כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לדמות ארובות טבעיות ששקעו בנביעות הידרותרמיות תת-ימיות של כדור הארץ הקדום באמצעות ניסויי גינה כימיים כדי ליצור את המבנים בהרכבה עצמית בקנה מידה קטן. זה מושג על ידי הכנת שני פתרונות תחילה. פתרון אחד מדמה את ההרכב של מי ים מוקדמים בכדור הארץ, ופתרון אחד מדמה נוזל הידרותרמי אלקליין המיוצר על ידי תגובות סלע מים.

לאחר מכן, מגדירים מכשיר כך שניתן יהיה להזריק את הנוזל ההידרותרמי למאגר של האוקיינוס המדומה תחת אטמוספירה אנוקסית. כשלב שלישי, אלקטרודות מוגדרות למדידת המתח בין תמיסות הידרותרמיות לאוקיינוס במהלך ההזרקה. לבסוף, התמיסה ההידרותרמית מוזרקת באיטיות לבסיס בקבוקון המכיל את תמיסת האוקיינוס המדומה, ומחקה את החלחול הטבעי של נוזל האוורור מקרום האוקיינוס אל מי הים שמסביב.

התוצאות מראות כי משקע מינרלי נוצר בממשק של האוקיינוס ופתרונות הידרותרמיים, וזה מתפתח למבנה גן כימי בהרכבה עצמית הדומה לצוללת ארובה הידרותרמית טבעית. ארובות הידרותרמיות הן בדיוק כמו גנים כימיים טבעיים. הם נוצרו, אנחנו חושבים על כדור הארץ לפני כ-4.4 מיליארד שנה, והם עשויים מברזל גופרתי והידרוקסיד ברזל, לרוב עם מעט סיליקה.

והם מתנהגים כמו עור שהם נוצרים כאשר תמיסות אלקליות מגיעות לאוקיינוס, שהוא חומצי במקצת. ובממשק בין השניים, הם מזרזים את המינרלים הללו, כפי שאמרתי, נראים די כמו עור. למעשה, אפשר להשוות אותם לחיים כפי שאנו מכירים אותם כיום.

וזה שהחיים נוטים להיות בעלי פנים בסיסיים כמו שיש לנו, למשל. והוא נוטה לאהוב חיצוניות חומצית. כלומר, אני יכול לומר אולי בפשטות שאנחנו אוהבים שמפו עם pH של pH 5.5.

אנחנו אוהבים משקאות מוגזים חומציים למשל. אבל אנחנו גם אוהבים לשתות משקאות אלקליין כדי לשמור על בריאותנו כי אחרי הכל, הפנים שלנו בריאים, בדיוק כמו גינות כימיות טבעיות. ומה שראינו במעבדה היום הוא העובדה שהחלק הפנימי של הגנים הכימיים הללו הוא בסיסי.

החלק החיצוני הוא חומצה. זה קצת מחומצן, ויש לנו, מה שקורה הוא שהגנים הכימיים האלה כופים שיפוע כימי על פני השניים, שיפועים כימיים של pH וחמצון חיזור, והם מסתכמים בערך בחצי וולט, שזה בערך כמות האנרגיה האלקטרוכימית הנדרשת כדי להניע חיים. ואנחנו מרגישים שזה היה נכון להניע את החיים להתקיים מלכתחילה באחד מהגנים הכימיים האלה על קרקעית האוקיינוס לפני 4 מיליארד שנה.

הניסוי הזה מאפשר לנו לדמות תנאים פלנטריים שונים כמו אוקיינוסים, נוזלים הידרותרמיים, אטמוספרות, אבל גם מאפשר לנו לדמות את ההשפעות של שינוי פרמטרים ניסיוניים ספציפיים ואיזו השפעה תהיה לכך על המערכת. במקור, חקרנו גנים כימיים שגדלו ישירות מגבישים בתוך מבחנות, אבל לא הצלחנו למדוד את פוטנציאל הממברנה מכיוון שלא יכולנו להכניס חוט ישירות לתוך הממברנה עצמה. אז כדי לעשות זאת, פיתחנו שיטה חדשה.

זוהי שיטת הזרקה שבה הזרקנו סימולנט הידרותרמי לנוזל האוקיינוס במאגר. זה איפשר לנו להשתמש בלוגר נתונים אוטומטי כדי למדוד את פוטנציאל הממברנה על פני צמיחת הממברנה. מי שחדש בשיטה זו עשוי להיאבק על גידול גנים כימיים מובנים היטב ומיקום וירוס בצרכי הצ'י למדידת מתח.

עם זאת, על ידי פתרון בעיות, הם יכולים לפתור את כל הבעיות הללו. התחל בשימוש בחותך זכוכית כדי לחתוך את החלק התחתון של בקבוק סרום עליון מלחץ זכוכית שקוף של 100 מיליליטר לשימוש בבקבוקון ההזרקה. אוספים גם מחיצה של 20 מילימטר, חותם מלחץ אלומיניום 20 מילימטר וקצה פיפטה מפלסטיק של 0.5 עד 10 מיקרוליטר.

בעזרת מחט מזרק בגודל 16, נקב בזהירות חור במרכז המחיצה, ולאחר מכן הסר והשליך את המחט במיכל הפסולת החד המתאים. לאחר מכן, הכנס את קצה הפיפטה לחור המחט ודחף את קצה הפיפטה דרך המחיצה כך שהוא יבצבץ החוצה מהצד השני. לחץ לאטום את המחיצה עם קצה הפיפטה על כלי ההזרקה.

כדי להפוך איטום אטום למים לרוח, דחף את קצה הפיפטה הלאה דרך המחיצה כך שהוא יבלוט כלפי חוץ. לאחר מכן הצמד צינור פנימי בקוטר 16 אינץ', שקוף, גמיש ועמיד בפני כימיקלים לקצה הפיפטה. החלק את הצינור כלפי מעלה על קצה הפיפטה על מנת ליצור אטימה אטומה למים, ודא שהצינור ארוך מספיק כדי להגיע מבקבוקון ההזרקה למשאבת המזרק.

לאחר מכן, מהדקים את בקבוקוני ההזרקה על מעמד בתוך מכסה אדים כך שהזריקה תזין פנימה מתחתית הבקבוקון. חתוך שני אורכים של חוטים מבודדים כך שיהיו ארוכים מספיק כדי להגיע מתוך כלי התגובה אל לוגר הנתונים. השאירו מעט רפיון בחוטים למיקום.

לאחר מכן, הפשיטו כשלושה מילימטרים של בידוד מקצה כל חוט שימוקם בתוך בקבוקון התגובה בקצוות האחרים. זה יחובר למובילי המולטימטר. רצוע כסנטימטר אחד מהחוט הכנס חוט אחד את החוט שיהיה בתוך הגן הכימי קרוב לפתח קצה הפיפטה כדי להבטיח מגע עם תמיסת ההזרקה, אך לא עד כדי כך שהוא יסתום את זרימת ההזרקה.

ואז אבטח את שני קצוות החוטים במקומם באמצעות סרט. לאחר מכן הנח את החוט החיצוני כך שהוא ייצור קשר עם מאגר התמיסה, אך לא משקעים את הגן הכימי. לאחר מכן, חבר את הקצוות החופשיים של החוטים ללוגר הנתונים כדי לשמור על מרווח הראש מעל מאגר התמיסה.

ו-IC הקימה קווי גז חנקן. פצל את הזנת הגז ממיכל מקור חנקן למספר צינורות כך שתהיה הזנה אחת לכל בקבוקון הזרקה. הכן 200 מיליליטר מתמיסת המאגר, הידועה גם בשם סימולנט האוקיינוס עבור כל בקבוקון תגובה על ידי בעבוע מים נטולי יונים עם גז חנקן למשך כ-15 דקות לכל 100 מיליליטר.

זה מבטיח שהניסוי יישאר חסר חמצן לאורך כל ההזרקה. לאחר מכן שקלו והוסיפו 25 מילימולר של ברזל, שני טטרה כלוריד ו -75 מילימולר של ברזל. שלושה כלורידים הקסהידרט למים.

מערבבים את התערובת בעדינות כדי להמיס את היונים מבלי להכניס חמצן לתערובת. לאחר המסת היונים, המשיכו מיד את הבעבוע הקל של התמיסה בגז חנקן. בזמן הכנת הזריקות, בחרו כל שניים מפתרונות ההזרקה העיקריים מהטבלה המוצגת כאן והכינו 10 מיליליטר מכל תמיסה.

לאחר מכן מלאו מזרק של 10 מיליליטר עד לסימון שבעה מיליליטר בכל אחת מהתמיסות, כסו אותם והניחו בצד. לאחר מכן, הכינו 20 מיליליטר של נתרן גופרתי של 50 מילי-מולרי במכסה המנוע כזריקה משנית. מלאו שני מזרקים של 10 מיליליטר עד לסימון שבעה מיליליטר בעזרת התמיסה, החליפו את מכסי המחט והניחו אותם בצד.

אבטח את מזרקי ההזרקה הראשוניים על משאבת מזרק הניתנת לתכנות הממוקמת בתוך מכסה האדים. הגדר את קצב ההזרקה למיליליטר אחד לדקה והפעל את המשאבה עד ששני המזרקים מתחילים לטפטף לתוך הפסולת. לאחר מכן הפסק את ההזרקה.

לאחר מכן, הכנס את המזרקים המכילים מים נטולי יונים לשני צינורות הזרקת הפלסטיק והזריק כך שהמים ימלאו את הצינור השקוף עד לפתח שבו הם נכנסים למאגר הראשי. לאחר מכן הניחו את המזרקים על המעמד מעל בקבוקוני ההזרקה. לאחר מכן שפכו בזהירות 100 מיליליטר מתמיסת המאגר המכילה ברזל לכל בקבוקון.

צור בזהירות אטימה אטומה מעל הבקבוקונים באמצעות פרפיל והכנס הזנת חנקן לכל בקבוקון. התאם את זרימת קווי גז החנקן לפי הצורך כדי לשמור על הניסוי חסר חמצן למשך ההזרקות. לאחר מכן, הביאו את המזרקים המלאים במים בזה אחר זה ליד מזרקי ההזרקה הראשוניים.

החלק בזהירות את צינור הזרקת הפלסטיק והעביר אותו מיד ישירות לאחת ממחטי מזרק ההזרקה הראשוניות. הקפידו לא לנקב את דופן הצינור. לאחר מכן הגדר את משאבת המזרק לפעול במהירות של שני מיליליטר לשעה למשך שלוש שעות והתחל את ההזרקה בו זמנית.

התחל ברישום פוטנציאל הממברנה. לחץ על עצור במשאבת המזרק לאחר שלוש שעות. לאחר שנוצרו מבני הגינה הכימיים, הסר בזהירות את מזרקי ההזרקה הראשוניים ממשאבת המזרק, אך השאר אותם מחוברים לצינור כדי שהמבנים לא יופרעו.

הניחו אותם על המעמד מעל מפלס הנוזל בבקבוקונים כך שהנוזל לא יזרום חזרה למזרק. לאחר מכן, אבטח את מזרקי ההזרקה המשניים, שבמקרה זה מורכבים מנתרן גופרתי למשאבת המזרק והעביר את המחט עד ששניהם מתחילים לטפטף, השליכו את תמיסת הסולפיד למיכל פסולת מסוכנת מיוחד. לאחר מכן הסר את המזרקים בזה אחר זה ממשאבת המזרק והעביר את הצינור ממזרק ההזרקה הראשי למזרק המכיל נתרן גופרתי.

תכנת מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק את התמיסה במהירות של שני מיליליטר לשעה ולחץ על התחל להזריק את תמיסת הנתרן הגופרתי בקצב זה למשך שלוש שעות. ברגע שתמיסת ההזרקה הראשונית מוזנת לתמיסת המאגר, מתחיל להיווצר משקע גן כימי בממשק הנוזל, ומבנה זה ממשיך לגדול במהלך ההזרקה תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק סביבתי, המשקעים הראשוניים שנוצרו בנוכחות אלנין נראו מעוגלים יותר באמורפי, בעוד שמשקעי אוקסי הידרוקסיד ברזל טהור כמו גם אלה המכילים פירופוספט נראו גבישיים יותר לאחר הראשוני זריקה. הפוטנציאל נטה להגיע לשיא מיד בסביבות 0.45 עד 0.55 וולט, ולאחר מכן ירד למשך כשעה לפני שהתייצב סביב 0.1 עד 0.2 וולט עבור שאר ההזרקה הראשונית.

כאשר המזרקים הראשוניים הוחלפו למזרקים המשניים המכילים נתרן גופרתי, הגן הכימי המשיך לגדול, פרט לכך שהגידולים החדשים הנראים לעין היו כעת ברזל גופרתי שחור. במקום לתרום לקירות הקיימים, נראה היה שחלקי הסולפיד השחור של הגן הכימי מסתעפים וגדלים בנפרד. ברגע שתמיסת הזרקת הסולפיד הגיעה לגן הכימי, פוטנציאל הממברנה קפץ מיד לכ-0.9 וולט.

ישנם שילובים אפשריים רבים של פתרונות שבהם אתה יכול להשתמש כדי לגדל את הגנים הכימיים שלך. אפשר גם לשנות את קצב ההזרקה מקצב מהיר יותר לקצב איטי יותר ולשנות את ההזרקה הראשונית למשנית בכל עת במהלך הניסוי, כל עוד מבנה הגינה הכימית שלך נוצר לחלוטין. תמיסות נתרן גופרתי משחררות גז מימן גופרתי, שהוא מסוכן ביותר.

יש להשתמש במיכלי נתרן גופרתי פתוחים ובתמיסות המכילות סולפיד בתוך מכסה המנוע ולטפל בהם בהתאם להנחיות גיליון נתוני בטיחות החומרים, יש להשליך הן פתרונות משומשים והן שאינם בשימוש כפסולת מסוכנת. ארובות הידרותרמיות שראינו זה עתה גדלות במעבדה עשויות ממינרלים נקבוביים, בעצם ברזל גופרתי וברזל הידרוקסידי. ואנחנו חושבים שהם יפעלו כזרזים בחיים המוקדמים, והם דומים מאוד במבנה לזרזים ולאנזימים שיש לנו אפילו בעור שלנו עד היום.

ניתן להשתמש בניסוי זה כדי לדמות סביבות גיאולוגיות שונות, אך הוא ישים גם ממדע החומרים מכיוון שיש עניין רב ללמוד כיצד לשלוט בצמיחה של מבנים אלה בהרכבה עצמית על ידי מניפולציה של הפרמטרים של הניסוי, ואולי גם ליצירת מבנים וחומרים שיכולים לשמש כזרזים לתגובות שונות.