Methodenartikel

Chemische Gardens als doorstroomreactoren simuleren Natural Hydrothermal Systems

DOI:

10.3791/53015

⸱

18 november 2015

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

In dit artikel

Samenvatting

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

We beschrijven de vorming van chemische tuinen via injectie-experimenten die laboratoriumsimulaties mogelijk maken van natuurlijke chemische tuinsystemen die zich vormen bij onderwater hydrothermale bronnen.

Samenvatting

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

Hier rapporteren we experimentele simulaties van de groei van hydrothermale schoorstenen met behulp van injectiemethoden voor chemische tuinen. De veelzijdigheid van dit type experiment maakt het mogelijk om verschillende voorgestelde oceaan-/hydrothermale vloeistofchemieën te testen die reacties naar de oorsprong van het leven in omgevingen op de vroege Aarde, vroege Mars of zelfs andere werelden zoals de ijzige manen van de buitenplaneten kunnen hebben aangedreven. We tonen experimenten die de groei van chemische tuinstructuren onder anaërobe omstandigheden simuleren die de vroege Aarde nabootsen, de opname van sporencomponenten van fosfaten/organische stoffen in de injectieoplossing om ze in de structuur op te nemen, een wisseling van de injectieoplossing om een secundair precipiterend anion te introduceren, en de meting van membraanpotentialen gegenereerd door chemische tuinen. Met behulp van deze methode werden zelfassemblante chemische tuinstructuren gevormd die de natuurlijke schoorstenen nadoen die worden geprecipiteerd bij onderwater hydrothermale bronnen, en deze precipitaat kunnen met succes worden gebruikt als doorstromingsreactoren door meerdere opeenvolgende “hydrothermale” injecties toe te dienen.

Inleiding

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

"Chemische tuinen" zijn zelfassemblerende anorganische neerslagen ontwikkeld waar twee vloeistoffen van contrasterende chemische interactie 1,2. Deze zelfassemblerende anorganische structuren zijn het onderwerp van wetenschappelijke belangstelling voor meer dan een eeuw deels te wijten aan hun biomimetische uiterlijk geweest, en vele experimentele en theoretische studies zijn gevolgd om de diverse complexe aspecten en mogelijke functies van chemische tuin systemen 3 begrijpen. Natuurlijke voorbeelden van chemische tuinen omvatten minerale "schoorsteen" neerslagen die groeien rond hydrothermale bronnen en sijpelt, en het is betoogd dat deze plausibele omgevingen voor het leven te voorschijn 4 zou kunnen bieden. Om een ​​chemische tuin een natuurlijke hydrothermale vent schoorsteen simuleren groeien, moet een reservoir oplossing een gesimuleerde oceaan samenstelling en een injectie-oplossing moet de hydrothermale vloeistof die zich voedt in de oceaan te vertegenwoordigen. De veelzijdigheid van dit soort of experiment om andere reactie systemen maakt voor de simulatie van bijna elke voorgestelde oceaan / hydrothermale vloeistof chemie, met inbegrip van omgevingen op de vroege Aarde of op andere werelden. Op de vroege aarde, zou de oceanen anoxische, zuur (pH 5-6) zijn, en zou bevatte opgelost atmosferische CO 2 en Fe 2+, Fe en III, Ni2 +, Mn2 +, NO 3- en NO 2. Chemische reacties tussen het zeewater en de ultramafic oceaan aardkorst zou hebben een alkalische hydrothermale vloeistof met waterstof en methaan, en in sommige gevallen sulfide (HS -) 4-8. De schoorstenen gevormd vroege aarde alkalische vent omgevingen kan dus ferro- / ferri oxyhydroxides en ijzer / nikkel sulfiden hebben bevat, en het is voorgesteld dat deze mineralen kunnen hebben gediend specifieke katalytische en proto-enzymatische functies richting benutten geochemische redox / pH gradiënten rijden de opkomst van Metabolism 5. Ook op andere werelden, zoals die kunnen hosten (of kan hebben hosted) water / rock interfaces - zoals begin van Mars, Jupiter's maan Europa, of de Saturnusmaan Enceladus - het is mogelijk dat het water / rock chemie alkaline vent omgevingen in staat zou kunnen genereren rijden prebiotische scheikunde of zelfs het verstrekken van bewoonbaar niches voor bestaande leven 5,9-11.

De klassieke chemische tuin experiment omvat een entkristal van een metaalzout, zoals ferrochloride tetrahydraat FeCl 2 • 4H 2 O, ondergedompeld in een oplossing die reactieve anionen, zoals natriumsilicaat of "waterglas". Het metaalzout lost, tot een zure oplossing die Fe2 + die interfaces met de meer basische oplossing (bevattende silicaat anionen en OH -) en een anorganisch membraan neerslag gevormd. Het membraan zwelt onder osmotische druk, uitbarstingen, vervolgens opnieuw neerslaat at de nieuwe vloeistof interface. Dit proces wordt herhaald totdat de kristallen worden opgelost, resulterend in een verticaal georiënteerde, zelf georganiseerde precipitaat structuur met complexe morfologie zowel macro- als microniveau. Deze precipitatie leidt tot de voortdurende scheiding van chemisch contrasterende oplossingen in de anorganische chemische tuin membraan en het verschil van geladen deeltjes door het membraan levert een membraanpotentiaal 12-14. Chemische tuinconstructies zijn complex, vertonen compositionele gradiënten van interieur tot exterieur 13,15-19 en de wanden van de structuur te handhaven scheiding tussen contrasterende oplossingen langdurig terwijl de resterende ietwat permeabel voor ionen. Naast het feit dat een ideale experiment voor educatieve doeleinden (zoals ze zijn eenvoudig te maken voor klassikale demonstraties en kunnen leerlingen over chemische reacties en zelforganisatie te voeden), chemische tuinen hebben wetenschappelijke betekenis als representaties van zelf-assembly in dynamische, ver uit-evenwichtssystemen, waarbij werkwijzen die kunnen leiden tot de productie van interessante en bruikbare materialen 20,21.

Chemische tuinen in het laboratorium kan worden gekweekt via injectie werkwijzen, waarbij de oplossing die een precipiterend ion wordt langzaam geïnjecteerd in de tweede oplossing die het co-precipiteren ion (of ionen). Dit resulteert in de vorming van chemische tuin structuren vergelijkbaar met die van de kristalgroei experimenten, behalve dat de eigenschappen van het systeem en het neerslag beter kunnen worden beheerst. De injectiemethode biedt een aantal belangrijke voordelen. Het maakt het mogelijk om een chemische tuin vormen waarbij men elke precipiteren of opgenomen species, bijvoorbeeld, kunnen meerdere precipiterend ionen in een oplossing opgenomen en / of andere niet precipiterende bestanddelen kunnen in ofwel oplossing adsorberen / reageren met het neerslag . De membraanpotentiaal gegenereerd in een chemischtuin kan worden gemeten in een injectie experiment als een elektrode wordt opgenomen in het inwendige van de structuur, waardoor elektrochemische studie van het systeem. Injectie experimenten bieden de mogelijkheid om de injectievloeistof te voeren in het inwendige van de chemische tuin voor tijdframes gecontroleerd door variatie van de injectiesnelheid of totale geïnjecteerde volume; Het is daarom mogelijk om doorwerken verschillende oplossingen opeenvolgend en gebruik het neergeslagen structuur als val of reactor. Gecombineerd, deze technieken zorgen voor laboratorium simulaties van de complexe processen die zou kunnen hebben voorgedaan in een natuurlijke chemische tuin systeem op een onderzeese hydrothermale vent, met inbegrip van een schoorsteen gevormd uit vele gelijktijdige neerslagreacties tussen oceaan en ontluchten vloeistof (bijvoorbeeld de productie van metaalsulfiden, hydroxiden en / of carbonaten en silicaten) 5,22. Deze technieken kunnen ook worden toegepast op elke chemische tuin reactiesysteem om voor vorming van nieuwe typesmaterialen, bijvoorbeeld gelaagde buizen of buizen met geadsorbeerde reactieve species 20,23.

We detail hier een voorbeeld experiment dat de gelijktijdige groei van twee chemische tuinen Fe 2+ bevattende structuren in een zuurstofloze omgeving omvat. In dit experiment opgenomen we sporen van polyfosfaten en / of aminozuren in de oorspronkelijke injectieoplossing hun effect op de acht. Na de initiële vorming van de chemische tuin toen overgestapt we de injectie oplossing voor sulfide te introduceren als een secundaire precipiterende anion. Metingen van membraanpotentialen werden automatisch gedurende het hele experiment. Dit protocol beschrijft hoe twee experimenten tegelijk met een dual injectiepomp draaien; de gegevens weergegeven die nodig meerdere runs van deze procedure. De relatief hoge stroomsnelheden, lage pH van het reservoir en reactant concentraties in onze experimenten zijn ontworpen om grote schoorsteen vormen neerslaat op tijd scaal geschikt voor eendaagse laboratoriumexperimenten. Echter, fluïdumstroomsnelheden aan natuurlijke bronnen hydrothermische meer diffuus zijn en de concentratie van de precipitatie reactanten (bijvoorbeeld Fe en S in een vroeg aardsysteem) kan een orde van grootte lager 4 zijn; aldus zouden gestructureerd neerslagen vormen over langere tijdschalen en de aars kan actief tienduizenden jaren 24,25.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Veiligheidsoverwegingen

  1. Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (laboratoriumjas, veiligheidsbril, nitril, goede schoenen) om te voorkomen dat tegen chemische morsen of letsel. Gebruik spuiten en naalden, en zorg om geen handschoenen doorboren. Pas tijdens experiment opgezet om de inrichting op lekkage controleren door het uitvoeren van de eerste injectie met dubbel gedestilleerd H2 O (DDH 2 O), en de stabiliteit van de reactieflesjes op de stand controleren vóór toevoeging van chemicaliën.
  2. Verbinden dit experiment met alle chemicaliën tuin recept, maar een van de reactanten die we gebruiken simuleren diepzee openingen een gevaarlijk chemisch, natrium sulfide; Daarom doet het hele experiment in een zuurkast om blootstelling te voorkomen.
    1. Open alleen de fles van natrium in de zuurkast en plaats een balans in de zuurkast voor het wegen van sulfide. Altijd-sulfide bevattende oplossingen in de zuurkast als ze vrijkomen giftige H2S gas, en ook Sulfid houdene vloeistof, slijpsel, en vast afval containers in de zuurkast. Een andere reactant van belang Fe (II) Cl2 • 4H 2 O, die oxideert bij blootstelling aan lucht, dus zorg oplossingen anoxische houden en chemische tuinen (bijvoorbeeld N2 of Ar), altijd binnen groeien onder anoxische headspace een zuurkast of handschoenenkastje.

2. Setup voor injectie Experimenten

  1. Maak glas "injectieflacons" door het afsnijden van de onderste 1 cm van een 100 ml heldere glazen golfplaat boven serum fles (20 mm krimpzegel sluiting type) met een glassnijder zodat wanneer omgekeerd, het schip is open aan de lucht. Aangezien deze zijn herbruikbaar, het reinigen van de flesjes in een 1 M HCl zuurbad O / N, en dan goed afspoelen met DDH 2 O voor een nieuw experiment.
  2. Bereid de injectieflacons (figuur 1).
    1. Verzamel een 20 mm septum, 20 mm aluminium krimp afdichting en een 0,5-10 pl plastic pipet tip. Met behulp van een 16 G injectiespuit needle zorgvuldig doorboren een gat door het midden van het septum, verwijder dan de naald in de daarvoor bestemde afvalbak weggooien.
    2. Plaats de pipet in de naald gat in de zijkant van de rubber septum dat zal worden geconfronteerd in de krimp bovenkant van de flacon. Duw de pipetpunt door het septum, zodat het steekt er aan de andere kant.
    3. Krimp-verzegelen het septum met een pipet tip op de injectie vaartuig naar een waterdichte afdichting te maken. Wanneer verzegeld, duw de pipet tip verder door het septum, zodat het uitsteekt buiten.
    4. Bevestig 1/16 "binnendiameter duidelijke flexibele chemisch bestendige slang aan op de pipetpunt (slang lengte moet bereiken van de injectieflacon om de spuit pomp); schuift het voor een waterdichte afsluiting.
      Opmerking: Dit zal de injectiebuis, gevoed vanuit het andere uiteinde met een spuit met 16 G naald.
    5. Controleer op lekkage: Plaats een 10 ml injectiespuit gevuld met DDH 2 O met een 16 G naald in het andere uiteinde van de buis(soepel schuif de slang recht op de naald en wees voorzichtig de wand van de buis niet te doorboren). Injecteer langzaam zodat de DDH 2 O beweegt de slang en in de bodem van het reactievat. Zorg ervoor dat de spuit / buis, buis / tip en krimp afdichtingen zijn waterdicht.
  3. Klem de injectieflacons op een stand in een zuurkast, zodat de injectie wordt ingevoerd vanaf de bodem van de flacon.
    Opmerking: Meerdere flacons kan worden opgezet in een keer en tegelijk gevoed door afzonderlijke spuiten.
  4. Opgericht elektroden voor het meten van de membraanpotentiaal over de wand van de chemische tuinen. Gebruik altijd dezelfde conventie voor de voorsprong is "binnen" en die "buiten" van de chemische tuinen.
    1. Snijd een lengte van geïsoleerde draad (bijvoorbeeld koper) dat te bereiken vanuit de reactievaten om de leiding van de multimeter of data logger. Een klein beetje speling in de draden voor positionering.
    2. Strip ~ 3 mm van deblote draad aan de uiteinden die zich bevinden in de reactieflacon. Aan de andere uiteinden die wordt aangesloten op de multimeter leads, strook ~ 1 cm draad.
    3. Bevestig de draden in plaats membraanpotentiaal over de chemische tuin te meten. Voor de draad die zal gaan in de chemische tuin: steek hem in de opening van de pipet tip van die vloeistof zal worden meegenomen in het vat.
    4. Duw de draad lichtjes contact met de injectieoplossing te verzekeren, maar niet zo ver dat het injectiedebiet verstoppen. Voor de buitenkant draad: plaats is zodat het in contact met de oplossing reservoir, maar niet de chemische neerslag tuin.
    5. Tape of anderszins vastzetten van de draden zodat ze niet kunnen bewegen binnen de injectieflacon tijdens het experiment (figuur 2).
    6. Bevestig de andere uiteinden van de draden met de multimeter en zet de draden zodat die uiteinden ook niet bewegen gedurende het experiment.
  5. Het opzetten van N 2 gasleidingen die elk zullen worden verwerkt in een van de injectie flacons.
    1. Splits de gastoevoer vanuit een N2 bron in meerdere buizen, zodat er een N2 voer per injectieflacon.
    2. Plaats elke N2 buis zodanig dat het voedt in de bovenruimte van één van de injectieflesjes.

3. Voorbereiding van oplossingen voor Chemische Tuin Growth

  1. Bereid de reservoiroplossing, 100 ml voor elk experiment. Opmerking: In dit voorbeeld gebruikt 75 mM Fe2 + en 25 mM Fe3 + als kationen precipiterend (tabel 1).
    1. Maak anoxisch oplossingen door eerst borrelen de DDH 2 O met N 2 gas voor ~ 15 min per 100 ml.
    2. Weeg en voeg de FeCl2 • 4H 2 O en FeCl3 • 6H 2 O en roer voorzichtig om op te lossen (niet krachtig, zodat zuurstof niet te introduceren).
    3. Na reagentia worden opgelost, onmiddellijk resume licht borrelen van het Fe 2+ / Fe 3+ oplossing met N 2 gas terwijl injecties worden voorbereid.
  2. Kies twee van de primaire injectieoplossingen getoond in Tabel 1, en ​​bereid 10 ml elk. Vul een 10 ml spuit om de 7 ml markering met elk van de oplossingen (een spuit voor elke oplossing). Vervang de naald caps en zet apart.
  3. Bereid 20 ml van de secundaire injectie-oplossing (sodium sulfide - LET). Weergegeven in tabel 1 Vul twee 10 ml spuiten om de 7 ml markering met deze oplossing, vervang de naald caps en zet apart. Altijd-sulfide bevattende oplossingen en spuiten in de zuurkast.
  4. Vul de DDH 2 O spuiten van Stap 2.2.5; deze worden gebruikt om de injectiebuis spoelen.

4. Starten van de Primary Injection

  1. Gebruik de gewenste data logger voor membraanpotentiaal metingen; meten potentieel elk experiment op een separate kanaal en stel de scansnelheid tot het gewenste aantal datapunten geven (bijvoorbeeld een 2-uur injectie, opname mogelijkheden elke 30 seconden zou voldoende zijn).
  2. Zet de primaire injectiespuiten op de programmeerbare spuit pomp in de zuurkast.
  3. Gebruik een verspilling beker om druppels op te vangen en zet de spuit pomp te injecteren in een snel tempo tot spuiten zowel beginnen te druppelen in de beker. Stop dan de injectie (om te waarborgen dat de twee spuiten beginnen te injecteren op exact hetzelfde niveau).
  4. Re-programma van de injectiepomp te injecteren 2 ml per uur (kalibreren voor het type van de spuit wordt gebruikt), maar niet geraakt start.
  5. Plaats de DDH 2 O spuiten in de twee plastic injectiebuizen, en injecteer zodat het water vult de transparante slang tot aan de opening wanneer het hoofdreservoir binnenkomt. Plaats het spuiten op de stand, boven de injectieflesjes.
  6. Giet 100 ml van de Fe2 + / Fe3 + reservoiroplossing in each flesje.
  7. Stel de flow van de N 2 gasleidingen wens om het experiment anoxische voor de duur van de injectie houden.
  8. Bestrijken voorzichtig het reservoir flesjes met een luchtdichte afdichting (bijvoorbeeld met behulp Parafilm, niet belemmeren het zicht door het glas) en breng een N2 voeding in elk flesje (figuur 3).
  9. Breng de DDH 2 O spuiten (in de slang nog steeds geplaatst) omlaag naast de primaire injectiespuiten. Schuif de plastic injectie buis van de DDH 2 O injectienaald, en onmiddellijk overbrengen direct op één van de primaire injectiespuit naalden. (Zorg ervoor dat de wand van de slang niet doorboren.)
  10. Start de injectie en registratie van membraanpotentiaal starten.

5. Het starten van de secundaire injectie:

  1. Hit stop op de injectiepomp na 3 uur (na 6 ml werden geïnjecteerd), eenmaal chemische tuin structuren hebben gevormd (Figure 4) voortdurend genereren van een membraanpotentiaal (figuur 5).
  2. Haal de primaire injectiespuiten van de injectiepomp (maar laat ze aangesloten op de buis zodat de structuren zijn niet gestoord); zet ze op de stand boven het niveau van de vloeistof in de flacons zodat de vloeistof niet terug in de injectiespuit kan stromen.
  3. Zet de secundaire injectie sulfide spuiten aan de spuit pomp, en herhaal de stappen 4.3 en 4.4.
  4. Verwijder de secundaire spuiten een voor een van de spuitpomp, en, terwijl de spuiten boven het niveau van de vloeistof in de injectieflacons, herhaal stap 4,9, het overbrengen van de slang van de primaire naar de secundaire spuiten spuiten (Figuur 6). Waakzaam dat de vloeistofdruk uit het reservoir in de injectiespuit veroorzaakt geen vloeistof terugstromen in de spuit als het chemische tuin kan instorten.
  5. Wanneer de overdracht is voltooid, zorgvuldig zet de secundaire spuiten aan The injectiepomp.
  6. Herprogrammeer de injectiepomp te injecteren 2 ml per uur, en druk begint de injectie met het nieuwe injectieoplossing blijven.
  7. Veilig verwijderen van de primaire injectiespuiten.

6. Het beëindigen van de Experiment

  1. Eerste stop de spuit pomp, dan stoppen met de opname van het membraan potentieel en opslaan van de gegevens.
  2. Zet de N2-stroom en verwijder leidingen en Parafilm de injectie vaten.
  3. Desgewenst proeven van de reservoiroplossing of bespoedigen voor verdere analyse. Het reservoir oplossing voorzichtig te verwijderen en de neerslag niet storen, gebruik dan een pipet 25 ml zorgvuldig pipet uit het reservoir oplossing in verschillende porties, en de oplossing in een beker afval weggooien.
  4. De injectie schepen een voor een ontspanschakelaars en giet de oplossing in een overheveling van afval beker in de zuurkast. Gebruik DDH 2 O te spoelen stukken neerslag.
  5. Verwijder het spuiten froben de spuit pomp, en haal ze van de buis, zodat extra injectievloeistof vandoor in de overheveling van afval beker. Leeg de spuiten in de afval beker, en gooi de spuiten in een sulfide slijpsel container in de zuurkast gehouden.
  6. Verwijder de slang van het experiment flacon en gooi het in een stevige vuilniszak. Uncrimp het zegel en gooi het septum, seal, en pipet tip.
  7. Spoel de glazen experiment flesje en laat deze in een 1 M HCl zuurbad O / N. (LET OP - glaswerk dat in contact is geweest met natrium sulfide zal giftige H2S gas los wanneer geplaatst in zuur Houd zuurbaden in de zuurkast..)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Zodra de injectieoplossing begon te voeden in de reservoiroplossing, een chemische tuin precipitaat begon te vormen in de vloeistof interface en deze structuur blijven groeien tijdens de injectie (Figuren 4-7). In de hier gerapporteerde experimenten, de eerste injectie werd natriumhydroxide (die kan worden aangepast om L-alanine en / of pyrofosfaat bevatten), en de voorraadoplossing werd een 1: 3 mengsel van Fe 3+ / Fe 2+, waardoor een gemengde -redox-state ijzeroxyhydroxide neersl...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De vorming van een chemische structuur tuin via injectiemethode kan worden bewerkstelligd door interfacing twee oplossingen met reactieve ionen die een neerslag produceren. Er zijn vele mogelijke reactiesystemen die neerslag structuren produceren en het vinden van de juiste recept van reactieve ionen en concentraties groeien een gewenste structuur is een kwestie van trial and error. Het debiet van de injectievloeistof wordt geregeld door een programmeerbare spuitpomp en dit kan ook worden gevarieerd tussen experimenten ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

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

Dit onderzoek werd uitgevoerd bij het Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, in het kader van een contract met de National Aeronautics and Space Administration. We danken de ondersteuning van het NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. wordt ondersteund door de NAI via het NASA Postdoctoral Program, beheerd door Oak Ridge Associated Universities via een contract met NASA. J.E.N. werd ondersteund via een US Department of Education PR/Award #: P031C110019, beheerd via Citrus College. We danken de nuttige discussies met leden van de NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group en het Blue Marble Space Institute of Science.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
SpuitpompFisher14-831-3Dubbel of meerdere kanalen, afhankelijk van het gewenste aantal gelijktijdige experimenten
Ferrochloride tetrahydraatFisherI90500Ferrochloride tetrahydraat (Kristallijn/Gecertificeerd)
Ferrichloride hexahydraatFisherI88-100Ferrichloride Hexahydraat (Brokken/Gecertificeerd ACS)
NatriumhydroxideSigma-AldrichS5881reagenskwaliteit, ≥98%, pellets (watervrij)
Natriumsulfide nonahydraatFisherS425212Natriumsulfide nonahydraat (Kristallijn/Gecertificeerd ACS). Bewaren bij -20 °C. Alleen openen in een handschoenenkast of afzuigkap. Geeft giftig H2S gas vrij; alle sulfidehoudende oplossingen moeten in een handschoenenkast of afzuigkap worden bewaard.
KaliumpyrofosfaatSigma-Aldrich32243197%
L-AlanineSigma-AldrichA7627
Spuiten (10 cc)Fisher14-823-16EBD™ Spuit met Luer-Lok-tip (Zonder naald)
Spuitnaalden (16 gauge)Fisher14-826-18BBD™ Naalden voor algemeen gebruik en PrecisionGlide hypodermische naalden, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
SlangenCole ParmerEW-06407-71Tygon Lab-slang, DEHP-vrij, 1/16" ID x 1/8" OD
Aluminium afdichtingenFisher0337523CThermo Scientific™ National™ Headspace 20 mm Krimpverbindingsverbindingen
Grijze butylkurkenFisher0337522AAThermo Scientific™ National™ 20 mm Septa voor Headspace-flesjes
SerumflessenSigma-Aldrich33110-UFlesjes, krimptop, serumfles, maat 100 ml, helder glas, O.D. × H 51,7 mm × 94,5 mm. Voor deze experimenten moet de bodem van de serumfles worden afgesneden.
PipettipjesVWR53511-682pipettipjes 0,5-10 μl
DraadMcMaster-Carr8073K661Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Hydrothermale schoorstenenanoxische conditiesmembraanpotentiaalinjectiemethodespuitpompsysteemstikstofgasijzersulfidensimulatie van de vroege aarde

Gerelateerde artikelen