Химические сады в Проточный Реакторы, имитирующее естественное гидротермальных систем

Общая цель следующего эксперимента состоит в том, чтобы смоделировать естественные дымоходы, выпавшие в осадок подводных гидротермальных источников ранней Земли, с использованием экспериментов в химическом саду для создания самособирающихся структур в небольших масштабах. Это достигается путем предварительного приготовления двух растворов. Одно решение имитирует состав ранней земной морской воды, а другое решение имитирует щелочную гидротермальную жидкость, образующуюся в результате реакций водной породы.

Затем устанавливается аппарат таким образом, чтобы гидротермальная жидкость могла быть закачана в резервуар моделируемого океана в бескислородной атмосфере. В качестве третьего шага электроды настраиваются для измерения напряжения между гидротермальными и океаническими растворами во время впрыска. Наконец, гидротермальный раствор медленно вводится в основание флакона, содержащего смоделированный океанический раствор, имитируя естественное просачивание жидкости из океанской коры в окружающую морскую воду.

Результаты показывают, что минеральный осадок образуется на границе раздела океана и гидротермальных растворов, и это превращается в самоорганизующуюся химическую садовую структуру, напоминающую естественную гидротермальную дымовую трубу подводной лодки. Гидротермальные дымоходы похожи на природные химические сады. Они образовались, как мы думаем, на Земле около 4,4 миллиарда лет назад, и состоят из сульфидов железа и гидроксидов железа, по большей части с небольшим количеством кремнезема.

И они ведут себя как кожа, они образуются там, где щелочные растворы попадают в океан, который несколько кислый. И на границе между ними они осаждают эти минералы, как я уже сказал, выглядя скорее как кожа. На самом деле, их можно сравнить с жизнью, какой мы ее знаем сегодня.

И то есть жизнь имеет тенденцию иметь щелочную внутреннюю часть, как и мы, например. И он, как правило, любит кислые экстерьеры. Я имею в виду, я могу сказать легкомысленно, что нам нравится шампунь с pH 5,5.

Например, мы любим кислую газировку. Но также мы любим пить щелочные напитки, чтобы поддерживать здоровье, потому что, в конце концов, наши интерьеры здоровы, как природные химические сады. И то, что мы увидели сегодня в лаборатории, это тот факт, что внутренняя часть этих химических садов щелочная.

Снаружи кислота. Он в некоторой степени окисляется, и вот что происходит, эти химические сады накладывают химический градиент между ними, эти химические градиенты pH и окислительно-восстановительного потенциала, и они суммируются примерно в полвольта, что примерно равно количеству электрохимической энергии, необходимой для поддержания жизни. И мы считаем, что это было как раз то, что привело к появлению жизни в одном из этих химических садов на дне океана 4 миллиарда лет назад.

Этот эксперимент позволяет нам моделировать различные планетарные условия, такие как океаны, гидротермальные флюиды, атмосферы, а также позволяет нам моделировать последствия изменения конкретных экспериментальных параметров и то, какое влияние это окажет на систему. Первоначально мы изучали химические сады, которые росли непосредственно из кристаллов внутри пробирок, но мы не могли измерить потенциал мембраны, потому что не могли протянуть провод непосредственно внутрь самой мембраны. Поэтому для этого мы разработали новый метод.

Это метод закачки, при котором мы вводим гидротермальный имитатор в океаническую жидкость в резервуаре. Это позволило нам использовать автоматизированный регистратор данных для измерения потенциала мембраны по мере роста мембраны. Те, кто плохо знаком с этим методом, могут испытывать трудности с выращиванием хорошо структурированных химических садов и позиционированием вируса в потребностях ци для измерения напряжения.

Однако, устраняя неполадки, они могут решить все эти проблемы. Начните с использования стеклорезовки, чтобы отрезать дно 100-миллилитрового флакона с сывороткой из прозрачного стекла для использования флакона для инъекций. Также соберите 20-миллиметровую перегородку, 20-миллиметровый алюминиевый обжимной уплотнитель и пластиковый наконечник для пипетки объемом от 0,5 до 10 микролитров.

С помощью иглы шприца 16 калибра осторожно проколите отверстие в центре перегородки, затем извлеките и выбросьте иглу в соответствующий контейнер для отходов острых предметов. Затем вставьте наконечник пипетки в отверстие для иглы и протолкните кончик пипетки через перегородку так, чтобы он торчал с другой стороны. Зажмите перегородку с помощью наконечника пипетки на сосуд для инъекций.

Чтобы сделать водонепроницаемое уплотнение ветрозащитным, протолкните наконечник пипетки дальше через перегородку так, чтобы он выступал наружу. Затем прикрепите к наконечнику пипетки прозрачную, гибкую и химически стойкую трубку с внутренним диаметром 16 дюймов. Наденьте трубку вверх на наконечник пипетки Чтобы обеспечить водонепроницаемое уплотнение, убедитесь, что длина трубки достаточна для того, чтобы она могла достаться от флакона для инъекций до шприцевого насоса.

Затем зажмите флаконы для инъекций на подставке внутри вытяжного шкафа так, чтобы инъекция поступала со дна флакона. Отрежьте два отрезка изолированных проводов так, чтобы они были достаточно длинными, чтобы они могли доставать доступ изнутри реакционных сосудов к регистратору данных. Оставьте небольшую слабину в проводах для позиционирования.

Далее снимите около трех миллиметров изоляции с конца каждого провода, который будет расположен внутри реакционного флакона на других концах. Который будет подключен к проводам мультиметра. Зачистите около одного сантиметра проволоки, вставьте одну проволоку в проволоку, которая будет находиться внутри химического сада вплотную к отверстию наконечника пипетки, чтобы обеспечить контакт с инъекционным раствором, но не настолько, чтобы он закупорил поток впрыска

А затем закрепите оба конца проводов на месте с помощью скотча. Затем поместите наружный провод так, чтобы он контактировал с резервуаром с раствором, а не с химическим огородным осадком. Затем прикрепите свободные концы проводов к регистратору данных, чтобы сохранить свободное пространство над резервуаром для раствора.

И IC наладила линии газообразного азота. Разделите подачу газа из резервуара с источником азота на несколько трубок так, чтобы на каждый флакон для впрыска приходилось по одной подаче. Приготовьте 200 миллилитров раствора резервуара, также известного как имитатор океана, для каждой реакционной пробирки, сначала барботируя деионизированную воду газообразным азотом в течение примерно 15 минут на 100 миллилитров.

Это гарантирует, что эксперимент будет оставаться бескислородным на протяжении всей инъекции. Затем взвесьте и добавьте 25 миллимоляров железа, два хлорида тетра и 75 миллимоляров железа. Три хлорида гексагидрата в воду.

Осторожно перемешайте смесь, чтобы растворить ионы, не вводя в смесь кислород. После того как ионы растворятся, немедленно возобновляют легкое барботирование раствора газообразным азотом. Пока приготовлены инъекции, выберите любые два из первичных растворов для инъекций из приведенной здесь таблицы и приготовьте по 10 миллилитров каждого раствора.

Затем наполните шприц объемом 10 миллилитров до отметки в семь миллилитров каждым из растворов, закройте их крышками и отложите в сторону. Далее приготовьте 20 миллилитров 50 миллимолярного сульфида натрия в вытяжном шкафу в качестве вторичного впрыска. Наполните два шприца по 10 миллилитров до отметки в семь миллилитров Раствором замените колпачки игл и отложите их в сторону.

Закрепите первичные инъекционные шприцы на программируемом шприцевом насосе, расположенном внутри вытяжного шкафа. Установите скорость впрыска на один миллилитр в минуту и включайте насос до тех пор, пока оба шприца не начнут капать в стакан для отходов. Затем прекратите инъекцию.

Затем вставьте шприцы с деионизированной водой в две пластиковые инъекционные трубки и впрыскивайте так, чтобы вода заполнила прозрачную трубку до отверстия, где она попадает в основной резервуар. Затем поместите шприцы на подставку над флаконами для инъекций. Затем осторожно налейте в каждый флакон по 100 миллилитров железосодержащего резервуарного раствора.

Осторожно создайте герметичное уплотнение над флаконами с помощью перфила и вставьте азотную подачу в каждый флакон. Отрегулируйте расход азотных газообразных линий по мере необходимости, чтобы эксперимент оставался бескислородным в течение всего времени инъекций. Затем опустите наполненные водой шприцы по одному рядом со шприцами для первичной инъекции.

Осторожно сдвиньте пластиковую трубку для инъекций и сразу же наденьте ее непосредственно на одну из игл первичного инъекционного шприца. Соблюдайте осторожность, чтобы не проколоть стенку трубки. Затем установите шприцевую помпу на работу со скоростью два миллилитра в час в течение трех часов и начните инъекцию в то же время.

Начните запись мембранного потенциала. Нажмите кнопку «стоп» на шприцевой помпе через три часа. После того, как структуры химического сада сформируются, осторожно извлеките первичные инъекционные шприцы из шприцевого насоса, но оставьте их подключенными к трубке, чтобы структуры не были нарушены.

Установите их на подставку выше уровня жидкости во флаконах, чтобы жидкость не стекала обратно в шприц. Затем закрепите вторичные инъекционные шприцы, которые в данном случае состоят из сульфида натрия, к шприцевому насосу и загрунтуйте иглу до тех пор, пока оба не начнут капать, утилизируйте раствор сульфида в специальный контейнер для опасных отходов. Затем извлеките шприцы по одному из шприцевого насоса и перенесите трубку из первичного инъекционного шприца в шприц, содержащий сульфид натрия.

Перепрограммируйте шприцевой насос на впрыскивание раствора со скоростью два миллилитра в час и нажмите кнопку «Старт», чтобы ввести раствор сульфида натрия с этой скоростью в течение трех часов. После того, как первичный раствор для впрыска подается в пластовый раствор, на границе раздела жидкости начинает образовываться осадок химического сада, и эта структура продолжает расти в ходе впрыска под действием сканирующей электронной микроскопии окружающей среды, первичные осадки, образовавшиеся в присутствии аланина, оказались более округлыми в аморфном состоянии, в то время как чистые осадки оксигидроксида железа, а также те, которые содержат пирофосфат, оказались более кристаллическими после первичного инъекция. Потенциал имел тенденцию достигать пика в районе от 0,45 до 0,55 вольт, а затем снижался в течение примерно часа, прежде чем стабилизироваться в районе 0,1-0,2 вольт в течение оставшейся части первичной инжекции.

Когда первичные шприцы были заменены на вторичные, содержащие сульфид натрия, химический сад продолжал расти, за исключением того, что видимые новые наросты теперь представляли собой черный сульфид железа. Вместо того, чтобы вносить свой вклад в существующие стены, черные сульфидные участки химического сада, казалось, разветвлялись и росли отдельно. Как только раствор для инъекции сульфида достиг химического сада, потенциал мембраны сразу же подскочил примерно до 0,9 вольта.

Существует множество возможных комбинаций решений, которые вы можете использовать для выращивания своих химических садов. Также можно изменить скорость инъекции с более высокой скорости на более медленную и изменить первичную инъекцию на вторичную в любое время во время эксперимента, при условии, что структура вашего химического сада полностью сформирована. Растворы сульфида натрия выделяют газ сероводород, который чрезвычайно опасен.

Открытые контейнеры с сульфидом натрия и растворы, содержащие сульфиды, должны использоваться внутри вытяжного шкафа и обрабатываться в соответствии с рекомендациями по паспорту безопасности материала; как использованные, так и неиспользованные растворы должны быть утилизированы как опасные отходы. Гидротермальные дымоходы, которые мы только что видели в лаборатории, сделаны из пористых минералов, в основном сульфидов железа и гидроксидов железа. И мы думаем, что они будут действовать как катализаторы в раннем возрасте, и они очень похожи по структуре на катализаторы и ферменты, которые есть даже в нашей собственной коже по сей день.

Этот эксперимент может быть использован для моделирования различных геологических условий, но также применим и с точки зрения материаловедения, потому что существует большой интерес к изучению того, как контролировать рост этих самоорганизующихся структур, манипулируя параметрами эксперимента, а также, возможно, для создания структур и материалов, которые могли бы выступать в качестве катализаторов для различных реакций.