasa de inyección de una tasa más rápida a una tasa más lenta y cambiar la inyección primaria a una secundaria en cualquier momento durante el experimento, siempre que la estructura de su jardín químico esté completamente formada. Las soluciones de sulfuro de sodio liberan gas de sulfuro de hidrógeno, que es extremadamente peligroso.

Los recipientes abiertos de sulfuro de sodio y las soluciones que contienen sulfuro deben usarse dentro de la campana extractora y manipularse de acuerdo con las pautas de la hoja de datos de seguridad del material, tanto las soluciones usadas como las no utilizadas deben eliminarse como desechos peligrosos. Las chimeneas hidrotermales que acabamos de ver crecer en el laboratorio están hechas de minerales porosos, básicamente sulfuros de hierro e hidróxidos de hierro. Y creemos que actuarán como catalizadores en los primeros años de vida, y son muy similares en estructura a los catalizadores y enzimas que tenemos incluso en nuestra propia piel hasta el día de hoy.

Este experimento se puede utilizar para simular diferentes entornos geológicos, pero también es aplicable desde la ciencia de los materiales porque hay mucho interés en aprender a controlar el crecimiento de estas estructuras autoensamblables mediante la manipulación de los parámetros del experimento, y también quizás también para crear estructuras y materiales que podrían actuar como catalizadores de diferentes reacciones.