מאמר שיטה

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

DOI:

10.3791/53015

⸱

18 בנובמבר 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2NASA Astrobiology Institute, Icy Worlds, 3Blue Marble Space Institute of Science, 4Citrus College

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מתארים היווצרות גנים כימיים באמצעות ניסויי הזרקה המאפשרים סימולציות מעבדה של מערכות גן כימיות טבעיות הנוצרות בנביעות הידרותרמיות תת-ימיות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מדווחים על סימולציות ניסיוניות של גידול ארובות הידרותרמיות בשיטות הזרקה כימיות של גינון. הרבגוניות של ניסוי מסוג זה מאפשרת בדיקה של כימיות שונות של אוקיינוס / נוזל הידרותרמי שהיו יכולות להניע תגובות לקראת מקור החיים בסביבות בכדור הארץ המוקדם, במאדים המוקדם, או אפילו בעולמות אחרים כמו הירחים הקפואים של כוכבי הלכת החיצוניים. אנו מראים ניסויים הכוללים גידול של מבני גינה כימיים בתנאים אנוקסיים המדמים את כדור הארץ הקדום, הכללת מרכיבי קורט של פוספטים / אורגניים בתמיסת ההזרקה כדי לשלבם במבנה, החלפת תמיסת ההזרקה להכנסת אניון משקע משני, ומדידת פוטנציאל הממברנה הנוצר על ידי גנים כימיים. באמצעות שיטה זו, נוצרו מבני גן כימיים בהרכבה עצמית המחקים את הארובות הטבעיות המשקעות במעיינות הידרותרמיים תת-ימיים, וניתן להשתמש במשקעים אלה בהצלחה ככורים זורמים על ידי הזנה באמצעות הזרקות "הידרותרמיות" מרובות עוקבות.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

"גנים כימיים" הם משקעים אורגניים הרכבה עצמית המפותחים שבו שני נוזלים של chemistries מנוגד האינטראקציה 1,2. מבנים אורגניים הרכבה העצמית אלה היו הנושא של עניין מדעי במשך יותר ממאה בחלקו בשל המראה שלהם biomimetic, ורבים מחקרים ניסיוניים ותיאורטי כבר רדפו להבין את ההיבטים השונים מורכבים ופונקציות אפשריות של מערכות גן כימיות 3. דוגמאות טבעיות של גנים כימיים כוללות משקעים "ארובה" מינרלים שגדלים סביב מעיינות הידרותרמיות ומחלחל, וזה כבר טען כי אלה יכולים לספק סביבות מתקבלות על הדעת לחיים לצאת 4. לגדול גן כימי מדמה ארובת אוורור הידרותרמיות טבעי, פתרון מאגר צריך לייצג הרכב אוקיינוס ​​מדומה ופתרון הזרקה צריך לייצג את הנוזל הידרותרמיות שמזין לתוך האוקיינוס. הרבגוניות של o סוג זהניסוי F למערכות תגובה שונות מאפשר סימולציה של כמעט כל כימיה מוצעת אוקיינוס ​​/ הידרותרמיות נוזל, כוללים סביבות על כדור הארץ הקדום או בעולמות אחרים. על כדור הארץ הקדום, האוקיינוסים היו anoxic, חומצי (pH 5-6), והיה הכילו מומסים CO 2 באטמוספרה ופה 2 +, כמו גם פה III, Ni 2 +, Mn 2 +, NO 3 , ולא 2. תגובות כימיות בין מי ים ואת קרום אוקיינוס ​​ultramafic היו מיוצרות נוזל הידרותרמיות בסיסי המכיל מימן ומתאן, ובחלק ממקרים גופרתי (HS -) 4-8. הארובות נוצרו בסביבות פורקן בסיסי מוקדמות כדור הארץ ובכך יכולות היו כלולים oxyhydroxides ברזל / ברזל וסולפידים הברזל / ניקל, וזה כבר הציע שמינרלים אלה שאולי שימשו פונקציות קטליטי ופרוטו-האנזימטית מסוימות כלפי רתימת חיזור / הדרגתיים pH גיאוכימיים לנהוג הופעתה של metaboliמ"ר 5. מים / ממשקים כמו כן, על עולמות אחרים, כגון שעלולים לארח (או אולי אירחו) רוק - כגון תחילת מארס, אירופה הירח של צדק, או הירח של שבתאי אנסלדוס - זה אפשרי, כי כימיה מים / רוק יכולה ליצור סביבות פורקן בסיסיות מסוגלים נהיגה כימיה prebiotic או אפילו מתן נישות למגורים לכל חיים קיימים 5,9-11.

ניסוי הגן כימי הקלאסי כרוך גביש זרע של מלח מתכת, למשל tetrahydrate כלוריד ברזל FeCl 2 • 4H 2 O, שקוע בתמיסה המכילה אניוני תגובה, למשל סיליקט נתרן או "כוס מים". המסת מלח מתכת, יצירת תמיסה חומצית מכילה פה 2 + ממשקים עם הפתרון בסיסי יותר (המכילה אניוני סיליקט וOH -) ומשקע קרום אורגני נוצר. מתנפח הקרום תחת לחץ האוסמוטי, התפרצויות, אז מחדש משקעיםt ממשק הנוזל החדש. תהליך זה חוזר עד הגבישים מתמוססים, וכתוצאה מכך בכיוון אנכי, מבנה משקע עצמי מאורגן עם מורפולוגיה מורכבת בשני סולמות מאקרו ומיקרו. תוצאות תהליך זה ממטרים בהפרדה המשיכה פתרונות כימיים מנוגדים על פני קרום הגן כימי אורגני, וההבדל של מין טעון על פני הקרום מניבה קרום פוטנציאל 12-14. מבני גן כימי מורכבים, מציגים הדרגתיים הלחנה מפנים לחיצוני 13,15-19, והקירות של המבנה לשמור על הפרדה בין פתרונות המנוגדים לתקופות ארוכות בזמן שנותרו מעט חדיר ליונים. בנוסף להיותו ניסוי אידיאלי למטרות חינוכיות (כפי שהם פשוט להפוך להפגנות בכיתה, והוא יכול לחנך את התלמידים על תגובות כימיות וארגון עצמי), יש לי גנים כימיים כייצוגים של assemb עצמי משמעות מדעיתly במערכות דינמיות, רחוק משיווי המשקל, הכולל שיטות שיכולים להוביל לייצור של חומרים מעניינים ושימושיים 20,21.

גנים כימיים במעבדה גם ניתן לגדל באמצעות שיטות הזרקה, שבו התמיסה המכילה יונים מזרזים אחד מוזרקת באיטיות לתוך הפתרון השני המכיל את היון מזרז-שיתוף (או יונים). התוצאה היא ההיווצרות של מבני גן כימיים דומים לאלה של ניסויי צמיחת גביש, פרט לכך שהמאפיינים של המערכת והמשקע יכולים להיות נשלטו טובים יותר. יש שיטת ההזרקה כמה יתרונות משמעותיים. היא מאפשרת אחד כדי ליצור גן כימי באמצעות כל שילוב של מינים מזרזים או התאגדו; כלומר, יכולים להיות משולבים יונים מזרזים מרובים לתוך פתרון אחד, ו / או ניתן לכלול רכיבי מזרז לא-באו פתרון ללספוג / להגיב עם המשקע . פוטנציאל הקרום שנוצר בחומר כימימערכת גן ניתן למדוד בניסוי הזרקה אם האלקטרודה משולבת לתוך הפנים של המבנה, ובכך לאפשר מחקר אלקטרוכימי של המערכת. ניסויי הזרקה מציעים את היכולת להאכיל את פתרון ההזרקה לתוך הפנים של הגן הכימי למסגרות זמן שונים הנשלטות על ידי קצב ההזרקה או נפח מוזרק כולל; לכן ניתן להאכיל ברצף פתרונות שונים ולהשתמש במבנה זירז כמלכודת או כור. בשילוב, טכניקות אלו מאפשרים לסימולציות במעבדה של התהליכים המורכבים שיכולים היה להתרחש במערכת גן כימית טבעית בפורקן הידרותרמיות צוללת, כולל ארובה שנוצרה מהרבה תגובות משקעים בו זמנית בין האוקיינוס ​​ולפרוק נוזל (למשל, סולפידים מתכת ייצור, hydroxides , ו / או פחמתי וסיליקטים) 5,22. יכולות להיות מיושמות גם בטכניקות אלה לכל מערכת תגובת גן כימית כדי לאפשר היווצרות של סוגים חדשיםשל חומרים, למשל, צינורות או צינורות שכבתיים עם מינים תגובתי adsorbed 20,23.

אנחנו נפרט כאן ניסוי דוגמא הכולל צמיחה בו זמנית של שני גנים כימיים, Fe 2 + המכילים מבנים בסביבת anoxic. בניסוי זה אנו משולבים כמויות זעירות של polyphosphates ו / או חומצות אמינו לפתרון ההזרקה הראשונית להתבונן השפיעו על המבנה. לאחר היווצרות ראשונית של הגן הכימי שלאחר מכן החליפו את פתרון ההזרקה להציג גופרתי כאניון מזרז משנית. מדידות של פוטנציאל קרום נעשו באופן אוטומטי בכל הניסוי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להפעיל שני ניסויים בשימוש במשאבת מזרק כפול פעם אחת; הנתונים שמוצגים נדרשו ריצות מרובות של הליך זה. ספיקות גבוהות יחסית, pH הנמוך של ריכוזי המאגר ומגיב מועסקים בניסויים שלנו נועדו ליצור ארובה גדולה משקעים בsc הזמןAles המתאים לניסויי מעבדה של יום אחד. עם זאת, שיעורי זרימת נוזל במעיינות הידרותרמיות טבעיות יכולים להיות הרבה יותר מפוזר והריכוזים של מגיבים מזרזים (למשל, פה ו- S במערכת כדור הארץ מוקדמת) יכולים להיות בסדר גודל נמוך 4; כך, משקעים מובנים יהוו על לוחות זמנים ארוכים יותר והאוורור יכול להיות פעיל במשך עשרות אלפי שנים 24,25.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. שיקולי בטיחות

  1. להשתמש בציוד מגן אישי (מעבדה מעיל, משקפי מגן, כפפות nitrile, נעליים מתאימות) כדי למנוע נגד דליפות כימיות או פציעה. השתמש במזרקים ומחטים, ולדאוג שלא לנקב כפפות. דואג במהלך התקנת ניסוי כדי לבדוק את המנגנון להדלפות על ידי ביצוע הזריקה ראשון עם כפול מזוקק H 2 O (DDH 2 O), וכדי לבדוק את היציבות של בקבוקוני תגובה על הדוכן, לפני הוספת כימיקלים.
  2. מתחייב ניסוי זה עם כל מתכון גן כימי, אך אחד מהמגיבים אנו משתמשים כדי לדמות פתחים במעמקי ים הוא כימיקל מסוכן, נתרן גופרתי; לכן לעשות הניסוי כולו בתוך מנדף כדי למנוע חשיפה.
    1. לפתוח רק את הבקבוק של נתרן גופרתי במנדף ולמקם את איזון בתוך מנדף לשקילת גופרי. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי בתוך מנדף כפי שהם ישחררו את הגז רעיל S H 2, וגם לשמור על sulfidנוזל דואר, חדים, ומיכלי פסולת מוצק במנדף. מגיב אחר של עניין הוא פה (II) Cl 2 • 4H 2 O, אשר מתחמצן בחשיפה לאוויר, כך דואג לשמור פתרונות anoxic ולגדול גנים כימיים תחת אמיץ anoxic (למשל, N 2 או אר), תמיד ב מנדף או תא הכפפות.

2. הגדרה לניסויים בהזרקה

  1. צור "בקבוקוני הזרקה" זכוכית על ידי ניתוק 1 סנטימטר התחתון של זכוכית שקופה 100 מיליליטר crimp בקבוק סרום עליון (crimp סוג סגירת חותם 20 מ"מ) עם חותך זכוכית, כך ש, כאשר הפוך, הכלי פתוח לאוויר. כמו אלה הם לשימוש חוזר, לנקות את צלוחיות באמבטית 1 O חומצת M HCl / N, ולאחר מכן לשטוף היטב עם DDH 2 O לפני ניסוי חדש.
  2. הכן את בקבוקוני הזרקה (איור 1).
    1. לאסוף מחצה 20 מ"מ, 20 מ"מ אלומיניום crimp חותם, וקצה פיפטה פלסטיק 0.5-10 μl. שימוש במזרק ne 16 Gedle, לנקב חור בזהירות דרך המרכז של מחיצת האף, ולאחר מכן להסיר ולהשליך את המחט במכל הפסולת החדים המתאים.
    2. הכנס את קצה פיפטה לתוך חור המחט, לצד השני של מחיצת הגומי שיעמוד בפני בתוך הראש מלחץ של הבקבוקון. לדחוף את קצה פיפטה באמצעות המחיצה, כך שהוא דוקר את הצד השני.
    3. לחיצה-לאטום את המחיצה עם קצה פיפטה על כלי ההזרקה לעשות חותם אטום למים. כאשר אטום, לדחוף את קצה פיפטה נוסף באמצעות המחיצה, כך שהוא בולט החוצה.
    4. להדביק צינורות 1/16 "קוטר הפנימי ברורים גמישים כימיים עמידה לקצה פיפטה (אורך צינור צריך להגיע מבקבוקון ההזרקה למשאבת המזרק); להחליק אותו לחותם אטום למים.
      שים לב: זה יהיה צינור ההזרקה, האכיל מהקצה השני על ידי מזרק עם מחט 16 G.
    5. בדקו דליפות: הכנס מזרק 10 מיליליטר מלא DDH 2 O עם מחט G 16 לקצה השני של הצינור(בצורה חלקה להחליק את הצינור היישר אל המחט ולהיזהר שלא לנקב את הקיר של הצינור). לאט לאט להזריק כך שDDH 2 O נע מעלה והצינורות לתחתית כלי התגובה. חותמות להבטיח כי המזרק / צינור, צינור / טיפ, וcrimp הן אטומים למים.
  3. הצמד את בקבוקוני ההזרקה בדוכן במנדף, כך שהזריקה תהיה להאכיל מהחלק התחתון של הבקבוקון.
    הערה: ניתן להגדיר בקבוקונים מרובים בבת אחת והאכילו בו זמנית על ידי מזרקים נפרדים.
  4. הגדרת אלקטרודות למדידת פוטנציאל הממברנה על הקיר של הגנים הכימיים. תמיד להשתמש באותו הכנס שעופרת היא "בתוך" ושהוא "מחוץ" לגנים הכימיים.
    1. חותך אורכים של חוט מבודד (למשל, נחושת) שמגיע מבפנים כלי התגובה ליתרון של מודד לוגר או נתונים. השאר קצת רפוי בחוטי החשמל למיצוב.
    2. הרצועה ~ 3 מ"מ שלחוט חשוף בקצוות שיהיה ממוקמים בתוך בקבוקון התגובה. בקצוות האחרים שמחוברים למוביל מודד, רצועה ~ 1 סנטימטר של חוט.
    3. לתקן את החוטים במקום למדוד פוטנציאל קרום על פני הגן הכימי. לחוט שילך בתוך הגן הכימי: הכנס אותו לפתיחה של קצה פיפטה שממנו הנוזל יאכיל לתוך הכלי.
    4. לדחוף את החוט בקלות כדי להבטיח מגע עם פתרון ההזרקה, אבל לא כל כך הרבה שזה יהיה לסתום את זרימת ההזרקה. למחוץ התיל: המקום כך שהוא יהיה במגע עם מאגר הפתרון אבל לא עם משקע הגן הכימי.
    5. קלטת או אחר לאבטח את החוטים, כך שהם לא יכולים לזוז בתוך בקבוקון ההזרקה במהלך הניסוי (איור 2).
    6. צרף את הקצוות האחרים של החוטים למודד, ולאבטח את החוטים כך שהקצוות אלה גם לא זזו לאורך כל הניסוי.
  5. הגדרת N 2 קווי גז שכל להאכיל לאחת מהבקבוקונים להזרקה.
    1. לפצל את הזנת הגז ממקור N 2 לכמה צינורות, כך שיש להאכיל אחד N 2 לכל בקבוקון הזרקה.
    2. מניחים כל צינור N 2, כך שהוא מזין לתוך אמיץ של אחד מהבקבוקונים להזרקה.

3. הכנת פתרונות לגן כימית צמיחה

  1. הכן את פתרון המאגר, עבור כל ניסוי 100 מיליליטר. הערה: בדוגמא זו, השתמש 75 מ"מ Fe 2+ ו -25 מ"מ Fe 3+ כקטיונים המזרזים (טבלת 1).
    1. ליצור פתרונות anoxic ידי המבעבע הראשון DDH 2 O עם N 2 גז ל~ 15 דקות לכל 100 מיליליטר.
    2. לשקול את ולהוסיף FeCl 2 • 4H 2 O וFeCl 3 • 6 שעות 2 O, תוך ערבוב בעדינות כדי לפזר (לא בתוקף כדי לא להציג את החמצן).
    3. לאחר ריאגנטים מומסים, מייד resumמבעבע דואר אור Fe 2+ / Fe 3+ פתרון עם N 2 גז בעוד זריקות מוכנות.
  2. בחר כל שני פתרונות ההזרקה העיקריים מוצגים בטבלה 1, ולהכין 10 מיליליטר של כל אחד. ממלאי מזרק 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם כל אחד מהפתרונות (מזרק אחד לכל פתרון). החזר את כמוסות המחט ומניח בצד.
  3. הכן 20 מיליליטר של פתרון ההזרקה המשני (נתרן גופרתי - זהירות). ניתן לראות בטבלה 1 מלא שני מזרקים 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם הפתרון הזה, להחליף את כובעי המחט ומניח בצד. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי ומזרקים במנדף.
  4. למלא את DDH 2 O מזרקים משלב 2.2.5; אלה ישמשו כדי לשטוף את צינור ההזרקה.

4. החל ההזרקה הראשונית

  1. השתמש בנתונים לוגר רצויים למדידות פוטנציאל הממברנה; למדוד את הפוטנציאל של כל ניסוי בseparatערוץ E, ולקבוע את שיעור הסריקה לתת את הכמות הרצויה של נקודות נתונים (לדוגמא, להזרקה 2-שעה, הקלטת פוטנציאל בכל 30 שניות תספיק).
  2. אבטח את המזרקים ההזרקה העיקריים במשאבת מזרק לתכנות במנדף.
  3. השתמש בכוס פסולת לתפוס טיפות ולהגדיר את משאבת המזרק כדי להזריק בקצב מהיר עד המזרקים שני מתחילים לטפטף לתוך הכוס. אז להפסיק ההזרקה (על מנת להבטיח ששני המזרקים להתחיל הזרקה בדיוק באותה הרמה).
  4. תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה (לכייל לסוג של מזרק בשימוש), אך לא פגע התחלה.
  5. הכנס את DDH 2 O המזרקים לשני צינורות פלסטיק בהזרקה, ולהזריק כך שהמים ממלאים את צינורות עד ברור לצמצם שבו נכנס למאגר המרכזי. מניחים את המזרקים על הדוכן, מעל בקבוקוני ההזרקה.
  6. יוצקים של פתרון מאגר Fe 2+ / 3+ פה לEA 100 מיליליטרבקבוקון ch.
  7. התאם את הזרימה של קווי גז N 2 כרצויים לשמור anoxic הניסוי למשך הזריקות.
  8. לכסות בזהירות את בקבוקוני מאגר עם חותם אטום (למשל, באמצעות Parafilm; לא חוסם את הנוף מבעד לזכוכית) והכנס N 2 להאכיל לתוך בקבוקון אחד (איור 3).
  9. להביא 2 O המזרקים DDH (עדיין הוכנסו בצינורות) למטה ליד המזרקים הזרקה הראשוניים. החלק בזהירות את צינור הפלסטיק בהזרקה את מחט מזרק O DDH 2, ולהעביר אותו באופן מיידי ישירות על גבי אחת ממחטי מזרק ההזרקה הראשונית. (שים לב שלא לנקב את הקיר של הצינור.)
  10. התחל ההזרקה, ולהתחיל בהקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה.

5. החל ההזרקה המשנית:

  1. הכה תחנה על משאבת המזרק לאחר 3 שעות (לאחר 6 מיליליטר כבר הזריק), מבני גן פעם כימיים יצרו (Figuמחדש 4), יצירת פוטנציאל הממברנה ללא הרף (איור 5).
  2. מוציא בזהירות את המזרקים ההזרקה העיקריים ממשאבת המזרק (אבל להשאיר אותם מחובר לצינורות כך המבנים לא מופרעים); להגדיר אותם על הדוכן מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים כך שהנוזל לא יכול לזרום בחזרה לתוך המזרק.
  3. אבטח את המזרקים הזרקה גופרתי המשניים למשאבת המזרק, וחזור על שלבי 4.3 ו -4.4.
  4. הסר את המזרקים המשניים אחת בכל פעם ממשאבת המזרק, ותוך כדי לחיצת המזרקים מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים, לחזור על שלב 4.9, העברת צינורות מהמזרקים העיקריים למזרקים המשניים (איור 6). להיות ערני שלחץ הנוזל מהמאגר לתוך המזרק אינו גורם לנוזל לזרום בחזרה לתוך המזרק כמו זה יכול לכווץ את הגן הכימי.
  5. כאשר ההעברה תסתיים, לאבטח היטב את המזרקים המשניים המשאבת מזרק דואר.
  6. תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה, ופגעה להתחיל להמשיך הזרקה עם פתרון ההזרקה החדש.
  7. בבטחה להיפטר המזרקים הזרקה הראשוניים.

6. סיום הניסוי

  1. ראשית להפסיק את משאבת המזרק, אז לעצור את ההקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה ולשמור את הנתונים.
  2. כבה את זרימת N 2 ולהסיר את השורות וParafilm מכלי ההזרקה.
  3. אם תרצה, לטעום פתרון המאגר או לזרז לניתוח נוסף. כדי להסיר בזהירות את פתרון המאגר ולא להפריע למשקע, להשתמש פיפטה 25 מיליליטר פיפטה בזהירות את פתרון המאגר בכמה aliquots, וזורקים את הפתרון בכוס פסולת.
  4. Unclamp כלי זריקה אחת בכל פעם ויוצקים את הפתרון לתוך מבחנה העברת פסולת במנדף. השתמש DDH 2 O לשטוף את החתיכות של משקע.
  5. הסר את המזרקים הלוך ושובמ 'משאבת המזרק, ולחלץ אותם מהצינור, ומאפשר הזרקת נוזל נוסף לברוח לתוך כוס העברת פסולת. רוקן את המזרקים לתוך כוס הפסולת, ולהיפטר מהמזרקים במכל חדים גופרי כל הזמן במנדף.
  6. הסר את צינורות מבקבוקון הניסוי ולהיפטר ממנו בשקית פסולת מוצקה. Uncrimp החותם ולהיפטר של מחיצת האף, חותם, וקצה פיפטה.
  7. יש לשטוף את בקבוקון זכוכית ניסוי ולספוג אותו באמבטית 1 O חומצת M HCl / N. (זהירות - כלי זכוכית שהיו במגע עם נתרן גופרתי ישחרר גז רעיל S H 2 כאשר הניחו בחומצה שמור אמבטיות חומצה בתוך מנדף..)

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

לאחר פתרון ההזרקה התחיל להאכיל לתוך תמיסת המאגר, משקע גן כימי החל להיווצר בממשק הנוזל ומבנה זה המשיך לגדול במהלך ההזרקה (האיורים 4-7). בניסויים שדווחו כאן, הזריקה הראשונה הייתה נתרן הידרוקסידי (אשר יכול להיות שונה כדי לכלול L-אלנין ו / או pyrophosphate), ופתרון המאגר היה 1: 3 תערובת של Fe 3+ / Fe 2+, מניב מעורב --redox מדינת משקע oxyhydroxide הברזל. גנים הכימיים בדרך כלל הציגו מורפולוגיה צבע כפולה - כמה חתיכות של המשקע היו ירוק כהים (כנראה מצ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ההיווצרות של מבנה גן כימי באמצעות שיטת הזרקה יכולה להתבצע על ידי ממשק כל שני פתרונות המכילים יונים תגובתי המייצרים משקע. ישנן מערכות תגובה אפשריות רבות שיפיקו מבני משקע ולמצוא את המתכון הנכון של יונים וריכוזי תגובה לגדול מבנה רצוי הוא עניין של ניסוי וטעייה. קצב הזרימה של פתרון ההזרקה נשלט על ידי משאבת מזרק לתכנות וזה גם יכול להיות מגוון בין ניסויים כדי לדמות שיעורים שונים של זרימת נוזל במערכת טבעית. המבנה של גנים כימיים תלוי בגורמים רבים, כוללים הרכב וקצב זרימה, וזה אפשרי לגדול מב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה בוצע במעבדה להנעה סילונית במכון הטכנולוגי של קליפורניה, תחת חוזה עם מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי. אנו מכירים בתמיכה של המכון לאסטרוביולוגיה של נאס"א (Icy Worlds). L.M.B. נתמך על ידי NAI באמצעות תוכנית הפוסט-דוקטורט של נאס"א, המנוהלת על ידי Oak Ridge Associated Universities באמצעות חוזה עם נאס"א. J.E.N. נתמך באמצעות יחסי ציבור/פרס #: P031C110019 של משרד החינוך האמריקני המנוהל באמצעות מכללת הדרים. אנו מכירים בדיונים מועילים עם חברי קבוצת המיקוד של NAI לתרמודינמיקה, חוסר שיווי משקל ואבולוציה ומכון החלל המדעי של השיש הכחול.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
משאבת מזרקפישר14-831-3ערוץ כפול או מרובה, תלוי במספר הרצוי של ניסויים בו זמנית
ברזל כלוריד טטרהידרטפישרI90500ברזל כלוריד טטרהידראט (גבישי/מוסמך)
ברזל כלוריד הקסהידראטפישרI88-100פריק  כלוריד  הקסהידרט  (גושים/ACS מאושר)
נתרן הידרוקסידSigma-AldrichS5881דרגת ריאגנט, ≥ 98%, כדוריות (נטולות מים)
נתרן גופרתי נונאהידראטפישרS425212נתרן גופרתי נונאהידראט (ACS גבישי/מאושר). יש לאחסן ב-20  °ג. פתח רק בתא כפפות או במכסה אדים. משחרר גז H2S רעיל; יש לשמור את כל התמיסות המכילות סולפיד בתא כפפות או במכסה אדים.
אשלגן פירופוספטסיגמא-אולדריץ'32243197%
L-AlanineSigma-AldrichA7627
מזרקים (10  cc)פישר14-823-16EBD™ מזרק עם קצות לואר-לוק (ללא מחט)
מחטי מזרק (16  מד)פישר14-826-18BBD™ שימוש כללי ומחטים היפודרמיות PrecisionGlide, 16  G x 1.5 אינץ' (38  מ"מ)
צינורותקול פארמרEW-06407-71צינורות מעבדת טיגון, ללא DEHP, 1/16 אינץ' מזהה x 1/8 אינץ' אטמי
אלומיניוםפישר0337523CThermo Scientific™ לאומי ומסחרי; מרחב ראש 20  מ"מ חותמות מלחץ
פקקי בוטיל אפוריםפישר0337522AAThermo Scientific™ לאומי ומסחרי; 20  מ"מ מחיצה לבקבוקי סרום בקבוקוני Headspace בקבוקוני
סיגמא-אולדריץ'33110-U, חלק עליון מלחץ, בקבוק סרום, גודל 100 מ"ל, זכוכית שקופה, OD וזמנים; גובה 51.7 מ"מ ופעמים; 94.5 מ"מ. לצורך ניסויים אלה, יש לחתוך את החלק התחתון של בקבוק הסרום.
קצות פיפטהVWR53511-682קצות פיפטה 0.5-10 & #956; l
חוטMcMaster-Carr8073K661חוט מוליך יחיד מוצק, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC
OD

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
  2. Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
  3. Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
  4. Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
  5. Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
  6. Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
  7. Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
  8. Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
  9. Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
  10. Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201(2010).
  11. Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
  12. Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
  13. Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
  14. Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
  15. Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
  16. Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
  17. Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
  18. Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
  19. Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
  20. Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
  21. Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
  22. Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
  23. Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100(2011).
  24. Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
  25. Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
  26. Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
  27. Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
  28. 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 condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
  29. Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
  30. Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
  31. Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
  32. Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
  33. Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates? Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
  34. Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
  35. Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , InTech. (2012).
  36. van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
  37. Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים