Name: Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Odkryj metodę symulacji naturalnych kominów hydrotermalnych z wczesnej Ziemi za pomocą ogrodów chemicznych jako reaktorów przepływowych. Technika ta pozwala badać procesy geochemiczne i warunki sprzyjające powstaniu życia.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Względy bezpieczeństwa
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Konfiguracja do eksperymentów iniekcyjnych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Przygotować fiolki do wstrzykiwań (Rysunek 1).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zakleić taśmą lub w inny sposób zabezpieczyć przewody w taki sposób, aby nie mogły przemieszczać się wewnątrz fiolki do wstrzykiwań podczas eksperymentu (Rysunek 2).</li>
		<li>Podłącz drugie końce przewodów do multimetru i zabezpiecz przewody tak, aby te końce również nie poruszały się przez cały czas trwania eksperymentu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawić przewody gazowe N2, z których każda będzie podawana do jednej z fiolek do wstrzykiwań.
	<ol>
		<li>Podzielić dopływ gazu ze źródła N2 na kilka probówek, tak aby na każdą fiolkę do wstrzykiwań przypadała jedna porcja N2.</li>
		<li>Umieścić każdą probówkęN2 w taki sposób, aby mieściła się w przestrzeni nad roztworem jednej z fiolek do wstrzykiwań.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przygotowanie roztworów do chemicznego wzrostu ogrodu
<ol>
	<li>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).
	<ol>
		<li>Stwórz roztwory beztlenowe, najpierw bulgocząc ddH2O z gazem N2 przez ~ 15 minut na 100 ml.</li>
		<li>Odważyć i dodać FeCl2•4H2O i FeCl3•6H2O, delikatnie mieszając do rozpuszczenia (nie energicznie, aby nie wprowadzić tlenu).</li>
		<li>Po rozpuszczeniu odczynników należy natychmiast wznowić lekkie bulgotanie roztworu Fe2 + / Fe3 + gazemN2 podczas przygotowywania wstrzyknięć.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Napełnić strzykawki ddH2O z kroku 2.2.5; zostaną one użyte do przepłukania rurki do wstrzykiwań.</li>
</ol>
4. Rozpoczęcie pierwszego wtrysku
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>Zamocować strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych na programowalnej pompie strzykawkowej w dygestorium.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Ponownie zaprogramować pompę strzykawkową tak, aby wstrzykiwała z prędkością 2 ml na godzinę (skalibrować dla typu używanej strzykawki), ale nie naciskać przycisku start.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wlać 100 ml roztworu zbiornika Fe2+/Fe3+ do każdej fiolki.</li>
	<li>Dostosuj przepływ przewodów gazowychN2 zgodnie z potrzebami, aby utrzymać eksperyment w stanie beztlenowym przez cały czas wstrzykiwań.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.)</li>
	<li>Rozpocznij wstrzykiwanie i rozpocznij rejestrację potencjału błony.</li>
</ol>
5. Rozpoczęcie wtórnego wstrzykiwania:
<ol>
	<li>Zatrzymać pompę strzykawkową po 3 godzinach (po wstrzyknięciu 6 ml), gdy uformują się struktury ogrodu chemicznego (ryc. 4), stale wytwarzając potencjał błonowy (ryc. 5).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przymocować strzykawki z siarczkami do wstrzykiwań wtórnych do pompy strzykawkowej i powtórzyć kroki 4.3 i 4.4.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Po zakończeniu transferu ostrożnie przymocować strzykawki wtórne do pompy strzykawkowej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Strzykawki do wstrzykiwań pierwotnych należy usunąć w bezpieczny sposób.</li>
</ol>
6. Zakończenie eksperymentu
<ol>
	<li>Najpierw zatrzymaj pompę strzykawkową, a następnie zatrzymaj rejestrację potencjału membrany i zapisz dane.</li>
	<li>Wyłączyć przepływN2 i usunąć przewody oraz Parafilm z naczyń iniekcyjnych.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Odkręcić pojedynczo naczynia iniekcyjne i wlać roztwór do zlewki do przenoszenia odpadów w dygestorium. Użyj ddH2O, aby wypłukać kawałki osadu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyjmij rurkę z fiolki eksperymentalnej i wyrzuć ją do worka na odpady stałe. Odkręć uszczelkę i wyrzuć przegrodę, uszczelkę i końcówkę pipety.</li>
	<li>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.)</li>
</ol>

<ol><li>Leduc, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeduc%2C+S+%22The+Mechanism+of+Life%22">The Mechanism of Life</a>. , Rebman. London. (1911).</li>
<li>Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+the+growth+of+%E2%80%98%E2%80%98silicate+gardens%E2%80%99%E2%80%99+and+related+phenomena%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena.</a> J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Chemical+Gardens+to+Chemobrionics%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">From Chemical Gardens to Chemobrionics.</a> Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+onset+and+early+evolution+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22GSA+Memoir%22%5BJournal%5D)">The onset and early evolution of life.</a> GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).</li>
<li>Russell, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Drive+to+Life+on+Rocky+and+Icy+Worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</li>
<li>Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+at+4Ga+relevant+to+the+origin+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+Life+Evol.+B%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life.</a> Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).</li>
<li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+Test+of+a+Hydrothermal+Reactor+for+Origin%E2%80%90Of%E2%80%90Life+Experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments.</a> Astrobiology. 10, 799-810 (2010).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+life+from+iron+monosulphide+bubbles+at+a+submarine+hydrothermal+redox+and+pH+front%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Geol.+Soc.+Lond%22%5BJournal%5D)">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).</li>
<li>Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+systems+in+small+ocean+planets%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal systems in small ocean planets.</a> Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).</li>
<li>Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geologic+setting+of+serpentine+deposits+on+Mars%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys.+Res.+Lett%22%5BJournal%5D)">Geologic setting of serpentine deposits on Mars.</a> Geophys. Res. Lett. 37, L06201(2010).</li>
<li>Hsu, H. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ongoing+hydrothermal+activities+within+Enceladus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ongoing hydrothermal activities within Enceladus.</a> Nature. 519, 207-210 (2015).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+Chemical+Gardens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Formation of Chemical Gardens.</a> J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Iron-Phosphate-Silicate+Chemical+Garden+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures.</a> Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).</li>
<li>Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+Evolution+of+Chemical+Gradients+and+Potential+Differences+Across+Self-Assembling+Inorganic+Membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).</li>
<li>Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compositional+analysis+of+copper%E2%80%93silica+precipitation+tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).</li>
<li>Parmar, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+cobalt+precipitation+tube+synthesized+through+%E2%80%9Csilica+garden%E2%80%9D+route%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Charact%22%5BJournal%5D)">Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route.</a> Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).</li>
<li>Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+Fe%28III%29-silicate+precipitation+tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes.</a> Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical-Garden+Formation%2C+Morphology%2C+and+Composition.+I.+Effect+of+the+Nature+of+the+Cations%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations.</a> Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).</li>
<li>Stone, D. A., Goldstein, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tubular+precipitation+and+redox+gradients+on+a+bubbling+template%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).</li>
<li>Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Organized+Tubular+Structures+as+Platforms+for+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).</li>
<li>Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polyoxometalates%3A+Building+Blocks+for+Functional+Nanoscale+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).</li>
<li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iron-Sulfide-Bearing+Chimneys+as+Potential+Catalytic+Energy+Traps+at+Life%E2%80%99s+Emergence%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence.</a> Astrobiology. 11, 933-950 (2011).</li>
<li>Roszol, L., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+the+Wall+Thickness+and+Composition+of+Hollow+Precipitation+Tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100(2011).</li>
<li>Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+evolution+of+carbonate+chimneys+at+the+Lost+City+Hydrothermal+Field%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Ac%22%5BJournal%5D)">Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+growth+of+iron+sulphide+chimneys%3A+possible+culture+chambers+for+origin-of-life+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Terra+Nova%22%5BJournal%5D)">In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments.</a> Terra Nova. 1, 238-241 (1989).</li>
<li>Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hydrothermally+precipitated+catalytic+iron+sulphide+membrane+as+a+first+step+toward+life%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Evol%22%5BJournal%5D)">A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life.</a> J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pyrophosphate+Synthesis+in+Iron+Mineral+Films+and+Membranes+Simulating+Prebiotic+Submarine+Hydrothermal+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Ac%22%5BJournal%5D)">Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).</li>
<li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+and+RNA+contributions+to+iron-sulphur+chemical+gardens+as+life%27s+first+inorganic+compartments%2C+catalysts%2C+capacitors+and+condensors%5BTitle%5D)+AND+%22Philos.+T.+R.+Soc.+S-A%22%5BJournal%5D)">Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors.</a> Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical-Garden+Formation%2C+Morphology%2C+and+Composition.+II.+Chemical+Gardens+in+Microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity.</a> Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).</li>
<li>Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oscillatory+Growth+of+Silica+Tubes+in+Chemical+Gardens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).</li>
<li>Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Hydrodynamic+Plumes+to+Chemical+Gardens%3A+The+Concentration-Dependent+Onset+of+Tube+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation.</a> Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).</li>
<li>Herschy, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Evol%22%5BJournal%5D)">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).</li>
<li>Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+CO2+Reduction+by+Ni-containing+Iron+Sulfides%3A+How+Is+CO2+Electrochemically+Reduced+at+Bisulfide-Bearing+Deep-sea+Hydrothermal+Precipitates%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates?</a> Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).</li>
<li>Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+nitrate+reduction+by+green+rusts%E2%80%94effects+of+interlayer+anion+and+Fe+%28II%29%3A+Fe+%28III%29+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Clay+Sci%22%5BJournal%5D)">Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio.</a> Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).</li>
<li>Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTrolard%2C+F+%22Clay+Minerals+in+Nature+-+Their+Characterization%2C+Modification+and+Application%22">Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application</a>. , InTech. (2012).</li>
<li>van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3avan+Oss%2C+CJ+%22Surface+and+Colloid+Science%22">Surface and Colloid Science</a>. , Springer. US. 115-144 (1984).</li>
<li>Baaske, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extreme+accumulation+of+nucleotides+in+simulated+hydrothermal+pore+systems%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

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...

"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.

<table><tbody><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>Dwukanałowa lub wielokanałowa, w zależności od pożądanej liczby jednoczesnych eksperymentów</td></tr><tr><td>Czterowodny chlorek żelaza</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Czterowodny chlorek żelaza (krystaliczny/certyfikowany)</td></tr><tr><td>Sześciowodny chlorek żelaza</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Żelazowy&nbsp; Chlorki&nbsp; Sześciowodny&nbsp; (Grudki/Certyfikowany ACS)</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>gatunek odczynnika, &ge; 98%, granulki (bezwodne)</td></tr><tr><td>Siarczek sodu niewodny</td><td>Fisher</td><td>S425212</td><td>Siarczek sodu niewodny (krystaliczny/certyfikowany ACS). Przechowywać w temperaturze -20&nbsp; &#176;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.</td></tr><tr><td>Pirofosforan potasu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp; region=US">322431</a></td><td>97%</td></tr><tr><td>L-Alanina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&amp; region=US">A7627</a></td><td></td></tr><tr><td>Strzykawki (10&nbsp; cc)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD&handel; Strzykawka z końcówkami Luer-Lok (bez igły)</td></tr><tr><td>Igły do strzykawek (16&nbsp; miernik)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD&handel; Igły podskórne ogólnego użytku i PrecisionGlide, 16&nbsp; G x 1,5 cala (38&nbsp; mm)</td></tr> <tr><td>Rurka</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Rurka laboratoryjna Tygon, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD</td></tr><tr><td>Uszczelki aluminiowe</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific&trade; Krajowy i handlowy; Przestrzeń nad głową 20&nbsp; mm Uszczelki zaciskowe</td></tr><tr><td>Szare korki butylowe</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific&trade; Krajowy i handlowy; 20&nbsp; mm Septa do fiolek Headspace</td></tr><tr><td>Butelki z serum</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>Fiolki, 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.</td></tr><tr><td>Końcówki do pipet</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>końcówki do pipet 0,5-10 &#956; l</td></tr><tr><td>Drut</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>Solidny drut jednożyłowy, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

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".

Gdy roztwór wtryskiwany zaczął przedostawać się do roztworu w zbiorniku, na granicy faz cieczy zaczął tworzyć się osad w formie ogrodu chemicznego, a struktura ta nadal rosła w trakcie wtrysku (Ryciny 4-7). W opisanych tutaj eksperymentach pierwszym wtryskiem był wodorotlenek sodu (który można zmodyfikować, dodając L-alaninę i/lub pirofosforan), a roztworem w zbiorniku była mieszanina Fe3+/Fe2+ w stosunku 1:3, co prowadziło do powstania osadu oksywodorotlenku żelaza o mieszanym stan...

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

Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest symulacja naturalnych kominów wytrącających się w submarynicznych kominach hydrotermalnych wczesnej Ziemi, przy użyciu eksperymentów z ogrodami chemicznymi w celu wygenerowania samoporządkujących się struktur w małej skali. Osiąga się to poprzez przygotowanie dwóch roztworów. Jeden roztwór symuluje skład wody morskiej wczesnej Ziemi, a drugi roztwór symuluje zasadowy płyn hydrotermalny powstający w wyniku reakcji woda-skała.Następnie przygotowuje się aparat w taki sposób, aby płyn imitujący roztwór hydrotermalny mógł zostać wstrzyknięty do zbiornika z symulowaną wodą oceaniczną w atmosferze anoksycznej. W trzecim kroku rozmieszcza się elektrody, aby zmierzyć napięcie między roztworami hydrotermalnym a oceanicznym podczas wstrzykiwania. Na koniec roztwór imitujący płyn hydrotermalny jest powoli wstrzykiwany do dna fiolki zawierającej symulowany roztwór oceaniczny, co naśladuje naturalne przesiąkanie płynu z kominów hydrotermalnych z skorupy oceanicznej do otaczającej wody morskiej.Wyniki pokazują, że na styku wody oceanicznej i roztworów hydrotermalnych powstaje osad mineralny, który przekształca się w samorganizującą się strukturę ogrodu chemicznego przypominającą naturalny komin hydrotermalny. Kominy hydrotermalne są analogiczne do naturalnych ogrodów chemicznych. Naszym zdaniem powstały one na Ziemi około 4,4 mld lat temu i składają się głównie z siarczków żelaza i wodorotlenków żelaza, z niewielką domieszką krzemionki.Zachowują się one jak błona; powstają w miejscach, gdzie zasadowe roztwory wypływają do oceanu, który jest nieco kwasowy. Na styku tych dwóch środowisk wytrącają się wspomniane minerały, tworząc strukturę przypominającą błonę. W rzeczywistości można je porównać do życia, jakie znamy dzisiaj.W związku z tym organizmy żywe, podobnie jak my, mają tendencję do posiadania zasadowego wnętrza. Z kolei ich zewnętrzna warstwa zazwyczaj preferuje środowisko kwasowe. Można by tak powierzchownie stwierdzić, że lubimy szampony o pH 5,5.Lubimy na przykład kwaśne napoje gazowane. Chcemy jednak również spożywać napoje zasadowe, aby dbać o zdrowie, ponieważ w końcu nasze wnętrze jest zdrowe, podobnie jak naturalne ogrody chemiczne. To, co zaobserwowaliśmy dzisiaj w laboratorium, to fakt, że wnętrze tych ogrodów chemicznych jest zasadowe.Zewnętrzna część jest kwasowa. Jest ona w pewnym stopniu utleniona i dochodzi do zjawiska, w którym ogrody chemiczne narzucają gradient chemiczny pomiędzy obiema stronami – gradienty pH i potencjału Redox – a ich suma wynosi około połowy wolta, co odpowiada ilości energii elektrochemicznej niezbędnej do podtrzymania życia. Uważamy, że było to dokładnie tyle, ile potrzeba było, aby życie mogło powstać po raz pierwszy w jednym z takich ogrodów chemicznych na dnie oceanu 4 miliardy lat temu.Niniejszy eksperyment pozwala nam symulować różne warunki planetarne, takie jak oceany, płyny hydrotermalne czy atmosfery, a także umożliwia symulację efektów zmiany konkretnych parametrów eksperymentalnych oraz badanie ich wpływu na system. Pierwotnie badaliśmy ogrody chemiczne, które rosły bezpośrednio z kryształów w probówkach, jednak nie byliśmy w stanie zmierzyć potencjału błonowego, ponieważ nie mogliśmy wprowadzić przewodu bezpośrednio do wnętrza samej błony. Aby to osiągnąć, opracowaliśmy nową metodę.Jest to metoda iniekcyjna, w której wstrzykiwaliśmy symulator hydrotermalny do płynu oceanicznego w zbiorniku. Pozwoliło nam to na wykorzystanie zautomatyzowanego rejestratora danych do pomiaru potencjału błony podczas jej wzrostu. Osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą mieć trudności z wyhodowaniem dobrze ustrukturyzowanych ogrodów chemicznych oraz z odpowiednim rozmieszczeniem elektrod w celu pomiaru napięcia.Niemniej jednak, poprzez rozwiązywanie problemów, można wyeliminować wszystkie te trudności. Należy rozpocząć od odcięcia dna 100 milliliter przezroczystej szklanej fiolki z zamknięciem zaciskowym za pomocą przecinaka do szkła, aby wykorzystać ją jako fiolkę do iniekcji. Należy również przygotować 20 millimeter septum, 20 millimeter aluminiową uszczelkę zaciskową oraz plastikowy grot do pipety o objętości od 0.5 do 10 microliter.Używając igły do strzykawki o rozmiarze 16 G, ostrożnie wykonaj otwór w centrum septa, a następnie wyjmij igłę i wyrzuć ją do odpowiedniego pojemnika na odpady ostre. Następnie włóż końcówkę pipety do otworu po igle i przesuń ją przez septum tak, aby wystawała z drugiej strony. Zaciśnij septum wraz z końcówką pipety na naczyniu wtryskowym.Aby zapewnić szczelność powietrzną połączenia wodoszczelnego, należy wcisnąć końcówkę pipety głębiej przez septum, tak aby wystawała na zewnątrz. Następnie do końcówki pipety należy przymocować przezroczystą, elastyczną i odporną chemicznie rurkę o średnicy wewnętrznej 1/16 cala. Nasuń rurkę na końcówkę pipety. Aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie, upewnij się, że rurka jest wystarczająco długa, aby sięgać od fiolki do wtryskiwania do pompy strzykawkowej.Następnie zamocuj fiolki do wstrzykiwania w uchwycie na statywie wewnątrz dygestorium w taki sposób, aby dopływ preparatu odbywał się od dołu fiolki. Odetnij dwa odcinki izolowanych przewodów o długości wystarczającej, aby sięgały od wnętrza naczyń reakcyjnych do rejestratora danych. Pozostaw niewielki zapas długości przewodów w celu ułatwienia ich rozmieszczenia.Następnie zdejmij około trzech milimetrów izolacji z końców każdego przewodu, które będą znajdować się wewnątrz fiolki reakcyjnej; pozostałe końce zostaną podłączone do przewodów multimetru. Zdejmij około jednego centymetra izolacji z przewodu, który zostanie wprowadzony do ogrodu chemicznego, i umieść go blisko otworu końcówki pipety, aby zapewnić kontakt z roztworem wstrzykiwanym, ale nie tak głęboko, by zablokował przepływ wstrzykiwania.Następnie przymocuj oba końce przewodów za pomocą taśmy. Potem umieść zewnętrzny przewód tak, aby stykał się z rezerwuarem roztworu, ale nie z osadem ogrodu chemicznego. Następnie podłącz wolne końce przewodów do rejestratora danych, zachowując wolną przestrzeń nad rezerwuarem roztworu.Następnie przygotowano linie z gazem azotowym. Dopływ gazu ze zbiornika z azotem rozdzielono na kilka rurek w taki sposób, aby każda fiolka do wstrzykiwania miała osobny dopływ. Dla każdej fiolki reakcyjnej przygotowano 200 mililitrów roztworu rezerwuarowego, znanego również jako symulant oceaniczny, poprzez uprzednie napowietrzanie wody dejonizowanej gazem azotowym przez około 15 minut na każde 100 mililitrów.Zapewnia to zachowanie warunków beztlenowych przez cały czas trwania iniekcji. Następnie odważ i dodaj do wody 25 millimolar iron(II) chloride oraz 75 millimolar iron(III) chloride hexahydrate.Delikatnie wymieszaj roztwór, aby rozpuścić jony, unikając wprowadzenia tlenu do mieszaniny. Po rozpuszczeniu jonów natychmiast wznowij lekkie napowietrzanie roztworu azotem. Podczas przygotowywania iniekcji, wybierz dwa dowolne główne roztwory do iniekcji z przedstawionej tutaj tabeli i przygotuj po 10 mililitrów każdego z nich.Następnie napełnij strzykawkę o pojemności 10 ml każdą z tych substancji do poziomu 7 ml, załóż nakładki i odstaw je na bok. W następnej kolejności przygotuj w dygestorium 20 ml 50 mM siarczku sodu jako drugą dawkę wtryskową. Napełnij dwie strzykawki o pojemności 10 ml tym roztworem do poziomu 7 ml, załóż nakładki na igły i odstaw je na bok.Zamocuj strzykawki do głównej iniekcji w programowalnej pompie strzykawkowej znajdującej się wewnątrz dygestorium. Ustaw szybkość iniekcji na 1 ml/min i włącz pompę, aż z obu strzykawek zaczną kapać ciecze do zlewki z odpadami. Następnie przerwij iniekcję.Następnie wsuń strzykawki zawierające wodę dejonizowaną do dwóch plastikowych rurek wtryskowych i wstrzyknij wodę tak, aby wypełniła przezroczystą rurkę aż do otworu, w którym wprowadzona jest ona do głównego zbiornika. Następnie umieść strzykawki na statywie nad fiolkami wtryskowymi. Następnie ostrożnie wlej 100 ml roztworu ze zbiornika zawierającego żelazo do każdej fiolki.Należy starannie stworzyć szczelne zamknięcie nad fiolkami za pomocą Parafilmu i wprowadzić dopływ azotu do każdej fiolki. Dostosuj przepływ w liniach z gazem azotowym zgodnie z potrzebami, aby utrzymać warunki beztlenowe w trakcie wstrzykiwań. Następnie, po kolei, przesuń strzykawki wypełnione wodą obok głównych strzykawek do iniekcji.Ostrożnie zsuń plastikową rurkę wtryskową i natychmiast przenieś ją bezpośrednio na jedną z igieł głównej strzykawki wtryskowej, dbając o to, aby nie przebić ścianki rurki. Następnie ustaw pompę strzykawkową na przepływ 2 mL/h przez 3 godziny i jednocześnie rozpocznij wtryskiwanie.Rozpocznij rejestrację potencjału błonowego. Po trzech godzinach zatrzymaj pompę strzykawkową. Gdy struktury ogrodu chemicznego zostaną sformowane, ostrożnie wyjmij główne strzykawki wstrzykujące z pompy, pozostawiając je jednak podłączonymi do cewek, aby nie zakłócić struktur.Umieść je na statywie powyżej poziomu cieczy w fiolkach, aby zapobiec cofaniu się cieczy do strzykawki. Następnie zamocuj w pompie strzykawkowej strzykawki do wstrzykiwania wtórnego, które w tym przypadku zawierają siarczek sodu, i odpowietrz igły, aż z obu zaczną kapać krople; roztwór siarczku należy zutylizować w specjalnym pojemniku na odpady niebezpieczne. Następnie wyjmij strzykawki pojedynczo z pompy strzykawkowej i przenieś przewody ze strzykawki do wstrzykiwania pierwotnego do strzykawki zawierającej siarczek sodu.Zaprogramuj pompę strzykawkową, aby wstrzykiwała roztwór z prędkością 2 ml/h, a następnie naciśnij start, aby podawać roztwór siarczku sodu z tą prędkością przez trzy godziny. Po wprowadzeniu głównego roztworu wstrzykiwanego do roztworu w zbiorniku, na granicy faz cieczy zaczyna tworzyć się osad w formie ogrodu chemicznego; struktura ta nadal rośnie w trakcie wstrzykiwania w warunkach środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej. Osady pierwotne powstałe w obecności alaniny wydawały się bardziej zaokrąglone i amorficzne, natomiast osady czystego oksyhydroksydu żelaza, jak i te zawierające pirofosforan, wydawały się bardziej krystaliczne po zakończeniu głównego wstrzykiwania. Potencjał miał tendencję do osiągania szczytu natychmiast w zakresie od 0,45 do 0,55 V, a następnie spadał przez około godzinę, zanim ustabilizował się na poziomie od 0,1 do 0,2 V przez pozostałą część głównego wstrzykiwania.Po przełączeniu strzykawek pierwotnych na strzykawki wtórne zawierające siarczek sodu, ogród chemiczny nadal rósł, z tą różnicą, że widoczne nowe przyrosty stanowiły teraz czarny siarczek żelaza. Zamiast dobudowywać istniejące ściany, czarne części siarczkowe ogrodu chemicznego zdawały się odgałęziać i rosnąć oddzielnie. W momencie, gdy roztwór wstrzykiwany z siarczkiem dotarł do ogrodu chemicznego, potencjał błonowy natychmiast skoczył do około 0,9 V.Istnieje wiele możliwych kombinacji roztworów, których można użyć do hodowli ogrodów chemicznych. Możliwa jest również zmiana szybkości wstrzykiwania z szybszej na wolniejszą oraz zmiana wstrzykiwania pierwotnego na wtórne w dowolnym momencie trwania eksperymentu, pod warunkiem, że struktura ogrodu chemicznego jest w pełni uformowana. Roztwory siarczku sodu uwalniają siarkowodór, który jest niezwykle niebezpieczny.Otwarte pojemniki z siarczkiem sodu oraz roztwory zawierające siarczki muszą być użytkowane w dygestorium i obsługiwane zgodnie z wytycznymi karty charakterystyki materiałów; zarówno zużyte, jak i niezużyte roztwory należy utylizować jako odpady niebezpieczne. Kominy hydrotermalne, których wzrost widzieliśmy przed chwilą w laboratorium, składają się z minerałów porowatych, głównie siarczków żelaza i wodorotlenków żelaza. Uważamy, że pełniły one rolę katalizatorów dla wczesnych form życia i pod względem struktury są bardzo podobne do katalizatorów i enzymów, które do dziś występują nawet w naszej skórze.Niniejszego eksperymentu można użyć do symulacji różnych środowisk geologicznych, ale znajduje on również zastosowanie w inżynierii materiałowej, ponieważ istnieje duże zainteresowanie nauką kontrolowania wzrostu tych struktur samoporządkujących się poprzez manipulowanie parametrami doświadczenia, a także potencjalnie w celu tworzenia struktur i materiałów, które mogłyby pełnić rolę katalizatorów dla różnych reakcji.

chemical-gardens-as-flow-through-reactors-simulating-natural

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.

Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Nowatorski projekt reaktora, nazwany bioreaktorem o wysokiej gęstości (HDBR), jest prezentowany do hodowli i badania społeczności drobnoustrojów o dużej gęstości. W tym przypadku HDBR jest z powodzeniem stosowany w konfiguracji fotobioreaktora (PBR) do badania metabolizmu azotu przez mieszaną społeczność glonów o dużej gęstości.

Nowatorski bioreaktor do hodowli o dużej gęstości różnych zbiorowisk mikroorganizmów

Flow chemistry niesie ze sobą korzyści środowiskowe i ekonomiczne, wykorzystując doskonałe korzyści w zakresie mieszania, wymiany ciepła i kosztów. W tym miejscu przedstawiamy plan przeniesienia procesów chemicznych z trybu wsadowego do przepływowego. Do weryfikacji koncepcji wybrano reakcję difenylodiazometanu (DDM) z kwasem p-nitrobenzoesowym, prowadzoną partiami i przepływem.

Chemia przepływu ciągłego: reakcja difenylodiazometanu z kwasem p-nitrobenzoesowym

Przedstawiono protokół badania przesiewowego reakcji organicznych przy użyciu reaktorów SFMT (stop-flow micro-tubing) wykorzystujących reagenty gazowe i/lub reakcje za pośrednictwem światła widzialnego.

Wykorzystanie mikrorurowych reaktorów z przepływem zatrzymanym do rozwoju przemian organicznych

Ten protokół opisuje eksperymenty mikrobiologiczne pod podwyższonym ciśnieniem w celu zbadania procesów biogórniczych in situ. W podejściu eksperymentalnym wykorzystuje się kołyszący się reaktor wysokociśnieniowy wyposażony w komórkę reakcyjną złoto-tytanową zawierającą kulturę mikrobiologiczną w kwaśnym, bogatym w żelazo środowisku.

Wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego

Uprawa akseniczna na skalę laboratoryjną ułatwia charakterystykę mikroglonów i optymalizację produktywności przed kolejnym zwiększeniem skali procesu. Fotobioreaktory zapewniają niezbędną kontrolę dla wiarygodnych i powtarzalnych eksperymentów z mikroalgami i mogą być przystosowane do bezpiecznej hodowli mikroalg z gazami korozyjnymi (CO2, SO2, NO2) z emisji ze spalania komunalnego lub przemysłowego.

Uprawa mikroalg i kwantyfikacja biomasy w fotobioreaktorze laboratoryjnym z korozyjnymi gazami spalinowymi

Opisano protokół wykorzystania dwutlenku węgla z gazów spalinowych elektrowni na gaz ziemny do hodowli mikroalg w otwartych stawach torowych. Wtryskiwanie spalin jest kontrolowane za pomocą czujnika pH, a wzrost mikroalg jest monitorowany za pomocą pomiarów gęstości optycznej w czasie rzeczywistym.

Sprzężenie wychwytywania dwutlenku węgla z elektrowni z półautomatycznymi otwartymi stawami torowymi do uprawy mikroalg

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.

Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego

Przedstawiono szczegółowy, skalowalny protokół ciągłego przepływu do syntezy fluorku arylu z aminy arylowej w reakcji Balza-Schiemanna.

Skalowalny protokół reakcji Balza-Schiemanna w reaktorze o przepływie ciągłym

Ten protokół szczegółowo opisuje montaż układów mini-bioreaktorów, które mają być wykorzystane do hodowli złożonego przepływu złożonych zbiorowisk kałowych w warunkach beztlenowych. Omówiono również metody montażu, inokulacji i pobierania próbek z reaktorów do dalszej analizy.

Montaż bioreaktora do ciągłej hodowli złożonych zbiorowisk kałowych

Zbudowane systemy oczyszczania mokradeł są używane od dziesięcioleci do oczyszczania ścieków, ale ich zastosowanie do oczyszczania wód dotkniętych procesami produkcji piasków roponośnych jest stosunkowo nowe. Aby zbadać ten potencjał, przedstawiono projekt mezokosmosu przepływu powierzchniowego i metody eksperymentalne. Podejście to ma na celu lepsze zrozumienie kluczowych parametrów projektowych i poprawę skuteczności leczenia.

Projekt terenów podmokłych w skali mezokosmosu do oczyszczania ścieków

Odkryj metodę symulacji naturalnych kominów hydrotermalnych z wczesnej Ziemi za pomocą ogrodów chemicznych jako reaktorów przepływowych. Technika ta pozwala badać procesy geochemiczne i warunki sprzyjające powstaniu życia.

Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Przeglądaj więcej filmów