Name: Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 29 s
Description: Poznaj metodę symulacji kominów hydrotermalnych we wczesnej Ziemi z wykorzystaniem gradientu termicznego i drukarki 3D. Technika ta pozwala badać wpływ temperatury na formowanie się osadów mineralnych.

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

playerTrialDesktop

Badania te zostały przeprowadzone w Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, na podstawie umowy z NASA, wspieranej przez Instytut Astrobiologii NASA Icy Worlds. Dr Gabriel LeBlanc był częściowo wspierany przez Research Initiation Grant (2017-34) za pośrednictwem Oklahoma NASA EPSCoR Cooperative Agreement (NNX15AK42A). Chcielibyśmy podziękować Heather Whitehead za pomoc we wstępnym projekcie skraplacza drukowanego w 3D, Kalind Carpenter za pomoc w drukowaniu 3D, Johnowi-Paulowi Jonesowi za pomocną dyskusję na temat zbiorników skraplacza, Laurze Rodriguez za pomoc w analizie danych dotyczących temperatury oraz Eriki Flores za pomoc laboratoryjną. Prawa autorskie 2020 Kalifornijski Instytut Technologiczny.

1. Względy bezpieczeństwa
<ol>
	<li>Używaj laboratoryjnego sprzętu ochronnego do ochrony osobistej, w tym rękawic nitrylowych, gogli do twarzy, fartucha laboratoryjnego i odpowiedniego obuwia (bez odsłoniętej skóry).
	<ol>
		<li>Podczas używania strzykawek i igieł należy uważać, aby nie przebić rękawic ani skóry.</li>
		<li>Sprawdź całe urządzenie w dygestoriach pod kątem wycieków.</li>
		<li>Sprawdź stabilność szklanych fiolek i skraplacza na stojaku przed dodaniem jakiejkolwiek substancji chemicznej do mieszaniny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wykonuj wszystkie eksperymenty z gradientem termicznym w oparach, aby powstrzymać wycieki wody.</li>
	<li>Używaj całego siarczku sodu (Na2S•9H2O) w oparach, ponieważ jest to niebezpieczne dla zdrowia.
	<ol>
		<li>Trzymaj siarczek sodu w dygestoriach i umieść wagę wewnątrz dygestoria w celu zważenia ilości siarczku.</li>
		<li>Roztwory zawierające siarczki należy zawsze przechowywać wewnątrz dygestorium, ponieważ uwalniają one toksyczny gazH2S, a w dygestoriach należy przechowywać płynne siarczki, ostre przedmioty i pojemniki na odpady stałe.</li>
		<li>Nie mieszaj żadnych odpadów z roztworu siarczków z innymi znanymi chemikaliami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W przypadku stosowania reagenta Fe(II)Cl2•4H2O, konsekwentnie oczyszczajN2 / 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.</li>
</ol>
2. Konfiguracja do eksperymentów iniekcyjnych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Oczyścić fiolki w 1 M kąpieli kwasowej HCl przez noc, a następnie spłukać wodą podwójnie destylowaną (ddH2O) przed przeprowadzeniem nowego eksperymentu.</li>
		<li>Szkło należy ponownie wykorzystać, chyba że jest pęknięte lub stłuczone, a następnie wyrzucić.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotować fiolki do wstrzykiwań (<silna klasa="xfig">Rysunek 1).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Ostrożnie przebij otwór w środku gumowej przegrody, a następnie wyjmij i wyrzuć igłę do 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 lekko wystawała z drugiej strony. 
		UWAGA: Nie przepychaj się do końca, ponieważ nie zapewni to wystarczającego luzu, aby umieścić uszczelkę zaciskową za pomocą zaciskarki.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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</li>.
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Mocno przymocować parafilm do odciętej górnej części fiolki i umieścić mały kawałek taśmy na górnej części parafilmu. Przebij mały otwór w taśmie, abyO2 mógł wypłynąć z gazu, gdy N2 / Ar jest pompowany.</li>
		<li>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</li>.
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przygotowanie roztworów do chemicznego wzrostu ogrodu
<ol>
	<li>Przygotowanie płynu modelowego imitującego organizm oceaniczny
	<ol>
		<li>Przygotuj 100 ml roztworu do każdego eksperymentu. 
		UWAGA: W tym przykładzie należy użyć tabeli 1 dla określonych stężeń jako kationów wytrącających.</li>
		<li>Stwórz roztwory beztlenowe, najpierw bulgocząc 100 ml ddH2O z gazem N2 / Ar przez ~ 15 minut na 100 ml w kolbie Erlenmeyera.</li>
		<li>Odważyć i dodać dowolny ze składników chemii oceanicznej, delikatnie mieszając do rozpuszczenia (nie energicznie, aby nie wprowadzić tlenu).</li>
		<li>Po rozpuszczeniu odczynników należy natychmiast wznowić lekkie bulgotanie płynu modelowego imitującego ocean gazemN2/Ar, przygotowując jednocześnie zastrzyki hydrotermalne.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie płynu modelowego (preparat siarczku sodu)
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Zważyć wymaganą ilość siarczku sodu (Na2S•9H2O) tylko w dygestorii (50 ml roztworu zddH2O).
		<ol>
			<li>Napełnij probówkę wirówkową o pojemności 50 ml ddH2O.</li>
			<li>Umieścić Na2S•9H2O w probówce wirówkowej o pojemności 50 ml i szczelnie zamknąć w dygestorium.</li>
			<li>Dokładnie wstrząsnąć probówką w dygestorium, aż wszystkie cząsteczki siarczku całkowicie się rozpuszczą.</li>
			<li>Utrzymywać roztwór w stanie beztlenowym w dygestorii za pomocą parafilmu, do którego została wprowadzona igła 10 G do wstrzykiwaniaN2/Ar.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Konfiguracja termistora
<ol>
	<li>Umieść termistor w stabilnej pozycji na bocznej ławce, jak najbliżej dygestorium. Podłącz stronę USB adaptera RS232 do portu USB komputera.</li>
	<li>Włącz zasilanie termistora. Wskazówki dotyczące ustawiania rezystorów kablowych można znaleźć w procedurze termistora w dodatku uzupełniającym 2.</li>
	<li>Włącz oprogramowanie termistora w komputerze.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po połączeniu upewnij się, że wyjście wskazuje 100% w czerwonych paskach.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wewnątrz obszaru kreślenia kliknij prawym przyciskiem myszy, aby dostosować wykres do swoich upodobań, na przykład skalować osie x i y.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Ustawianie kąpieli lodowej
<ol>
	<li>Chwyć większą plastikową patelnię i średniej wielkości wiadro. Napełnij wiadro wodą do połowy.</li>
	<li>Umieść wiadro w patelni i umieść lód w wodzie, aż będzie prawie pełne.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Dodawaj więcej lodu, aby utrzymać wodę w niskiej temperaturze, jednocześnie usuwając część cieplejszej wody.</li>
</ol>
6. Przygotowanie do wstrzyknięcia
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Podłącz podkładkę grzewczą, aby podgrzać płyn hydrotermalny do 70-80 °C. (Ostrzeżenie: wyższe temperatury mogą wypaczyć lub uszkodzić plastikową strzykawkę.)</li>
	<li>Owiń podkładkę wokół strzykawki z siarczkiem i mocno przykręć dwa metalowe zaciski wokół podkładki (Dodatek uzupełniający 3, <silna klasa = "xfig">Rysunek 3).</li>
	<li>Gdy zaciski są zamocowane na miejscu, umieść je na pompie strzykawkowej i mocno zabezpiecz pompę (w zależności od wybranej pompy strzykawkowej).</li>
	<li>Ustaw temperaturę na skrzynce sterowniczej na ~70 °C, naciskając strzałki w górę (Dodatek uzupełniający 3, <silna klasa = "xfig" >Rysunek 5). Naciśnij przycisk set/start.</li>
	<li>Po zablokowaniu podgrzanej strzykawki (strzykawek) na pompie strzykawkowej, należy ustawić pompę strzykawkową na wstrzykiwanie z prędkością 1-2 ml/h.</li>
	<li>Sprawdź, czy roztwory oceaniczne są całkowicie rozpuszczone. W przypadku zmętnienia mieszaj, aż w większości się rozpuści.</li>
	<li>Miareczkować płyn modelowy do pH 5,5, aby zasymulować kwasowość oceanu Hadean30,31. 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.</li>
	<li>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) (<silna klasa="xfig">Rysunek 6). 
	UWAGA: Nie przesuwaj sondy temperatury.</li>
	<li>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</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Rozpocznij wstrzykiwanie i zacznij rejestrować temperaturę oceanu na termistorze.</li>
</ol>
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).
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Monitoruj również komin w temperaturze pokojowej. Rób częste zdjęcia podczas wzrostu komina dla obu kominów.</li>
	<li>Gdy komin jest gotowy, umieść małą linijkę obok obu kominów, a następnie zrób i zapisz obrazy. 
	UWAGA: Cały proces powinien trwać ~ 6 h.</li>
</ol>
8. Zakończenie eksperymentu
<ol>
	<li>Zatrzymaj pompę strzykawkową, a następnie przestań rejestrować temperaturę na termistorze i zapisz dane w arkuszu kalkulacyjnym.</li>
	<li>Wyłączyć przepływ N2/Ar i usunąć przewody i parafilm z naczyń iniekcyjnych.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyjąć naczynia, pojedynczo, z zacisku i użyć ddH2O, aby wypłukać kawałki osadu do zlewki na odpady.</li>
	<li>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.</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 przez noc w 1 M kąpieli kwasowej HCl. 
	UWAGA: Naczynia szklane, które miały kontakt z siarczkiem sodu, uwalniają toksyczny gazH2Spo umieszczeniu w kwasie. Dlatego wszystkie kąpiele kwasowe należy przechowywać w dygestorium.</li>
</ol>

<ol><li>Sojo, V., Herschy, B., Whicher, A., Camprubi, E., Lane, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+life+in+alkaline+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The origin of life in alkaline hydrothermal vents.</a> Astrobiology. 16 (2), 181-197 (2016).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+chemical+gardens+to+fuel+cells%3A+Generation+of+electrical+potential+and+current+across+self-assembling+iron+mineral+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">From chemical gardens to fuel cells: Generation of electrical potential and current across self-assembling iron mineral membranes.</a> Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8184-8187 (2015).</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%27s+emergence%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Iron-sulfide-bearing chimneys as potential catalytic energy traps at life's emergence.</a> Astrobiology. 11 (10), 933-950 (2011).</li>
<li>Russell, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+drive+to+life+on+wet+and+icy+worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The drive to life on wet and icy worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</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+%22Journal+of+the+Geological+Society%2C+London%22%5BJournal%5D)">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> Journal of the Geological Society, London. 154 (3), 377-402 (1997).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRussell%2C+MJ+%22Evolution+of+Early+Earth%27s+Atmosphere%2C+Hydrosphere%2C+and+Biosphere-Constraints+from+Ore+Deposits%2C+Geological+Society+of+America%22">Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere-Constraints from Ore Deposits, Geological Society of America</a>. Kesler, S. E., Ohmoto, H. 198, 1-32 (2006).</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>Vance, S., et al. <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 (6), 987-1005 (2007).</li>
<li>Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Sainz-Díaz, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbonate-hydroxide+chemical-garden+tubes+in+the+soda+ocean+of+Enceladus%3A+abiotic+membranes+and+microtubular+forms+of+calcium+carbonate%5BTitle%5D)+AND+%22Icarus%22%5BJournal%5D)">Carbonate-hydroxide chemical-garden tubes in the soda ocean of Enceladus: abiotic membranes and microtubular forms of calcium carbonate.</a> Icarus. 319, 337-348 (2019).</li>
<li>Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+possible+emergence+of+life+and+differentiation+of+a+shallow+on+irradiated+icy+worlds%3A+the+example+of+Europa%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa.</a> Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).</li>
<li>Yamaguchi, A., et al. <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%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+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> Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).</li>
<li>Roldan, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-inspired+CO2+conversion+by+iron+sulfide+catalysts+under+sustainable+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions.</a> Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).</li>
<li>White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mackinawite+and+greigite+in+ancient+alkaline+hydrothermal+chimneys%3A+identifying+potential+key+catalysts+for+emergent+life%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life.</a> Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).</li>
<li>Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redox+and+pH+gradients+drive+amino+acid+synthesis+in+iron+oxyhydroxide+mineral+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).</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+of+possible+relevance+to+the+origin+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+of+Life+and+Evolution+of+the+Biosphere%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life.</a> Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).</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%E2%80%93sulphur+chemical+gardens+as+life%27s+first+inorganic+compartments%2C+catalysts%2C+capacitors+and+condensers%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+A%3A+Mathematical%2C+Physical+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">Peptide and RNA contributions to iron–sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensers.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).</li>
<li>Cutler, K. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+sea-level+fall+and+deep-ocean+temperature+change+since+the+last+interglacial+period%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period.</a> Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).</li>
<li>Kelley, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+off-axis+hydrothermal+vent+field+near+the+Mid-Atlantic+Ridge+at+30+N%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30 N.</a> Nature. 412 (6843), 145-149 (2001).</li>
<li>Kelley, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+serpentinite-hosted+ecosystem%3A+the+Lost+City+hydrothermal+field%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field.</a> Science. 307 (5714), 1428-1434 (2005).</li>
<li>Price, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alkaline+vents+and+steep+Na%2B+gradients+from+ridge-flank+basalts-Implications+for+the+origin+and+evolution+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Alkaline vents and steep Na+ gradients from ridge-flank basalts-Implications for the origin and evolution of life.</a> Geology. 45 (12), 1135-1138 (2017).</li>
<li>Proskurowski, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Abiogenic+hydrocarbon+production+at+Lost+City+hydrothermal+field%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Abiogenic hydrocarbon production at Lost City hydrothermal field.</a> Science. 319 (5863), 604-607 (2008).</li>
<li>Francheteau, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massive+deep-sea+sulphide+ore+deposits+discovered+on+the+East+Pacific+Rise%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massive deep-sea sulphide ore deposits discovered on the East Pacific Rise.</a> Nature. 277 (5697), 523-528 (1979).</li>
<li>Spiess, F. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((East+Pacific+Rise%3A+hot+springs+and+geophysical+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">East Pacific Rise: hot springs and geophysical experiments.</a> Science. 207 (4438), 1421-1433 (1980).</li>
<li>Hekinian, R., Fevrier, M., Bischoff, J. L., Picot, P., Shanks, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfide+deposits+from+the+East+Pacific+Rise+near+21+N%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Sulfide deposits from the East Pacific Rise near 21 N.</a> Science. 207 (4438), 1433-1444 (1980).</li>
<li>Haymon, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+history+of+hydrothermal+black+smoker+chimneys%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Growth history of hydrothermal black smoker chimneys.</a> Nature. 301 (5902), 695-698 (1983).</li>
<li>Ishii, T., Kawaichi, S., Nakagawa, H., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+chemolithoautotrophs+to+electrolithoautotrophs%3A+CO2+fixation+by+Fe+%28II%29-oxidizing+bacteria+coupled+with+direct+uptake+of+electrons+from+solid+electron+sources%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Microbiology%22%5BJournal%5D)">From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe (II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources.</a> Frontiers in Microbiology. 6, 994(2015).</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+precipitates%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).</li>
<li>Barge, L. M., White, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimentally+testing+hydrothermal+vent+origin+of+life+on+Enceladus+and+other+icy%2Focean+worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Experimentally testing hydrothermal vent origin of life on Enceladus and other icy/ocean worlds.</a> Astrobiology. 17 (9), 820-833 (2017).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+gardens+as+flow-through+reactors+simulating+natural+hydrothermal+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems.</a> Journal of Visualized Experiments. 105, e53015(2015).</li>
<li>Morse, J. W., Mackenzie, F. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hadean+ocean+carbonate+geochemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Aquatic+Geochemistry%22%5BJournal%5D)">Hadean ocean carbonate geochemistry.</a> Aquatic Geochemistry. 4 (3-4), 301-319 (1998).</li>
<li>Russell, M. J., Arndt, N. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geodynamic+and+metabolic+cycles+in+the+Hadean%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeosciences%22%5BJournal%5D)">Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean.</a> Biogeosciences. 2 (1), 97-111 (2005).</li>
<li>Price, R. E., Giovannelli, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Review+of+the+geochemistry+and+microbiology+of+marine+shallow-water+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22Reference+Module+in+Earth+Systems+and+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">A Review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents.</a> Reference Module in Earth Systems and Environmental Science. , Elsevier. New York, USA. (2017).</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+%22Journal+of+Molecular+Evolution%22%5BJournal%5D)">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> Journal of Molecular Evolution. 79 (5-6), 213-227 (2014).</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 (8), 3714-3721 (2012).</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+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">From chemical gardens to chemobrionics.</a> Chemical Reviews. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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 chemobrioniki29,35.
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.

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 Enceladusie7,8,9,10. Przeprowadzono różne eksperymenty w celu symulacji aspektów proponowanej prebiotycznej chemii kominów hydrotermalnych, w tym wytrącania katalitycznych minerałów siarczku żelaza, które mogłyby zmniejszyć CO211,12, gradientowa synteza organiczna13,14,15, 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 City18,19 lub pola hydrotermalnego Strytan, gdzie płyn wentylacyjny ma temperaturę 40-90 °C20,21, do głębokich czarnych palaczy dna morskiego, gdzie płyn wentylacyjny może osiągnąć kilkaset stopni Celsjusza22, 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 kominowych3,13 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 kąpieli13,14. 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 pokojowej3,12; 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 (<silna klasa="xfig">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.

<table><tbody><tr><td>3/8-calowe przezroczyste rurki winylowe</td><td>Watts</td><td>SVIG10&nbsp;</td><td>Przytnij do żądanej długości do eksperymentu</td></tr><tr><td>40-pinowe zworki męsko-żeńskie wielokolorowe taśmowe</td><td>EDGELEC</td><td>ED-DP_L30_Mix_120pcs</td><td>Przewody te będą wymagały zdjęcia plastikowych końcówek i ostrożnego usunięcia jednej z 2 plastikowych obudów</td></tr><tr><td>Uszczelki aluminiowe</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific National Headspace 20 mm Uszczelki zaciskane</td></tr><tr><td>Sześciowodny chlorek żelaza</td><td>Fisher</td><td>I88-100&nbsp;</td><td>Żelazo&nbsp; Chlorki&nbsp; Sześciowodny&nbsp; (Grudki/Certyfikowany ACS)</td></tr><tr><td>Czterowodny chlorek żelaza</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Tetrahydrat chlorku żelaza (krystaliczny / certyfikowany)</td></tr> <tr><td>Opaski do węży zębatych</td><td>Glarks</td><td>40 sztuk</td><td></td></tr><tr><td>Szare korki butylowe</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific National 20 mm Przegroda do fiolek z przestrzenią nad głową</td></tr><tr><td>Końcówki do pipet</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>końcówki do pipet 0,5-10 mikrolitrów</td></tr><tr><td>Butelki na serum</td> Fiolki <td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>, 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.</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).&nbsp; 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.</td></tr><tr><td>grzałka strzykawkowa&nbsp;</td><td>Syringepump.com</td><td>ZESTAW GRZAŁEK-5SP&nbsp;</td><td>Zacisk węża przekładniowego zaciski wokół koca grzewczego</td></tr><tr><td>Igły strzykawkowe (rozmiar 16)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD Ogólnego zastosowania i igły podskórne PrecisionGlide, 16 G x 1.5 cala (38 mm)</td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td></td><td>Syringepump.com NE-4000</td><td>Dwu- lub wielokanałowa, w zależności od pożądanej liczby jednoczesnych eksperymentów</td></tr><tr><td>Strzykawki (10 ml)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD Strzykawka z końcówkami Luer-Lok (bez igły)</td></tr><tr><td>Rurka</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Rurka laboratoryjna Tygon, Non-DEHP, średnica wewnętrzna 1/16" x średnica zewnętrzna 1/8"</td></tr><tr><td>Pompa cyrkulacyjna wody&nbsp;</td><td>Bajitowy&nbsp;</td><td>BYT-7A015&nbsp;</td><td>Może potrzebować dwóch osób do pomocy w zalaniu pompy</td></tr></tbody></table>

symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej ziemi w środowisku gradientu termicznego

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

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.

Podobnie jak w poprzednich badaniach1,2,13,29; gdy symulowany płyn hydrotermalny dotarł do fiolki z wodą oceaniczną, zaczęła tworzyć się struktura osadu mineralnego, która stawała się grubsza i wyższa w miarę trwania wtryskiwania. Kominy z siarczku żelaza były delikatnymi strukturami, które nie były zbyt wytrzymałe i łatwo ulegały rozpadowi w przypadku fizycznego naruszenia fiolki z wodą oceaniczną lub procesu wtryskiwania. Jest to zgodne z wynikami poprzednich badań3. Stężenie chemiczne roztworu siarczku również odgrywało kluczową rolę w morfologii kominów siarczkowych. Bardziej skoncentrowane roztwory siarczku pozwalały na powstanie wyższych i stabilniejszych osadów mineralnych, co przedstawiono na Rysunku 5, podczas gdy roztwory o niższych stężeniach siarczku prowadziły do powstania słabych struktur kominowych. W niektórych przypadkach nie powstała żadna struktura, a jedynie ciekła „zupa” mineralno-siarczkowa, która z czasem opadła w postaci osadu (Rysunek 3D). Zjawisko to występowało zarówno w warunkach gradientu termicznego, jak i nietermicznego.
W eksperymentach z kominami w gradiencie termicznym z użyciem siarczku żelaza, stałe struktury kominów zazwyczaj nie łączyły się tak dobrze, jak w temperaturze pokojowej. Rysunek 3E-H przedstawia morfologię komina z siarczku żelaza wyhodowanego pomiędzy zimnym oceanem a hydrotermalnym płynem w temperaturze pokojowej. Kominy w gradiencie temperatury miały charakter nitkowaty i były wątłe, podczas gdy wyniki bez gradientu termicznego (Rysunek 3A-D) wykazują struktury bardziej półtrwałe. Podobnie było w przypadku podgrzania płynu hydrotermalnego (Rysunek 4). Wyjątek stanowiły wyższe stężenia siarczku i żelaza (Rysunek 5), gdzie pomiędzy roztworem hydrotermalnym w temperaturze pokojowej a symulantem zimnego oceanu utworzył się stały komin z siarczku żelaza.
Przebadano również wpływ gradientu termicznego na wzrost kominów wodorotlenku żelaza. Wyniki wykazały wzorce podobne do tych zaobserwowanych dla komina siarczku żelaza: podczas gdy eksperyment z wodorotlenkiem żelaza w temperaturze pokojowej doprowadził do powstania bardziej wytrzymałego osadu kominowego, eksperyment z gradientem termicznym między ciepłym płynem hydrotermalnym a zimnym oceanem zaowocował powstaniem mniejszego kopca materiału kominowego, który nie zlał się w pionie (Ryc. 6). W przeciwieństwie do wysokich, pionowych struktur kominów wodorotlenku żelaza zaobserwowanych w poprzednich pracach (w eksperymentach w temperaturze pokojowej)29, nasz eksperyment z gradientem termicznym wykazał inną morfologię.
<img alt="Schemat eksperymentu termoelektrycznej kontroli temperatury z wtryskami Ar(g) i Na2S, wytrącanie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Aparatura komina z gradientem termicznym. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat komory próżniowej pokazujący pomiary wysokości cieczy na poziomie 9,652 cm i 5,715 cm." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Kondensator wydrukowany w technologii 3D. (A) Schemat kondensatora wydrukowanego w 3D, przedstawiający wymiary kondensatora. (B) Umieszczenie szklanego naczynia z wodą oceaniczną wewnątrz kondensatora w celu schłodzenia symulantu wody oceanicznej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ eksperymentalny równowagi statycznej z systemem chromatograficznym do procesu oczyszczania białek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Różnorodne kominy o gradiencie termicznym i nietermicznym. (A-D) Eksperyment kontrolny z gradientem nietermicznym od hydrotermalnego płynu (HTF) w temperaturze pokojowej do symulatora oceanu w temperaturze pokojowej. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF i 20mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF i 10 mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF i 20mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF i 20mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (E-H) Eksperyment z kominem o gradiencie termicznym od symulatora HTF w temperaturze pokojowej do zimnego zbiornika oceanicznego (~5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF i 10 mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF i 20 mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF i 10 mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF i 20 mM FeCl2·4H2O symulator oceanu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Tworzenie kropel w zamkniętej komorze w eksperymencie kontroli wilgotności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Eksperyment z gradientem termicznym. Eksperyment przeprowadzony poprzez wstrzyknięcie ciepłego (~35-40 °C) roztworu 20 mM Na2S•9H2O do zimnego (~5-10 °C) symulatora oceanu zawierającego 20 mM FeCl2·4H2O, co doprowadziło do powstania małych struktur kominowych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Eksperyment z fluidem hydrotermalnym; układ oceanu i kondensatora z wtryskiem argonu i przepływem temperatury." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Wpływ stężenia symulanta wody oceanicznej na kominy. Wyższe stężenia (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O i 200 mM NaCl) anoksycznych symulantów wody oceanicznej doprowadziły do powstania bardziej wytrzymałych strukturalnie i wyższych kominów. Roztwór siarczków o temperaturze pokojowej wstrzyknięto do symulanta wody oceanicznej o temperaturze 2-10 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Proces fermentacji, układ A nieosłonięty, układ B izolowany; eksperyment porównawczy wzrostu drobnoustrojów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Symultaniczny wzrost kominów z gradientem termicznym i bez gradientu termicznego. (A) Roztwór symulujący ocean zawierający 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O z symulantem płynu hydrotermalnego (HTF) 200 mM NaOH w temperaturze pokojowej. (B) Eksperyment z gradientem termicznym przy tych samych stężeniach, z ciepłym HTF o temperaturze ~35-50 °C wprowadzonym do zimnego symulantu oceanu o temperaturze ~5-10 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemia płynów hydrotermalnych (wtrysk)</td>
			<td>Chemia oceanu (rezervoar)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl32·4H2O + 200 mM NaCl lub NaHCO₃3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl32·4 h2O + 200 mM NaCl lub NaHCO33</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mM Na2S</td>
			<td>20 mM FeCl324h2O + 200 mM NaCl lub NaHCO₃3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>200 mM NaOH</td>
			<td>100 mM FeCl32·4h2O + 100 mM FeCl336h2O</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Macierz stężeń dla roztworów symulowanej wody oceanicznej oraz wstrzykiwanego płynu hydrotermalnego.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>HTF °C</td>
			<td colspan="2" style="text-align:center">Temperatury symulatora oceanu °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>~23</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>~35-50 </td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Macierz eksperymentalna gradientu termicznego. Temperatura hydrotermalnego płynu (HTF) odnosi się do temperatury płynu w strzykawce; rzeczywista temperatura na wlocie do fiolki oceanicznej była o 20 do 35 stopni niższa niż temperatura wewnątrz strzykawki (~70 °C) (patrz Dodatek uzupełniający 1, Rysunek 3 oraz Rysunek 4).
Uzupełniający plik do wydruku. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Załącznik uzupełniający 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Dodatek uzupełniający 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Dodatek uzupełniający 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App3%20Other%20supplies.docx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

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

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Druk 3D skraplacza chłodzącego pozwala na łatwą modyfikację wcześniej opracowanych metod eksperymentalnych w celu kontroli temperatury. Cyfrowe projekty mogą być następnie łatwo udostępniane, modyfikowane i drukowane przez dowolnego badacza z dostępem do drukarki 3D. Metoda ta może być wykorzystana do symulacji procesów hydrotermalnych na Ziemi, ale może być również wykorzystana do symulacji zdarzeń hydrotermalnych na księżycu Jowisza Europie lub księżycu Saturna, Enceladusie.Opracowana przez nas metoda łączy w unikalny sposób różnorodne komponenty. Demonstracja wizualna pozwoli studentom i badaczom zainteresowanym odtworzeniem lub adaptacją tych metod zobaczyć, jak składać i obsługiwać aparaturę eksperymentalną. Zacznij od umieszczenia termistora w stabilnej pozycji na bocznej ławce, jak najbliżej dygestorium.Włóż stronę USB adaptera RS-232 do portu USB komputera i podłącz przewód do gniazdka elektrycznego. Włącz zasilanie termistora i oprogramowania termistora w komputerze. Sprawdź taśmowe i upewnij się, że są prawidłowo podłączone do styków na wyprowadzeniach RS-232.Po podłączeniu upewnij się, że dane wyjściowe wskazują 100% w czerwonych paskach. Gdy termistor, częste pomiary interwałowe zmieniają czas interwału na 60 sekund. W polu opcji kontrolera u dołu usuń jedną sekundę i zmień na 60 sekund.Następnie kliknij przycisk OK. Kliknij owalny przycisk obok logo firmy oznaczony jako auto-scale. Zwróć uwagę na żółtą linię, która pokazuje odczyt temperatury.Wewnątrz obszaru kreślenia kliknij prawym przyciskiem myszy, aby dostosować wykres do swoich upodobań, takich jak skalowanie oraz osie X i Y. Kliknij prawym przyciskiem myszy obszar kreślenia i kliknij eksport do Excela przed rozpoczęciem nowego odczytu. Zapisz dane dotyczące temperatury i czasu w arkuszu kalkulacyjnym, który został automatycznie utworzony przez program.Umieść metalową sondę termistora w szklanym naczyniu oceanicznym w skraplaczu. Upewnij się, że sonda jest ustawiona z boku szkła, a następnie przykryj szybę parafilmem. Napełnij średniej wielkości wiadro wodą do połowy, umieść wiadro w plastikowej patelni i dodaj lód do wody, aż będzie prawie pełne.Umieść dwa plastikowe węże odcinające na obu końcach pompy wodnej. Należy pamiętać, że pionowy otwór pompy to miejsce, w którym zostanie wlana woda, aby rozpocząć zalewanie, a poziomy otwór to miejsce, w którym wyrzucana jest woda. Podłącz pompę do gniazdka elektrycznego, ale pozostaw otwarte złącza elektryczne.Podłącz poziomy plastikowy wąż do wyższego portu skraplacza skierowanego w prawo i upewnij się, że wąż jest wystarczająco długi, aby dosięgnąć pojemnika na lód. Podłącz kolejny odcięty plastikowy wąż do lewego portu skraplacza. Umieść ten wąż nad wiadrem z lodowatą wodą, do którego woda będzie wyrzucana ze skraplacza.Wlej zimną wodę przez wąż podłączony do pionowego otworu pompy. Gdy pompa jest napełniona wodą, sięgając aż do portu skraplacza, zanurz wąż w łaźni lodowatej i natychmiast podłącz złącza elektryczne. Zalać pompę, aby zaczęła przepływać wodę przez skraplacz, napełnij wiadro lodem i umieść termometr w wiadrze, aby sprawdzić temperaturę.Kontynuuj dodawanie większej ilości lodu, aby utrzymać wodę w niskiej temperaturze i nabieraj trochę cieplejszej wody. Owinąć podkładkę wokół strzykawki z siarczkiem i mocno przykręcić dwa metalowe zaciski wokół podkładki. Wlej jeden lub dwa roztwory oceaniczne do prefabrykowanych zbiorników kominowych.Wlej jeden roztwór oceaniczny do szklanej fiolki ze skraplaczem, a drugi do naczynia o temperaturze pokojowej bez skraplacza, uważając, aby nie przesuwać sondy temperatury. Rozpocząć wstrzykiwanie i rozpocząć rejestrowanie temperatury oceanu na termistorze. Gdy woda zacznie krążyć w skraplaczu, sonda temperatury termistora zacznie wyświetlać spadek temperatury w oceanie.Gdy płyn hydrotermalny w postaci płynu płynnego dotarł do fiolki oceanicznej, zaczęła tworzyć się struktura osadu mineralnego, która stawała się gęstsza i wyższa przez cały czas wstrzykiwania. Bardziej skoncentrowane roztwory siarczków pozwoliły na uzyskanie wyższych i mocniejszych osadów mineralnych. W niektórych przypadkach nie powstała żadna struktura, a jedynie płynna zupa mineralna siarczkowa, która ostatecznie osiadła jako osad.W eksperymentach z kominem z gradientem termicznym z siarczkiem żelaza stałe struktury kominowe na ogół nie łączyły się tak dobrze, jak w temperaturze pokojowej. Kominy w gradiencie temperatur były sznurkowate i cienkie. Natomiast wyniki gradientu nietermicznego miały więcej struktur półtrwałych.To samo dotyczyło podgrzewania płynu hydrotermalnego. Stały komin siarczku żelaza był w stanie utworzyć się między roztworem hydrotermalnym o temperaturze pokojowej a zimnym symulantem oceanicznym przy wyższych stężeniach siarczków i żelaza. Zbadano również wpływ gradientu termicznego na wzrost kominów z wodorotlenku żelaza.Podczas gdy eksperyment z wodorotlenkiem żelaza w temperaturze pokojowej wytworzył solidny osad kominowy, eksperyment z gradientem termicznym spowodował mniejszą ilość materiału kominowego, który nie łączył się w pionie. Zgodnie z tą procedurą można zbadać szeroki zakres gradientów chemicznych i temperatury, aby lepiej zrozumieć rolę gradientów temperatury w tych dynamicznych układach chemicznych.

simulation-early-earth-hydrothermal-chimneys-thermal-gradient

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Opisane tutaj eksperymenty z wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą naśladują procesy różnicowania wnętrza planet. Procesy są wizualizowane i lepiej rozumiane dzięki obrazowaniu 3D o wysokiej rozdzielczości i ilościowej analizie chemicznej.

Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

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

Symulowaliśmy prekambryjski system upwellingu morskiego w pionowej kolumnie przepływowej na skalę laboratoryjną. Celem było zrozumienie, w jaki sposób profile geochemiczneO2 i Fe(II) ewoluują, gdy cyjanobakterie wytwarzająO2. Wyniki wskazują na powstanie chemokliny w wyniku utleniania Fe(II) przez fotosyntetycznie wytwarzanyO2.

Symulacja laboratoryjna bogatego w żelazo(II) prekambryjskiego systemu upwellingu morskiego w celu zbadania wzrostu bakterii fotosyntetycznych

Minerały występujące w dużych ilościach na ziemi odgrywają ważną rolę w naturalnych systemach hydrotermalnych. W tym miejscu opisujemy wiarygodną i opłacalną metodę eksperymentalnego badania oddziaływań organiczno-mineralnych w warunkach hydrotermalnych.

Eksperymentalny protokół badania wpływu minerałów na organiczne przemiany hydrotermalne

Laboratoryjne eksperymenty z ocieplaniem gleby zazwyczaj wykorzystują dwie lub więcej stałych temperatur w wielu komorach. Prezentując wyrafinowaną komorę środowiskową, zapewniamy dokładną metodę kontroli temperatury, aby naśladować wielkość i amplitudę temperatury gleby in situ oraz ulepszać eksperymentalny projekt badań inkubacji gleby.

Symulacja temperatury w eksperymencie inkubacji gleby

Spaliny z elektrowni są tanim źródłem CO2 dla wzrostu glonów. Zbudowaliśmy prototypowe systemy "od gazów spalinowych do hodowli glonów" i opisaliśmy, jak zwiększyć skalę procesu hodowli glonów. Wykazaliśmy zastosowanie modelu bioreakcji z przeniesieniem masy do symulacji i zaprojektowania optymalnej pracy gazów spalinowych do wzrostu Chlorella sp. w fotobioreaktorach glonów.

Optymalizacja ustawień spalin w celu promowania wzrostu mikroalg w fotobioreaktorach za pomocą symulacji komputerowych

Symulator opadów deszczu został użyty do zastosowania stałego wskaźnika równomiernych opadów do upakowanych skrzynek z ziemią w badaniu losu i transportu mocznika, niepunktowego źródła zanieczyszczenia środowiska. W jednolitych warunkach glebowych i opadowych poprzednia wilgotność gleby wywierała silną kontrolę nad utratą mocznika w spływie powierzchniowym.

Protokół przeprowadzania symulacji opadów deszczu w celu zbadania spływu gleby

Nowatorski reaktor beztlenowy z przepływem stałym (UASS) został wykorzystany do produkcji biogazu z włóknistego surowca. Poferment z reaktora UASS został hydrotermalnie zwęglony do biowęgla HTC w ciśnieniowym reaktorze wsadowym. W tym badaniu zastosowano integrację dwóch koncepcji bioenergii w celu zwiększenia ogólnej produkcji bioenergii.

Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Kinematyczne historie pasów fałdowo-naporowych są zazwyczaj oparte na dokładnych badaniach wysokiej jakości skał metamorficznych w obrębie jednego z nich. Zapewniamy nowatorską metodę zrozumienia pasów fałdowo-oporowych poprzez badanie połączeń między wgłębieniem wystającym. Analizujemy często ignorowane skały górnej skorupy ziemskiej, stosując połączone podejście do szczegółowej analizy uskoków z eksperymentalnym modelowaniem w piaskownicy.

Historia kinematyczna skrzyżowania z wgłębieniem wystającym zbadana za pomocą połączonego podejścia opartego na danych terenowych i modelowaniu w piaskownicy analogowej

Fosfolipidowe kwasy tłuszczowe dostarczają informacji o strukturze zbiorowisk mikroorganizmów glebowych. Przedstawiono metody ekstrakcji z próbek glebowych za pomocą jednofazowej mieszaniny chloroformu, frakcjonowania wyekstrahowanych lipidów za pomocą kolumn ekstrakcyjnych do fazy stałej oraz metalizy do produkcji estrów metylowych kwasów tłuszczowych, które są analizowane za pomocą kapilarnej chromatografii gazowej.

Ekstrakcja i analiza mikrobiologicznych fosfolipidowych kwasów tłuszczowych w glebie

Poznaj metodę symulacji kominów hydrotermalnych we wczesnej Ziemi z wykorzystaniem gradientu termicznego i drukarki 3D. Technika ta pozwala badać wpływ temperatury na formowanie się osadów mineralnych.

Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego

Przeglądaj więcej filmów