Descriviamo la formazione di giardini chimici tramite esperimenti di iniezione che consentono simulazioni di laboratorio di sistemi di giardini chimici naturali che si formano presso le bocche idrotermali sottomarine.
Articolo metodologico
Descriviamo la formazione di giardini chimici tramite esperimenti di iniezione che consentono simulazioni di laboratorio di sistemi di giardini chimici naturali che si formano presso le bocche idrotermali sottomarine.
Qui riportiamo simulazioni sperimentali della crescita di camini idrotermali utilizzando metodi chimici di iniezione da giardino. La versatilità di questo tipo di esperimento consente di testare varie sostanze chimiche dei fluidi oceanici / idrotermali che potrebbero aver guidato le reazioni verso l'origine della vita in ambienti sulla Terra primordiale, su Marte primordiale, o anche su altri mondi come le lune ghiacciate dei pianeti esterni. Mostriamo esperimenti che includono la crescita di strutture chimiche da giardino in condizioni anossiche che simulano la Terra primordiale, l'inclusione di tracce di fosfati / sostanze organiche nella soluzione di iniezione per incorporarli nella struttura, un interruttore della soluzione di iniezione per introdurre un anione precipitante secondario e la misurazione dei potenziali di membrana generati da giardini chimici. Utilizzando questo metodo, sono state formate strutture chimiche autoassemblanti da giardino che imitano i camini naturali precipitati nelle sorgenti idrotermali sottomarine, e questi precipitati possono essere utilizzati con successo come reattori a flusso continuo alimentandoli attraverso più iniezioni "idrotermali" successive.
"Giardini chimiche" sono precipitati inorganici autoassemblanti sviluppati dove due fluidi chimiche contrastanti interagiscono 1,2. Queste strutture inorganiche autoassemblanti sono stati oggetto di interesse scientifico per oltre un secolo in parte a causa del loro aspetto biomimetica, e sono stati perseguiti numerosi studi sperimentali e teorici per comprendere i vari aspetti complessi e possibili funzioni dei sistemi giardino chimici 3. Esempi naturali di giardini chimiche includono minerali "camino" precipitati che crescono intorno sorgenti idrotermali e filtra, e si è sostenuto che queste potrebbero fornire ambienti plausibili per la vita di emergere 4. Per crescere un giardino chimica simulando un naturale sfogo idrotermale camino, una soluzione di riserva dovrebbe rappresentare una composizione oceano simulato e una soluzione per l'iniezione dovrebbe rappresentare il fluido idrotermale che alimenta nell'oceano. La versatilità di questo tipo oesperimento f per sistemi di reazione diversi permette la simulazione di quasi tutti oceano / idrotermale chimica dei fluidi proposti, compresi gli ambienti sulla Terra primordiale o su altri mondi. Sulla Terra primordiale, gli oceani sarebbero stati anossica, acido (pH 5-6), e avrebbe contenuto sciolto CO 2 atmosferica e Fe 2+, così come Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- e NO 2-. Reazioni chimiche tra questa acqua di mare e l'oceano ultramafiche crosta avrebbero prodotto un fluido idrotermale alcalina contenente idrogeno e metano, e in alcuni casi solfuro (HS -) 4-8. I camini formatisi in ambienti di sfogo alcalino primi della Terra potrebbero così potuto contenere ossidrossidi di ferro / ferrosi e solfuri di ferro / nichel, ed è stato proposto che questi minerali potrebbero aver servito particolari funzioni catalitiche e proto-enzimatica verso sfruttando geochimici redox / gradienti di pH a guidare l'emergere di Metabolism 5. Allo stesso modo, su altri mondi come quello può ospitare (o possono aver ospitato) acqua / interfacce di roccia - come presto Marte, la luna di Giove, Europa, o della luna di Saturno Encelado - è possibile che la chimica dell'acqua / roccia potrebbe generare ambienti di sfiato alcaline in grado di guida chimica prebiotica o anche fornendo nicchie abitabili per la vita esistente 5,9-11.
L'esperimento giardino chimica classica comporta un cristallo seme di un sale di metallo, ad esempio cloruro tetraidrato ferrosi FeCl 2 • 4H 2 O, immersi in una soluzione contenente anioni reattivi, ad esempio silicato di sodio o "acqua di vetro". Le sale si sciolga metallo, creando una soluzione acida contenente Fe 2+ che si interfaccia con la soluzione più alcalino (contenente anioni silicato e OH -) e una membrana inorganica precipitato si forma. Le onde membrana sotto pressione osmotica, scoppia, poi ri-precipitati unt la nuova interfaccia fluida. Questo processo si ripete fino a quando i cristalli si dissolvono, con un conseguente orientato verticalmente, struttura precipitato auto-organizzato con morfologia complessa in entrambe le scale macro e micro. Questo processo comporta la precipitazione continua separazione delle soluzioni chimicamente contrastanti attraverso la membrana giardino chimico inorganico, e la differenza di specie cariche attraverso la membrana produce un potenziale di membrana 12-14. Strutture giardino Chemical sono complesse, esibendo gradienti compositivi dall'interno all'esterno 13,15-19, e le pareti della struttura mantengono separazione tra soluzioni contrastanti per lunghi periodi, pur rimanendo alquanto permeabili agli ioni. Oltre ad essere un esperimento ideale per scopi educativi (in quanto sono semplici da fare per le dimostrazioni in classe, e possono educare gli studenti circa le reazioni chimiche e di auto-organizzazione), i giardini chimici hanno un significato scientifico come rappresentazioni di auto-assembly in, lontano dall'equilibrio sistemi dinamici, che coinvolge i metodi che possono portare alla produzione di materiali interessanti ed utili 20,21.
Giardini chimici in laboratorio possono essere coltivate con metodi di iniezione, in cui la soluzione contenente uno ione precipitante viene iniettata lentamente nella seconda soluzione contenente lo ione co-precipitante (o ioni). Ciò provoca la formazione di strutture da giardino chimiche simili a quelle di esperimenti di crescita dei cristalli, tranne che le proprietà del sistema e il precipitato può essere meglio controllati. Il metodo di iniezione ha diversi vantaggi significativi. Essa permette di formare un giardino chimica utilizzando qualsiasi combinazione di precipitanti o costituite specie, cioè, più ioni precipitanti possono essere incorporati in una soluzione, e / o altri componenti non-precipitante può essere incluso in entrambe le soluzioni di adsorbimento / reagiscono con il precipitato . Il potenziale di membrana generato in un prodotto chimicogiardino sistema può essere misurata in un esperimento di iniezione se un elettrodo è incorporato all'interno della struttura, permettendo così lo studio elettrochimico del sistema. Esperimenti iniezione offrono la possibilità di alimentare la soluzione iniettabile nell'interno del giardino chimica per tempi controllati variando la velocità di iniezione o volume totale iniettato; è quindi possibile alimentare attraverso diverse soluzioni sequenza e utilizzare la struttura precipitato come una trappola o reattore. Queste tecniche combinate, consentono simulazioni di laboratorio dei processi complessi che potrebbero si sono verificati in un sistema di giardino sostanza chimica naturale in uno sfogo sottomarino idrotermale, tra cui un camino formata da molte reazioni di precipitazione simultanee tra oceano e sfiato fluido (ad esempio, la produzione di solfuri metallici, idrossidi e / o carbonati e silicati) 5,22. Queste tecniche possono anche essere applicati a qualsiasi sistema di reazione chimica giardino per consentire la formazione di nuovi tipidi materiali, ad esempio, tubi stratificati o tubi con adsorbite specie reattive 20,23.
Abbiamo dettaglio qui un esperimento esempio che include la crescita simultanea di due giardini, Fe 2+ chimici -contenenti strutture in un ambiente anossico. In questo esperimento abbiamo incorporato tracce di polifosfati e / o amminoacidi nella soluzione iniezione iniziale per osservare il loro effetto sulla struttura. Dopo la formazione iniziale del giardino chimico abbiamo poi cambiato la soluzione per l'iniezione di introdurre solfuro come precipitante anione secondario. Misure di potenziali di membrana sono stati effettuati automaticamente durante l'esperimento. Questo protocollo descrive come eseguire due esperimenti in una sola volta con una pompa a doppia siringa; I dati riportati necessari più esecuzioni di questa procedura. Le relativamente elevate portate, basso pH delle concentrazioni serbatoio e reagenti impiegati nei nostri esperimenti sono progettati per formare precipitati grande camino in tempo scbirre adatte per esperimenti di laboratorio di un giorno. Tuttavia, le portate di fluido a sorgenti idrotermali naturali possono essere molto più diffuse e le concentrazioni di reagenti precipitante (ad esempio, Fe e S in un sistema di terra in anticipo) potrebbe essere un ordine di grandezza inferiore 4; quindi, precipitati strutturati formerebbero su scale temporali più lunghi e la bocca potrebbe essere attivo per decine di migliaia di anni 24,25.
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1. Considerazioni sulla sicurezza
2. Impostazione per gli esperimenti iniezione
3. preparazione di soluzioni per la crescita Chemical Garden
4. Avvio del iniezione primario
5. Avvio del iniezione secondario:
6. Terminare l'esperimento
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Una volta che la soluzione iniettabile iniziato ad alimentare il serbatoio soluzione, un giardino precipitato chimico iniziato a formarsi l'interfaccia fluida e questa struttura ha continuato a crescere nel corso dell'iniezione (figure 4-7). Negli esperimenti riportati qui, la prima iniezione è idrossido di sodio (che può essere modificato per includere L-alanina e / o pirofosfato), e la soluzione era un serbatoio 1: 3 miscela di Fe 3+ / Fe 2+, ottenendo un misto -redox-Stato oxyhy...
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La formazione di una struttura chimica giardino tramite metodo di iniezione può essere realizzato interfacciamento qualsiasi due soluzioni contenenti ioni reattivi che producono un precipitato. Ci sono molti sistemi di reazione possibili che produrranno strutture precipitato e trovare la giusta ricetta di ioni reattivi e concentrazioni di coltivare un struttura desiderata è una questione di tentativi ed errori. La portata della soluzione di iniezione è controllata da una pompa a siringa programmabili e questo può anche ...
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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Questa ricerca è stata condotta presso il Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, nell'ambito di un contratto con la National Aeronautics and Space Administration. Ringraziamo il supporto dell'Istituto di Astrobiologia della NASA (Mondi ghiacciati). L.M.B. è supportato dalla NAI attraverso il programma post-dottorato della NASA, amministrato dalle Oak Ridge Associated Universities attraverso un contratto con la NASA. J.E.N. è stato supportato attraverso un PR/Award #: P031C110019 del Dipartimento dell'Istruzione degli Stati Uniti gestito dal Citrus College. Ringraziamo le utili discussioni con i membri del NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group e del Blue Marble Space Institute of Science.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Pompa a siringa | Fisher | 14-831-3 | Doppio o multicanale, a seconda del numero desiderato di esperimenti simultanei |
| Cloruro ferroso tetraidrato | Fisher | I90500 | Cloruro ferroso tetraidrato (cristallino/certificato) |
| Cloruro ferrico esaidrato | Fisher | I88-100 | Ferrico Cloruro Esaidrato (Grumi/ACS certificato) |
| Idrossido di sodio | Sigma-Aldrich | S5881 | grado di reagente, ≥ 98%, pellet (anidro) |
| Solfuro di sodio nonaidrato | Fisher | S425212 | Solfuro di sodio nonaidrato (cristallino/certificato ACS). Negozio a -20 °C. Aprire solo in un vano portaoggetti o in una cappa aspirante. Rilascia gas tossici H2S; Tutte le soluzioni contenenti solfuri devono essere conservate in un vano portaoggetti o in una cappa aspirante. |
| Pirofosfato di potassio | Sigma-Aldrich | 322431 | 97% |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | |
| Siringhe (10 cc) | Fisher | 14-823-16E | BD&commercio; Siringa con punte Luer-Lok (senza ago) |
| Aghi per siringa (16 Fisher | 14-826-18B | BD&commercio; Aghi ipodermici per uso generale e PrecisionGlide, 16 G x 1,5 pollici (38 mm) | |
| Tubi | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tygon Lab Tubi, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" |
| OD Guarnizioni in alluminio | Fisher | 0337523C | Thermo Scientific™ Nazionale&commercio; Spazio di testa 20 mm Guarnizioni a crimpare |
| Tappi butilici grigi | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ Nazionale&commercio; 20 mm Septa per fiale Headspace Flaconi |
| di siero | Sigma-Aldrich | 33110-U | Fiale, tappo a crimpare, flacone di siero, formato 100 ml, vetro trasparente, O.D. & H 51,7 mm & tempi; 94,5 millimetri. Per questi esperimenti, il fondo della bottiglia di siero deve essere tagliato. |
| Puntali per pipette | VWR | 53511-682 | puntali per pipette 0,5-10 μ l |
| Filo | McMaster-Carr | 8073K661 | Cavo solido a conduttore singolo, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 V c.a. |
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