Nous décrivons la formation de jardins chimiques par des expériences d’injection qui permettent de simuler en laboratoire des systèmes de jardins chimiques naturels qui se forment dans des cheminées hydrothermales sous-marines.
Article de méthode
Nous décrivons la formation de jardins chimiques par des expériences d’injection qui permettent de simuler en laboratoire des systèmes de jardins chimiques naturels qui se forment dans des cheminées hydrothermales sous-marines.
Ici, nous rapportons des simulations expérimentales de croissance de cheminées hydrothermales à l’aide de méthodes de jardin chimiques par injection. La polyvalence de ce type d’expérience permet de tester diverses chimies de fluides océaniques / hydrothermaux qui auraient pu entraîner des réactions vers l’origine de la vie dans les environnements de la Terre primitive, de Mars ou même d’autres mondes tels que les lunes glacées des planètes extérieures. Nous montrons des expériences qui incluent la croissance de structures de jardins chimiques dans des conditions anoxiques simulant la Terre primitive, l’inclusion de composants traces de phosphates / organiques dans la solution d’injection pour les incorporer dans la structure, un changement de la solution d’injection pour introduire un anion précipitant secondaire, et la mesure des potentiels membranaires générés par les jardins chimiques. En utilisant cette méthode, des structures de jardin chimiques auto-assemblées ont été formées qui imitent les cheminées naturelles précipitées aux sources hydrothermales sous-marines, et ces précipités peuvent être utilisés avec succès comme réacteurs à écoulement continu en alimentant par de multiples injections « hydrothermales » successives.
«Jardins chimiques" sont précipités inorganiques auto-assemblage développés où les deux fluides de chimies contrastées interagissent 1,2. Ces structures inorganiques auto-assemblage ont fait l'objet d'un intérêt scientifique depuis plus d'un siècle, en partie en raison de leur apparence biomimétique, et de nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour comprendre les divers aspects complexes et les fonctions possibles des systèmes de jardin chimiques 3. Exemples des jardins naturels et chimiques comprennent minérales "cheminée" précipités qui poussent autour de sources hydrothermales et des suintements, et il a été soutenu que ceux-ci pourraient fournir des environnements plausibles pour la vie d'émerger 4. Pour pousser un jardin chimique simulant un évent cheminée hydrothermale naturel, une solution de réservoir devrait représenter une composition de l'océan simulé et une solution d'injection devrait représenter le fluide hydrothermal qui se jette dans l'océan. La polyvalence de ce type of expérience pour les systèmes de réaction différentes permet à la simulation de presque toute la chimie de l'océan fluide / hydrothermale proposé, y compris les environnements sur la Terre primitive ou sur d'autres mondes. Sur la Terre primitive, les océans auraient été anoxique, acide (pH 5-6), et aurait contenu dissous CO 2 atmosphérique et Fe 2+, ainsi que Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- et NO 2. Les réactions chimiques entre l'eau de mer et ce la croûte océanique ultramafique auraient produit un fluide hydrothermique alcaline contenant de l'hydrogène et du méthane, et dans certains cas, le sulfure de (HS -) 8.4. Les cheminées formé au début de la Terre environnements alcaline de ventilation auraient donc pu contenue oxyhydroxydes ferriques / ferreux et des sulfures de fer / nickel, et il a été proposé que ces minéraux auraient pu servir certaines fonctions catalytiques et proto-enzymatique vers exploiter géochimiques redox / gradients de pH de conduire l'émergence de Metabolism 5. De même, sur d'autres mondes comme celle peuvent accueillir (ou peut-être hébergées) / interfaces rocheuses d'eau - tels que début Mars, la lune de Jupiter Europa ou la lune de Saturne Enceladus - il est possible que la chimie de l'eau / rock pourrait générer des environnements alcalins de ventilation capable de conduite chimie prébiotique ou même fournir des niches habitables de la vie existant 5,9-11.
L'expérience de jardin chimique classique implique un germe cristallin d'un sel de métal, par exemple de tétrahydrate de chlorure ferreux FeCl 2 • 4H 2 O, immergé dans une solution contenant des anions réactifs, par exemple des silicates de sodium ou de "verre soluble". Les dissout de sels métalliques, en créant une solution acide contenant Fe 2+ qui assure l'interface avec la solution plus alcaline (contenant des anions silicates et OH -) et une membrane inorganique précipité est formé. Les houles de membrane sous pression osmotique, des éclats, puis re-précipite unet la nouvelle interface fluide. Ce processus se répète jusqu'à ce que les cristaux sont dissous, résultant en une orientation verticale, la structure de précipité auto-organisée avec la morphologie complexe aux échelles macro et micro. Ce processus de précipitation des résultats dans la séparation continue de solutions chimiquement contrastés à travers la membrane de jardin chimique inorganique, et la différence des espèces chargées à travers la membrane produit une membrane de 12 à 14 potentiel. Les structures de jardin chimique sont complexes, présentant des gradients de composition de l'intérieur vers l'extérieur 13,15-19, et les murs de la structure de maintenir la séparation entre les solutions contrastées pendant de longues périodes tout en restant quelque peu perméable aux ions. En plus d'être une expérience idéale à des fins éducatives (comme ils sont simples à réaliser pour des démonstrations en salle de classe, et peuvent éduquer les élèves sur les réactions chimiques et auto-organisation), les jardins chimiques ont une signification scientifique comme des représentations de l'auto-assembLy dans les systèmes dynamiques, loin-de-équilibre, impliquant des méthodes qui peuvent conduire à la production de matériaux intéressants et utiles 20,21.
Jardins chimiques dans le laboratoire peuvent aussi être cultivées par des méthodes d'injection, dans lequel la solution contenant un ion précipitant est lentement injecté dans la seconde solution contenant l'ion de coprécipitation (ou ions). Cela se traduit par la formation de structures chimiques de jardin semblables à celles des expériences de croissance cristalline, à l'exception que les propriétés du système et le précipité peuvent être mieux contrôlées. Le procédé d'injection présente plusieurs avantages significatifs. Elle permet de former un jardin chimique en utilisant une combinaison quelconque des espèces de précipitation ou intégrés, à savoir, des ions précipitants multiples peuvent être incorporés dans une solution, et / ou d'autres composants non-précipitation peut être inclus dans une ou l'autre solution pour adsorber et / ou réagissent avec le précipité . Le potentiel de la membrane produite dans un produit chimiqueSystème de jardin peut être mesurée dans un essai d'injection si une électrode est incorporée à l'intérieur de la structure, permettant ainsi l'étude du système électrochimique. Des expériences d'injection offrent la possibilité d'alimenter la solution d'injection à l'intérieur du jardin d'chimique pour des délais contrôlées en faisant varier la vitesse d'injection ou le volume total injecté; il est donc possible d'alimenter grâce à des solutions différentes séquentiellement et utiliser la structure précipité comme un piège ou un réacteur. Ensemble, ces techniques permettent des simulations en laboratoire des processus complexes qui ont pu se produire dans un système de jardin chimique naturel à un évent sous-marin hydrothermale, y compris une cheminée formée à partir de nombreuses réactions de précipitation simultanée entre l'océan et les conduits de fluide (par exemple, la production de sulfures métalliques, des hydroxydes et / ou des carbonates et des silicates) 5,22. Ces techniques peuvent également être appliquées à n'importe quel système de réaction chimique de jardin pour permettre la formation de nouveaux typesdes matériaux, par exemple, des tubes ou des tubes en couches avec des espèces réactives adsorbées 20,23.
Nous détaillons ici un exemple de l'expérience de ce que comprend la croissance simultanée de deux jardins chimiques, contenant Fe 2+ structures dans un environnement anoxique. Dans cette expérience, nous avons incorporé des traces de polyphosphates et / ou des acides aminés dans la solution d'injection initiale d'observer leur effet sur la structure. Après la formation initiale du jardin chimique puis nous sommes passés de la solution injectable de sulfure d'introduire comme un anion précipitant secondaire. Les mesures des potentiels de membrane ont été faites automatiquement tout au long de l'expérience. Ce protocole décrit comment exécuter deux expériences à la fois en utilisant une pompe à double seringue; Les données présentées tenus plusieurs exécutions de cette procédure. Les débits relativement élevés, une faible pH des concentrations de réservoir et réactifs utilisés dans les expériences sont conçues pour former des précipités grande cheminée sur sc tempsAles appropriés pour des expériences de laboratoire d'une journée. Toutefois, les taux d'écoulement du fluide à sources hydrothermales naturelles peuvent être beaucoup plus diffus et les concentrations de réactifs de précipitation (par exemple, Fe et S dans un système de la Terre au début) pourrait être un ordre de grandeur inférieur 4; Ainsi, précipités structurés seraient forment sur de longues échelles de temps et de l'évent pourraient être actif pour des dizaines de milliers d'années 24,25.
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1. Considérations de sécurité
2. Configuration pour expériences d'injection
3. Préparation des solutions pour Chemical Garden croissance
4. Démarrage de l'injection primaire
5. Démarrage de l'injection secondaire:
6. Mettre fin à l'expérience
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Une fois que la solution d'injection a commencé à alimenter le réservoir de solution, un précipité de jardin chimique commence à se former à l'interface fluide et cette structure a continué de croître au cours de l'injection (figures 4-7). Dans les expériences rapportées ici, la première injection est l'hydroxyde de sodium (qui peut être modifié pour inclure la L-alanine et / ou de pyrophosphate), et la solution de réservoir était un mélange 1: 3 de Fe 3+ / Fe 2+, ce qui donne un mélange -red...
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La formation d'une structure chimique de jardin par procédé d'injection peut être réalisée par l'interface des deux solutions contenant des ions réactifs qui produisent un précipité. Il existe de nombreux systèmes de réaction possibles qui produiront des structures de précipité et de trouver la bonne recette et les concentrations d'ions réactifs pour faire croître une structure désirée est une question d'essais et d'erreurs. Le débit de la solution d'injection de flux est contrôlé par une pom...
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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Cette recherche a été réalisée au Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, dans le cadre d’un contrat avec la National Aeronautics and Space Administration. Nous reconnaissons le soutien de l’Institut d’astrobiologie de la NASA (Icy Worlds). L.M.B. est soutenu par la NAI par le biais du programme postdoctoral de la NASA, administré par les universités associées d’Oak Ridge dans le cadre d’un contrat avec la NASA. J.E.N. a été soutenu par un RP du ministère américain de l’Éducation / Award # : P031C110019 administré par le Citrus College. Nous reconnaissons les discussions utiles avec les membres du groupe de discussion sur la thermodynamique, le déséquilibre et l’évolution de la NAI et du Blue Marble Space Institute of Science.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Pousse-seringue | Fisher | 14-831-3 | Double ou plusieurs canaux, selon le nombre souhaité d’expériences simultanées |
| Chlorure ferreux tétrahydraté | Fisher | I90500 | Chlorure ferreux tétrahydraté (cristallin/certifié) |
| Chlorure ferrique hexahydraté | Fisher | I88-100 | Ferric ; Chlorure ; Hexahydrate ; (Morceaux/Certifié ACS) |
| Hydroxyde de sodium | Sigma-Aldrich | S5881 | qualité réactif, &ge ; 98 %, granulés (anhydres) |
| Sulfure de sodium non hydraté | Fisher S425212 | Sulfure de sodium nonahydraté (cristallin/certifié ACS). Magasin à -20 ; ° ;C. Ouvrir uniquement dans une boîte à gants ou une hotte. Libère des gaz toxiques H2S ; Toutes les solutions contenant du sulfure doivent être conservées dans une boîte à gants ou une hotte. | |
| Pyrophosphate | de potassium Sigma-Aldrich | 322431 | 97 % |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | |
| Seringues (10 ; cc) | Fisher | 14-823-16E | BD&commerce ; Seringue avec embouts Luer-Lok (sans aiguille) |
| Aiguilles de seringue (16 ; jauge) | Fisher | 14-826-18B | BD&commerce ; Aiguilles hypodermiques à usage général et PrecisionGlide, 16 G x 1,5 po. (38 ans ; mm) |
| Tube | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tube de laboratoire Tygon, sans DEHP, 1/16 « ID x 1/8 |
| OD Joints | en aluminium Fisher | 0337523C | Thermo Scientific&commerce ; National et commerce ; Espace de tête 20 mm Joints à sertir |
| Gris butyle bouchons | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific&trade ; National et commerce ; 20 ; mm Septa pour flacons Headspace Flacons de |
| sérum | Sigma-Aldrich | 33110-U | Flacons, bouchon à sertir, flacon de sérum, taille 100 ml, verre transparent, diamètre extérieur & temps ; H 51,7 mm & temps ; 94,5 millimètres. Pour ces expériences, le fond de la bouteille de sérum doit être coupé. |
| Pointes de pipette | VWR | 53511-682 | pointes de pipette 0.5-10 μ ; l |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Fil monoconducteur solide, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
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