Simulatie van vroege hydrothermale schoorstenen in een thermische gradiëntomgeving

Samenvatting

Het doel van dit protocol is om gesimuleerde hydrothermale schoorstenen te vormen via chemische tuininjectie-experimenten en een thermische gradiënt over het anorganische neerslagmembraan te introduceren, met behulp van een 3D-printbare condensor die kan worden gereproduceerd voor educatieve doeleinden.

Samenvatting

Diepzee hydrothermale ventilatieopeningen zijn zelforganiserende neerslagen die worden gegenereerd door geochemische disequilibrie en zijn voorgesteld als een mogelijke setting voor het ontstaan van leven. De groei van hydrothermale schoorstenen in een thermische gradiëntomgeving binnen een vroeg aardventilatiesysteem werd met succes gesimuleerd door verschillende hydrothermale simulanten te gebruiken, zoals natriumsulfide, die werden geïnjecteerd in een vroege oceaansimulant op aarde die opgelost ijzer bevat. Bovendien werd een apparaat ontwikkeld om de oceaansimulant voldoende te koelen tot bijna 0 °C in een condensorvat ondergedompeld in een koudwaterbad terwijl een sulfideoplossing bij warme tot kamertemperatuur werd geïnjecteerd, waardoor effectief een kunstmatige schoorsteenstructuur in een temperatuurgradiëntomgeving werd gecreëerd gedurende een periode van enkele uren. Dergelijke experimenten met verschillende chemische stoffen en variabele temperatuurgradiënten resulteerden in een verscheidenheid aan morfologieën in de schoorsteenstructuur. Het gebruik van oceaan- en hydrothermale vloeistofsimulanten bij kamertemperatuur resulteerde in verticale schoorstenen, terwijl de combinatie van een hete hydrothermale vloeistof en koude oceaansimulant de vorming van robuuste schoorsteenstructuren remde. De aanpasbare 3D-geprinte condensor die voor deze studie is gemaakt, fungeert als een omhuld reactievat dat gemakkelijk kan worden gewijzigd en gebruikt door verschillende onderzoekers. Het zal de zorgvuldige controle van de injectiesnelheid en chemische samenstelling van vent- en oceaansimulanten mogelijk maken, wat zou moeten helpen bij het nauwkeurig simuleren van prebiotische reacties in schoorsteensystemen met thermische gradiënten die vergelijkbaar zijn met die van natuurlijke systemen.

Inleiding

Hydrothermale schoorstenen zijn zelforganiserende chemische tuinprecipitaten die worden gegenereerd door geochemische onuitwiskunde in diepzee-ventilatieomgevingen als verwarmde, hydrothermisch veranderde vloeistof in een koudere oceaan sijpelt. In een vroeg aardscenario is voorgesteld dat de schoorstenen zich vormden bij oude alkalische ventilatieopeningen en dat transecting ambient pH / redox / chemische gradiënten reacties zouden kunnen hebben aangedreven in de richting van het ontstaan van^{metabolisme 1,2,3,4,5,6}. Hydrothermale ventilatieopeningen zijn ook gepostuleerd om te bestaan op andere planeten, waaronder de oceaanwerelden, Europa en Enceladus^7,8,9,10. Verschillende experimenten zijn uitgevoerd om aspecten van voorgestelde prebiotische hydrothermale schoorsteenchemie te simuleren, waaronder precipitatie van katalytische ijzersulfidemineralen die CO₂^11,12,gradiëntgestuurde organische synthese^13,14,15en opname van organische stoffen in schoorsteenstructuren kunnen verminderen¹⁶. Bij het creëren van experimentele opstellingen om hydrothermale ventilatieopeningen na te bootsen, zowel op aarde als op andere werelden, is het essentieel om rekening te houden met de geochemische gradiënten en de open, verre van evenwicht aard van het systeem om realistische simulaties te produceren.

Naast pH, redox en chemische gradiënten, leggen hydrothermale ventilatieopeningen ook een thermische gradiënt op over het schoorsteenmembraan / de wand als gevolg van de toevoer van verwarmde ontluchtingsvloeistof naar een koude zeebodemomgeving. Koude zeebodem oceaantemperaturen kunnen variëren als een functie van diepte, zonnepenetratie en zoutgehalte; de gemiddelde diepten van de oceaanbodem op ventlocaties (meestal op mid-oceanische ruggen) liggen in het bereik van 0-4 °C¹⁷. Afhankelijk van het type ventilatieopening kan de thermische gradiënt tussen oceaan- en ventilatievloeistof dramatisch variëren - van de mildere gradiënten van alkalische ventilatieopeningen, zoals Lost City^18,19 of het Strytan Hydrothermal Field waar de ontluchtingsvloeistof 40-90 ° C^20,21is, tot de zwarte rokers op de diepzeebodem waar de ventilatievloeistof enkele honderden graden Celsius²²kan^{bereiken, 23,24,25}. Vanuit het perspectief van de oorsprong van het leven is simulatie van thermische gradiënten in hydrothermale systemen belangrijk omdat ze de mineralogie en chemische reactiviteit van schoorsteenprecipitaten^3,13 kunnen beïnvloeden en / of de bewoonbaarheid kunnen beïnvloeden, aangezien hydrothermale schoorstenen microben herbergen die elektronen rechtstreeks van minerale oppervlakken opnemen²⁶. In een gradiënt over de schoorsteenwand zou over een korte afstand een reeks temperatuuromstandigheden aanwezig zijn en de schoorsteenwand zou een combinatie van mineralen en reacties vertegenwoordigen die kenmerkend zijn voor al deze thermische regimes.

In het laboratorium gekweekte hydrothermale schoorstenen in thermische gradiënten werden gesimuleerd om de effecten van de koude oceaan en hete hydrothermale vloeistof op deze potentiële prebiotische omgeving te onderzoeken. Over het algemeen, omdat het kweken van gesimuleerde hydrothermale schoorstenen via een injectiemethode met een verwarmde binnen- en koude buitenkant praktische uitdagingen met zich meebrengt, zijn de meest toegankelijke schoorsteenexperimenten die gedaan bij omgevingsdruk (daarom zijn er geen dure en gecompliceerde reactoren nodig). Eerdere pogingen tot in het laboratorium gekweekte schoorstenen in een thermische gradiënt zijn niet in staat geweest om zowel een hete / warme hydrothermale vloeistof als een koude oceaan te produceren. In een poging om de hele schoorsteen langdurig op hoge temperatuur te houden om reactieve mineralen te vormen die organische reacties kunnen veroorzaken, verwarmden sommige studies het hele experiment (oceaan- en hydrothermale vloeistof) tot ~ 70 ° C met behulp van een verwarmingsmantel of een warm bad^13,14. Een ander type schoorsteenprecipitaatvormingsexperiment, in een "brandstofcel" -apparaat, vormde de schoorsteenwandsimulant op een plat membraansjabloon; deze experimenten zijn ook in bulk verwarmd door het brandstofcelgradiëntapparaat onder te dompelen in een warmwaterbad^27,28. Eerdere studies hebben gesimuleerde hydrothermale schoorstenen gevormd uit hete hydrothermale vloeistoffen (verwarmd tot ~ 70 ° C met behulp van verschillende methoden) geïnjecteerd in een oceaan op kamertemperatuur^3,12; een koude oceaan is echter niet geprobeerd.

Dit werk bevordert methoden voor prebiotische schoorsteengroeilaboratoriumsimulaties⁴ om een realistische thermische gradiënt te creëren van een koude (0-5 ° C) oceaan naar een verwarmde hydrothermale vloeistof om schoorsteenmaterialen te synthetiseren en interessante eigenschappen te testen. Tot op heden zijn er geen prebiotische schoorsteenexperimenten met succes uitgevoerd met een realistische temperatuurgradiënt voor alkalische ventilatieopeningen: met de binnenste ontluchtingsoplossing op ~ 70 ° C gehouden en de buitenste oceaanoplossing gekoeld tot ~ 5 ° C. Bovendien is in de weinige verwarmde schoorsteenexperimenten die zijn uitgevoerd, de experimentele opstelling complex en kan deze kostbaar zijn. Chemische tuinexperimenten hebben een groot potentieel om inzichten op te leveren over de processen die mogelijk hebben plaatsgevonden in hydrothermale ventilatieopeningen op de vroege aarde. Daarom is de mogelijkheid om snel meerdere variaties van een schoorsteenexperiment op te zetten voordelig, net als de mogelijkheid om een eenvoudig apparaat te hebben dat goedkoop, niet-fragiel, gemakkelijk te wijzigen en ideaal is voor studenten om mee te werken. Hier wordt een nieuw apparaat gepresenteerd (figuur 1) dat is ontworpen om de groei van een gesimuleerde hydrothermale schoorsteen te vergemakkelijken met behoud en bewaking van een realistische thermische gradiënt tussen de koude oceaan en de verwarmde hydrothermale vloeistofsimulant. Dit experimentele apparaat is qua ontwerp vergelijkbaar met een mantelreactor, maar is een driedimensionale (3D) geprinte condensor die gemakkelijk kan worden geproduceerd door elke onderzoeksgroep die geïnteresseerd is in het uitvoeren van vergelijkbare experimenten (zie Aanvullend afdrukbaar bestand). Met behulp van deze 3D-geprinte condensorator werden thermische gradiënt schoorsteenexperimenten uitgevoerd om het nut van dit apparaat te testen voor het handhaven van robuuste temperatuurgradiënten en om de effecten van temperatuurgradiënten op schoorsteenstructuur en morfologie te testen.

Protocol

1. Veiligheidsoverwegingen

1. Gebruik laboratoriumbeschermingsmiddelen voor persoonlijke bescherming, waaronder nitrilhandschoenen, gezichtsbrillen, laboratoriumjas en goede schoenen (geen huid blootgesteld).
   1. Wanneer u spuiten en naalden gebruikt, moet u oppassen dat u handschoenen of huid niet doorprikt.
   2. Controleer het hele apparaat in de zuurkast op lekken.
   3. Controleer de stabiliteit van glazen injectieflacons en condensor op de standaard voordat u een chemische stof aan het mengsel toevoegt.
2. Bedien alle thermische gradiëntexperimenten in rook om waterlozingen te bevatten.
3. Gebruik alle natriumsulfide (Na₂S•9H₂O) in rook omdat dit gevaarlijk is voor de gezondheid.
   1. Houd natriumsulfide in de zuurkast en plaats een balans in de zuurkast om de hoeveelheid sulfide te wegen.
   2. Bewaar altijd sulfidehoudende oplossingen in de zuurkast omdat ze giftig H₂S-gas afgeven en houd sulfidevloeistof, scherpe en vaste afvalcontainers in de zuurkast.
   3. Meng geen afval van sulfideoplossingen met andere bekende chemicaliën.
4. Bij gebruik van reactant Fe(II)Cl₂•4H₂O, spoel consequent met N₂/Ar terwijl het oxideert bij blootstelling aan lucht. Houd oplossingen anoxisch in de zuurkast door N₂/Ar-gas in de hoofdruimte in de zuurkast te plaatsen. Vast met parafilm om verdere oxidatie te voorkomen.

2. Instellen voor injectie-experimenten

1. Klem de 3D-geprinte condensorinjectie op een standaard in een zuurkast, zodat het kleine poortgat naar de onderkant van de zuurkast is gericht. Zorg ervoor dat de condensor in de klem waterpas staat.
2. Maak glazen "injectievaten" door 1 cm van de bodem van een 100 ml helderglazen serumfles met krimpkap (20 mm krimpafdichtingssluiting) af te snijden met behulp van een glassnijder en zorg ervoor dat het vat van onder naar boven open is voor de lucht.
   1. Reinig de injectieflacons 's nachts in een zuurbad van 1 M HCl en spoel vervolgens af met dubbel gedestilleerd water (ddH₂O) voordat u een nieuw experiment uitvoert.
   2. Hergebruik glas tenzij gebarsten of gebroken en gooi het vervolgens weg.
3. Bereid de injectieflacons voor(figuur 1).
   1. Verzamel de volgende materialen: een septum van 20 mm, een aluminium krimpafdichting van 20 mm, een plastic pipetpunt van 0,5-10 μL, een naald van 16 G spuit en een krimpgereedschap.
   2. Prik voorzichtig een gat in het midden van het rubberen septum en verwijder en gooi de naald vervolgens weg in een afvalcontainer met scherpe voor scherpe voorscherpen.
   3. Steek de pipetpunt in het naaldgat, in de zijkant van het rubberen septum dat naar binnen de krimptop van de injectieflacon zal kijken. Duw de pipetpunt door het septum zodat deze aan de andere kant iets uitstak.
      OPMERKING: Duw niet helemaal door, omdat dit niet genoeg speling geeft om de krimpafdichting met het krimpgereedschap te plaatsen.
   4. Plaats de krimp op de krimp-afdichting. Knijp in de krimp en sluit het septum met de pipetpunt af op het injectievat om het waterdicht te maken. Duw na het goed afsluiten de pipetpunt door de glazen pot, zodat deze ongeveer 1,0" uit het glas steekt.
   5. Plaats een heldere, flexibele, chemisch bestendige buis met een binnendiameter van 1/16" op de pipetpunt om een waterdichte afdichting op de pipetpunt te krijgen.
      OPMERKING: De buis moet lang genoeg zijn om de 16 G spuit bovenop de spuitpomp te bereiken, omdat de spuit de hydrothermale vloeistof door deze heldere slang in de oceaansimulant pompt.
   6. Plaats de injectieflacons in de 3D-geprinte condensor in de zuurkast door de slang door het condensorpoortgat aan de onderkant te slingeren. Zorg ervoor dat de injectieflacon uit het kleine poortgat in de condensor steekt.
      OPMERKING: Als er meerdere condensors moeten worden gebruikt, kunnen meerdere injectieflacons tegelijk worden ingesteld en tegelijkertijd door afzonderlijke spuiten worden gevoed.
   7. Controleer op eventuele eventuele lekken door een spuit van 10 ml gevuld met ddH₂O en met een naald van 16 G in het andere uiteinde van de open slang te steken. Steek de naald van 16 G voorzichtig in de slang om de buis niet te doorboren. Injecteer de ddH₂O langzaam zodat deze de slang op en in de bodem van het reactievat beweegt om ervoor te zorgen dat de spuit/ buis, buis / punt en krimpafdichtingen allemaal waterdicht zijn.
   8. Bevestig de parafilm stevig over de afgesneden bovenkant van de injectieflacon en plaats een klein stukje tape op de bovenkant van de parafilm. Prik een klein gaatje door de tape zodat de O₂ kan vergassen als N₂/Ar erin wordt gepompt.
   9. Stel N₂/Ar-gasleidingen in die elk vanaf de afgesneden bovenkant in een van de injectieflacons worden gevoerd om de glazen injectieflacon anoxisch te maken voordat de oceaansimulant wordt ingeschonken.
   10. Splits de gastoevoer van een N₂/Ar-bron in verschillende buizen, zodat er één N₂/Ar-voeding is voor elke injectieflacon (bij het uitvoeren van meerdere experimenten).
   11. Plaats de spuit (verbonden met N₂/Ar) door de tape te doorboren en zweef over de oceaanoplossing in de injectieflacon. Zorg ervoor dat u de oceaanoplossing niet met de naald binnendringt om verstoring van de schoorsteengroei te voorkomen.

3. Bereiding van oplossingen voor chemische tuingroei

1. Voorbereiding van de oceaansimulant
   1. Bereid 100 ml oplossing voor elk experiment.
      OPMERKING: Gebruik in dit voorbeeld tabel 1 voor specifieke concentraties als neerslagkationen.
   2. Creëer anoxische oplossingen door eerst 100 ml ddH₂O met N₂/Ar-gas gedurende ~ 15 minuten per 100 ml in een Erlenmeyerkolf te laten borrelen.
   3. Weeg af en voeg een van de ingrediënten van de oceaanchemie toe, voorzichtig roerend om op te lossen (niet krachtig om geen zuurstof in te brengen).
   4. Na het oplossen van de reagentia, hervat onmiddellijk het licht borrelen van de oceaansimulant met N₂/ Ar-gas tijdens het bereiden van de hydrothermale injecties.
2. Bereiding van hydrothermale vloeistofsimulant (natriumsulfidepreparaat)
   1. Kies een van de injectieconcentraties in tabel 1en bereid 10 ml van elke concentratie voor. Vul 10 ml spuiten met de oplossingen. Plaats de naalddoppen af en zet apart.
      OPMERKING: Bewaar sulfidehoudende oplossingen en spuiten altijd in de zuurkast.
   2. Weeg de vereiste hoeveelheid natriumsulfide (Na₂S•9H₂O) alleen af in de zuurkast (50 ml oplossing met ddH₂O).
      1. Vul een centrifugebuis van 50 ml met ddH₂O.
      2. Plaats de Na₂S•9H₂O in de centrifugebuis van 50 ml en sluit deze goed af in de zuurkast.
      3. Schud de buis grondig in de zuurkast totdat alle sulfidedeeltjes volledig zijn opgelost.
      4. Houd de oplossing anoxisch in de zuurkast met behulp van parafilm waarin een 10 G naald injecteren N₂/Ar is ingebracht.

4. Het instellen van de thermistor

1. Plaats de thermistor in een stabiele positie op een zijbank zo dicht mogelijk bij de zuurkast. Steek de USB-zijde van een RS232-adapterkabel in de USB-poort van de computer.
2. Schakel de stroom voor de thermistor in. Voor aanwijzingen over het instellen van kabelweerstanden, zie de Thermistor-procedure in het aanvullende aanhangsel 2.
3. Schakel de thermistor-software op de computer in.
   1. Scrol omlaag naar Communicatiepoort. Selecteer de eerste paar communicatiepoorten en klik op de knop Verbinden aan de linkerkant voor elke poort, totdat de thermistor verbinding maakt met de software.
      OPMERKING: De software toont de leesconfiguratiebalken in het groen. Het bemonsteringspictogram blijft knipperen en geeft aan dat het de huidige temperatuur met regelmatige tussenpozen bemonstert. Als geen van deze signalen wordt waargenomen, kiest u andere communicatiepoorten. Als geen van de communicatiepoorten werkt, wordt een pop-upbericht weergegeven met de melding Communicatiefout of Kan niet communiceren.
   2. Als er een communicatiefout optreedt, sluit u het programma en start u het opnieuw op. Controleer de lintkabels opnieuw en controleer of ze goed zijn aangesloten op de pinnen op de RS232-kabelpinouts.
4. Eenmaal aangesloten, zorg ervoor dat Output 100% in rode balken leest.
5. Zodra de thermistor frequente intervalmetingen knippert, wijzigt u de intervaltijd in 60 s. Wis in het vak Controlleropties naar beneden 1 s en verander in 60 s. Klik op de knop OK.
6. Er zal een ovale knop naast het bedrijfslogo staan met het label Auto-scale. Klik op die knop om automatisch schalen in te schakelen. Let op de gele lijn die de temperatuuruitlezing weer geeft.
7. Klik in het plotgebied met de rechtermuisknop om de plot naar wens aan te passen, zoals het schalen van de x- en y-as.
8. Klik met de rechtermuisknop in het plotgebied en klik op exporteren naar Excel voordat een nieuwe meting elke 5000 s of 83,33 minuten begint (afhankelijk van het gekozen opname-interval). Sla de temperatuur- en tijdgegevens op in de spreadsheet die automatisch door het programma is gemaakt.
9. Plaats de metalen thermistorsonde in het glazen oceaanvat in de condensor. Zorg ervoor dat de sonde naar de zijkant van het glas wordt geplaatst, omdat de thermistorsonde die in het midden van de glazen injectieflacon hangt, de schoorsteengroei zal onderbreken. Opnieuw afdekken met parafilm.

5. Het ijsbad opzetten

1. Pak een grotere plastic pan en een middelgrote emmer. Vul de emmer tot halverwege met water.
2. Plaats de emmer in de pan en plaats ijs in het water tot het bijna vol is.
3. Plaats de twee kunststof afslangen aan weerszijden van de waterpomp(aanvullend aanhangsel 3, figuur 1). Merk op dat de verticale pompopening de plaats is waar water wordt gegoten om te beginnen met primen, en de horizontale opening is waar het water wordt uitgestoten. Sluit de pomp aan op een stopcontact, maar laat de elektrische connectoren open omdat ze de pomp van stroom zullen drijven wanneer deze is aangesloten.
4. Sluit de horizontale kunststofslang(aanvullend aanhangsel 3, figuur 2)aan op de hogere condensorpoort, naar rechts gericht, zodat de slang lang genoeg is om de ijsemmer te bereiken.
5. Plaats een andere afgesneden plastic slang naar de linker (onderste) condensorpoort, zodat deze slang ook lang genoeg is om het ijswaterbad te bereiken. Plaats deze slang over de emmer ijswater waarin het water uit de condensor wordt gestoten.
6. Giet koud water door de slang die is aangesloten op de verticale opening van de pomp. Wanneer de pomp vol water zit en helemaal tot aan de condensorpoort reikt, dompelt u de slang onder in het ijswaterbad en sluit u onmiddellijk de elektrische connectoren aan.
   OPMERKING: Hiervoor kunnen twee personen nodig zijn.
7. Bereid de pomp voor om water door de condensor te laten stromen, vul de emmer met ijs en plaats een thermometer in de emmer om de temperatuur te controleren.
   OPMERKING: De watertemperatuur moet ~ 0 °C bereiken. Zie de controletest in bijlage 1, figuur 2.
8. Blijf meer ijs toevoegen om het water op een koude temperatuur te houden, terwijl je een deel van het warmere water verwijdert.

6. Voorbereiden voor injectie

1. Breng de ddH₂O-spuiten (rubriek 2.3) naast de injectiespuiten voor hydrothermale vloeistof naar beneden. Schuif de plastic injectieslang voorzichtig van de ddH₂O spuitnaald en breng deze onmiddellijk rechtstreeks over op een van de primaire injectiespuitnaalden.
   OPMERKING: Prik niet in de wand van de slang.
2. Sluit het verwarmingskussen aan om de hydrothermale simulant te verwarmen tot 70-80 °C.  (Waarschuwing: hogere temperaturen kunnen de plastic spuit kromtrekken of beschadigen.)
3. Wikkel het kussentje om de sulfidespuit en schroef twee metalen klemmen stevig rond het kussen vast(aanvullende bijlage 3, figuur 3).
4. Zodra de klemmen op hun plaats zijn bevestigd, plaatst u ze op de spuitpomp en zet u de pomp stevig vast (afhankelijk van de spuitpomp naar keuze).
5. Stel de temperatuur op de bedieningskast in op ~70 °C door op de pijl-omhoogtoets te drukken(aanvullend aanhangsel 3, figuur 5). Druk op set/start.
6. Zodra de verwarmde spuit(en) op hun plaats op de spuitpomp zijn vergrendeld, stelt u de spuitpomp in om te injecteren op 1-2 ml/uur.
7. Controleer of oceaanoplossingen volledig zijn opgelost. Indien troebel, roer tot het grotendeels is opgelost.
8. Titreer de oceaansimulant tot pH 5,5 om de zuurgraad van de Hade oceaan^30,31te simuleren. Gebruik 10 M HCl en voeg druppeltjes langzaam toe (onder de N₂/Ar-voeding) totdat de pH-meter een stabiele 5,5 aanle geeft. Als het hoger is dan 5,5, gebruik dan NaOH om de pH terug te brengen naar meer basisniveaus met behulp van dezelfde langzame druppelmethode.
9. Giet een of twee oceaanoplossingen in de geprefabriceerde schoorsteenvaten. Giet een oceaanoplossing in de glazen injectieflacon in de condensor en de andere in het vat op kamertemperatuur zonder condensor (bij het uitvoeren van twee experimenten) (figuur 6).
   OPMERKING: Verplaats de temperatuurvoeler niet.
10. Sluit de bovenkant van de glazen injectieflacons af met parafilm. Vervang de N₂/Ar-feed naar de bovenkant van de hoofdruimte van de oceaansimulant en zorg ervoor dat de naald niet in de oceaansimulant wordt geïntroduceerd.
11. Programmeer de spuitpomp om te injecteren met 1-2 ml /h (kalibreer voor de grootte van de spuit die wordt gebruikt, afhankelijk van het type spuitpomp), maar druk niet op Start.
12. Om te voorkomen dat thermisch verlies optreedt door de lengte van de slang, injecteer de hete vloeistof snel om onmiddellijk contact te maken met het oceaanreservoir. Laat vervolgens de injectie met 1- 2 ml/u in de koude oceaan lopen. (Zie thermische test voor spuit in aanvullend aanhangsel 1). Gebruik afval bekers om eventuele druppels op te vangen.
13. Start de injectie en begin met het registreren van de oceaantemperatuur op de thermistor.

7. Monitoring van de temperatuur en het experiment

OPMERKING: Zodra het water door de condensor circuleert, begint de thermistortemperatuursonde de temperatuurdaling in de oceaan weer te geven. Het doel is dat de temperatuur in de buurt van 0 °C komt. Zie tabel 2 voor de precieze temperatuur (thermische) gradiëntinstellingen.

1. Sla alle temperatuurgegevens op door met de rechtermuisknop op het perceelgebied te klikken en sla op als een . CSV-bestand.
   OPMERKING: Het programma registreert tot 5000 s aan temperatuurgegevens en begint dan opnieuw.
2. Blijf ijs in de emmer toevoegen om temperaturen in de buurt van het vriespunt te houden, totdat de schoorsteen zich grotendeels heeft ontwikkeld, of in ieder geval totdat de spuit bijna leeg is.
3. Bewaak ook de schoorsteen op kamertemperatuur. Maak regelmatig foto's tijdens de schoorsteengroei voor beide schoorstenen.
4. Zodra de schoorsteen is voltooid, plaatst u een kleine liniaal naast beide schoorstenen en neemt u vervolgens afbeeldingen en slaat u deze op.
   OPMERKING: Het hele proces zou ~ 6 uur moeten lopen.

8. Het experiment beëindigen

1. Stop de spuitpomp, stop met het registreren van de temperatuur op de thermistor en sla de gegevens op in een spreadsheet.
2. Schakel de N₂/Ar-stroom uit en verwijder de lijnen en de parafilm uit de injectievaten.
3. Bemonster indien nodig de oceaanoplossing of precipiteer voor verdere analyse. Om de reservoiroplossing voorzichtig te verwijderen zonder het neerslag te verstoren, gebruikt u een pipet van 25 ml om voorzichtig verschillende aliquots van de reservoiroplossing te pipetten en gooit u de oplossing weg in een afvalbeker.
4. Giet de injectieflacon in de condensor voorzichtig af in een afval bekerglas. Verwijder de slang uit de spuit en laat de oceaanoplossing in het bekerglas in de zuurkast lopen. Doe hetzelfde voor de injectieflacon zonder condensor.
5. Verwijder de vaten één voor één van de klem en gebruik ddH₂O om de stukjes neerslag uit te spoelen in een afvalbeker.
6. Verwijder de slang en de spuiten uit de spuitpomp. Leeg de spuiten en eventuele extra injectievloeistof in het bekerglas van de afvaloverdracht en gooi de spuiten weg in een sulfide scherpe container die in de zuurkast wordt bewaard.
7. Verwijder de slang uit de injectieflacon van het experiment en gooi deze weg in een vaste afvalzak. Verwijder de afdichting en gooi het septum, de afdichting en de pipetpunt weg.
8. Spoel de glazen experimentflacon uit en week deze een nacht in een zuurbad van 1 M HCl.
   OPMERKING: Glaswerk dat in contact is geweest met natriumsulfide zal giftig H₂S-gas afgeven wanneer het in zuur wordt geplaatst. Bewaar daarom alle zuurbaden in de zuurkast.

Resultaten

Zoals in^{eerdere studies 1,2,13,29}; zodra de hydrothermale vloeistofsimulant de oceaanflacon bereikte, begon zich een minerale neerslagstructuur te vormen die dikker en hoger werd voor de duur van de injectie. De ijzersulfide schoorstenen waren delicate structuren die niet erg robuust waren en gemakkelijk konden worden uitgesplitst als de injectieflacon of injectie van de oceaan fysiek werd verstoord. Dit komt overeen met de resultaten van eerdere onderzoeken³. De chemische concentratie van de sulfideoplossing speelde ook een vitale rol in de morfologie van de sulfideschoorstenen. Meer geconcentreerde oplossingen van sulfide maakten hogere en stevigere minerale neerslag mogelijk, zoals weergegeven in figuur 5,terwijl lagere concentraties sulfideoplossingen zwakke schoorsteenstructuren veroorzaakten. In sommige gevallen werd er geen structuur gevormd, alleen een vloeibare sulfide-minerale "soep" gecreëerd, die uiteindelijk als sediment zou bezinken (Figuur 3D). Dit gebeurde in zowel thermische als niet-thermische gradiëntomstandigheden.

Bij thermische gradiënt schoorsteenexperimenten met ijzersulfide smolten vaste schoorsteenstructuren over het algemeen niet zo goed samen als bij kamertemperatuur. Figuur 3E-H toont de morfologie van een ijzersulfide schoorsteen gegroeid tussen een koude oceaan en hydrothermale vloeistof op kamertemperatuur. De schoorstenen in de temperatuurgradiënt waren snaarachtig en ijl van aard, terwijl niet-thermische gradiëntresultaten (figuur 3A-D) meer semipermanente structuren laten zien. Hetzelfde gold voor de verhitting van de hydrothermale vloeistof (figuur 4). De uitzondering was bij hogere sulfide- en ijzerconcentraties (figuur 5) waar een vaste ijzersulfide schoorsteen werd gevormd tussen een hydrothermale oplossing op kamertemperatuur en een koude oceaansimulant.

Het effect van een thermische gradiënt op de groei van ijzerhydroxide schoorstenen werd ook getest. De resultaten toonden patronen die vergelijkbaar waren met die van de ijzersulfide schoorsteen: terwijl het ijzerhydroxide-experiment op kamertemperatuur resulteerde in een robuuster schoorsteenprecipitaat, resulteerde het thermische gradiëntexperiment tussen de warme hydrothermale vloeistof en de koude oceaan in een kleinere heuvel van schoorsteenmateriaal dat niet verticaal samensmolt (figuur 6). In tegenstelling tot de hoge rechtopstaande structuren van ijzerhydroxide schoorstenen waargenomen in eerder werk (in experimenten bij kamertemperatuur)²⁹, toonde ons thermische gradiëntexperiment een andere morfologie.

Figuur 1: Thermische gradiënt schoorsteen apparatuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 

Figuur 2: 3D-geprinte condensor. (A) Schema van een 3D-geprinte condensor met condensorafmetingen. (B) Plaatsing van een glazen oceaanschip in de condensor om de oceaansimulant te koelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Een verscheidenheid aan thermische en niet-thermische gradiënt schoorstenen. (A-D) Niet-thermische gradiënt controle-experiment van kamertemperatuur hydrothermale vloeistof (HTF) tot kamertemperatuur oceaansimulant. (A) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF en 20mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (B) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF en 10 mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (C) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF en 20mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (D) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF en 20mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (E-H) Thermisch gradiënt schoorsteen experiment van kamertemperatuur HTF simulant naar een koude oceaan reservoir (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF en 10 mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (F) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF en 20 mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (G) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF en 10 mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. (H) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF en 20 mM FeCl₂·4H₂O oceaansimulant. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Thermisch gradiënt experiment. Experiment uitgevoerd met warme (~35-40 °C) 20 mM Na₂S•9H₂O oplossing geïnjecteerd in een koude (~5-10 °C) 20 mM FeCl_{2 ·4H2}O oceaansimulant, waardoor kleine schoorsteenstrengen ontstaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Effect van de concentratie van oceaansimulant op schoorstenen. Hogere concentraties (~50 mM Na₂S•9H₂O, 10 mM FeCl₂·4H₂O en 200 mM NaCl) van anoxische oceaansimulanten produceerden structureel robuustere, hogere schoorstenen. Sulfideoplossing bij kamertemperatuur werd geïnjecteerd in een oceaansimulant van 2-10 °C. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Gelijktijdige groei van schoorstenen met thermische en niet-thermische gradiënt. (A) 100 mM FeCl_{2·4H 2}O + 100 mM FeCl_{3·6H 2}O oceaanoplossing met een 200 mM NaOH hydrothermale vloeistof (HTF) vloeistofsimulant bij kamertemperatuur. (B) Thermisch gradiënt experiment met dezelfde concentraties met warme HTF bij ~ 35-50 ° C in koude oceaansimulant bij ~ 5-10 ° C. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Hydrothermale vloeistofchemie (injectie)	Oceaanchemie (Reservoir)
50m na2S	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl of NaHCO3
20m na2s	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl of NaHCO3
10m Na2S	20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl of NaHCO3
200m NaOH	100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

Tabel 1: Concentratiematrix voor degesimuleerde injectieoplossingen voor oceaan- en hydrothermale vloeistoffen.

HTF °C	Oceaan Simulant Temperaturen °C
~ 23	~ 23	5-10
~ 35-50	~ 23	5-10

Tabel 2: Thermische gradiënt experimentele matrix. De hydrothermale vloeistof (HTF) temperatuur verwijst naar de temperatuur van de vloeistof in de spuit; de werkelijke temperatuur bij de inlaat van de injectieflacon met de oceaan lag tussen 20 en 35 graden lager dan de temperatuur in de spuit (~70 °C) (zie aanvullend aanhangsel 1, figuur 3en figuur 4).

Aanvullend afdrukbaar bestand. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Aanvullende bijlage 1. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Aanvullende bijlage 2. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Aanvullend aanhangsel 3. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Discussie

Effect van thermische gradiënten op gesimuleerde schoorsteengroei: Dit experimentele apparaat leverde verschillende variaties in schoorsteenmorfologieën op die te wijten waren aan verschillende experimentele parameters. Schoorstenen van ijzersulfide en ijzerhydroxide vormden hoge rechtopstaande structuren bij kamertemperatuur, maar vormden meer ijle, sliertige neerslagen of platte heuvels in de thermische gradiëntexperimenten. Dit was in overeenstemming met de bevindingen van Herschy et al. waar piekerige, niet-rechtopstaande schoorsteenprecipitaten werden gevormd uit een hydrothermale vloeistof verwarmd tot 70-80 ° C en geïnjecteerd in oceaansimulant op kamertemperatuur³³. Er zijn verschillende mogelijke verklaringen hiervoor: convectieve warmteoverdracht kan meer natuurlijke drijvende krachten veroorzaken (samen met het geforceerde pompen van de injectie) om het neerslag snel naar de top van het oceaanschip te laten stromen terwijl het zich vormt. Als alternatief maakt het verwarmen van de spuitvloeistof de hydrothermale simulant minder dicht en dus meer geneigd om verticaal te stijgen dan om bovenop het injectiepunt te stabiliseren. Het is mogelijk dat dit effect kan worden verzacht door de injectiesnelheid van de spuit te wijzigen in langzamere snelheden om de groei van een stabielere structuur mogelijk te maken. White et al. onderzochten de groei van ijzersulfide schoorsteen met de hydrothermale simulant geïnjecteerd met extreem langzame snelheden (0,08 ml / h), en hoewel de schoorsteen dagen nodig had om samen te smelten, was deze structureel stabiel¹³. Aangezien Herschy et al. peristaltische pompen gebruikten met injectiesnelheden van 10-120 ml / h, wat enkele ordes van grootte sneller is dan de snelheden die worden gebruikt in onze thermische gradiëntexperimenten, is het niet verwonderlijk dat ze ook snaarachtige schoorsteenstructuren produceerden³³.

Hogere concentraties neerslaande reactanten in de oceaan en ontluchtingsoplossingen kunnen ook robuustere schoorstenen in thermische gradiënten opleveren. Hogere chemische concentraties van neerslaande ionen (sulfide of hydroxide) in de hydrothermale vloeistof of oceaansimulant kunnen leiden tot een hogere totale neerslagmassa, waardoor een sterkere structuur ontstaat. Omdat Herschy et al. en White et al. lagere concentraties sulfide in de hydrothermale vloeistof (10 mM) gebruikten, waren hun structuren kleiner dan die geproduceerd in dit werk met hogere (20-50 mM) sulfideconcentraties. Bovendien hebben sommige studies van ijzersulfide schoorsteengroei ook silica in de hydrothermale vloeistof opgenomen, samen met het natriumsulfide, wat kan helpen bij het produceren van robuustere schoorstenen^3,13,33. Silica chemische tuinstructuren zijn ook gebruikt om aspecten van hydrothermale schoorsteengroei te simuleren³⁴, en deze hebben de neiging om zeer robuuste structuren te produceren die uit de buis / flacon kunnen worden verwijderd voor fysische analyse. De effecten van temperatuurgradiënten op silica-injectiestructuren zijn echter niet bekend en zullen een gebied van verdere studie zijn.

Overwegingen voor toekomstige schoorsteensimulatie-experimenten:De 3D-geprinte condensor die in deze studie werd gemaakt om het oceaanschip te koelen, werkte als een ommanteld reactievat, maar met enkele praktische verbeteringen: 1) de open bovenkant maakte bemonstering van de schoorsteen mogelijk en het onderhouden van de anoxische oceaanhoofdruimte; 2) het 3D-geprinte deel verleende gemakkelijke reproduceerbaarheid; 3) omdat de ontwerpen digitaal kunnen worden bewerkt, kan het apparaat snel worden gewijzigd en indien gewenst opnieuw worden afgedrukt; en 4) het gebruik van goedkope materialen maakte elke condensor kosteneffectiever dan de eigenlijke reactievaten met glazen mantel. Deze 3D-geprinte condensors zijn een flexibel en gemakkelijk te delen experimenteel apparaat dat een nuttige manier kan zijn om platforms te standaardiseren voor gesimuleerde hydrothermale schoorsteenexperimenten in verschillende onderzoeksgroepen, waardoor een betere vergelijking van monsters en gegevens mogelijk is. Bestanden van de condensor kunnen naar collega's worden gestuurd om zelfstandig te printen voor hun educatieve of wetenschappelijke doeleinden (zie Aanvullend 3D-printbestand van de condensor die in dit werk wordt gebruikt). Deze goedkope opstelling kan ook worden gebruikt als een niet-gegradueerd laboratoriumexperiment voor chemische tuinen of chemobrionics^29,35.

Concluderend beschrijft dit werk een nieuw experimenteel apparaat dat 3D-printen gebruikt om de groei van gesimuleerde hydrothermale schoorstenen in temperatuurgradiëntomgevingen te vergemakkelijken. De 3D-geprinte condensor is in staat om de oceaansimulant te koelen tot temperaturen in de buurt van bijna-vriestemperaturen, vergelijkbaar met het zeewater in de buurt van hydrothermale systemen op de zeebodem. Ondertussen werd een verwarmde spuit gebruikt om de hydrothermale vloeistof op hoge temperatuur te simuleren die in deze koude oceaan injecteerde. De morfologieën en structuren van ijzersulfide- en ijzerhydroxideschoorstenen werden beïnvloed door de thermische gradiënt: wanneer zowel de oceaan als de hydrothermale vloeistofsimulanten op kamertemperatuur waren, vormden de schoorstenen verticaal georiënteerde structuren, maar toen de hydrothermale vloeistof werd verwarmd en de oceaan werd afgekoeld, werd de vorming van robuuste schoorsteenstructuren geremd. Voor het nauwkeurig simuleren van prebiotische reacties in dergelijke schoorsteensystemen met thermische gradiënten analoog aan die van natuurlijke systemen, zal het nodig zijn om parameters zoals injectiesnelheid en chemische samenstelling van zowel vent- als oceaansimulanten zorgvuldig te regelen. De aangepaste en goedkope 3D-geprinte condensor die voor deze studie is gemaakt, is qua functie vergelijkbaar met een omhuld reactievat en kan eenvoudig elektronisch worden gewijzigd en gedistribueerd naar verschillende onderzoeks- en onderwijsgroepen voor gebruik in vele soorten chemobrionische experimenten.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
3/8-Inch Clear Vinyl Tubing	Watts	SVIG10	Snijden op de gewenste lengte voor het experiment
40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables	EDGELEC	ED-DP_L30_Mix_120pcs	Deze draden vereisen het afstrippen van de plastic uiteinden en het voorzichtig verwijderen van een van de 2 plastic behuizingen
Aluminium afdichtingen	Fisher	0337523C	Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals
Ferric chloride hexahydrate	Fisher	I88-100	Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Ferrous chloride tetrahydrate	Fisher	I90500	Ferrous Chloride Tetrahydrate (Kristallijn/Gecertificeerd)
Gear Hose Clamps	Glarks	40Pcs
Grijze butyl stoppen	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific National 20 mm Septa voor Headspace Vials
Pipet tips	VWR	53511-682	pipet tips 0.5-10 microliters
Serumflessen	Sigma-Aldrich	33110-U	Vials, crimp top, serum fles, maat 100 mL, helder glas, buitendiameter x hoogte 51.7 mm x 94.5 mm. Voor deze experimenten moet de bodem van de serumfles worden afgesneden.
Sodium hydroxide	Sigma-Aldrich	S5881	reagenskwaliteit, ≥98%, pellets (watervrij)
Sodium sulfide nonahydrate	Fisher	S425212	Sodium Sulfide Nonahydrate (Kristallijn/Gecertificeerd ACS).  Bewaar bij -20 °C. Alleen openen in een handschoenenkast of afzuigkap. Geeft giftig H2S-gas vrij; alle sulfide-houdende oplossingen moeten in een handschoenenkast of afzuigkap worden bewaard.
spuitverwarmer	Syringepump.com	HEATER-KIT-5SP	Clamp gear hose clamps rond verwarmingsdeken
Spuitnaalden (16 gauge)	Fisher	14-826-18B	BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Spuitpomp	Syringepump.com	NE-4000	Dubbel of meerdere kanalen, afhankelijk van het gewenste aantal gelijktijdige experimenten
Spuiten (10 mL)	Fisher	14-823-16E	BD Spuit met Luer-Lok Tips (Zonder Naald)
Slangen	Cole Parmer	EW-06407-71	Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" binnendiameter X 1/8" buitendiameter
Watercirculatiepomp	Bayite	BYT-7A015	Misschien twee personen nodig om de pomp te primen