Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest symulacja naturalnych kominów wytrąconych w podwodnych kominach hydrotermalnych wczesnej Ziemi przy użyciu eksperymentów w ogrodach chemicznych w celu wygenerowania samoorganizujących się struktur na małą skalę. Osiąga się to, przygotowując najpierw dwa rozwiązania. Jedno rozwiązanie symuluje skład wczesnej wody morskiej Ziemi, a drugie roztwór symuluje alkaliczny płyn hydrotermalny wytwarzany w wyniku reakcji skał wodnych.

Następnie ustawia się aparaturę, dzięki której płyn podobny do hydrotermalnego może zostać wstrzyknięty do zbiornika symulowanego oceanu w atmosferze bezanowej. W trzecim etapie ustawia się elektrody, które mierzą napięcie między roztworami hydrotermalnymi i oceanicznymi podczas wstrzykiwania. Na koniec roztwór podobny do hydrotermalnego jest powoli wstrzykiwany do podstawy fiolki zawierającej symulowany roztwór oceaniczny, naśladując naturalne przesiąkanie płynu wentylacyjnego ze skorupy oceanicznej do otaczającej wody morskiej.

Wyniki pokazują, że na styku oceanu i roztworów hydrotermalnych tworzy się osad mineralny, który rozwija się w samoorganizującą się strukturę ogrodu chemicznego przypominającą naturalny komin hydrotermalny Łódź podwodna. Kominy hydrotermalne są jak naturalne ogrody chemiczne. Zostały one wytworzone, jak myślimy, na Ziemi około 4,4 miliarda lat temu, i są zbudowane z siarczków i wodorotlenków żelaza, w większości z odrobiną krzemionki.

I zachowują się jak skóra, którą powstają, gdy roztwory alkaliczne dostają się do oceanu, który jest nieco kwaśny. A na styku tych dwóch, wytrącają te minerały, jak mówię, wyglądające raczej jak skóra. W rzeczywistości można je porównać do życia, jakie znamy dzisiaj.

A to oznacza, że życie ma zwykle alkaliczne wnętrze, tak jak na przykład my. I ma tendencję do lubienia kwaśnej powierzchni. To znaczy, mogę nonszalancko powiedzieć, że podoba nam się szampon o pH 5,5.

Lubimy na przykład kwaśne napoje gazowane. Ale też lubimy pić napoje alkaliczne, które dbają o zdrowie, bo w końcu nasze wnętrza są zdrowe, tak jak naturalne ogrody chemiczne. To, co zaobserwowaliśmy dzisiaj w laboratorium, to fakt, że wnętrze tych chemicznych ogrodów jest alkaliczne.

Na zewnątrz jest kwaśny. Jest nieco utleniony, a my mamy, co się dzieje, to te chemiczne ogrody narzucają chemiczny gradient na te dwa, te chemiczne gradienty pH i redoks, i sumują się do około pół wolta, co jest mniej więcej ilością energii elektrochemicznej potrzebnej do napędzania życia. Uważamy, że było to w sam raz, aby doprowadzić do powstania życia w jednym z tych chemicznych ogrodów na dnie oceanu 4 miliardy lat temu.

Ten eksperyment pozwala nam symulować różne warunki planetarne, takie jak oceany, płyny hydrotermalne, atmosfery, ale także pozwala nam symulować skutki zmiany określonych parametrów eksperymentalnych i jaki wpływ będzie to miało na system. Początkowo badaliśmy ogrody chemiczne, które wyrosły bezpośrednio z kryształów wewnątrz probówek, ale nie byliśmy w stanie zmierzyć potencjału membrany, ponieważ nie mogliśmy umieścić drutu bezpośrednio w samej membranie. Aby to zrobić, opracowaliśmy nową metodę.

Jest to metoda iniekcji, w której wstrzyknęliśmy płyn hydrotermalny do płynu oceanicznego w zbiorniku. Pozwoliło nam to na użycie automatycznego rejestratora danych do pomiaru potencjału błony w stosunku do wzrostu membrany. Ci, którzy są nowicjuszami w tej metodzie, mogą mieć trudności z wyhodowaniem ładnie zorganizowanych ogrodów chemicznych i umieszczeniem wirusa w chi potrzebnym do pomiaru napięcia.

Jednak rozwiązując problemy, mogą rozwiązać wszystkie te problemy. Zacznij od użycia noża do szkła, aby odciąć spód 100-mililitrowej butelki z przezroczystym szkłem z karbowaną serum, aby użyć fiolki do wstrzykiwań. Zbierz również 20-milimetrową przegrodę, 20-milimetrową aluminiową uszczelkę zaciskaną i plastikową końcówkę do pipety o pojemności od 0,5 do 10 mikrolitrów.

Za pomocą igły strzykawkowej o rozmiarze 16 ostrożnie przebij otwór w środku przegrody, a następnie wyjmij igłę i wyrzuć ją do odpowiedniego pojemnika na ostre odpady. Następnie włóż końcówkę pipety do otworu na igłę i przepchnij końcówkę pipety przez przegrodę tak, aby wystawała na drugą stronę. Zacisnąć przegrodę za pomocą końcówki pipety na naczyniu do wstrzykiwań.

Aby uszczelnić wodoszczelne uszczelnienie, należy wepchnąć końcówkę pipety głębiej przez przegrodę, tak aby wystawała na zewnątrz. Następnie przymocuj przezroczystą, elastyczną i odporną na chemikalia rurkę o średnicy wewnętrznej 16 cali do końcówki pipety. Wsuń rurkę w górę na końcówkę pipety Aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie, należy upewnić się, że rurka jest wystarczająco długa, aby sięgała od fiolki do wstrzykiwań do pompy strzykawkowej.

Następnie zacisnąć fiolki do wstrzykiwań na stojaku wewnątrz okapu wyciągowego, tak aby wstrzyknięcie było podawane od dołu fiolki. Przeciąć dwa odcinki izolowanych drutów tak, aby były wystarczająco długie, aby sięgały z wnętrza naczyń reakcyjnych do rejestratora danych. Zostaw trochę luzu w przewodach do pozycjonowania.

Następnie usuń około trzech milimetrów izolacji z końca każdego drutu, który będzie znajdował się wewnątrz fiolki reakcyjnej na pozostałych końcach. Który zostanie podłączony do przewodów multimetru. Zdejmij około jednego centymetra drutu, włóż jeden drut do drutu, który będzie znajdował się w ogrodzie chemicznym w pobliżu otworu końcówki pipety, aby zapewnić kontakt z roztworem do wstrzykiwań, ale nie na tyle, aby zatkał przepływ iniekcji.

A następnie zabezpiecz oba końce przewodów na miejscu za pomocą taśmy. Następnie umieść zewnętrzny drut tak, aby stykał się ze zbiornikiem roztworu, ale nie z chemicznym osadem ogrodowym. Następnie przymocuj wolne końce przewodów do rejestratora danych, aby utrzymać przestrzeń nad zbiornikiem roztworu.

A IC założył przewody gazowe z azotem. Podzielić dopływ gazu ze zbiornika źródła azotu na kilka probówek, tak aby na każdą fiolkę do wstrzykiwań przypadała jedna porcja. Przygotuj 200 mililitrów roztworu zbiornika, znanego również jako płyn modelowy imitujący ocean, dla każdej fiolki reakcyjnej, najpierw bulgocząc dejonizowaną wodę z gazowym azotem przez około 15 minut na 100 mililitrów.

Gwarantuje to, że eksperyment pozostanie beztlenowy przez cały czas wstrzyknięcia. Następnie odważyć i dodać 25 milimoli żelaza, dwa tetra chlorkowe i 75 milimoli żelaza. Trzy sześciowodne chlorki do wody.

Delikatnie wymieszaj mieszaninę, aby rozpuścić jony bez wprowadzania tlenu do mieszaniny. Po rozpuszczeniu jonów natychmiast wznowić lekkie bulgotanie roztworu gazowym azotem. Podczas przygotowywania wstrzyknięć należy wybrać dowolne dwa roztwory do wstrzykiwań pierwotnych z podanej tabeli i przygotować 10 mililitrów każdego roztworu.

Następnie napełnij 10-mililitrową strzykawkę do znaku siedmiu mililitrów każdym z roztworów, zakryj je i odłóż na bok. Następnie przygotuj 20 mililitrów 50-milimolowego siarczku sodu w dygestorium jako wtrysk wtórny. Napełnij dwie 10-mililitrowe strzykawki do oznaczenia siedmiu mililitrów Roztworem załóż nasadki na igły i odłóż je na bok.

Zamocować strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych na programowalnej pompie strzykawkowej, która znajduje się wewnątrz okapu wyciągowego. Ustawić szybkość wstrzykiwania na jeden mililitr na minutę i włączyć pompę, aż obie strzykawki zaczną kapać do zlewki na odpady. Następnie należy przerwać wstrzyknięcie.

Następnie włożyć strzykawki zawierające wodę dejonizowaną do dwóch plastikowych probówek iniekcyjnych i wstrzyknąć tak, aby woda wypełniła przezroczystą rurkę aż do otworu, w którym wchodzi do głównego zbiornika. Następnie umieścić strzykawki na stojaku nad fiolkami do wstrzykiwań. Następnie ostrożnie wlej 100 mililitrów roztworu zbiornika zawierającego żelazo do każdej fiolki.

Ostrożnie utworzyć hermetyczne uszczelnienie nad fiolkami za pomocą perfilu i wprowadzić azot do każdej fiolki. Dostosuj przepływ przewodów azotu gazowego zgodnie z potrzebami, aby utrzymać eksperyment w stanie beztlenowym przez cały czas wstrzykiwań. Następnie należy przynosić strzykawki wypełnione wodą, pojedynczo, obok strzykawek do wstrzykiwań głównych.

Ostrożnie zsunąć plastikową rurkę iniekcyjną i natychmiast przenieść ją bezpośrednio na jedną z igieł do wstrzykiwań głównych. Uważając, aby nie przebić ścianki rurki. Następnie ustawić pompę strzykawkową tak, aby pracowała z prędkością dwóch mililitrów na godzinę przez trzy godziny i w tym samym czasie rozpocząć wstrzykiwanie.

Rozpocznij rejestrację potencjału błony. Naciśnij stop na pompie strzykawkowej po trzech godzinach. Po uformowaniu się chemicznych struktur ogrodowych ostrożnie wyjmij pierwotne strzykawki iniekcyjne z pompy strzykawkowej, ale pozostaw je podłączone do rurki, aby struktury nie zostały naruszone.

Ustawić je na stojaku powyżej poziomu płynu w fiolkach, tak aby płyn nie spływał z powrotem do strzykawki. Następnie należy przymocować strzykawki do wstrzykiwań wtórnych, które w tym przypadku składają się z siarczku sodu, do pompy strzykawkowej i zalać igłę do momentu, aż obie zaczną kapać. Roztwór siarczku należy wyrzucić do specjalnego pojemnika na odpady niebezpieczne. Następnie wyjmować strzykawki pojedynczo z pompy strzykawkowej i przenieść rurkę ze strzykawki do pierwszego wstrzykiwania do strzykawki zawierającej siarczek sodu.

Przeprogramuj pompę strzykawkową, aby wstrzykiwała roztwór w ilości dwóch mililitrów na godzinę i naciśnij start, aby wstrzykiwać roztwór siarczku sodu w tej szybkości przez trzy godziny. Gdy pierwotny roztwór iniekcyjny zostanie wprowadzony do roztworu rezerwuarowego, na granicy faz płynu zaczyna tworzyć się chemiczny osad ogrodowy, a struktura ta nadal rośnie w trakcie wstrzykiwania pod środowiskową skaningową mikroskopią elektronową, pierwotne wytrącenia powstałe w obecności alaniny wydawały się bardziej zaokrąglone w amorficznym, podczas gdy czyste osady tlenowo-tlenowe żelaza, a także te zawierające pirofosforan wydawały się bardziej krystaliczne po pierwotnym zastrzyk. Potencjał miał tendencję do osiągania szczytu natychmiast około 0,45 do 0,55 V, a następnie zmniejszał się przez około godzinę, zanim ustabilizował się około 0,1 do 0,2 V przez resztę pierwotnego wtrysku.

Kiedy pierwotne strzykawki zostały zamienione na wtórne zawierające siarczek sodu, chemiczny ogród nadal się rozrastał, z wyjątkiem tego, że widoczne nowe narośla były teraz czarnym siarczkiem żelaza. Zamiast przyczyniać się do powstania istniejących murów, czarne siarczkowe części ogrodu chemicznego zdawały się rozgałęziać i rosnąć oddzielnie. Gdy tylko roztwór do wstrzykiwań siarczkowych dotarł do ogrodu chemicznego, potencjał membrany natychmiast skoczył do około 0,9 wolta.

Istnieje wiele możliwych kombinacji rozwiązań, które możesz wykorzystać do uprawy swoich ogrodów chemicznych. Możliwa jest również zmiana szybkości wstrzykiwania z szybszej na wolniejszą i zmiana pierwotnej dawki na wtórną w dowolnym momencie eksperymentu, o ile struktura ogrodu chemicznego jest całkowicie uformowana. Roztwory siarczku sodu uwalniają gazowy siarkowodór, który jest niezwykle niebezpieczny.

Otwarte pojemniki na siarczek sodu i roztwory zawierające siarczki muszą być używane wewnątrz dygestorium i traktowane zgodnie z wytycznymi dotyczącymi kart charakterystyki: zarówno zużyte, jak i niewykorzystane roztwory należy usuwać jako odpady niebezpieczne. Kominy hydrotermalne, które właśnie widzieliśmy w laboratorium, są wykonane z porowatych minerałów, głównie siarczków żelaza i wodorotlenków żelaza. Sądzimy, że będą działać jako katalizatory we wczesnym okresie życia i są bardzo podobne w strukturze do katalizatorów i enzymów, które mamy nawet w naszej skórze do dziś.

Ten eksperyment może być wykorzystany do symulacji różnych środowisk geologicznych, ale ma również zastosowanie w materiałoznawstwie, ponieważ istnieje duże zainteresowanie nauką, jak kontrolować wzrost tych samoorganizujących się struktur poprzez manipulowanie parametrami eksperymentu, a także być może do tworzenia struktur i materiałów, które mogą działać jako katalizatory różnych reakcji.