Name: 熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 29 s
Description: 学ぶ熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション手法。3Dプリント製コンデンサーを用いて鉱物沈殿物の形成と温度効果を可視化し、地球化学と天体生物学の教育研究に活用できる。

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この研究は、NASAアストロバイオロジー研究所氷世界の支援を受けて、NASAとの契約の下、カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所で行われました。ガブリエル・ルブラン博士は、オクラホマ州NASA EPSCoR協同協定(NNX15AK42A)を通じて、研究開始助成金(2017-34)によって部分的に支援されました。最初の3Dプリントコンデンサーデザイン、3Dプリンティングの支援のためのカリンド・カーペンター、コンデンサー船に関する有益な議論のためのジョン・ポール・ジョーンズ、温度データ分析の助けを借りてローラ・ロドリゲス、実験室の支援を受けたエリカ・フローレスの支援をヘザー・ホワイトヘッドに感謝したいと思います。著作権 2020 カリフォルニア工科大学.

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<li>Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+possible+emergence+of+life+and+differentiation+of+a+shallow+on+irradiated+icy+worlds%3A+the+example+of+Europa%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa.</a> Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).</li>
<li>Yamaguchi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+CO2+reduction+by+Ni-containing+iron+sulfides%3A+How+is+CO2+electrochemically+reduced+at+bisulfide-bearing+deep-sea+hydrothermal+precipitates%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrochemical CO2 reduction by Ni-containing iron sulfides: How is CO2 electrochemically reduced at bisulfide-bearing deep-sea hydrothermal precipitates.</a> Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).</li>
<li>Roldan, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-inspired+CO2+conversion+by+iron+sulfide+catalysts+under+sustainable+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions.</a> Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).</li>
<li>White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mackinawite+and+greigite+in+ancient+alkaline+hydrothermal+chimneys%3A+identifying+potential+key+catalysts+for+emergent+life%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life.</a> Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).</li>
<li>Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redox+and+pH+gradients+drive+amino+acid+synthesis+in+iron+oxyhydroxide+mineral+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).</li>
<li>Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+of+possible+relevance+to+the+origin+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+of+Life+and+Evolution+of+the+Biosphere%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life.</a> Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).</li>
<li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+and+RNA+contributions+to+iron%E2%80%93sulphur+chemical+gardens+as+life%27s+first+inorganic+compartments%2C+catalysts%2C+capacitors+and+condensers%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+A%3A+Mathematical%2C+Physical+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">Peptide and RNA contributions to iron–sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensers.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).</li>
<li>Cutler, K. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+sea-level+fall+and+deep-ocean+temperature+change+since+the+last+interglacial+period%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period.</a> Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).</li>
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<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pyrophosphate+synthesis+in+iron+mineral+films+and+membranes+simulating+prebiotic+submarine+hydrothermal+precipitates%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).</li>
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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

シミュレーションされた煙突成長に対する熱勾配の効果: この実験装置は、いくつかの実験パラメータによる煙突形態のいくつかのバリエーションを生み出した。硫化鉄と水酸化鉄の煙突は、室温で背の高い直立構造を形成したが、熱勾配実験でより緊張した、糸状の沈殿物または平らなマウンドを形成した。これは、70〜80°Cに加熱された熱水流体から、高温海洋シミュラント33に注入された、厄介な、勃起しない煙突沈殿物が形成されたHerschyららの発見と一致した。これにはさまざまな可能な説明があります:対流熱伝達は、より自然な浮力(注射の強制ポンピングと共に)を引き起こし、沈殿物が形成されるにつれて船舶の上部に向かって急速に流れる可能性があります。あるいは、シリンジ液を加熱すると、熱水シミュラントの密度が低くなり、射出ポイントの上で安定するよりも垂直に上昇しやすくなります。より安定した構造の成長を可能にするために、注射器の注入速度を遅い速度に変えることによって、この効果を軽減することができる。白らら、熱水シミュラントを非常に遅い速度(0.08 mL/h)で注入して硫化鉄煙突の成長を調べ、煙突が合体するのに数日かかったが、構造的に安定であった13。Herschyら et al. は、熱勾配実験で使用される速度よりも数桁速い10〜120 mL/hの注入速度で蠕動性ポンプを使用したので、それらはまた、文字列状の煙突構造33を生成していることは驚くべきことではない。
海洋およびベント溶液における沈殿反応物の高濃度はまた熱勾配のより強い煙突を生み出すことができる。水熱流体または海洋シミュラント中の沈殿イオン(硫化物または水酸化物)の化学的濃度が高いほど、全体的な沈殿質量が高くなり、より強い構造が生じ得る。Herschy et al. および White et al. は、熱水流体中の硫化物の濃度が低く (10 mM) を使用したため、それらの構造は、より高い (20- 50 mM) 硫化物濃度を使用してこの研究で生成されたものよりも小さかった。さらに、硫化鉄煙突の成長のいくつかの研究はまた、より堅牢な煙突3、13、33を生成するのに役立つ硫化ナトリウムと一緒に熱水流体にシリカを含んでいます。シリカの化学庭園構造は、熱水煙突成長34の側面をシミュレートするためにも使用されており、これらは、物理的分析のためにチューブ/バイアルから除去することができる非常に堅牢な構造を生成する傾向があります。しかし、温度勾配がシリカ注入構造に及ぼす影響は知られておらず、さらなる研究の領域となるだろう。
将来の煙突シミュレーション実験に関する考慮事項: 船舶を冷却するためにこの研究で作成された3Dプリントコンデンサーは、ジャケット反応船のように機能しましたが、いくつかの実用的な改善:1)オープントップは煙突のサンプリングを許可し、無酸素海洋ヘッドスペースを維持しました。2)3Dプリントされた部品は容易な再現性を与えた;3)設計はデジタル編集することができるように、装置は、必要に応じて迅速に変更し、再印刷することができます。4)安価な材料の使用は、各凝縮器は、実際のガラスジャケット反応容器よりも費用対効果が高くなります。これらの3Dプリントコンデンサーは、異なる研究グループ間でシミュレートされた熱水煙突実験のためのプラットフォームを標準化するのに便利な、柔軟で簡単に共有された実験装置であり、サンプルとデータのより良い比較を可能にします。コンデンサのファイルは、教育的または科学的な目的のために自分で印刷するために同僚に送信することができます(この作品で使用されるコンデンサーの補足的な3D印刷ファイルを参照)。この安価なセットアップは、化学庭園やケモブリオニクス29、35のための学部の実験室実験としても使用することができます。
結論として、この研究は、温度勾配環境における模擬熱水煙突の成長を促進するために3Dプリンティングを用いた新しい実験装置を記述する。3Dプリントコンデンサーは、海底水熱システムの近くの海水と同様に、海洋のシミュレーションを氷点下近くの温度まで冷却することができます。一方、この冷たい海に注入する高温熱水流体をシミュレートするために加熱された注射器を使用しました。硫化鉄と水酸化鉄煙突の形態と構造は、熱勾配の影響を受けました:海と熱水流体の両方のシミュラントが室温にあったとき、煙突は垂直指向の構造を形成しましたが、熱水流体が加熱され、海が冷却されると、堅牢な煙突構造の形成が阻害されました。このような煙突系におけるプレバイオティクス反応を自然界のシステムに似た熱勾配で正確にシミュレーションするためには、噴射速度や、ベントと海洋の両方のシミュラントの化学組成などのパラメータを注意深く制御する必要があります。この研究のために作成されたカスタムおよび安価な3Dプリントコンデンサーは、ジャケット反応容器と機能が類似しており、様々な研究グループや教育グループに簡単に変更して電子的に配布し、多くのタイプのケモブリオニック実験で使用することができます。

熱水煙突は、熱く、熱水で変化した流体が寒い海に浸透する深海ベント環境内の地球化学的崩壊から生成された自己組織化化学庭園の沈殿物です。初期の地球のシナリオでは、古代アルカリ性の通気孔で形成された煙突、および周囲のpH/レドックス/化学的勾配を移調することが、代謝の出現に向けた反応を駆動する可能性があることを提案されている1,2,3,4,5,6.熱水噴出孔は、海洋世界、エウロパとエンセラダス7、8、9、10を含む他の惑星に存在するように仮定されています。CO2 11、12、勾配駆動有機合成13、14、15、および煙突構造への有機物の組み込みなど、提案されたプレバイオティクス熱水煙突化学の側面をシミュレートするために様々な実験が行われている。地球上でも他の世界でも、熱水ベントを模倣する実験的なセットアップを作成する際には、地球化学的勾配とシステムの開いた平衡性を考慮して、現実的なシミュレーションを生成することが不可欠です。
pH、酸化還元、化学勾配に加えて、熱水性ベントは冷たい海底環境への加熱された通気液の供給のために煙突膜/壁全体に熱勾配を課します。冷たい海底の海洋温度は、深さ、太陽の浸透、および藻の関数として変化することができます。通気場(主に中海の尾根)の平均海底海底深さは、0〜4 °C17の範囲にある。通気孔の種類に応じて、海と通気流体の間の熱勾配は、ロストシティ18、19、またはベント流体が40-90°C20、21のストリタン熱水田などのアルカリ性ベントの穏やかな勾配から、ベント流体が数百度に達することができる深海底黒い喫煙者まで劇的に変化する可能性があります。 23、24、25。生命の起源の観点から、水熱系における熱勾配のシミュレーションは、煙突沈殿3、13および/または水熱煙突が鉱物表面から直接電子を取り込む微生物を宿宿する可能性があるため、居住性に影響を及ぼす可能性があるため、有意である。煙突壁を横切る勾配では、温度条件の範囲が短い距離にわたって存在し、煙突壁はこれらすべての熱レジームに特徴的な鉱物と反応の組み合わせを表します。
熱勾配の実験室で成長した熱水煙突をシミュレートし、この潜在的なプレバイオティクス環境に対する冷たい海と熱水流体の影響を探る。一般的に、加熱された内部および冷たい外装を伴う注入法を介してシミュレートされた熱水煙突を成長させることは実用的な課題を提示するので、最もアクセス可能な煙突実験は周囲の圧力で行われるものです(したがって、高価で複雑な原子炉を必要としません)。熱勾配の実験室で成長した煙突での以前の試みは、熱い/暖かい熱水流体と冷たい海の両方を生成することはできませんでした。煙突全体を高温に保ち、有機反応を促進する反応性鉱物を形成するために、いくつかの研究は、加熱ジャケットまたは熱い浴13、14のいずれかを使用して実験全体(海洋および熱水流体)を〜70°Cに加熱した。別のタイプの煙突沈殿形成実験は、「燃料電池」装置において、平らな膜鋳型に煙突壁シミュラントを形成した。これらの実験は、燃料電池勾配装置を温水浴27,28に水没させることによっても一括加熱されている。これまでの研究では、室温の海3、12に注入された熱水流体(様々な方法を使用して〜70°Cに加熱)からシミュレートされた熱水煙突を形成しました。しかし、冷たい海は試みられていない。
この研究は、プレバイオティクス煙突成長実験室シミュレーション4 の方法を進め、寒冷(0〜5°C)の海洋から、煙突材料を合成し、関心のある特性をテストする熱水流体に現実的な熱勾配を作り出す。現在までに、アルカリ性ベントの現実的な温度勾配でプレバイオティクス煙突実験が成功した:〜70°Cで開催された内部ベント溶液と〜5°Cに冷却された外海溶液で。 さらに、実施されたいくつかの加熱煙突実験では、実験のセットアップは複雑であり、コストがかかる可能性があります。化学庭園の実験は、初期の地球上の熱水噴出孔で行われた可能性のあるプロセスに関する洞察を生み出す大きな可能性を秘めています。したがって、煙突実験の複数のバリエーションをすばやく設定する能力は、安価で脆弱で、簡単に修正でき、学生が一緒に作業するのに理想的な単純な装置を持つ能力と同様に有利です。ここでは、冷たい海と熱水流体のシミュラントとの間の現実的な熱勾配を維持し、監視しながら、シミュレートされた熱水煙突の成長を促進するように設計された新しい装置(図1)です。この実験装置は、設計上のジャケット反応器と類似しているが、同様の実験を行うことに興味のある研究グループが容易に製造できる三次元(3D)プリントコンデンサーである( 補足印刷可能ファイルを参照)。この3Dプリントコンデンサーを使用して、熱勾配煙突実験を行い、この装置の有用性をテストして、堅牢な温度勾配を維持し、温度勾配が煙突構造および形態に及ぼす影響をテストしました。

<table><tbody><tr><td>3/8インチ透明ビニールチューブ</td><td>ワット</td><td>SVIG10&nbsp;</td><td>実験のために希望の長さにカット</td></tr><tr><td>40ピンオスからメスへのワイヤージャンパー多色リボンケーブル</td><td>EDGELEC</td><td>ED-DP_L30_Mix_120pcs</td><td>これらのワイヤーは、プラスチックの端を剥がし、慎重に2つのプラスチックケーシングの1つを取り外す必要があります</td></tr><tr><td>アルミシール</td><td>フィ</td><td>ッシャー0337523C</td><td>サーモサイエンティフィックナショナルヘッドスペース 20 mmクリンプシール</td></tr><tr><td>塩化第二鉄六水和物</td>フィ<td>ッシャーI88-100&nbsp;</td><td></td><td>フェリック&nbsp;塩化物&nbsp;ヘキサハイドレート&nbsp;(ランプ/認定ACS)</td></tr><tr><td>塩化第一鉄四水和物</td>フィ<td>ッシャーI90500</td>塩化<td></td><td>第一鉄四水和物(結晶性/認定)</td></tr><tr><td>ギアホースクランプグ</td><td>ラーク40</td><td>個</td>グレー<td></td></tr><tr><td>ブチルストッパーフィ</td><td>ッシャー0337522AA</td><td>サーモサイエンティフィックナショナル20mmセプタムヘッドスペースバイアルピ</td><td></td></tr><tr><td>ペットチップ</td><td></td>VWR53511-682ピ<td></td><td>ペットチップ0.5-10マイクロリットル</td></tr><tr><td>血清ボトル</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>バイアル、クリンプトップ、血清ボトル、サイズ 100 mL、透明ガラス、外径 x 高さ 51.7 mm x 94.5 mm。これらの実験では、血清ボトルの底を切り落とす必要があります。</td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>試薬グレード、&ge;98%、ペレット(無水)</td></tr><tr><td>硫化ナトリウム非水和物</td>フィ<td>ッシャー</td><td>S425212</td>硫<td>化ナトリウム非水和物(結晶性/認定ACS)。&nbsp;-20°Cで保管してください。グローブボックスまたはドラフトでのみ開きます。有毒なH2Sガスを放出します。すべての硫化物含有溶液は、グローブボックスまたはドラフトに保管する必要があります。</td></tr><tr><td>シリンジヒーター&nbsp;</td><td>Syringepump.com</td><td>ヒーターキット-5SP&nbsp;</td><td>クランプギアホースクランプ加熱ブランケットの周り</td></tr><tr><td>シリンジ針 (16 ゲージ)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD 一般使用および精密グライド皮下注射針、16 G x 1.5 インチ(38ミリメートル)</td></tr><tr><td>シリンジポンプ</td><td>Syringepump.com</td><td>NE-4000</td><td>デュアルまたはマルチチャンネル、同時実験の所望数に応じて</td></tr><tr><td>シリンジ (10 mL)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD シリンジ、ルアーロックチップ付き (針なし)</td></tr><tr><td>チューブ</td><td>コールパーマー</td><td>EW-06407-71</td><td>タイゴンラボチューブ、非 DEHP、1/16" 内径 X 1/8" 外径</td></tr><tr><td>水循環ポンプ&nbsp;</td><td>バイライト&nbsp;</td><td>BYT-7A015&nbsp;</td><td>ポンプをプライミングするために2人が必要な場合があります</td></tr></tbody></table>

熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

深海熱水噴出孔は、地球化学的崩壊から発生する自己組織化沈殿物であり、生命の出現の可能性のある設定として提案されている。初期の地球ベント系内の熱勾配環境における熱水煙突の成長は、溶解した鉄を含む初期の地球海洋シミュラントに注入された硫化ナトリウムのような異なる熱水シミュラントを使用してうまくシミュレーションされました。また、高温から室温で硫化物溶液を注入しながら冷水浴に浸漬した凝縮器容器内の海洋シミュラントを0°C近くに十分に冷却する装置が開発され、数時間の間に温度勾配環境で人工煙突構造を効果的に作り出しました。異なる化学と可変温度勾配を用いたこのような実験は、煙突構造における様々な形態をもたらした。室温で海洋と熱水流体シミュラントを使用すると垂直煙突が発生し、熱熱水流体と冷たい海洋シミュラントの組み合わせにより、堅牢な煙突構造の形成が阻害されました。この研究のために作成されたカスタマイズ可能な3Dプリントコンデンサーは、異なる研究者によって簡単に修正して使用することができるジャケット反応容器として機能します。これは、噴射速度と海のシミュラントの化学組成の慎重な制御を可能にし、自然システムと同様の熱勾配を有する煙突系におけるプレバイオティクス反応を正確にシミュレートするのに役立つはずです。

以前の研究のように 1,2,13,29;水熱流体シミュラントが海のバイアルに到達すると、注入の間、より厚く、より高くなる鉱物沈殿物構造が形成され始めました。硫化鉄煙突は、あまり堅牢ではなく、海のバイアルまたは注入が物理的に乱れた場合に容易に分解された繊細な構造であった。これは以前の研究3の結果と一致しています。硫化液の化学的濃度は、硫化煙突の形態にも重要な役割を果たした。硫化物のより濃縮された溶液は、 図5に示すように、より高く、丈夫なミネラル沈殿物を可能にし、硫化物溶液の低濃度は弱い煙突構造を作り出した。いくつかのケースでは、構造が形成されなかった、液体硫化鉱物「スープ」のみが作成され、最終的には堆積物として落ち着く(図3D)。これは、熱勾配条件と非熱勾配条件の両方で発生しました。
熱勾配煙突実験では、硫化鉄を用いた固体煙突構造は、一般に室温で行った場合と同様に合体しなかった。図3E-Hは、冷たい海と室温の熱水流体の間で成長した硫化鉄煙突の形態を示す。温度勾配の煙突は文字列状で、本質的には緊張していたのに対し、非熱勾配の結果(図3A-D)はより多くの半永久的な構造を示す。熱水流体を加熱したときも同様でした (図4)。例外は、室温熱水溶液と冷たい海洋シミュラントの間に固体硫化鉄煙突が形成された、より高い硫化物および鉄濃度(図5)であった。
水酸化鉄煙突の成長に対する熱勾配の効果も試験した。結果は硫化鉄煙突と同様のパターンを示した:室温水酸化鉄実験はより堅牢な煙突沈殿をもたらしたが、暖かい熱水流体と冷たい海の間の熱勾配実験は、垂直に合体しなかった煙突材料のより小さなマウンドをもたらした(図6)。前作(室温実験)29で観察された水酸化鉄煙突の高直立構造とは対照的に、我々の熱勾配実験は異なる形態を示した。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg"> 図1: 熱勾配煙突装置 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg"> 図2:3Dプリントコンデンサー (A)凝縮器寸法を示す3Dプリントコンデンサーの概略図。(B) コンデンサー内にガラスの海洋船を配置し、海洋のシミュラントを冷却する。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg"> 図3: 温度および非熱勾配煙突の様々な( A-D) 室温熱水流体(HTF)から室温海洋シミュラントまでの非熱勾配制御実験(A) 10 mM Na2S•9H2O HTF および 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(B)20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(C) 20 mM Na2S •9H2O HTF と 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(D) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(E-H)室温HTFシミュラントから冷海貯留層(〜5〜10°C)までの熱勾配煙突実験。(E) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(F)10 mM Na2S•9H2O HTF と 20 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(G) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(H)10 mM Na2S•9H2O HTF と 20 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg"> 図4: 熱勾配実験実験は、温暖(35-40°C)20 mMNa2S•9H2 O溶液を冷熱(〜5-10°C)20 mM FeCl 2 ·4H2O海洋シミュラントで行い、小さな煙突ストランドを生成する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg"> 図5:煙突に対する海洋シミュラント濃度の影響 アノキシック海洋シミュラントの高濃度(〜50 mM Na2S•9H2O、10 mM FeCl2·4H2O、および200 mM NaCl)は、より構造的に堅牢で背の高い煙突を生成した。室温硫化液を2〜10°C海洋シミュラントに注入した。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg"> 図6: 熱と非熱勾配煙突の同時増殖( A)100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O海洋溶液を200 mM NaOH水溶液(HTF)液水系水上水域で室温でシミュレートする。(B) 暖かいHTFで同じ濃度の熱勾配実験~35-50°C~5~10°Cの冷たい海のシミュラントに、<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを見るにはここをクリックしてください。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>熱水流体化学(噴射)</td>
			<td>海洋化学(貯水池)</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>20 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>10 mM Na2S</td>
			<td>20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>200 mM NaOH</td>
			<td>100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O</td>
		</tr>
</tbody></table>表1:水域シミュレーションと水熱流体注入液の濃度マトリックス
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>HTF °C</td>
			<td colspan="2" style="text-align:center">海洋シミュラント温度 °C</td>
		</tr>
<tr>
<td>~23</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
<tr>
<td>~35-50</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
</tbody></table>表2:熱勾配実験行列熱水流体(HTF)温度は、シリンジ中の流体の温度を指します。海のバイアルへの入口の実際の温度は、シリンジ内の温度(〜70°C)より20〜35度低かった(補足付録1、図3、および図4を参照)。
補足印刷可能ファイル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足付録 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足付録 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足付録 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App3%20Other%20supplies.docx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

このプロトコルの目的は、化学庭園の注入実験を介してシミュレートされた熱水煙突を形成し、教育目的のために再現することができる3D印刷可能な凝縮器を使用して、無機沈殿膜を横切って熱勾配を導入することです。

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

冷却コンデンサーを3Dプリントすることで、以前に開発した実験方法を温度制御用に簡単に修正できます。デジタルデザインは、3Dプリンタにアクセスできる研究者であれば、簡単に共有、修正、印刷できます。この方法は、地球上の熱水プロセスをシミュレートするために使用することができますが、木星の衛星エウロパや土星の衛星エンセラダスの熱水イベントをシミュレートするためにも使用することができます。我々が開発した方法は、ユニークな方法で様々なコンポーネントを組み合わせた。視覚的なデモンストレーションにより、これらの方法を再現または適応させることに興味を持つ学生や研究者が、実験装置を組み立てて操作する方法を見ることができます。サーミスタを、できるだけヒュームフードの近くにサイドベンチの安定した位置に置くことから始めます。RS-232アダプタケーブルのUSB側をコンピュータのUSBポートに差し込み、コードを電源ソケットに差し込みます。コンピュータのサーミスタとサーミスタソフトウェアの電源を入れます。リボンケーブルを確認し、RS-232ケーブルのピン配置のピンに正しく接続されていることを確認します。接続したら、出力が赤いバーで100%読み取ることを確認してください。サーミスタが頻繁に間隔の測定を点滅しているとき、間隔の時間を60秒に変更します。[コントローラオプション]ボックスの下側で、1秒を削除し、60秒に変更します。次に、[OK]ボタンをクリックします。自動スケールというラベルの付いた会社のロゴの横にある楕円形のボタンをクリックします。温度の読み出しを示す黄色の線に注意してください。プロット エリア内で右クリックして、尺度や X 軸、Y 軸など、プロットを好みに合わせて調整します。プロット エリアを右クリックし、Excel へのエクスポートをクリックしてから、新しい読み取り値を読み始めます。プログラムによって自動的に作成された温度と時間のデータをスプレッドシートに保存します。金属製のサーミスタプローブを、コンデンサー内のガラスの海洋船に入れます。プローブがガラスの側面に設定されていることを確認し、ガラスをパラフィルムで覆います。中型のバケツに中途半端な水を入れ、バケツをプラスチック製の鍋の中に入れ、ほぼ満杯になるまで水に氷を加えます。2本のプラスチック製のカットオフホースをウォーターポンプの両端に置きます。垂直ポンプ開口部は、プライミングを開始するために水が注がれる場所であり、水平開口部は水が排出される場所であることに注意してください。ポンプを電源ソケットに差し込みますが、電気コネクタは開いたままにしておきます。水平プラスチックホースを右向きの高いコンデンサーポートに接続し、ホースがアイスバケツに到達するのに十分な長さであることを確認します。別のカットオフプラスチックホースを左コンデンサポートに接続します。このホースを、水が凝縮器から排出される氷水のバケツの上に置きます。ポンプの垂直開口部に接続されているホースを通して冷たい水を注ぎます。ポンプが水でいっぱいになると、コンデンサーポートまで届き、ホースを氷水浴に浸し、電気コネクタをすぐに接続します。ポンプをプライムして凝縮器を通して水を流し始め、バケツに氷を満たし、温度計をバケツに入れ、温度を確認します。冷たい温度で水を維持し、暖かい水の一部をすくい取るために、より多くの氷を追加し続けます。硫化物シリンジの周りにパッドを包み、パッドの周りに2つの金属クランプをしっかりとねじ込みます。プレハブの煙突容器に1つまたは2つの海洋溶液を注ぎます。1つの海洋溶液をコンデンサーでガラスバイアルに注ぎ、もう1つはコンデンサーなしで室温の容器に注ぎ、温度プローブを動かさないようにします。射出を開始し、サーミスタの海洋温度の記録を開始します。水が凝縮器を通って循環すると、サーミスタ温度プローブは、海の中の温度の低下を表示し始めます。水熱流体シミュラントが海のバイアルに到達すると、注入の間、より厚く背の高いミネラル沈殿物構造が形成され始めました。硫化物のより濃縮された溶液は、より高く、より頑丈なミネラル沈殿物を可能にする。場合によっては、最終的に堆積物として落ち着く液体硫化鉱物スープしか形成されなかった構造はありませんでした。熱勾配煙突では、硫化鉄固体煙突構造を用いた実験では、一般的に室温で行った場合と同様に合体しなかった。温度勾配の煙突は、自然界では文字列のような緊張感がありました。一方、非熱勾配結果は、より多くの半永久的な構造を有していた。熱水を加熱したときも同様でした。硫化鉄の固体煙突は、室温の熱水溶液と冷たい海洋シミュラントとの間に、より高い硫化物および鉄濃度で形成することができた。水酸化鉄煙突の成長に対する熱勾配の効果も試験した。室温の水酸化鉄実験は堅牢な煙突沈殿を生み出したが、熱勾配実験では、垂直に合体しない煙突材料の量が少なかった。この手順に従って、化学と温度勾配の広い範囲は、これらの動的化学システムにおける温度勾配の役割をよりよく理解するために探求することができる。

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Research

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Environment

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熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション

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