Artykuł metodologiczny

Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

DOI:

10.3791/53015

⸱

18 listopada 2015

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Opisujemy powstawanie ogrodów chemicznych za pomocą eksperymentów iniekcyjnych, które pozwalają na laboratoryjne symulacje naturalnych chemicznych systemów ogrodowych, które tworzą się w podmorskich kominach hydrotermalnych.

Streszczenie

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

Tutaj przedstawiamy eksperymentalne symulacje wzrostu kominów hydrotermalnych przy użyciu metod iniekcji chemicznych ogrodów. Wszechstronność tego typu eksperymentów pozwala na testowanie różnych proponowanych składów chemicznych płynów oceanicznych / hydrotermalnych, które mogły napędzać reakcje w kierunku powstania życia w środowiskach na wczesnej Ziemi, wczesnym Marsie, a nawet na innych światach, takich jak lodowe księżyce planet zewnętrznych. Pokazujemy eksperymenty, które obejmują wzrost chemicznych struktur ogrodowych w warunkach beztlenowych symulujących wczesną Ziemię, włączenie śladowych składników fosforanów / substancji organicznych do roztworu iniekcyjnego w celu włączenia ich do struktury, przełączenie roztworu iniekcyjnego w celu wprowadzenia wtórnego anionu strącającego oraz pomiar potencjałów błonowych generowanych przez ogrody chemiczne. Za pomocą tej metody utworzono samoorganizujące się chemiczne struktury ogrodowe, które naśladują naturalne kominy wytrącające się w podwodnych źródłach hydrotermalnych, a osady te mogą być z powodzeniem wykorzystywane jako reaktory przepływowe poprzez wielokrotne kolejne iniekcje "hydrotermalne".

Wprowadzenie

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

"Ogrody chemiczne" to samoorganizujące się osady nieorganiczne, które powstają w wyniku interakcji dwóch płynów o przeciwstawnych substancjach chemicznych1,2. Te samoorganizujące się struktury nieorganiczne są przedmiotem zainteresowania naukowców od ponad wieku, częściowo ze względu na ich biomimetyczny wygląd, a także przeprowadzono wiele badań eksperymentalnych i teoretycznych w celu zrozumienia różnych złożonych aspektów i możliwych funkcji chemicznych systemów ogrodowych3. Naturalnymi przykładami ogrodów chemicznych są mineralne osady "kominowe", które rosną wokół źródeł hydrotermalnych i wycieków, i argumentowano, że mogą one zapewnić wiarygodne środowisko dla pojawienia się życia4. Aby wyhodować ogród chemiczny symulujący naturalny komin komina hydrotermalnego, roztwór zbiornikowy powinien reprezentować symulowany skład oceanu, a roztwór iniekcyjny powinien reprezentować płyn hydrotermalny, który zasila ocean. Wszechstronność tego typu eksperymentów w odniesieniu do różnych systemów reakcyjnych pozwala na symulację niemal każdego proponowanego składu chemicznego płynów oceanicznych / hydrotermalnych, w tym środowisk na wczesnej Ziemi lub na innych światach. Na wczesnej Ziemi oceany były beztlenowe, kwaśne (pH 5-6) i zawierały rozpuszczone w atmosferze CO2 i Fe2+, a także FeIII, Ni2+, Mn2+, NO3- i NO2-. Reakcje chemiczne zachodzące między tą wodą morską a ultramaficzną skorupą oceaniczną wytworzyłyby alkaliczny płyn hydrotermalny zawierający wodór i metan, a w niektórych przypadkach siarczek (HS-)4-8. Kominy powstałe we wczesnych alkalicznych środowiskach wentylacyjnych Ziemi mogły zatem zawierać tlenowodorotlenki żelaza/żelaza i siarczki żelaza/niklu, i zaproponowano, że minerały te mogły pełnić szczególne funkcje katalityczne i protoenzymatyczne w kierunku wykorzystania geochemicznych gradientów redoks / pH w celu napędzania pojawienia się metabolizmu5. Podobnie, na innych planetach, takich jak ten, który może gościć (lub mógł gościć) granicę faz woda/skała – takich jak wczesny Mars, księżyc Jowisza Europa lub księżyc Saturna Enceladus – możliwe jest, że chemia wody / skał może generować alkaliczne środowiska wentylacyjne zdolne do napędzania chemii prebiotycznej lub nawet zapewniania nisz mieszkalnych dla istniejącego życia5,9-11.

Klasyczny eksperyment w ogrodzie chemicznym polega na tym, że kryształ zarodkowy soli metalu, np. tetrahydratu chlorku żelaza FeCl2•4H2O, zanurzony w roztworze zawierającym reaktywne aniony, np. krzemian sodu lub "szkło wodne". Sól metalu rozpuszcza się, tworząc kwaśny roztwór zawierający Fe2+, który łączy się z bardziej alkalicznym roztworem (zawierającym aniony krzemianowe i OH-) i powstaje nieorganiczny osad membranowy. Membrana pęcznieje pod ciśnieniem osmotycznym, pęka, a następnie ponownie wytrąca się na nowym granicy faz płynu. Proces ten powtarza się aż do rozpuszczenia kryształów, w wyniku czego powstaje pionowo zorientowana, samoorganizująca się struktura osadu o złożonej morfologii zarówno w skali makro, jak i mikro. Ten proces wytrącania powoduje ciągłe oddzielanie chemicznie kontrastujących roztworów przez nieorganiczną chemiczną membranę ogrodową, a różnica naładowanych gatunków w poprzek membrany daje potencjał błonowy12-14. Chemiczne struktury ogrodowe są złożone, wykazują gradienty kompozycyjne od wewnątrz na zewnątrz13,15-19, a ściany struktury utrzymują separację między kontrastującymi roztworami przez długi czas, pozostając jednocześnie nieco przepuszczalne dla jonów. Oprócz tego, że są idealnym eksperymentem do celów edukacyjnych (ponieważ są łatwe do wykonania do demonstracji w klasie i mogą edukować uczniów na temat reakcji chemicznych i samoorganizacji), ogrody chemiczne mają znaczenie naukowe jako reprezentacje samoorganizacji w dynamicznych, dalekich od równowagi układach, obejmujące metody, które mogą prowadzić do produkcji interesujących i użytecznych materiałów20,21.

Ogrody chemiczne w laboratorium mogą być również uprawiane metodą iniekcji, w której roztwór zawierający jeden jon wytrącający się jest powoli wstrzykiwany do drugiego roztworu zawierającego jon (lub jony) współwytrącające. Powoduje to powstawanie chemicznych struktur ogrodowych podobnych do tych z eksperymentów ze wzrostem kryształów, z tą różnicą, że właściwości układu i osadu mogą być lepiej kontrolowane. Metoda iniekcji ma kilka istotnych zalet. Pozwala na stworzenie ogrodu chemicznego przy użyciu dowolnej kombinacji gatunków strącających lub inkorporowanych; tj. wiele jonów wytrącających się może być włączonych do jednego roztworu i/lub inne składniki niewytrącające mogą być zawarte w dowolnym roztworze, aby adsorpować / reagować z osadem. Potencjał membranowy generowany w systemie ogrodu chemicznego można zmierzyć w eksperymencie iniekcji, jeśli elektroda jest włączona do wnętrza konstrukcji, umożliwiając w ten sposób badanie elektrochemiczne systemu. Eksperymenty iniekcyjne oferują możliwość wprowadzania roztworu do wstrzykiwań do wnętrza ogrodu chemicznego w kontrolowanych ramach czasowych poprzez zmianę szybkości wstrzykiwania lub całkowitej objętości wstrzykniętego; Dzięki temu możliwe jest sekwencyjne podawanie różnych roztworów i wykorzystanie wytrąconej struktury jako pułapki lub reaktora. W połączeniu techniki te pozwalają na laboratoryjne symulacje złożonych procesów, które mogły zachodzić w naturalnym chemicznym systemie ogrodowym przy podmorskim kominie hydrotermalnym, w tym kominie powstałym w wyniku wielu jednoczesnych reakcji wytrącania między oceanem a płynem wentylacyjnym (np. wytwarzającym siarczki metali, wodorotlenki i/lub węglany i krzemiany)5,22. Techniki te można również zastosować do dowolnego systemu reakcji w ogrodzie chemicznym, aby umożliwić tworzenie nowych rodzajów materiałów, np. rur warstwowych lub rurek z zaadsorbowanymi gatunkami reaktywnymi20,23.

Szczegółowo opisujemy tutaj przykładowy eksperyment, który obejmuje jednoczesny wzrost dwóch chemicznych ogrodów, struktur zawierających Fe2+ w środowisku bezanowym. W tym eksperymencie dodaliśmy śladowe ilości polifosforanów i / lub aminokwasów do początkowego roztworu iniekcyjnego, aby zaobserwować ich wpływ na strukturę. Po początkowym uformowaniu ogrodu chemicznego zmieniliśmy roztwór iniekcyjny, aby wprowadzić siarczek jako wtórny anion strącający. Pomiary potencjałów błonowych były wykonywane automatycznie przez cały czas trwania eksperymentu. Protokół ten opisuje, jak przeprowadzić dwa eksperymenty jednocześnie przy użyciu podwójnej pompy strzykawkowej; Przedstawione dane wymagały wielu przebiegów tej procedury. Stosunkowo wysokie natężenia przepływu, niskie pH zbiornika i stężenia reagentów stosowane w naszych doświadczeniach są zaprojektowane tak, aby tworzyć duże osady kominowe w skalach czasowych odpowiednich dla jednodniowych eksperymentów laboratoryjnych. Jednak natężenia przepływu płynów w naturalnych źródłach hydrotermalnych mogą być znacznie bardziej rozproszone, a stężenia reagentów wytrącających się (np. Fe i S we wczesnym systemie Ziemi) mogą być o rząd wielkości niższe4; W ten sposób strukturalne osady tworzyłyby się w dłuższych skalach czasowych, a komin mógłby być aktywny przez dziesiątki tysięcy lat24,25.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Względy bezpieczeństwa

  1. Używaj środków ochrony osobistej (fartuch laboratoryjny, okulary, rękawice nitrylowe, odpowiednie obuwie), aby zapobiec rozlaniu chemikaliów lub obrażeniom. Używaj strzykawek i igieł i uważaj, aby nie przebić rękawic. Podczas przygotowywania eksperymentu należy zachować ostrożność, aby sprawdzić aparaturę pod kątem wycieków, wykonując najpierw wstrzyknięcie z podwójnie destylowanymH2O(ddH2O), a przed dodaniem chemikaliów sprawdzić stabilność fiolek reakcyjnych na stojaku.
  2. Podejmij ten eksperyment z dowolnym przepisem na ogród chemiczny, ale jednym z reagentów, których używamy do symulacji kominów głębinowych, jest niebezpieczna substancja chemiczna, siarczek sodu; dlatego przeprowadź cały eksperyment w dygestorium, aby zapobiec narażeniu.
    1. Otwierać tylko butelkę z siarczkiem sodu w dygestorii i umieszczać w niej wagę do ważenia siarczków. Roztwory zawierające siarczki należy zawsze przechowywać wewnątrz dygestorium, ponieważ uwalniają one toksyczny gazH2S, a także przechowywać w dygestoriach płynne siarczki, ostre przedmioty i pojemniki na odpady stałe. Innym interesującym reagentem jest Fe(II)Cl2•4H2O, który utlenia się pod wpływem powietrza, dlatego należy uważać, aby roztwory były beztlenowe i uprawiać ogrody chemiczne w beztlenowej przestrzeni nad roztworem (np. N2 lub Ar), zawsze w dygestoriach lub komorze rękawicowej.

2. Konfiguracja do eksperymentów iniekcyjnych

  1. Stworzyć szklane "fiolki do wstrzykiwań", odcinając dolny 1 cm 100 ml przezroczystej szklanej butelki z surowicą do zaciśnięcia (20 mm z zamknięciem z zaciskanym zamknięciem) za pomocą noża do szkła, tak aby po odwróceniu naczynie było otwarte na powietrze. Ponieważ są one wielokrotnego użytku, należy je oczyścić w 1 M kąpieli kwasowej HCl O/N, a następnie dobrze spłukać ddH2O przed nowym eksperymentem.
  2. Przygotować fiolki do wstrzykiwań (Rysunek 1).
    1. Zebrać przegrodę 20 mm, aluminiową uszczelkę zaciskaną 20 mm i plastikową końcówkę do pipety 0,5-10 μl. Za pomocą igły strzykawkowej 16 G ostrożnie przebić otwór w środku przegrody, a następnie wyjąć igłę i wyrzucić do odpowiedniego pojemnika na ostre odpady.
    2. Włożyć końcówkę pipety do otworu igły, do boku gumowej przegrody, która będzie skierowana do wnętrza zaciskanej górnej części fiolki. Przepchnij końcówkę pipety przez przegrodę tak, aby wystawała z drugiej strony.
    3. Uszczelnić przegrodę za pomocą końcówki pipety na naczyniu do wstrzykiwań, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie. Po uszczelnieniu wepchnij końcówkę pipety głębiej przez przegrodę, tak aby wystawała na zewnątrz.
    4. Przymocuj przezroczystą, elastyczną rurkę o średnicy wewnętrznej 1/16" do końcówki pipety (długość rurki powinna sięgać od fiolki do wstrzykiwania do pompy strzykawkowej); przesuń ją do góry, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie.
      Uwaga: Będzie to rurka iniekcyjna, podawana z drugiego końca przez strzykawkę z igłą 16 G.
    5. Sprawdź, czy nie ma wycieków: Włóż strzykawkę o pojemności 10 ml wypełnioną ddH2O igłą 16 G do drugiego końca rurki (płynnie wsuń rurkę prosto na igłę i uważaj, aby nie przebić ścianki rurki). Powoli wstrzykiwać tak, aby ddH2O przesunął się w górę rurki i do dna naczynia reakcyjnego. Upewnij się, że strzykawka/rurka, rurka/końcówka i uszczelki zaciskowe są wodoszczelne.
  3. Zacisnąć fiolki do wstrzykiwań na stojaku w okapie oparowym, tak aby iniekcja była podawana od dołu fiolki.
    Uwaga: Można ustawić wiele fiolek jednocześnie i podawać je jednocześnie za pomocą oddzielnych strzykawek.
  4. Ustawić elektrody do pomiaru potencjału membrany w poprzek ściany ogrodu chemicznego. Zawsze stosuj tę samą konwencję dla tego, który ołów jest "wewnątrz", a który "na zewnątrz" ogrodów chemicznych.
    1. Przeciąć odcinki izolowanego drutu (np. miedzi), które sięgają z wnętrza naczyń reakcyjnych do przewodu multimetru lub rejestratora danych. Zostaw trochę luzu w przewodach do pozycjonowania.
    2. Zdjąć ~3 mm drutu gołego na końcach, które będą znajdować się wewnątrz fiolki reakcyjnej. Na pozostałych końcach, które zostaną podłączone do przewodów multimetru, odizoluj ~1 cm drutu.
    3. Zamocuj przewody na miejscu, aby zmierzyć potencjał membrany w całym ogrodzie chemicznym. W przypadku drutu, który znajdzie się w ogrodzie chemicznym: włóż go do otworu końcówki pipety, z którego płyn będzie podawany do naczynia.
    4. Lekko wcisnąć drut, aby zapewnić kontakt z roztworem do wstrzykiwań, ale nie na tyle, aby zatkał przepływ iniekcji. W przypadku przewodu zewnętrznego: umieść go tak, aby stykał się ze zbiornikiem roztworu, ale nie z chemicznym osadem ogrodowym.
    5. Zakleić taśmą lub w inny sposób zabezpieczyć przewody w taki sposób, aby nie mogły przemieszczać się wewnątrz fiolki do wstrzykiwań podczas eksperymentu (Rysunek 2).
    6. Podłącz drugie końce przewodów do multimetru i zabezpiecz przewody tak, aby te końce również nie poruszały się przez cały czas trwania eksperymentu.
  5. Ustawić przewody gazowe N2, z których każda będzie podawana do jednej z fiolek do wstrzykiwań.
    1. Podzielić dopływ gazu ze źródła N2 na kilka probówek, tak aby na każdą fiolkę do wstrzykiwań przypadała jedna porcja N2.
    2. Umieścić każdą probówkęN2 w taki sposób, aby mieściła się w przestrzeni nad roztworem jednej z fiolek do wstrzykiwań.

3. Przygotowanie roztworów do chemicznego wzrostu ogrodu

  1. Przygotować roztwór w zbiorniku, 100 ml na każde doświadczenie. Uwaga: W tym przykładzie użyj 75 mM Fe2+ i 25 mM Fe3+ jako kationów wytrącających (Tabela 1).
    1. Stwórz roztwory beztlenowe, najpierw bulgocząc ddH2O z gazem N2 przez ~ 15 minut na 100 ml.
    2. Odważyć i dodać FeCl2•4H2O i FeCl3•6H2O, delikatnie mieszając do rozpuszczenia (nie energicznie, aby nie wprowadzić tlenu).
    3. Po rozpuszczeniu odczynników należy natychmiast wznowić lekkie bulgotanie roztworu Fe2 + / Fe3 + gazemN2 podczas przygotowywania wstrzyknięć.
  2. Wybrać dowolne dwa roztwory do wstrzykiwań pierwotnych przedstawione w Tabeli 1 i przygotować 10 ml każdego z nich. Napełnić strzykawkę o pojemności 10 ml do oznaczenia 7 ml każdym z roztworów (jedna strzykawka na każdy roztwór). Założyć osłonki igły i odłożyć je na bok.
  3. Przygotować 20 ml roztworu do wstrzykiwań wtórnych (siarczek sodu – UWAGA) przedstawionego w Tabeli 1. Napełnić tym roztworem dwie strzykawki o pojemności 10 ml do oznaczenia 7 ml, założyć nasadki na igły i odłożyć na bok. Roztwory zawierające siarczki i strzykawki należy zawsze przechowywać w dygestorium.
  4. Napełnić strzykawki ddH2O z kroku 2.2.5; zostaną one użyte do przepłukania rurki do wstrzykiwań.

4. Rozpoczęcie pierwszego wtrysku

  1. Użyj żądanego rejestratora danych do pomiarów potencjału błony; zmierz potencjał każdego eksperymentu na oddzielnym kanale i ustaw szybkość skanowania, aby uzyskać żądaną liczbę punktów danych (np. w przypadku 2-godzinnego wstrzykiwania wystarczające byłoby rejestrowanie potencjału co 30 sekund).
  2. Zamocować strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych na programowalnej pompie strzykawkowej w dygestorium.
  3. Użyć zlewki na odpady, aby wychwycić krople i ustawić pompę strzykawkową tak, aby wstrzykiwała z dużą szybkością, aż obie strzykawki zaczną kapać do zlewki. Następnie należy przerwać wstrzykiwanie (w celu upewnienia się, że obie strzykawki zaczynają wstrzykiwać się dokładnie na tym samym poziomie).
  4. Ponownie zaprogramować pompę strzykawkową tak, aby wstrzykiwała z prędkością 2 ml na godzinę (skalibrować dla typu używanej strzykawki), ale nie naciskać przycisku start.
  5. Włożyć strzykawki ddH2O do dwóch plastikowych rurek iniekcyjnych i wstrzyknąć tak, aby woda wypełniła przezroczystą rurkę aż do otworu, w którym dostaje się do głównego zbiornika. Umieścić strzykawki na stojaku, nad fiolkami do wstrzykiwań.
  6. Wlać 100 ml roztworu zbiornika Fe2+/Fe3+ do każdej fiolki.
  7. Dostosuj przepływ przewodów gazowychN2 zgodnie z potrzebami, aby utrzymać eksperyment w stanie beztlenowym przez cały czas wstrzykiwań.
  8. Ostrożnie przykryć fiolki z pojemnikiem hermetycznym zamknięciem (np. za pomocą Parafilmu; nie zasłaniając view przez szkło) i wprowadzić podajnik N2 do każdej fiolki (Rysunek 3).
  9. Umieścić strzykawki ddH2O (nadal włożone do rurki) obok strzykawek do wstrzykiwań pierwotnych. Ostrożnie zsunąć plastikową rurkę iniekcyjną z igły strzykawki ddH2O i natychmiast przenieść ją bezpośrednio na jedną z igieł do wstrzykiwań głównych. (Uważaj, aby nie przebić ścianki rurki.)
  10. Rozpocznij wstrzykiwanie i rozpocznij rejestrację potencjału błony.

5. Rozpoczęcie wtórnego wstrzykiwania:

  1. Zatrzymać pompę strzykawkową po 3 godzinach (po wstrzyknięciu 6 ml), gdy uformują się struktury ogrodu chemicznego (ryc. 4), stale wytwarzając potencjał błonowy (ryc. 5).
  2. Ostrożnie wyjąć strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych z pompy strzykawkowej (ale pozostawić je podłączone do rurki, aby nie naruszyć struktur); ustawić je na stojaku powyżej poziomu płynu w fiolkach, tak aby płyn nie mógł spłynąć z powrotem do strzykawki.
  3. Przymocować strzykawki z siarczkami do wstrzykiwań wtórnych do pompy strzykawkowej i powtórzyć kroki 4.3 i 4.4.
  4. Wyjmować strzykawki wtórne pojedynczo z pompy strzykawkowej i, trzymając strzykawki powyżej poziomu płynu w fiolkach, powtórzyć krok 4.9, przenosząc rurkę ze strzykawek pierwotnych do strzykawek wtórnych (Rysunek 6). Należy uważać, aby ciśnienie płynu ze zbiornika do strzykawki nie spowodowało ponownego przepływu płynu do strzykawki, ponieważ mogłoby to spowodować zawalenie się ogrodu chemicznego.
  5. Po zakończeniu transferu ostrożnie przymocować strzykawki wtórne do pompy strzykawkowej.
  6. Ponownie zaprogramować pompę strzykawkową tak, aby wstrzykiwała z prędkością 2 ml na godzinę, a następnie nacisnąć przycisk Start, aby kontynuować wstrzykiwanie z nowym roztworem do wstrzykiwań.
  7. Strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych należy usunąć w bezpieczny sposób.

6. Zakończenie eksperymentu

  1. Najpierw zatrzymaj pompę strzykawkową, a następnie zatrzymaj rejestrację potencjału membrany i zapisz dane.
  2. Wyłączyć przepływN2 i usunąć przewody oraz Parafilm z naczyń iniekcyjnych.
  3. W razie potrzeby pobrać próbkę roztworu ze zbiornika lub wytrącić się do dalszej analizy. Aby ostrożnie usunąć roztwór z zbiornika i nie naruszyć osadu, należy użyć pipety o pojemności 25 ml, aby ostrożnie odpipetować roztwór z zbiornika w kilku podwielokrotnościach i wyrzucić roztwór do zlewki na odpady.
  4. Odkręcić pojedynczo naczynia iniekcyjne i wlać roztwór do zlewki do przenoszenia odpadów w dygestorium. Użyj ddH2O, aby wypłukać kawałki osadu.
  5. Wyjąć strzykawki z pompy strzykawkowej i wyjąć je z rurki, pozwalając, aby nadmiar płynu iniekcyjnego spłynął do zlewki do przenoszenia odpadów. Opróżnić strzykawki do zlewki na odpady i wyrzucić je do pojemnika na ostre odpady siarczkowe przechowywanego w dygestorium.
  6. Wyjmij rurkę z fiolki eksperymentalnej i wyrzuć ją do worka na odpady stałe. Odkręć uszczelkę i wyrzuć przegrodę, uszczelkę i końcówkę pipety.
  7. Wypłucz szklaną fiolkę eksperymentalną i zanurz ją w 1 M kąpieli kwasowej HCl O/N. (UWAGA - naczynia szklane, które miały kontakt z siarczkiem sodu, uwalniają toksyczny gazH2Spo umieszczeniu w kwasie. Kąpiele kwasowe należy przechowywać w dygestorium.)

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Gdy roztwór iniekcyjne zaczął zasilać roztwór zbiornika, na granicy płynów zaczął tworzyć się chemiczny osad ogrodowy, który rozwijał się w trakcie iniekcji (Rysunki 4-7). W opisanych tutaj eksperymentach pierwszym wstrzyknięciem był wodorotlenek sodu (który można zmodyfikować tak, aby zawierał L-alaninę i / lub pirofosforan), a roztworem rezerwuarowym była mieszanina 1:3 Fe3 + / Fe2 +, dająca osad tlenowo-wodorotlenku żelaza w stanie mieszanym. Ogrody chemiczne zazwyczaj wykazywały...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Tworzenie struktury ogrodu chemicznego metodą iniekcji można osiągnąć poprzez połączenie dowolnych dwóch roztworów zawierających reaktywne jony, które wytwarzają osad. Istnieje wiele możliwych systemów reakcyjnych, które będą wytwarzać struktury osadowe, a znalezienie odpowiedniej receptury reaktywnych jonów i stężeń w celu wyhodowania pożądanej struktury jest kwestią prób i błędów. Natężenie przepływu roztworu do wstrzykiwań jest kontrolowane przez programowalną pompę strzykawkową i może być również zmieniane między eks...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

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

Te badania zostały przeprowadzone w Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, na podstawie kontraktu z National Aeronautics and Space Administration. Dziękujemy za wsparcie ze strony Instytutu Astrobiologii NASA (Icy Worlds). L.M.B. jest wspierany przez NAI poprzez Program Podoktorancki NASA, zarządzany przez Oak Ridge Associated Universities na podstawie umowy z NASA. J.E.N. był wspierany przez Departament Edukacji Stanów Zjednoczonych PR/Award #: P031C110019 administrowany przez Citrus College. Doceniamy użyteczne dyskusje z członkami Grupy Fokusowej NAI ds. Termodynamiki, Nierównowagi i Ewolucji oraz Instytutu Nauki Blue Marble Space.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Pompa strzykawkowaFisher14-831-3Dwukanałowa lub wielokanałowa, w zależności od pożądanej liczby jednoczesnych eksperymentów
Czterowodny chlorek żelazaFisherI90500Czterowodny chlorek żelaza (krystaliczny/certyfikowany)
Sześciowodny chlorek żelazaFisherI88-100Żelazowy  Chlorki  Sześciowodny  (Grudki/Certyfikowany ACS)
Wodorotlenek soduSigma-AldrichS5881gatunek odczynnika, ≥ 98%, granulki (bezwodne)
Siarczek sodu niewodnyFisherS425212Siarczek sodu niewodny (krystaliczny/certyfikowany ACS). Przechowywać w temperaturze -20  °C. Otwierać tylko w schowku na rękawiczki lub pod wyciągiem. Uwalnia toksyczny gaz H2S; Wszystkie roztwory zawierające siarczki muszą być przechowywane w komorze rękawicowej lub okapie wyciągowym.
Pirofosforan potasuSigma-Aldrich32243197%
L-AlaninaSigma-AldrichA7627
Strzykawki (10  cc)Fisher14-823-16EBD&handel; Strzykawka z końcówkami Luer-Lok (bez igły)
Igły do strzykawek (16  miernik)Fisher14-826-18BBD&handel; Igły podskórne ogólnego użytku i PrecisionGlide, 16  G x 1,5 cala (38  mm)
RurkaCole ParmerEW-06407-71Rurka laboratoryjna Tygon, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD
Uszczelki aluminioweFisher0337523CThermo Scientific™ Krajowy i handlowy; Przestrzeń nad głową 20  mm Uszczelki zaciskowe
Szare korki butyloweFisher0337522AAThermo Scientific™ Krajowy i handlowy; 20  mm Septa do fiolek Headspace
Butelki z serumSigma-Aldrich33110-UFiolki, zakrętka, butelka z serum, rozmiar 100 ml, przezroczyste szkło, OD i czasy; H 51,7 mm i razy; 94,5 mm. W przypadku tych eksperymentów należy odciąć dno butelki z surowicą.
Końcówki do pipetVWR53511-682końcówki do pipet 0,5-10 μ l
DrutMcMaster-Carr8073K661Solidny drut jednożyłowy, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kominy hydrotermalnewarunki anoksycznepotencja b onowymetoda wstrzykiwaniapompa strzykawkowaazotsiarczki elazasymulacja wczesnej Ziemi

Powiązane artykuły