Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego

Podsumowanie

Celem tego protokołu jest tworzenie symulowanych kominów hydrotermalnych za pomocą eksperymentów z wstrzykiwaniem w ogrodzie chemicznym i wprowadzenie gradientu termicznego przez nieorganiczną membranę osadu, za pomocą kondensatora do druku 3D, który można odtworzyć w celach edukacyjnych.

Streszczenie

Głębinowe kominy hydrotermalne są samoorganizującymi się osadami powstałymi w wyniku nierównowagi geochemicznej i zostały zaproponowane jako możliwe miejsce dla powstania życia. Wzrost kominów hydrotermalnych w środowisku gradientu termicznego w obrębie wczesnego systemu wentylacyjnego Ziemi został z powodzeniem zasymulowany przy użyciu różnych hydrotermalnych płynów modelowych, takich jak siarczek sodu, który został wstrzyknięty do symulantu oceanu Ziemi zawierającego rozpuszczone żelazo żelazne. Ponadto opracowano aparaturę do wystarczającego schłodzenia płynu modelowego oceanicznego do temperatury bliskiej 0 °C w zbiorniku skraplacza zanurzonym w kąpieli wodnej z zimną wodą, jednocześnie wstrzykując roztwór siarczku w temperaturze gorącej do pokojowej, skutecznie tworząc sztuczną strukturę komina w środowisku gradientu temperatur w ciągu kilku godzin. Takie eksperymenty z różnymi składami chemicznymi i zmiennymi gradientami temperatury zaowocowały różnorodnością morfologii w strukturze komina. Zastosowanie płynów modelowych z płynem oceanicznym i hydrotermalnym w temperaturze pokojowej doprowadziło do powstania pionowych kominów, podczas gdy połączenie gorącego płynu hydrotermalnego i zimnego płynu symulującego ocean zahamowało tworzenie solidnych konstrukcji kominowych. Konfigurowalny, wydrukowany w 3D kondensator stworzony na potrzeby tego badania działa jak naczynie reakcyjne z płaszczem, które może być łatwo modyfikowane i używane przez różnych badaczy. Pozwoli to na dokładną kontrolę szybkości wtrysku i składu chemicznego płynów oddechowych i płynów modelowych oceanicznych, co powinno pomóc w dokładnej symulacji reakcji prebiotycznych w systemach kominowych o gradientach termicznych podobnych do tych w systemach naturalnych.

Wprowadzenie

Kominy hydrotermalne to samoorganizujące się chemiczne osady ogrodowe generowane z nierównowagi geochemicznej w środowiskach głębinowych, gdy podgrzany, hydrotermalnie zmieniony płyn przedostaje się do chłodniejszego oceanu. We wczesnym scenariuszu ziemskim zaproponowano, że kominy uformowały się w starożytnych alkalicznych kominach wentylacyjnych, a przenikanie gradientów pH otoczenia/redoks/chemicznych mogło napędzać reakcje w kierunku pojawienia się metabolizmu1^,2,3,4,5,6. Postuluje się również, że kominy hydrotermalne istnieją na innych planetach, w tym na światach oceanicznych, Europie i Enceladusie^7,8,9,10. Przeprowadzono różne eksperymenty w celu symulacji aspektów proponowanej prebiotycznej chemii kominów hydrotermalnych, w tym wytrącania katalitycznych minerałów siarczku żelaza, które mogłyby zmniejszyć CO₂^11,12, gradientowa synteza organiczna^13,14,15, oraz włączenie substancji organicznych do konstrukcji kominów¹⁶. Tworząc eksperymentalne konfiguracje naśladujące kominy hydrotermalne, zarówno na Ziemi, jak i na innych światach, konieczne jest uwzględnienie gradientów geochemicznych i otwartej, dalekiej od równowagi natury systemu, aby uzyskać realistyczne symulacje.

Oprócz gradientów pH, redoks i chemicznych, kominy hydrotermalne również narzucają gradient termiczny w poprzek membrany/ściany komina z powodu dostarczania podgrzanego płynu wentylacyjnego do zimnego środowiska dna morskiego. Zimne temperatury dna morskiego oceanu mogą się zmieniać w zależności od głębokości, penetracji światła słonecznego i zasolenia; średnia głębokość dna morskiego w miejscach wentylacyjnych (głównie na grzbietach śródoceanicznych) mieści się w zakresie 0-4 °C¹⁷. W zależności od rodzaju komina, gradient termiczny między oceanem a płynem wentylacyjnym może się znacznie różnić - od łagodniejszych gradientów kominów alkalicznych, takich jak Lost City^18,19 lub pola hydrotermalnego Strytan, gdzie płyn wentylacyjny ma temperaturę 40-90 °C^20,21, do głębokich czarnych palaczy dna morskiego, gdzie płyn wentylacyjny może osiągnąć kilkaset stopni Celsjusza^{22, 23,24,25}. Z punktu widzenia pochodzenia życia, symulacja gradientów termicznych w systemach hydrotermalnych jest istotna, ponieważ mogą one wpływać na mineralogię i reaktywność chemiczną osadów kominowych^3,13 i/lub mogą wpływać na warunki mieszkaniowe, ponieważ kominy hydrotermalne zawierają mikroorganizmy, które pobierają elektrony bezpośrednio z powierzchni mineralnych²⁶. W gradientzie w poprzek ściany komina na niewielkiej odległości występowałby szereg warunków temperaturowych, a ściana komina reprezentowałaby kombinację minerałów i reakcji charakterystycznych dla wszystkich tych reżimów termicznych.

Laboratoryjnie wyhodowane kominy hydrotermalne w gradientach termicznych zostały zasymulowane w celu zbadania wpływu zimnego oceanu i gorącego płynu hydrotermalnego na potencjalne środowisko prebiotyczne. Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ hodowla symulowanych kominów hydrotermalnych metodą iniekcji z ogrzewanym wnętrzem i zimną powierzchnią zewnętrzną stanowi wyzwanie praktyczne, najbardziej dostępnymi eksperymentami kominowymi są te wykonywane pod ciśnieniem otoczenia (a zatem nie wymagają kosztownych i skomplikowanych reaktorów). Wcześniejsze próby z kominami wyhodowanymi w laboratorium w gradiencie termicznym nie były w stanie wytworzyć zarówno gorącego/ciepłego płynu hydrotermalnego, jak i zimnego oceanu. W celu utrzymania całego komina w wysokiej temperaturze przez długi czas, aby wytworzyć reaktywne minerały, które mogą napędzać reakcje organiczne, niektóre badania podgrzały cały eksperyment (ocean i płyn hydrotermalny) do ~70 °C za pomocą płaszcza grzewczego lub gorącej kąpieli^13,14. Inny rodzaj eksperymentu z tworzeniem osadu kominowego, w aparacie "ogniwa paliwowego", formował symulant ściany komina na płaskim szablonie membrany; Eksperymenty te zostały również podgrzane luzem poprzez zanurzenie aparatu gradientu ogniw paliwowych w gorącej kąpieli wodnej ^27,28. Wcześniejsze badania stworzyły symulowane kominy hydrotermalne z gorących płynów hydrotermalnych (podgrzanych do ~70 °C różnymi metodami) wstrzykniętych do oceanu o temperaturze pokojowej^3,12; Nie próbowano jednak stworzyć zimnego oceanu.

Ta praca rozwija metody symulacji laboratoryjnych wzrostu kominów prebiotycznych⁴ w celu stworzenia realistycznego gradientu termicznego od zimnego (0-5 °C) oceanu do podgrzanego płynu hydrotermalnego, w którym można zsyntetyzować materiały kominowe i przetestować interesujące właściwości. Do tej pory nie przeprowadzono z powodzeniem żadnych eksperymentów z kominami prebiotycznymi z realistycznym gradientem temperatury dla otworów alkalicznych: z roztworem wewnętrznego otworu wentylacyjnego utrzymywanym w temperaturze ~70 °C i zewnętrznym roztworem oceanicznym schłodzonym do ~5 °C. Co więcej, w kilku eksperymentach z ogrzewanym kominem, które zostały przeprowadzone, konfiguracja eksperymentalna jest złożona i może być kosztowna. Eksperymenty w ogrodach chemicznych mają ogromny potencjał, aby dostarczyć informacji na temat procesów, które mogły zachodzić w kominach hydrotermalnych na wczesnej Ziemi. W związku z tym możliwość szybkiego skonfigurowania wielu wariantów eksperymentu kominowego jest korzystna, podobnie jak możliwość posiadania prostego aparatu, który jest niedrogi, niekruchy, łatwy do modyfikacji i idealny do pracy dla studentów. Prezentowana jest tutaj nowatorska aparatura (Rysunek 1) zaprojektowana w celu ułatwienia wzrostu symulowanego komina hydrotermalnego przy jednoczesnym utrzymaniu i monitorowaniu realistycznego gradientu termicznego między zimnym oceanem a podgrzanym płynem hydrotermalnym. To eksperymentalne urządzenie jest podobne w konstrukcji do reaktora płaszczowego, ale jest trójwymiarowym (3D) drukowanym kondensatorem, który może być łatwo wyprodukowany przez dowolną grupę badawczą zainteresowaną przeprowadzeniem podobnych eksperymentów (patrz Dodatkowy plik do druku). Korzystając z tego wydrukowanego w 3D skraplacza, przeprowadzono eksperymenty z kominem z gradientem termicznym w celu przetestowania użyteczności tego urządzenia do utrzymywania solidnych gradientów temperatury oraz przetestowania wpływu gradientów temperatury na strukturę i morfologię komina.

Protokół

1. Względy bezpieczeństwa

1. Używaj laboratoryjnego sprzętu ochronnego do ochrony osobistej, w tym rękawic nitrylowych, gogli do twarzy, fartucha laboratoryjnego i odpowiedniego obuwia (bez odsłoniętej skóry).
   1. Podczas używania strzykawek i igieł należy uważać, aby nie przebić rękawic ani skóry.
   2. Sprawdź całe urządzenie w dygestoriach pod kątem wycieków.
   3. Sprawdź stabilność szklanych fiolek i skraplacza na stojaku przed dodaniem jakiejkolwiek substancji chemicznej do mieszaniny.
2. Wykonuj wszystkie eksperymenty z gradientem termicznym w oparach, aby powstrzymać wycieki wody.
3. Używaj całego siarczku sodu (Na₂S•9H₂O) w oparach, ponieważ jest to niebezpieczne dla zdrowia.
   1. Trzymaj siarczek sodu w dygestoriach i umieść wagę wewnątrz dygestoria w celu zważenia ilości siarczku.
   2. Roztwory zawierające siarczki należy zawsze przechowywać wewnątrz dygestorium, ponieważ uwalniają one toksyczny gaz_H2S, a w dygestoriach należy przechowywać płynne siarczki, ostre przedmioty i pojemniki na odpady stałe.
   3. Nie mieszaj żadnych odpadów z roztworu siarczków z innymi znanymi chemikaliami.
4. W przypadku stosowania reagenta Fe(II)Cl₂•4H₂O, konsekwentnie oczyszczaj_N2 / Ar, ponieważ utlenia się pod wpływem powietrza. Utrzymuj roztwory w stanie beztlenowym w dygestorium, umieszczając gaz N₂ / Ar w przestrzeni nad głową wewnątrz dygestorium. Zabezpiecz parafilmem, aby zapobiec dalszemu utlenianiu.

2. Konfiguracja do eksperymentów iniekcyjnych

1. Zaciśnij wydrukowany w 3D wtrysk skraplacza na stojaku w okapie wyciągowym, tak aby mały otwór portu był skierowany w stronę dolnej części okapu wyciągowego. Upewnij się, że skraplacz jest wypoziomowany w zacisku.
2. Stwórz szklane "naczynia iniekcyjne", odcinając 1 cm od dna 100 ml przezroczystej szklanej butelki z serum z zaciskaną nakrętką (20 mm z zamknięciem z zaciskaną uszczelką) za pomocą noża do szkła i upewnij się, że naczynie jest otwarte na powietrze od dołu do góry.
   1. Oczyścić fiolki w 1 M kąpieli kwasowej HCl przez noc, a następnie spłukać wodą podwójnie destylowaną (ddH₂O) przed przeprowadzeniem nowego eksperymentu.
   2. Szkło należy ponownie wykorzystać, chyba że jest pęknięte lub stłuczone, a następnie wyrzucić.
3. Przygotować fiolki do wstrzykiwań (Rysunek 1).
   1. Zbierz następujące materiały: przegrodę 20 mm, aluminiową uszczelkę zaciskaną 20 mm, plastikową końcówkę do pipety 0,5-10 μl, igłę do strzykawki 16 G i zaciskarkę.
   2. Ostrożnie przebij otwór w środku gumowej przegrody, a następnie wyjmij i wyrzuć igłę do pojemnika na ostre odpady.
   3. 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 lekko wystawała z drugiej strony.
      UWAGA: Nie przepychaj się do końca, ponieważ nie zapewni to wystarczającego luzu, aby umieścić uszczelkę zaciskową za pomocą zaciskarki.
   4. Umieść zaciskarkę na uszczelce zaciskowej. Ścisnąć zaciskarkę i uszczelnić przegrodę czubkiem pipety na naczyniu do wstrzykiwań, aby było wodoszczelne. Po prawidłowym uszczelnieniu przepchnij końcówkę pipety przez szklany słoik tak, aby wystawała około 1.0 cala ze szkła.
   5. Umieść przezroczystą, elastyczną, odporną na chemikalia rurkę o średnicy wewnętrznej 1/16" na końcówce pipety, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie końcówki pipety.
      UWAGA: Rurka powinna być wystarczająco długa, aby dotrzeć do strzykawki 16 G na górze pompy strzykawkowej, ponieważ strzykawka będzie pompować płyn hydrotermalny przez tę przezroczystą rurkę do płynu modelowego imitującego ocean
   .
   6. Umieść fiolki do wstrzykiwań w wydrukowanym w 3D skraplaczu w okapie wyciągowym, przeciągając rurkę przez otwór portu skraplacza na dole. Upewnij się, że fiolka wystaje z małego otworu w skraplaczu.
      UWAGA: Jeśli ma być używanych wiele skraplaczy, można ustawić wiele fiolek jednocześnie i podawać je jednocześnie za pomocą oddzielnych strzykawek.
   7. Sprawdzić, czy nie ma końcowych wycieków, wkładając strzykawkę o pojemności 10 ml wypełnioną ddH₂O i igłą 16 G do drugiego końca otwartego dowożu. Ostrożnie włożyć igłę 16 G do rurki, aby nie przebić rurki. Powoli wstrzyknąć ddH₂O tak, aby przesuwał się w górę rurki i do dna naczynia reakcyjnego, aby upewnić się, że strzykawka/rurka, rurka/końcówka i uszczelki zaciskowe są wodoszczelne.
   8. Mocno przymocować parafilm do odciętej górnej części fiolki i umieścić mały kawałek taśmy na górnej części parafilmu. Przebij mały otwór w taśmie, aby_O2 mógł wypłynąć z gazu, gdy N₂ / Ar jest pompowany.
   9. Ustawić przewody gazowe N₂ / Ar, z których każda będzie podawana do jednej z fiolek iniekcyjnych od góry odciętej, aby szklana fiolka była beztlenowa przed wlaniem płynu symulującego ocean
   .
   10. Podzielić podawany gaz ze źródła N₂ / Ar na kilka probówek, tak aby na każdą fiolkę do wstrzykiwań przypadała jedna porcja N₂ / Ar (w przypadku przeprowadzania wielu eksperymentów).
   11. Umieścić strzykawkę (podłączoną do N₂/Ar), przebijając taśmę, unosząc się nad roztworem oceanicznym w fiolce. Uważaj, aby nie przebić igły roztworu oceanicznego, aby uniknąć zakłócenia wzrostu komina.

3. Przygotowanie roztworów do chemicznego wzrostu ogrodu

1. Przygotowanie płynu modelowego imitującego organizm oceaniczny
   1. Przygotuj 100 ml roztworu do każdego eksperymentu.
      UWAGA: W tym przykładzie należy użyć tabeli 1 dla określonych stężeń jako kationów wytrącających.
   2. Stwórz roztwory beztlenowe, najpierw bulgocząc 100 ml ddH₂O z gazem N₂ / Ar przez ~ 15 minut na 100 ml w kolbie Erlenmeyera.
   3. Odważyć i dodać dowolny ze składników chemii oceanicznej, delikatnie mieszając do rozpuszczenia (nie energicznie, aby nie wprowadzić tlenu).
   4. Po rozpuszczeniu odczynników należy natychmiast wznowić lekkie bulgotanie płynu modelowego imitującego ocean gazem_N2/Ar, przygotowując jednocześnie zastrzyki hydrotermalne.
2. Przygotowanie płynu modelowego (preparat siarczku sodu)
   1. Należy wybrać jedną z koncentracji do wstrzykiwań podanych w Tabeli 1 i przygotować 10 ml każdej ze stężeń. Napełnij roztworami strzykawki o pojemności 10 ml. Założyć nasadki na igły i odłożyć na bok.
      UWAGA: Roztwory zawierające siarczki i strzykawki należy zawsze przechowywać w dygestorium.
   2. Zważyć wymaganą ilość siarczku sodu (Na₂S•9H₂O) tylko w dygestorii (50 ml roztworu z_ddH2O).
      1. Napełnij probówkę wirówkową o pojemności 50 ml ddH₂O.
      2. Umieścić Na₂S•9H₂O w probówce wirówkowej o pojemności 50 ml i szczelnie zamknąć w dygestorium.
      3. Dokładnie wstrząsnąć probówką w dygestorium, aż wszystkie cząsteczki siarczku całkowicie się rozpuszczą.
      4. Utrzymywać roztwór w stanie beztlenowym w dygestorii za pomocą parafilmu, do którego została wprowadzona igła 10 G do wstrzykiwania_N2/Ar.

4. Konfiguracja termistora

1. Umieść termistor w stabilnej pozycji na bocznej ławce, jak najbliżej dygestorium. Podłącz stronę USB adaptera RS232 do portu USB komputera.
2. Włącz zasilanie termistora. Wskazówki dotyczące ustawiania rezystorów kablowych można znaleźć w procedurze termistora w dodatku uzupełniającym 2.
3. Włącz oprogramowanie termistora w komputerze.
   1. Przewiń w dół do pozycji Port komunikacyjny. Wybierz kilka pierwszych portów komunikacyjnych i kliknij przycisk Połącz po lewej stronie dla każdego portu, aż termistor połączy się z oprogramowaniem.
      UWAGA: Oprogramowanie pokaże paski konfiguracji odczytu na zielono. Ikona próbkowania będzie nadal migać, pokazując, że próbkuje aktualną temperaturę w częstych odstępach czasu. Jeśli żaden z tych sygnałów nie zostanie zaobserwowany, wybierz inne porty komunikacyjne. Jeśli żaden z portów komunikacyjnych nie działa, zostanie wyświetlony komunikat wyskakujący z informacją o błędzie komunikacji lub nie można się komunikować.
   2. Jeśli pojawi się błąd komunikacji, zamknij program i uruchom go ponownie. Ponownie sprawdź taśmowe i upewnij się, że są prawidłowo podłączone do styków na stykach RS232.
4. Po połączeniu upewnij się, że wyjście wskazuje 100% w czerwonych paskach.
5. Gdy termistor zacznie migać częstymi pomiarami interwałowymi, zmień czas interwału na 60 s. W polu Opcje kontrolera, w kierunku dołu, wyczyść 1 s i zmień na 60 s. Kliknij przycisk OK.
6. Obok logo firmy pojawi się owalny przycisk z napisem Auto-scale. Kliknij ten przycisk, aby włączyć automatyczne skalowanie. Zwróć uwagę na żółtą linię, która pokaże odczyt temperatury.
7. Wewnątrz obszaru kreślenia kliknij prawym przyciskiem myszy, aby dostosować wykres do swoich upodobań, na przykład skalować osie x i y.
8. Kliknij prawym przyciskiem myszy w obszarze kreślenia i kliknij eksport do Excela przed rozpoczęciem nowego odczytu co 5000 s lub 83,33 min (w zależności od wybranego interwału nagrywania). Zapisz dane dotyczące temperatury i czasu w arkuszu kalkulacyjnym, który został automatycznie utworzony przez program.
9. Umieść metalową sondę termistora w szklanym naczyniu oceanicznym w skraplaczu. Upewnij się, że sonda jest ustawiona z boku szkła, ponieważ sonda termistora wisząca na środku szklanej fiolki przerwie wzrost komina. Przykryj ponownie parafilmem.

5. Ustawianie kąpieli lodowej

1. Chwyć większą plastikową patelnię i średniej wielkości wiadro. Napełnij wiadro wodą do połowy.
2. Umieść wiadro w patelni i umieść lód w wodzie, aż będzie prawie pełne.
3. Umieść dwa plastikowe węże odcinające na obu końcach pompy wodnej (dodatek uzupełniający 3, rysunek 1). Należy pamiętać, że pionowy otwór pompy to miejsce, w którym zostanie wlana woda, aby rozpocząć zalewanie, a poziomy otwór to miejsce, w którym woda jest wyrzucana. Podłącz pompę do gniazdka elektrycznego, ale pozostaw otwarte złącza elektryczne, ponieważ po podłączeniu będą zasilać pompę.
4. Podłącz poziomy wąż z tworzywa sztucznego (dodatek uzupełniający 3, rysunek 2) do wyższego portu skraplacza, skierowany w prawo, upewniając się, że wąż jest wystarczająco długi, aby dosięgnąć pojemnika na lód.
5. Umieść kolejny odcięty plastikowy wąż po lewej (dolnej) stronie skraplacza, upewniając się, że ten wąż również jest wystarczająco długi, aby dotrzeć do lodowatej kąpieli wodnej. Umieść ten wąż nad wiadrem z lodowatą wodą, do którego woda będzie wyrzucana ze skraplacza.
6. Wlej zimną wodę przez wąż podłączony do pionowego otworu pompy. Gdy pompa jest pełna wody, sięgając aż do portu skraplacza, zanurz wąż w łaźni lodowatej i natychmiast podłącz złącza elektryczne.
   UWAGA: Może to wymagać dwóch osób.
7. Zalać pompę, aby zaczęła przepływać wodę przez skraplacz, napełnij wiadro lodem i umieść termometr w wiadrze, aby sprawdzić temperaturę.
   UWAGA: Temperatura wody powinna osiągnąć ~0 °C. Patrz badanie kontrolne na rysunku 2 w dodatku 1 do dodatku dodatkowego.
8. Dodawaj więcej lodu, aby utrzymać wodę w niskiej temperaturze, jednocześnie usuwając część cieplejszej wody.

6. Przygotowanie do wstrzyknięcia

1. Umieścić strzykawki ddH₂O (sekcja 2.3) obok strzykawek do wstrzykiwania płynu hydrotermalnego. Ostrożnie zsunąć plastikową rurkę iniekcyjną z igły strzykawki ddH₂O i natychmiast przenieść ją bezpośrednio na jedną z igieł do wstrzykiwań pierwotnych.
   UWAGA: Nie przekłuwać ścianki rurki.
2. Podłącz podkładkę grzewczą, aby podgrzać płyn hydrotermalny do 70-80 °C. (Ostrzeżenie: wyższe temperatury mogą wypaczyć lub uszkodzić plastikową strzykawkę.)
3. Owiń podkładkę wokół strzykawki z siarczkiem i mocno przykręć dwa metalowe zaciski wokół podkładki (Dodatek uzupełniający 3, Rysunek 3).
4. Gdy zaciski są zamocowane na miejscu, umieść je na pompie strzykawkowej i mocno zabezpiecz pompę (w zależności od wybranej pompy strzykawkowej).
5. Ustaw temperaturę na skrzynce sterowniczej na ~70 °C, naciskając strzałki w górę (Dodatek uzupełniający 3, Rysunek 5). Naciśnij przycisk set/start.
6. Po zablokowaniu podgrzanej strzykawki (strzykawek) na pompie strzykawkowej, należy ustawić pompę strzykawkową na wstrzykiwanie z prędkością 1-2 ml/h.
7. Sprawdź, czy roztwory oceaniczne są całkowicie rozpuszczone. W przypadku zmętnienia mieszaj, aż w większości się rozpuści.
8. Miareczkować płyn modelowy do pH 5,5, aby zasymulować kwasowość oceanu Hadean^30,31. Użyj 10 M HCl i powoli dodawaj kropelki (pod paszą N₂ / Ar), aż pH-metr wskaże stabilne 5,5. Jeśli przekroczy 5,5, użyj NaOH, aby przywrócić pH do bardziej podstawowych poziomów, stosując tę samą metodę powolnej kropelki.
9. Wlej jeden lub dwa roztwory oceaniczne do prefabrykowanych zbiorników kominowych. Wlej jeden roztwór oceaniczny do szklanej fiolki w skraplaczu, a drugi do naczynia o temperaturze pokojowej bez skraplacza (jeśli przeprowadzasz dwa eksperymenty) (Rysunek 6).
   UWAGA: Nie przesuwaj sondy temperatury.
10. Uszczelnić górną część szklanych fiolek parafilmem. Umieścić dopływ N₂/Ar w górnej części przestrzeni nad roztworem płynu modelowego w stanie płynu modelowego Ocean, uważając, aby nie wprowadzić igły do płynu modelowego N 2/Ar
11. Zaprogramuj pompę strzykawkową tak, aby wstrzykiwała z prędkością 1-2 ml/h (należy skalibrować pod kątem rozmiaru używanej strzykawki, w zależności od typu pompy strzykawkowej), ale nie naciskaj przycisku Start.
12. Aby zapobiec utracie ciepła na całej długości rurki, należy szybko wstrzyknąć gorący płyn, aby uzyskać natychmiastowy kontakt ze zbiornikiem oceanicznym. Następnie należy pozostawić wstrzyknięcie z prędkością 1-2 ml/h do zimnego oceanu. (Patrz test termiczny dla strzykawki w dodatku uzupełniającym 1). Użyj zlewek na odpady, aby złapać wszelkie krople.
13. Rozpocznij wstrzykiwanie i zacznij rejestrować temperaturę oceanu na termistorze.

7. Monitorowanie temperatury i eksperyment

UWAGA: Gdy woda zacznie krążyć w skraplaczu, sonda temperatury termistora zacznie pokazywać spadek temperatury w oceanie. Celem jest, aby temperatura osiągnęła temperaturę bliską 0 °C. Patrz Tabela 2, aby zapoznać się z dokładnymi ustawieniami gradientu temperatury (termicznego).

1. Zapisz wszystkie dane dotyczące temperatury, klikając prawym przyciskiem myszy obszar kreślenia, a następnie zapisz jako plik . Plik CSV.
   UWAGA: Program zarejestruje dane dotyczące temperatury o wartości do 5000 s, a następnie rozpocznie się od nowa.
2. Kontynuuj dodawanie lodu do wiadra, aby utrzymać temperaturę bliską zeru, aż komin w większości się rozwinie lub przynajmniej do momentu, gdy strzykawka będzie prawie pusta.
3. Monitoruj również komin w temperaturze pokojowej. Rób częste zdjęcia podczas wzrostu komina dla obu kominów.
4. Gdy komin jest gotowy, umieść małą linijkę obok obu kominów, a następnie zrób i zapisz obrazy.
   UWAGA: Cały proces powinien trwać ~ 6 h.

8. Zakończenie eksperymentu

1. Zatrzymaj pompę strzykawkową, a następnie przestań rejestrować temperaturę na termistorze i zapisz dane w arkuszu kalkulacyjnym.
2. Wyłączyć przepływ N₂/Ar i usunąć przewody i parafilm z naczyń iniekcyjnych.
3. W razie potrzeby pobrać próbkę roztworu oceanicznego lub wytrącić się do dalszej analizy. Aby ostrożnie usunąć roztwór z zbiornika bez naruszania osadu, należy użyć pipety o pojemności 25 ml do ostrożnego odpipetowania kilku porcji roztworu w zbiorniku i wyrzucić roztwór do zlewki na odpady.
4. Ostrożnie opróżnić fiolkę znajdującą się w skraplaczu do zlewki na odpady. Wyjąć rurkę ze strzykawki i pozwolić, aby roztwór oceaniczny spłynął do zlewki w dygestorium. To samo należy zrobić z fiolką bez kondensatora.
5. Wyjąć naczynia, pojedynczo, z zacisku i użyć ddH₂O, aby wypłukać kawałki osadu do zlewki na odpady.
6. Wyjąć rurkę i strzykawki z pompy strzykawkowej. Opróżnić strzykawki i nadmiar płynu iniekcyjnego do zlewki do przenoszenia odpadów, a następnie wyrzucić strzykawki do pojemnika na ostre odpady siarczkowe umieszczonego w dygestorium.
7. Wyjmij rurkę z fiolki eksperymentalnej i wyrzuć ją do worka na odpady stałe. Odkręć uszczelkę i wyrzuć przegrodę, uszczelkę i końcówkę pipety.
8. Wypłucz szklaną fiolkę eksperymentalną i zanurz ją przez noc w 1 M kąpieli kwasowej HCl.
   UWAGA: Naczynia szklane, które miały kontakt z siarczkiem sodu, uwalniają toksyczny gaz_H2Spo umieszczeniu w kwasie. Dlatego wszystkie kąpiele kwasowe należy przechowywać w dygestorium.

Wyniki

Podobnie jak w poprzednich badaniach^1,2,13,29; Gdy płyn hydrotermalny dotarł do fiolki oceanicznej, zaczęła tworzyć się struktura osadu mineralnego, która stawała się gęstsza i wyższa przez cały czas wstrzykiwania. Kominy z siarczku żelaza były delikatnymi konstrukcjami, które nie były zbyt wytrzymałe i można je było łatwo zdezagregować, jeśli fiolka oceaniczna lub iniekcja zostały fizycznie naruszone. Jest to zgodne z wynikami poprzednich badań³. Stężenie chemiczne roztworu siarczku odgrywało również istotną rolę w morfologii kominów siarczkowych. Bardziej skoncentrowane roztwory siarczków pozwoliły na uzyskanie wyższych i mocniejszych osadów mineralnych, jak pokazano na Rysunek 5, podczas gdy niższe stężenia roztworów siarczków powodowały słabe struktury kominowe. W niektórych przypadkach nie powstała żadna struktura, powstała tylko płynna "zupa" siarczkowo-mineralna, która ostatecznie osiadła jako osad (Rysunek 3D). Działo się tak zarówno w warunkach gradientu termicznego, jak i nietermicznego.

W eksperymentach z kominami gradientu termicznego z siarczkiem żelaza, stałe struktury kominowe na ogół nie łączyły się tak dobrze, jak w temperaturze pokojowej. Rysunek 3E-H pokazuje morfologię komina z siarczku żelaza rosnącego między zimnym oceanem a płynem hydrotermalnym o temperaturze pokojowej. Kominy w gradiencie temperatury były strunowe i wątłe, podczas gdy wyniki gradientu nietermicznego (Rysunek 3A-D) pokazują bardziej półtrwałe struktury. To samo dotyczyło podgrzewania płynu hydrotermalnego (Rysunek 4)". Wyjątkiem były wyższe stężenia siarczków i żelaza (Rysunek 5), gdzie między roztworem hydrotermalnym o temperaturze pokojowej a zimnym symulantem oceanicznym powstał stały komin siarczku żelaza.

Przetestowano również wpływ gradientu termicznego na wzrost kominów z wodorotlenku żelaza. Wyniki pokazały wzorce, które były podobne do tych z komina siarczku żelaza: podczas gdy eksperyment z wodorotlenkiem żelaza w temperaturze pokojowej skutkował bardziej wytrzymałym osadem kominowym, eksperyment gradientu termicznego między ciepłym płynem hydrotermalnym a zimnym oceanem zaowocował mniejszym kopcem materiału kominowego, który nie łączył się pionowo (Rysunek 6). W przeciwieństwie do wysokich, pionowych konstrukcji kominów z wodorotlenku żelaza obserwowanych w poprzednich pracach (w eksperymentach w temperaturze pokojowej)²⁹, nasz eksperyment z gradientem termicznym wykazał inną morfologię.

Rysunek 1: Aparatura kominowa z gradientem termicznym.Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Kondensator wydrukowany w 3D. (A) Schemat kondensatora wydrukowanego w 3D pokazujący wymiary kondensatora. (B) Umieszczenie szklanego statku oceanicznego wewnątrz skraplacza w celu schłodzenia płynu płynnego imitującego ocean. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Różnorodność termicznych i nietermicznych kominów gradientowych. (A-D) Eksperyment kontroli gradientu nietermicznego od płynu hydrotermalnego o temperaturze pokojowej (HTF) do symulantu oceanicznego o temperaturze pokojowej. a) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF i 20 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. b) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF i 10 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. (C) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF i 20 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. (D) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF i 20 mM FeCl₂·4H₂O symulant oceaniczny. (E-H) Eksperyment z kominem gradientu termicznego od symulantu HTF w temperaturze pokojowej do zimnego zbiornika oceanicznego (~5-10 °C). (E) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF i 10 mM FeCl₂·4H₂O symulant oceaniczny. f) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF i 20 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. (G) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF i 10 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. h) 10 mM Na₂S•9H₂O HTF i 20 mM FeCl₂·4H₂O płyn modelowy imitujący ocean. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Eksperyment z gradientem termicznym. Eksperyment przeprowadzony z ciepłym (~35-40 °C) roztworem 20 mM Na₂S•9H₂O wstrzykniętym do zimnego (~5-10 °C) 20 mM FeCl₂·4H₂O symulantu oceanicznego, wytwarzając małe pasma kominowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Wpływ stężenia płynu symulującego ocean na kominy. Wyższe stężenia (~50 mM Na₂S•9H₂O, 10 mM FeCl₂·4H₂O i 200 mM NaCl) beztlenowych symulantów oceanicznych wytworzyły bardziej wytrzymałe konstrukcyjnie, wyższe kominy. Roztwór siarczku o temperaturze pokojowej wstrzyknięto do płynu modelowego imitującego ocean o temperaturze 2-10 °C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Jednoczesny wzrost termicznych i nietermicznych kominów gradientowych. (A) 100 mM FeCl₂·4H₂O + 100 mM FeCl₃·6H₂O roztwór oceaniczny z 200 mM płynu hydrotermalnego NaOH (HTF) w temperaturze pokojowej. (B) Eksperyment gradientu termicznego o tych samych stężeniach z ciepłym HTF w temperaturze ~35-50 °C do zimnego symulantu oceanicznego w temperaturze ~5-10 °C. Kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Chemia płynu hydrotermalnego (wtrysk)	Chemia oceaniczna (zbiornik)
50 mM na2s	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl lub NaHCO3
20 mM na2s	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl lub NaHCO3
10 mM na2s	20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl lub NaHCO3
200 mM NaOH	100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

Tabela 1: Matryca stężeń dlasymulowanych roztworów do wstrzykiwania płynów oceanicznych i hydrotermalnych.

szt.

HTF °C	Temperatury symulantu oceanu °C
~23	~23	5-10
~35-50	~23	5-10

Tabela 2: Eksperymentalna matryca gradientu termicznego. Temperatura płynu hydrotermalnego (HTF) odnosi się do temperatury płynu w strzykawce; rzeczywista temperatura na wlocie do fiolki oceanicznej była od 20 do 35 stopni niższa niż temperatura wewnątrz strzykawki (~70 °C) (patrz dodatek uzupełniający 1, rysunek 3 i rysunek 4).

Dodatkowy plik do druku.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dodatek uzupełniający 1.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dodatek uzupełniający 2.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dodatek uzupełniający 3.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Wpływ gradientów termicznych na symulowany wzrost komina: Ta eksperymentalna aparatura dała kilka zmian w morfologii komina, które wynikały z kilku parametrów eksperymentalnych. Kominy siarczku żelaza i wodorotlenku żelaza tworzyły wysokie, pionowe struktury w temperaturze pokojowej, ale w eksperymentach gradientu termicznego tworzyły bardziej cienkie, żylaste osady lub płaskie kopce. Było to zgodne z ustaleniami Herschy i wsp., w których delikatne, niewyprostowane osady kominowe utworzono z płynu hydrotermalnego podgrzanego do 70-80 °C i wstrzykniętego do płynu symulującego ocean o temperaturze pokojowej³³. Istnieje wiele możliwych wyjaśnień tego zjawiska: konwekcyjna wymiana ciepła może powodować bardziej naturalne siły wyporu (wraz z wymuszonym pompowaniem wtrysku), aby osad szybko przepływał w kierunku górnej części statku oceanicznego podczas jego formowania. Alternatywnie, podgrzanie płynu strzykawkowego sprawia, że płyn modelowy hydrotermalny jest mniej gęsty, a tym samym bardziej podatny na pionowe unoszenie się niż stabilizację na szczycie punktu wstrzyknięcia. Możliwe, że efekt ten można złagodzić poprzez zmianę szybkości wstrzykiwania strzykawki na wolniejszą, aby umożliwić wzrost bardziej stabilnej struktury. White i wsp. zbadali wzrost komina siarczku żelaza za pomocą hydrotermalnego płynu modelowego wstrzykiwanego w bardzo powolnym tempie (0,08 ml / h) i chociaż komin potrzebował kilku dni na koalescencję, był strukturalnie stabilny¹³. Ponieważ Herschy i in. używali pomp perystaltycznych z szybkością wtrysku 10-120 ml / h, czyli o kilka rzędów wielkości szybciej niż szybkości stosowane w naszych eksperymentach z gradientem termicznym, nie jest zaskakujące, że wytworzyli również strunowe struktury kominowe³³.

Wyższe stężenia reagentów wytrącających się w oceanie i roztworach wentylacyjnych mogą również dawać bardziej wytrzymałe kominy w gradientach termicznych. Wyższe stężenia chemiczne jonów wytrącających się (siarczków lub wodorotlenków) w płynie hydrotermalnym lub płynie modelowym imitującym ocean mogą prowadzić do większej całkowitej masy osadu, tworząc w ten sposób mocniejszą strukturę. Ponieważ Herschy i wsp. oraz White i wsp. zastosowali niższe stężenia siarczku w płynie hydrotermalnym (10 mM), ich struktury były mniejsze niż te wytworzone w tej pracy przy użyciu wyższych (20-50 mM) stężeń siarczków. Ponadto niektóre badania nad wzrostem kominów siarczku żelaza obejmowały również krzemionkę w płynie hydrotermalnym wraz z siarczkiem sodu, co może pomóc w produkcji bardziej wytrzymałych kominów ^3,13,33. Krzemionkowe struktury ogrodów chemicznych zostały również wykorzystane do symulacji aspektów wzrostu komina hydrotermalnego³⁴, a te mają tendencję do tworzenia bardzo wytrzymałych struktur, które można usunąć z probówki/fiolki w celu analizy fizycznej. Jednak wpływ gradientów temperatury na struktury iniekcji krzemionki nie jest znany i będzie przedmiotem dalszych badań.

Rozważania dotyczące przyszłych eksperymentów symulacyjnych komina: Wydrukowany w 3D skraplacz stworzony w tym badaniu w celu chłodzenia statku oceanicznego działał jak naczynie reakcyjne z płaszczem, ale z pewnymi praktycznymi ulepszeniami: 1) otwarta góra umożliwiała pobieranie próbek komina i utrzymanie beztlenowej przestrzeni oceanicznej; 2) część wydrukowana w 3D zapewniała łatwą powtarzalność; 3) Ponieważ projekty można edytować cyfrowo, urządzenie można szybko zmodyfikować i ponownie wydrukować w razie potrzeby; oraz 4) zastosowanie niedrogich materiałów sprawiło, że każdy kondensator był bardziej opłacalny niż rzeczywiste naczynia reakcyjne z płaszczem szklanym. Te drukowane w 3D kondensatory są elastyczną i łatwą do udostępniania aparaturą eksperymentalną, która może być użytecznym sposobem na standaryzację platform do symulowanych eksperymentów z kominami hydrotermalnymi w różnych grupach badawczych, umożliwiając lepsze porównanie próbek i danych. Pliki kondensatora można wysłać do kolegów w celu samodzielnego wydrukowania w celach edukacyjnych lub naukowych (patrz Uzupełniający plik do druku 3D kondensatora użytego w tej pracy). Ta niedroga konfiguracja może być również wykorzystana jako eksperyment laboratoryjny dla studentów ogrodów chemicznych lub chemobrioniki^29,35.

Podsumowując, praca ta opisuje nowatorską aparaturę eksperymentalną wykorzystującą druk 3D w celu ułatwienia wzrostu symulowanych kominów hydrotermalnych w środowiskach gradientu temperatury. Skraplacz wydrukowany w 3D jest w stanie schłodzić symulant oceaniczny do temperatur bliskich zeru, podobnie jak woda morska w pobliżu systemów hydrotermalnych dna morskiego. W międzyczasie podgrzana strzykawka została użyta do symulacji wysokotemperaturowego płynu hydrotermalnego wstrzykiwanego do tego zimnego oceanu. Gradient termiczny miał wpływ na morfologie i struktury kominów z siarczku żelaza i wodorotlenku żelaza: gdy zarówno ocean, jak i płyn hydrotermalny miały temperaturę pokojową, kominy tworzyły pionowo zorientowane struktury, ale gdy płyn hydrotermalny był podgrzewany, a ocean był chłodzony, tworzenie solidnych struktur kominowych było zahamowane. Aby dokładnie symulować reakcje prebiotyczne w takich systemach kominowych z gradientami termicznymi analogicznymi do tych w systemach naturalnych, konieczne będzie dokładne kontrolowanie parametrów, takich jak szybkość wtryskiwania i skład chemiczny zarówno symulantów wentylacyjnych, jak i oceanicznych. Niestandardowy i niedrogi kondensator wydrukowany w 3D stworzony na potrzeby tego badania jest podobny w funkcji do naczynia reakcyjnego z płaszczem i może być łatwo modyfikowany i dystrybuowany elektronicznie do różnych grup badawczych i edukacyjnych do wykorzystania w wielu typach eksperymentów chemobrionicznych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
3/8-calowe przezroczyste rurki winylowe	Watts	SVIG10	Przytnij do żądanej długości do eksperymentu
40-pinowe zworki męsko-żeńskie wielokolorowe taśmowe	EDGELEC	ED-DP_L30_Mix_120pcs	Przewody te będą wymagały zdjęcia plastikowych końcówek i ostrożnego usunięcia jednej z 2 plastikowych obudów
Uszczelki aluminiowe	Fisher	0337523C	Thermo Scientific National Headspace 20 mm Uszczelki zaciskane
Sześciowodny chlorek żelaza	Fisher	I88-100	Żelazo  Chlorki  Sześciowodny  (Grudki/Certyfikowany ACS)
Czterowodny chlorek żelaza	Fisher	I90500	Tetrahydrat chlorku żelaza (krystaliczny / certyfikowany)
Opaski do węży zębatych	Glarks	40 sztuk
Szare korki butylowe	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific National 20 mm Przegroda do fiolek z przestrzenią nad głową
Końcówki do pipet	VWR	53511-682	końcówki do pipet 0,5-10 mikrolitrów
Butelki na serum	Sigma-Aldrich	33110-U	, nakrętka zaciskana, butelka z serum, rozmiar 100 mL, przezroczyste szkło, średnica zewnętrzna x wysokość 51,7 mm x 94,5 mm. W przypadku tych eksperymentów należy odciąć dno butelki z surowicą.
Wodorotlenek sodu	Sigma-Aldrich	S5881	gatunek odczynnika, ≥ 98%, granulki (bezwodne)
Siarczek sodu niewodny	Fisher	S425212	Siarczek sodu niewodny (krystaliczny/certyfikowany ACS).  Przechowywać w temperaturze -20 stopni Celsjusza. 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.
grzałka strzykawkowa	Syringepump.com	ZESTAW GRZAŁEK-5SP	Zacisk węża przekładniowego zaciski wokół koca grzewczego
Igły strzykawkowe (rozmiar 16)	Fisher	14-826-18B	BD Ogólnego zastosowania i igły podskórne PrecisionGlide, 16 G x 1.5 cala (38 mm)
Pompa strzykawkowa		Syringepump.com NE-4000	Dwu- lub wielokanałowa, w zależności od pożądanej liczby jednoczesnych eksperymentów
Strzykawki (10 ml)	Fisher	14-823-16E	BD Strzykawka z końcówkami Luer-Lok (bez igły)
Rurka	Cole Parmer	EW-06407-71	Rurka laboratoryjna Tygon, Non-DEHP, średnica wewnętrzna 1/16" x średnica zewnętrzna 1/8"
Pompa cyrkulacyjna wody	Bajitowy	BYT-7A015	Może potrzebować dwóch osób do pomocy w zalaniu pompy