Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

O objetivo geral do experimento a seguir é simular chaminés naturais precipitadas em fontes hidrotermais submarinas da Terra primitiva usando experimentos de jardim químico para gerar as estruturas de auto-montagem em pequena escala. Isso é conseguido preparando primeiro duas soluções. Uma solução simula a composição da água do mar da Terra primitiva e uma solução simula um fluido hidrotermal alcalino produzido por reações de rocha de água.

Em seguida, um aparelho é montado para que o fluido hidrotermal possa ser injetado em um reservatório do oceano simulado sob uma atmosfera anóxica. Como terceira etapa, os eletrodos são configurados para medir a tensão entre as soluções hidrotermais e oceânicas durante a injeção. Finalmente, a solução hidrotermal é lentamente injetada na base de um frasco contendo a solução oceânica simulada, imitando a infiltração natural do fluido de ventilação para fora da crosta oceânica e para a água do mar circundante.

Os resultados mostram que um precipitado mineral se forma na interface do oceano e das soluções hidrotermais, e isso se desenvolve em uma estrutura de jardim químico auto-montável semelhante a uma chaminé hidrotermal natural submarina. As chaminés hidrotermais são como jardins químicos naturais. Eles foram gerados, pensamos na Terra há cerca de 4,4 bilhões de anos, e são feitos de sulfetos de ferro e hidróxidos de ferro, em sua maior parte com um pouco de sílica.

E eles se comportam como uma pele, eles são gerados onde soluções alcalinas sobem para o oceano, o que é um pouco ácido. E na interface entre os dois, eles precipitam esses minerais, como eu disse, parecendo uma pele. Na verdade, pode-se compará-los à vida como a conhecemos hoje.

E ou seja, a vida tende a ter um interior alcalino como nós, por exemplo. E tende a gostar bastante de exteriores ácidos. Quero dizer, posso dizer levianamente, talvez, que gostamos de um shampoo de pH de pH 5,5.

Gostamos de refrigerantes ácidos, por exemplo. Mas também gostamos de tomar bebidas alcalinas para nos manter saudáveis porque, afinal, nossos interiores são saudáveis, assim como os jardins químicos naturais. E o que vimos no laboratório hoje é o fato de que o interior desses jardins químicos é alcalino.

O exterior é ácido. É um pouco oxidado, e temos, o que acontece é que esses jardins químicos impõem um gradiente químico entre os dois, esses gradientes químicos de pH e Redox, e eles somam cerca de meio volt, que é aproximadamente a quantidade de energia eletroquímica necessária para impulsionar a vida. E sentimos que isso foi certo para levar a vida a existir em primeiro lugar em um desses jardins químicos no fundo do oceano há 4 bilhões de anos.

Este experimento nos permite simular diferentes condições planetárias, como oceanos, fluidos hidrotermais, atmosferas, mas também nos permite simular os efeitos da mudança de parâmetros experimentais específicos e que efeito isso terá no sistema. Originalmente, estávamos estudando jardins químicos que cresciam diretamente de cristais dentro de tubos de ensaio, mas não fomos capazes de medir o potencial da membrana porque não conseguíamos colocar um fio diretamente dentro da própria membrana. Então, para fazer isso, desenvolvemos um novo método.

É um método de injeção em que injetamos um simulador hidrotérmico no fluido oceânico em um reservatório. Isso nos permitiu usar um registrador de dados automatizado para medir o potencial da membrana sobre o crescimento da membrana. Aqueles que são novos neste método podem ter dificuldade em cultivar jardins químicos bem estruturados e posicionar o vírus nas necessidades de chi para medição de tensão.

No entanto, ao solucionar problemas, eles podem resolver todos esses problemas. Comece usando um cortador de vidro para cortar o fundo de um frasco de soro de 100 mililitros de vidro transparente para uso no frasco de injeção. Colete também um septo de 20 milímetros, um selo de crimpagem de alumínio de 20 milímetros e uma ponta de pipeta de plástico de 0,5 a 10 microlitros.

Usando uma agulha de seringa de calibre 16, faça um furo cuidadosamente no centro do septo e, em seguida, remova e descarte a agulha no recipiente apropriado para objetos cortantes. Em seguida, insira a ponta da pipeta no orifício da agulha e empurre a ponta da pipeta através do septo para que ela saia do outro lado. Sele o septo com a ponta da pipeta no recipiente de injeção.

Para fazer uma vedação à prova d'água selada contra o vento, empurre a ponta da pipeta ainda mais através do septo para que ela se projete para fora. Em seguida, fixe um tubo de 16 polegadas de diâmetro interno, transparente, flexível e resistente a produtos químicos na ponta da pipeta. Deslize o tubo para cima na ponta da pipeta Para criar uma vedação estanque, certifique-se de que o tubo seja longo o suficiente para alcançar do frasco de injeção até a bomba da seringa.

Em seguida, prenda os frascos para injetáveis em um suporte dentro de uma capela de exaustão para que a injeção seja alimentada pelo fundo do frasco. Corte dois pedaços de fios isolados para que sejam longos o suficiente para alcançar de dentro dos vasos de reação até o registrador de dados. Deixe um pouco de folga nos fios para posicionamento.

Em seguida, retire cerca de três milímetros de isolamento da extremidade de cada fio que estará localizado dentro do frasco de reação nas outras extremidades. Isso será conectado aos cabos do multímetro. Descasque cerca de um centímetro do fio insira um fio no fio que ficará dentro do jardim químico próximo à abertura da ponta da pipeta para garantir o contato com a solução de injeção, mas não tanto que obstrua o fluxo de injeção.

Em seguida, prenda as duas extremidades dos fios no lugar usando fita adesiva. Em seguida, coloque o fio externo de forma que ele entre em contato com o reservatório da solução, mas não com o precipitado químico do jardim. Em seguida, conecte as extremidades livres dos fios ao registrador de dados para manter o headspace acima do reservatório da solução.

E a IC montou linhas de gás nitrogênio. Divida a alimentação de gás de um tanque de fonte de nitrogênio em vários tubos para que haja uma alimentação para cada frasco para injetáveis. Prepare 200 mililitros da solução do reservatório, também conhecida como simulador oceânico para cada frasco de reação, borbulhando primeiro água deionizada com gás nitrogênio por cerca de 15 minutos por 100 mililitros.

Isso garante que o experimento permaneça anóxico durante toda a injeção. Em seguida, pesar e adicionar 25 milimolares de ferro, dois tetra de cloreto e 75 milimolares de ferro. Três cloretos hexahidratados para a água.

Mexa a mistura delicadamente para dissolver os íons sem introduzir oxigênio na mistura. Depois que os íons forem dissolvidos, retome imediatamente o borbulhamento leve da solução com gás nitrogênio. Enquanto as injeções são preparadas, escolha quaisquer duas das soluções de injeção primária da tabela mostrada aqui e prepare 10 mililitros de cada solução.

Em seguida, encha uma seringa de 10 mililitros até a marca de sete mililitros com cada uma das soluções, tampe e reserve. Em seguida, prepare 20 mililitros de sulfeto de sódio 50 milimolares na capela como injeção secundária. Encha duas seringas de 10 ml até a marca de sete mililitros Com a solução, recoloque as tampas das agulhas e reserve.

Prenda as seringas de injeção primária em uma bomba de seringa programável localizada dentro da hotte. Defina a taxa de injeção para um mililitro por minuto e ligue a bomba até que ambas as seringas comecem a pingar no copo de resíduos. Em seguida, pare a injeção.

Em seguida, insira as seringas contendo água deionizada nos dois tubos de injeção de plástico e injete de forma que a água encha o tubo transparente até a abertura onde entra no reservatório principal. Em seguida, coloque as seringas no suporte acima dos frascos para injetáveis. Em seguida, despeje cuidadosamente 100 mililitros da solução do reservatório contendo ferro em cada frasco.

Crie cuidadosamente uma vedação hermética sobre os frascos usando perfil e insira uma alimentação de nitrogênio em cada frasco. Ajustar o fluxo das condutas de gás azoto conforme desejado para manter a experiência anóxica durante as injecções. Em seguida, traga as seringas cheias de água, uma de cada vez, ao lado das seringas de injeção primária.

Deslize cuidadosamente o tubo de injeção de plástico e transfira-o imediatamente diretamente para uma das agulhas da seringa de injeção primária. Tomando cuidado para não perfurar a parede do tubo. Em seguida, defina a bomba de seringa para funcionar a dois mililitros por hora durante três horas e inicie a injeção ao mesmo tempo.

Inicie o registro do potencial de membrana. Pressione parar na bomba da seringa após três horas. Uma vez formadas as estruturas químicas do jardim, remova cuidadosamente as seringas de injeção primária da bomba de seringa, mas deixe-as conectadas à tubulação para que as estruturas não sejam perturbadas.

Coloque-os no suporte acima do nível do fluido nos frascos para injetáveis para que o fluido não flua de volta para a seringa. Em seguida, prenda as seringas de injeção secundária, que neste caso consistem em sulfeto de sódio na bomba da seringa e prepare a agulha até que ambas comecem a pingar, descarte a solução de sulfeto em um recipiente especial de resíduos perigosos. Em seguida, retire as seringas, uma de cada vez, da bomba de seringas e transfira o tubo da seringa de injeção primária para a seringa contendo sulfeto de sódio.

Reprograme a bomba de seringa para injetar a solução a dois mililitros por hora e aperte o início para injetar a solução de sulfeto de sódio nessa taxa por três horas. Uma vez que a solução de injeção primária é alimentada na solução do reservatório, um precipitado de jardim químico começa a se formar na interface do fluido, e essa estrutura continua a crescer ao longo da injeção sob microscopia eletrônica de varredura ambiental, os precipitados primários formados na presença de alanina pareciam mais arredondados em amorfos, enquanto os precipitados de oxihidróxido de ferro puro, bem como aqueles contendo pirofosfato, pareciam mais cristalinos após o primário injecção. O potencial tendia a atingir o pico imediatamente em torno de 0,45 a 0,55 volts e depois diminuía por cerca de uma hora antes de se estabilizar em torno de 0,1 a 0,2 volts para o resto da injeção primária.

Quando as seringas primárias foram trocadas pelas seringas secundárias contendo sulfeto de sódio, o jardim químico continuou a crescer, exceto que os novos crescimentos visíveis agora eram sulfeto de ferro preto. Em vez de contribuir para as paredes existentes, as porções de sulfeto preto do jardim químico pareciam se ramificar e crescer separadamente. Assim que a solução de injeção de sulfeto atingiu o jardim químico, o potencial de membrana saltou imediatamente para cerca de 0,9 volts.

Existem muitas combinações possíveis de soluções que você pode usar para cultivar seus jardins químicos. Também é possível alterar a taxa de injeção de uma taxa mais rápida para uma taxa mais lenta e alterar a injeção primária para uma secundária a qualquer momento durante o experimento, desde que a estrutura do seu jardim químico esteja completamente formada. As soluções de sulfeto de sódio liberam gás sulfeto de hidrogênio, que é extremamente perigoso.

Recipientes abertos de sulfeto de sódio e soluções contendo sulfeto devem ser usados dentro da capela e manuseados de acordo com as diretrizes da folha de dados de segurança do material, tanto as soluções usadas quanto as não utilizadas devem ser descartadas como resíduos perigosos. As chaminés hidrotermais que acabamos de ver sendo cultivadas em laboratório são feitas de minerais porosos, basicamente sulfetos de ferro e hidróxidos de ferro. E eles acham que eles agirão como catalisadores no início da vida, e eles são muito semelhantes em estrutura aos catalisadores e enzimas que temos até mesmo em nossa própria pele até hoje.

Este experimento pode ser usado para simular diferentes ambientes geológicos, mas também é aplicável a partir da ciência dos materiais, porque há muito interesse em aprender como controlar o crescimento dessas estruturas de auto-montagem, manipulando os parâmetros do experimento, e também talvez para criar estruturas e materiais que possam atuar como catalisadores para diferentes reações.