Introduction
"Kemiske gardens" er selvsamlende uorganiske bundfald udviklet, hvor to væsker med kontrasterende kemi interagerer 1,2. Disse selvsamlende uorganiske strukturer har været genstand for videnskabelig interesse i over et århundrede til dels på grund af deres biomimetisk udseende, og mange eksperimentelle og teoretiske undersøgelser er blevet forfulgt for at forstå de forskellige komplekse aspekter og mulige funktioner af kemiske haven systemer 3. Naturlige eksempler på kemiske haver omfatter mineral "skorsten" bundfald, der vokser omkring hydrotermiske kilder og siver, og det er blevet fremført, at disse kunne give plausible miljøer for liv at dukke 4. At dyrke en kemisk have simulerer en naturlig hydrotermisk aftræk skorsten, bør et reservoir løsning repræsenterer en simuleret ocean sammensætning og en injektionsopløsning skal repræsentere den hydrotermiske væske, der føres ind i havet. Alsidigheden af denne type of eksperiment til forskellige reaktionssystemer giver mulighed for simulering af næsten enhver foreslået hav / hydrotermiske væske kemi, herunder miljøer på den tidlige Jord eller på andre verdener. På den tidlige Jord, ville havene have været anoxisk, sure (pH 5-6), og ville have indeholdt opløst atmosfærisk CO 2 og Fe 2+, samt Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- , og NO 2-. Kemiske reaktioner mellem denne havvand og ultramafiske ocean skorpe ville have produceret en alkalisk hydrotermiske væske indeholdende hydrogen og metan, og i nogle tilfælde sulfid (HS -) 4-8. Skorstene dannet i begyndelsen af Jordens alkalisk udluftning miljøer kunne således have indeholdt ferro / ferri oxyhydroxider og jern / nikkel sulfider, og det er blevet foreslået, at disse mineraler kan have tjent bestemte katalytiske og proto-enzymatiske funktioner mod udnyttelse geokemiske redox / pH-gradienter til at køre fremkomsten af metabolism 5. Ligeledes på andre verdener såsom der kan være vært (eller kan have hostet) vand / rock-interfaces - såsom tidlig Mars, Jupiters måne Europa eller Saturns måne Enceladus - det er muligt, at vand / rock kemi kunne generere alkaliske udluftning miljøer i stand til kørsel prebiotisk kemi eller endda give beboelige nicher for bevarede livet 5,9-11.
Den klassiske kemiske haven eksperiment involverer en podekrystal af et metalsalt, f.eks ferrochloridtetrahydrat FeCl2 • 4H 2 O, nedsænkes i en opløsning indeholdende reaktive anioner, f.eks natriumsilicat eller "vandglas". Metalsaltet opløses, hvilket skaber en sur opløsning indeholdende Fe2 +, grænseflader med mere basisk opløsning (indeholdende silicatanioner og OH -) og en uorganisk membran dannes bundfald. Membranen svulmer under osmotisk tryk, brister, derefter igen udfældes ett det nye fluid interface. Denne proces gentages, indtil krystallerne opløses, hvilket resulterer i en lodret orienteret, selvorganiseret bundfald struktur med komplekse morfologi på både makro- og mikro skalaer. Denne udfældning proces resulterer i fortsat adskillelse af kemisk kontrast løsninger på tværs af uorganisk kemisk haven membran, og forskellen af ladede arter over membranen giver en membranpotentialet 12-14. Kemisk have strukturer er komplekse, udviser sammensætningen gradienter fra indre til ydre 13,15-19, og væggene af strukturen opretholde adskillelse mellem kontrasterende løsninger i lange perioder, mens de resterende noget gennemtrængelig for ioner. Ud over at være en ideel eksperiment til undervisningsformål (som de er enkle at gøre for klasseværelset demonstrationer, og kan uddanne studerende om kemiske reaktioner og selvorganisering), kemiske haver har videnskabelig betydning som repræsentationer af selv-assembly i dynamiske, langt-fra-ligevægt systemer, der involverer metoder, der kan føre til produktion af interessante og brugbare materialer 20,21.
Kemiske haver i laboratoriet kan også dyrkes via injektion metoder, hvor opløsningen indeholder et udfældende ion injiceres langsomt i den anden opløsning indeholdende co-udfældning ion (eller ioner). Dette resulterer i dannelsen af kemiske Havekonstruktioner svarende til krystalvækstinhibitorer eksperimenter, bortset fra, at systemets egenskaber og bundfaldet kan kontrolleres bedre. Injektionen metode har flere væsentlige fordele. Det tillader en at danne en kemisk have hjælp af en kombination af udfældes eller inkorporeret arter, dvs, kan flere fremskyndende ioner inkorporeres i en opløsning og / eller andre ikke-udfældning komponenter kan inkluderes i enten opløsning til at adsorbere / reagere med bundfaldet . Membranpotentialet genereret i en kemiskkan måles have systemet i en injektion eksperiment, hvis en elektrode er inkorporeret i det indre af strukturen, således at elektrokemisk undersøgelse af systemet. Injektion forsøg giver mulighed for at fodre injektionsopløsningen ind i det indre af kemikaliet have for kontrollerede tidsrammer ved at variere injektionshastigheden eller total injicerede volumen; Det er derfor muligt at slå igennem forskellige løsninger sekventielt og bruge det udfældede struktur som en fælde eller reaktor. Kombineret, disse teknikker giver mulighed for laboratorie simuleringer af de komplekse processer, der kunne have fundet sted i et naturligt kemisk haven system på en ubåd hydrotermiske aftræk, herunder en skorsten dannet af mange samtidige nedbør reaktioner mellem havet og lufte væske (f.eks producerer metal sulfider, hydroxider og / eller carbonater og silikater) 5,22. Disse teknikker kan også anvendes for alle kemikalier have reaktionssystem for at muliggøre dannelse af nye typeraf materialer, f.eks, lagdelte eller rør med adsorberede reaktive arter 20,23.
Vi detaljer her et eksempel eksperiment, der omfatter den samtidige vækst af to kemiske haver, Fe 2+ holdige strukturer i et anoxisk miljø. I dette eksperiment indarbejdet vi spormængder af polyphosphater og / eller aminosyrer i den oprindelige injektionsopløsning at observere deres virkning på strukturen. Efter indledende dannelse af kemiske haven skiftede derefter vi injektionsopløsningen at indføre sulfid som en sekundær udfældende anion. Målinger af membranpotentialer blev foretaget automatisk under hele forsøget. Denne protokol beskriver, hvordan du kører to eksperimenter på én gang ved hjælp af en dobbelt sprøjte pumpe de viste data kræves flere kørsler af denne procedure. De relativt høje strømningshastigheder, lav pH af reservoiret og reaktantkoncentrationer anvendes i vore forsøg er udformet til at danne store skorsten udfældes på tid scales egnet til en-dags laboratorieforsøg. Fluidstrømningshastigheder ved naturlige hydrotermiske kilder, kan dog være meget mere diffust og koncentrationerne af fældning af reaktanter (fx Fe og S i en tidlig Jord-system) kunne være en størrelsesorden lavere 4; således, ville strukturerede bundfald dannes over længere tidshorisonter og udluftning kunne være aktiv i titusinder af år 24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sikkerhedsmæssige overvejelser
- Brug personlige værnemidler (kittel, beskyttelsesbriller, nitrilhandsker, ordentlige sko) for at forhindre mod kemiske udslip eller skade. Brug sprøjter og kanyler, og sørge for at ikke punktere handsker. Vær forsigtig under eksperimentet setup til at kontrollere apparatet for utætheder ved at udføre injektion først med dobbelt destilleret H2O (Hedeselskabet 2 O), og for at kontrollere stabiliteten af prøveglas på standen, før du tilføjer kemikalier.
- Foretage dette eksperiment med en kemisk haven opskrift, men en af de reaktanter, vi bruger til at simulere oceangående udluftninger er et farligt kemikalie, Natriumsulfid; derfor gør hele forsøget inde i en emhætte for at undgå eksponering.
- Kun åbne flasken af natrium sulfid i stinkskab og placere en balance inde i stinkskabet til vejning sulfid. Hold altid sulfid-holdige løsninger inde i stinkskabet, da de frigiver giftige H2S gas, og også holde sulfide væske, skarpe genstande, og solide affaldsbeholdere i stinkskab. En anden reaktant af interesse er Fe (II) Cl2 • 4H 2 O, som oxiderer ved udsættelse for luft, så sørge for at holde løsninger anoxisk og vokse kemiske haver under en anoxisk headspace (f.eks N2 eller Ar), altid inden for et stinkskab eller handskerummet.
2. Opsætning til Injection Eksperimenter
- Opret glas "hætteglas" ved at afskære de nederste 1 cm i en 100 ml klart glas crimp top serum flaske (20 mm crimp forsegling lukning type) med et glas cutter, således at når inverteret, fartøjet er åben til luften. Da disse er genanvendelige, rengøre hætteglassene i en 1 M HCI syrebad O / N, og derefter skylles godt med Hedeselskabet 2 O, før et nyt eksperiment.
- Forbered hætteglas (Figur 1).
- Saml en 20 mm skillevæg, 20 mm aluminium krympe sæl og en 0,5-10 pi plast pipettespids. Ved hjælp af en 16 G sprøjte neEdle, forsigtigt punktere et hul gennem midten af septum, derefter fjerne og bortskaffelse af nålen i den rigtige skarpe genstande affaldsbeholder.
- Sæt pipettespidsen i nålen hul, ind i siden af gummiskillevæggen der vil stå inde i krympe toppen af hætteglasset. Skub pipettespidsen gennem skillevæggen, så den stikker ud på den anden side.
- Crimp-forsegle skillevæggen med pipettespidsen på injektionsstedet fartøjet til at foretage en vandtæt forsegling. Når forseglet, skubber pipettespidsen yderligere gennem skillevæggen, så det stikker udenfor.
- Anbringer 1/16 "indvendig diameter klar fleksibel kemikalie-resistent slange til pipettespidsen (slange længde bør nå fra hætteglas til sprøjten pumpe); skub det op for en vandtæt forsegling.
Bemærk: Dette vil være indblæsningsrøret, tilført fra den anden ende af en sprøjte med 16 G nål. - Check for utætheder: Sæt en 10 ml sprøjte fyldt med Hedeselskabet 2 O med en 16 G nål ind i den anden ende af slangen(gnidningsløst skub slangen direkte på nålen og være omhyggelig med ikke at punktere væggen af slangen). Injicer langsomt således at DDH 2 O bevæger sig op slangen og ind i bunden af reaktionsbeholderen. Sikrer, at sprøjten / rør, rør / spids, og crimp sæler er vandtætte.
- Klemme hætteglas på et stativ i et stinkskab, således at injektionen vil indgå i fra bunden af hætteglasset.
Bemærk: Flere hætteglas kan sættes op på en gang og fodret samtidig af separate sprøjter. - Opsætning af elektroder til måling af membranpotentiale over væggen af de kemiske haver. Brug altid den samme konvention for hvilken bly er "inde", og som er "udenfor" af de kemiske haver.
- Skær længder af isolerede ledninger (fx kobber), der nå fra inde i reaktionsbeholdere til den ledende af multimeter eller datalogger. Efterlad en lille smule slæk i ledningerne for positionering.
- Strip ~ 3 mm afwire nøgne ved enderne, der vil blive placeret inde i reaktionshætteglasset. På de andre ender, som vil blive forbundet til multimeter kundeemner, bånd ~ 1 cm af tråd.
- Fix ledningerne til at måle membranpotentiale på tværs af kemiske haven. For ledning, der vil gå ind i kemiske have: indsætte det i åbningen af pipettespidsen hvorfra væske vil indgå i karret.
- Skub tråden i let at sikre kontakt med injektionsopløsning, men ikke så langt, at det vil tilstoppe indsprøjtningsstrømningsstørrelsen. For uden ledning: placere det, så det vil være i kontakt med opløsningen reservoiret, men ikke med den kemiske haven bundfald.
- Tape eller på anden måde fastgøre ledningerne, så de ikke kan bevæge sig inde i hætteglasset injektion under forsøget (figur 2).
- Fastgør den anden ende af ledningerne til multimeter, og fastgør ledningerne således at disse ender heller ikke bevæge sig gennem hele forsøget.
- Opsætning N2
- Split gastilførslen fra en N2 kilde i flere rør, så der er en N2 foder til hvert hætteglas injektion.
- Placer hver N2 røret, således at det indføres i frirummet i en af de injektionsglas.
3. Udarbejdelse af løsninger til Chemical Garden Vækst
- Forbered reservoiropløsningen, 100 ml for hvert eksperiment. Bemærk: I dette eksempel bruger 75 mM Fe 2+ og 25 mM Fe 3+ udfældningsmidlerne kationer (tabel 1).
- Opret anoxiske løsninger ved først at boble DDH 2 O med N2-gas for ~ 15 min per 100 ml.
- Afvej og tilsæt FeCl2 • 4H 2 O og FeCl3 • 6H 2 O, omrøring forsigtigt for at opløse (ikke kraftigt, således at ikke indføre oxygen).
- Efter reagenser opløses straks resume lys boblende af Fe2 + / Fe3 + løsning med N2-gas, mens injektioner fremstilles.
- Vælg en to af de primære injektionsopløsninger vist i tabel 1, og fremstilling af 10 ml af hver. Fyld en 10 ml sprøjte til 7 ml mærket med hver af opløsningerne (en sprøjte til hver opløsning). Udskift nålen hætter og der er afsat.
- Forbered 20 ml af den sekundære injektionsopløsningen (natrium sulfid - Advarsel). Vist i tabel 1 Fyld to 10 ml sprøjter til 7 ml mærket med denne løsning, udskifte nålen hætter og der er afsat. Hold altid sulfid-holdige løsninger og sprøjter i stinkskabet.
- Fyld Hedeselskabet 2 O sprøjter fra trin 2.2.5; disse vil blive brugt til at skylle injektionsrøret.
4. Start af primære injektion
- Brug den ønskede datalogger til membran potentielle målinger; måle hvert forsøg potentiale på en separatelye kanal og indstille scanningshastighed at give den ønskede mængde datapunkter (f.eks, en 2-timers injektion, optagelse potentiale hvert 30. sek ville være tilstrækkelig).
- Fastgør de primære injektionssprøjter på den programmerbare sprøjtepumpe i stinkskab.
- Brug en affald bæger til at fange drypper og indstil sprøjtepumpen at injicere i et hurtigt tempo, indtil sprøjterne begge begynder at dryppe ned i bægeret. Derefter stoppe injektionen (for at sikre, at de to sprøjter begynder at injicere på nøjagtigt samme niveau).
- Re-programmet sprøjtepumpen at injicere på 2 ml pr time (kalibrere til den type sprøjte der bruges), men ikke ramt start.
- Sæt DDH 2 O sprøjter i de to plast injektion rør, og indsprøjte så vandet fylder klart slange op til åbningen, hvor det kommer ind i vigtigste reservoir. Placer sprøjter på standen, over injektion hætteglas.
- Hæld 100 ml af Fe2 + / Fe3 + reservoir opløsningen i eaCH hætteglas.
- Juster strømmen af N 2 gasledninger som ønsket for at holde eksperimentet anoxisk for varigheden af injektionerne.
- Dækker forsigtigt reservoir hætteglas med en lufttæt forsegling (f.eks hjælp Parafilm, ikke obstruerer visningen gennem glasset), og indsætte et N2 foder i hvert hætteglas (Figur 3).
- Bring Hedeselskabet 2 O sprøjter (stadig indsat i slangen) ned ved siden af den primære injektionssprøjter. Skub forsigtigt plast injektion slangen fra Hedeselskabet 2 O sprøjte nål, og straks overføre det direkte på en af de primære injektionssprøjte nåle. (Pas på ikke punktere væggen af slangen.)
- Start injektionen, og starte optagelsen af membranpotentiale.
5. Start af sekundær indsprøjtning:
- Hit stop på sprøjtepumpen efter 3 timer (efter 6 ml er blevet injiceret), når kemiske strukturer have har dannet (FiguAd 4), til stadighed at generere et membranpotentiale (figur 5).
- Fjern forsigtigt de primære injektionssprøjter fra sprøjtepumpen (men lade dem tilsluttet slangen, så strukturerne ikke er forstyrret); sætte dem på standen over niveauet af væsken i hætteglassene, således at væsken ikke kan strømme tilbage i sprøjten.
- Fastgør de sekundære injektion sulfid sprøjter til sprøjten pumpe, og gentag trin 4.3 og 4.4.
- Fjern de sekundære sprøjter én ad gangen fra sprøjtepumpen, og mens du holder sprøjterne over niveauet af væsken i hætteglassene, gentag trin 4.9, slangen overførsel fra de primære sprøjter til den sekundære sprøjter (figur 6). Være opmærksom på, fluidumtrykket fra reservoiret ind i sprøjten, ikke forårsager fluid at strømme tilbage i sprøjten, da dette kan kollapse den kemiske haven.
- Når overførslen er færdig, omhyggeligt sikre de sekundære sprøjter til the sprøjtepumpe.
- Re-programmet sprøjtepumpen at injicere på 2 ml i timen, og ramte begynder at fortsætte injektion med den nye indsprøjtning løsning.
- Sikker disponere over de primære injektionssprøjter.
6. Afslutning af eksperimentet
- Første stop sprøjtepumpen, så stop indspilning af membranpotentialet og gemme dataene.
- Sluk for N2 flow og fjerne linjer og Parafilm fra injektion fartøjer.
- Hvis det ønskes, prøve reservoiret opløsning eller udfældning til yderligere analyse. Til forsigtigt at fjerne reservoiret løsningen og ikke forstyrre bundfaldet, brug en 25 ml pipette til omhyggeligt pipette fra reservoiret løsning i flere portioner, og løsningen i et spild bæger kasseres.
- Unclamp injektionssted fartøjer én ad gangen, og opløsningen hældes en overførsel af affald bægerglas i stinkskab. Brug Hedeselskabet 2 O at skylle ud stykker af bundfald.
- Fjern sprøjterne from sprøjtepumpen, og udtrække dem fra slangen, lade ekstra injektionsvæske løbe ud i overførslen af affald bægerglas. Tøm sprøjter ind i affaldet bægeret, og bortskaffe sprøjterne i et sulfid beholder til skarpe genstande opbevares i stinkskab.
- Fjern slangen fra eksperimentet hætteglasset og bortskaffe det på en fast affald taske. Uncrimp forseglingen og bortskaffe skillevæggen, sæl, og pipettespids.
- Skyl glasset eksperiment hætteglas og suge det i en 1 M HCI syrebad O / N. (ADVARSEL - glasvarer, som har været i kontakt med natriumsulfid vil frigive giftige H2S gas, når de anbringes i syre Hold sure bade inde i stinkskabet.).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Når injektionsopløsningen begyndte at indgå i reservoiropløsningen, begyndte en kemisk have bundfald dannes ved fluidgrænseflade og denne struktur fortsatte med at vokse i løbet af injektion (figur 4-7). I forsøgene rapporteret her, den første injektion blev natriumhydroxid (som kan modificeres til at indbefatte L-alanin og / eller pyrophosphat), og reservoiret opløsning var en 1: 3 blanding af Fe 3+ / Fe 2+, hvilket gav en blandet -redox-state jernoxyhydroxid bundfald. De kemiske haver typisk udstillet en dobbelt farvet morfologi - nogle stykker af bundfaldet var mørkegrøn (sandsynligvis indikerer en blandet Oxyhydroxide) og andre stykker var orange (sandsynligvis indikerer hovedsageligt en Fe 3+ -oxyhydroxide / oxid). Den jernoxyhydroxid kemiske haver var ret robust strukturer og var ofte i stand til at stå oprejst, når reservoiret løsningen blev fjernet fra skibet efter injektion (Fifigur 8). I bundfald, der kun indeholder Fe-Oxyhydroxide, de kemiske haver typisk dannet flere filialer; men når den hydrofobe aminosyre alanin blev inkluderet i injektionsopløsningen, de kemiske haver tendens til at danne færre grene eller endda en enkelt kolonne med bundfald. Denne inhibering af sprængning og forgrening formentlig indikerer, at tilsætning af alanin giver et mere holdbart kemisk havemur 26. Under miljømæssige scanningselektronmikroskopi (ESEM), de dannede præcipitater i nærvær af alanin forekom mere afrundet og amorf, hvorimod ren Fe-Oxyhydroxide bundfald (såvel som dem, der indeholder pyrophosphat) forekom mere krystallinsk (figur 9). Når pyrophosphat blev inkluderet i injektionsopløsning, en forgrenet Fe-Oxyhydroxide kemisk have dannet, og yderligere grønne overskyet bundfald (sandsynligvis jern pyrophosphat) dannes og udvides fra kanterne af strukturen (figur 10). Tsin grønne plume bundfald var ikke en del af den kemiske haven, og når reservoiret blev fjernet, de plumes kollapsede og ikke aggregerer godt til hovedstrukturen.
Membranpotentialet i kemiske haven eksperimenter blev dannet, så snart den kemiske haven blev synlige (der var en latenstid, som injektionsopløsningen rejste gennem røret). I eksperimenter, hvor injektionsvæsken var NaOH, NaOH med alanin eller NaOH med pyrophosphat, potentialet tendens til at toppe umiddelbart omkring 0,45 til 0,55 V og faldt derefter for ca. en time før stabilisering omkring 0,1 til 0,2 V for resten af den primære injektion . (I forsøg, hvor den primære injektion var NaOH + pyrophosphat + alanin, har spændingen ikke toppe på den højeste værdi af ~ 0,45-0,55, i stedet forblev omkring ~ 0.2 for hele primære injektion.) Der var forskelle i membranpotentiale i gentagelser af det samme forsøg (Figur 11) <strong>, men de mønstre observerede var mere eller mindre konsekvent over fire gentagelser af hver injektion kemi.
Når de primære sprøjter blev skiftet til de sekundære sprøjter indeholdende natrium sulfid, den kemiske haven fortsatte med at vokse, bortset fra, at synlige nye vækster nu var sort jern sulfid. I stedet for at bidrage til de eksisterende vægge, sorte sulfid dele af den kemiske haven syntes at forgrene sig og vokse separat. Så snart sulfid injektionsopløsning nåede kemiske haven, membranpotentialet straks sprang til ~ 0,9 V. Værdien af potentialet nået under den sekundære injektion var den samme for alle forsøg, uanset den primære injektion-opløsning (figur 10). Dette skyldes, at potentialet i kemiske haven eksperimenter er for det meste på grund af kemien mellem de to interface løsninger, og da vores sekundære injektionsopløsninger var alle 50 mM Na 2 S • 9H Vi typisk fire kemiske haven forsøg på en gang, ved hjælp af fire reservoir flasker, der blev fodret med fire separate sprøjter og alle drives ved samme hastighed som sprøjtepumpen. Under anvendelse af samme kemi i alle fire dubletter, vi ofte observeret store variationer i den kemiske struktur haven (samlede størrelse, antal grene) samt variationer i membranpotentialet inden for et område på 0,1 - 0,2 V. Denne mangel på reproducerbarhed er forventes i langt-fra-ligevægt eksperimenter, når så meget afhænger af snørklede af de oprindelige betingelser. Det er sandsynligt, at den tilfældige dannelse af strukturen i kemiske haver fører undertiden til udfældning membraner med varierende permeabilitet for ioner; i nogle tilfælde, injektions- og reservoir løsninger er sandsynligvis bedre adskilt, og dermed membranpotentialet er i stand til at blive opretholdt i en længere periode. Tabel 1. spændinger, der genereres ved hjælp af kemiske haver genereret ved langsomt at injicere først en primær, en sekundær derefter, opløsning ind i et reservoir. V 1max (gns) og V 2max (gns) er de gennemsnit af de højeste spændinger produceret under den primæreog sekundære injektioner, henholdsvis; σ er standardafvigelsen. 
Figur 1. Forberedelse af reaktionsbeholdere. Reaktionsbeholdere til injektion kemiske haven eksperimenter blev foretaget ved at afskære bunden af en 100 ml serumflaske, indsætter en pipettespids ved hjælp af en skillevæg w hich blev derefter crimp forseglet til flasken, og fastgøre et rør, hvorigennem at fodre injektionsopløsningen. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 2. Placering af trådene i den kemiske haven reaktionsbeholderen. (A) Set fra oven, der viser placeringen af "indre" elektroden i injektionen åbning. Denne tråd blev omsluttet af den kemiske haven, når det begyndte at vokse. Den "ydre" elektrode skulle forblive længere væk fra injektionsstedet punkt, så det ikke blev rørt af den voksende kemiske haven. (B) Fastgør ledningerne med tape, så de ikke bevæger sig under hele forsøget.= "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 3. Oprettelse af N2 headspace. Efter reservoiret opløsning blev tilsat, blev en lufttæt forsegling dannet over toppen af beholderen med Parafilm (dækker elektroderne såvel), og derefter en lys N2 foder blev indsat for at opretholde anoxiske betingelser i hele væksten kemiske haven. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 4. Time-lapse vækst af en kemisk have. Dette eksperiment indeholdt 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O og 25 mM FeCl3 • 6H 2 O i reservoiret løsning. Den første injektion var 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7, og efter 180 min injektionen blev skiftet til 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 5. membranpotentialer. Membranpotentiale blev frembragt som en kemisk have voksede omkring den indre elektrode. Efter den primære injektion af hydroxid, der dannes først bundfaldet struktur blev sprøjten tændes med en sprøjte af natriumsulfidopløsning. I dette forsøg reservoiret opløsningen var 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl 
Figur 6. Sprøjte. (A) Korrekt indsættelse af kanylen ind i den fleksible plastrør. Der skal udvises forsigtighed for ikke at punktere slangen -. Eksempel på forkert indsættelse er vist i (B) Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 8. Bundfald stabilitet. Fe (II / III) hydroxid kemiske haver undertiden kan opretholde strukturel stabilitet efter reservoiret opløsningen fjernes omhyggeligt. Kan derefter udtages prøver til yderligere analyse, hvis bundfaldet ønskes. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 9. Environmental Scanning Electron Microscopy billeddannelse. (A) Fe (II / III) hydroxid kemiske haver, (B) Fe (II / III) hydroxid kemiske haver, der indeholder K 2 P 4 O 7, og (C) Fe ( II / III) hydroxid kemiske haver indeholder alanin. Alle billeder er af kemiske haver efter kun den primære injektion. Præcipitaterne der indarbejdet alanin optrådte afrundet og mindre krystallinsk end bundfald på kun Fe (II / III) hydroxid og Fe (II / III) hydroxid indeholder K 2 P 4 O 7..jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 10. Kemiske haver dyrkes i et reservoir opløsning af 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O. (A) injektionsopløsning indeholdt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7. (B) Injektion opløsning indeholdt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7 + 10 mM alanin. I kemiske haver, hvor injektionsopløsningen indeholdt K 2 P 4 O 7, grønne bundfald forureningsfaner (pile) dannet nær den faste PRecipitate grene, men disse faner blev ikke helt aggregeret til de vigtigste struktur og kollapsede, da reservoiret blev fjernet. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 11. Membranpotentiale genereres af kemiske haver dyrket i reservoir opløsninger af 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O. Fire gentagelser af hvert forsøg er vist. Potentialet blev frembragt så snart injektionsopløsningen rejste op røret og kontaktedereservoiropløsning til frembringelse af et bundfald struktur omslutter den indre elektrode. Strukturen fortsatte med at vokse som den primære injektion fortsatte. Når sprøjten blev swappet til natriumsulfidopløsning og den sekundære injektion begyndte (pile), potentialet øget til 0,9-1,0 V. Klik her for at se en større version af dette tal. Reservoir (100 ml) Primære injektion (6 ml) Primær injektionshastighed V 1max (gns) Sekundær Injection (6 ml) Sekundær injektionshastighed V 2max (gns) 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O 0,1 M NaOH 3 ml / time 0,431 V, σ = 0,002 2 S • 9H 2 O 2 ml / time 0,881 V, σ = 0,047 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 3 ml / time 0,473 V, σ = 0,016 2 ml / time 0,914 V, σ = 0,040 0,1 M NaOH + 10 mM alanin 3 ml / time 0,485 V, σ = 0,044 2 ml / time 0,929 V, σ = 0,015 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 + 10 mM alanin 3 ml / time 0,239 V, σ = 0,061 2 ml / time 0,923 V, σ = 0,033
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dannelsen af en kemisk have struktur via injektion metode kan opnås ved sammenknytning to opløsninger indeholdende reaktive ioner, der producerer et bundfald. Der er mange mulige reaktionssystemer, der vil producere bundfald strukturer og finde den rigtige opskrift af reaktive ioner og koncentrationer til at vokse en ønsket struktur er et spørgsmål om at prøve sig frem. Strømningshastigheden af injektionsopløsningen styres af en programmerbar sprøjtepumpe, og dette kan også varieres mellem eksperimenter for at simulere forskellige satser af fluidstrøm i et naturligt system. Strukturen af kemiske haver er afhængig af mange faktorer, herunder sammensætning og strømningshastighed, og det er muligt at dyrke strukturer i så lidt som et par timer og over en længere periode dage til uger. Man kan også tilføje andre sporkomponenter af interesse i injektion eller reservoiret opløsning, såsom organiske molekyler eller andre komponenter menes at være geologisk eller biologisk relevant <sup> 27,28. Afhængigt af kemi, kan disse komponenter inkorporeres i bundfaldet og / eller undergå reaktioner.
Der er forskellige metoder som har været brugt i tidligere arbejde til dyrkning kemisk haven bundfald, herunder direkte vækst fra opløse krystaller eller 'piller' 18,29 og injektion eksperimenter som dem featured her 30,31. At designe en kemisk have eksperiment, hvor det er muligt på pålidelig vis at måle membranpotentialet, må man skabe nogle måde helt omslutter "indvendig" tråd inden bundfaldet membran hele forsøget. Dette er vanskeligt (men ikke umuligt 14) at opnå i krystal dyrkningsforsøg. I tidligere eksperimenter injektion 13, har vi generelt observeret, at tråden skal placeres direkte i indsprøjtningspunktet, ellers kemiske haven ofte "undgår" tråden som det vokser, og dermed lkan måles eaving begge ledninger i reservoiret løsning, og ingen membranpotentialet. Kemiske haver dyrket via injektion varierer i strukturel stabilitet, afhængigt af den kemiske reaktant (er), der anvendes - fx jern-silikat eller jern-hydroxid systemer giver mere robuste strukturer, der forbliver stående, når reservoiret væsken dekanteres, hvorimod rene jern-sulfid-systemer tendens til at give en langt mere gelatinøst, delikat bundfald, let kollapser, hvis opløsningen er forstyrret. Et kollaps af den kemiske haven eller nogen væsentlig brud på membranen vil forårsage umiddelbare virkninger i membranpotentialet, da de ulige fordelinger af ladede arter på tværs af membranen bløder ud. Således i denne type forsøg, er det meget vigtigt, at ledningerne omhyggeligt fastgjort før injektion, således at de ikke vil bevæge sig som den kemiske haven vokser, og at opsætningen af eksperimentelle / injektion er stabilt og ikke skubbet under væksten.
Fordiefter injektion af fluidet, der strømmer ind i reservoiret er lærerigt, er fleksibelt transparent Tygon slange anbefales over andre muligheder såsom rustfrit stål. Den klare rør muliggør observation af bundfald partikler danner i røret, gør det muligt at løsne træsko, og tillader påvisning / fjernelse af luftbobler. Ulempen ved dette rør er, at det let kan punkteres af sprøjtenålen (figur 6). Vi har eksperimenteret med at skifte sprøjter ved at indsætte anden nål direkte ind i slangen fra forud for den første injektion side, snarere end faktisk bevæger slangen fra en sprøjte til en anden, men denne teknik var meget vanskeligt at opnå uden at punktere. En anden fordel ved Tygon slange er, at i tilfælde af utilsigtet punktering, mens du indsætter en nål, kan man blot skære det punkterede del af røret ud, og sæt nålen.
Væksten af membranen styres af buoyancy og i mindre grad, presset af injektion. En drastisk ændring i injektionstrykket kan forårsage et sammenbrud af kemiske haven, især i systemer, der ikke producerer robuste bundfald. Ved skift sprøjter, er det vigtigt at holde sprøjten fjernes ved eller lige over, at væskeniveauet forhindre strømme tilbage og den forventede opdeling. En sådan begivenhed kunne også undgås ved at oprette eksperimentet, således at sprøjtepumpe ved det omtrentlige niveau af reservoirerne. Det gør lidt forskel til membranen potentielle data, hvis eksperimentet "pauser" for en lang tid, mens skifte sprøjter, så længe den kemiske haven forbliver uforstyrret. Det anbefales derfor at skifte sprøjter omhyggeligt, en ad gangen, og fastgør sprøjten, der holder det indre tryk i den kemiske haven, så det ikke kan "flyde tilbage", før man går videre til den næste. Injektionen sats bør holdes nogenlunde constant mellem den første og den anden injektion, og generelt bør ikke være for hurtig (minimum eksperiment tid ~ flere timer), idet overskydende indsprøjtningstryk vil briste membranen.
Dette eksperiment er alsidig, idet den giver mulighed for undersøgelse af selvsamlende bundfald vækst i en række forskellige reaktionssystemer, herunder dem, hvor en eller flere reaktanter er til stede i den samme opløsning. Den swapping af sprøjter giver mulighed for dyrkning af en stabil kemisk have hjælp af en reaktion kemi, derefter bruge denne struktur som en "kemisk reaktor" for en anden komponent passerer. For eksempel, hvis man ønskede at undersøge, om organiske molekyler kan blive absorberet og / eller reagere inden for en hydrotermisk skorsten sammensat af jernmineraler 26, kunne man dyrke en kemisk have relevante uorganiske komponenter, og derefter slå igennem en anden sprøjte opløsning, der indeholder, for eksempel nukleotider, aminosyrer, peptider,eller RNA 28. Dette vil have den virkning, at adsorbere og absorbere de organiske komponenter i bundfaldet i stedet for dem spredning i reservoiret. I vores forsøg observerede vi, at det sekundære injektion forårsagede jernsulfid skorstene til at vokse på toppen af de eksisterende jernhydroxid skorstene, formentlig via bristninger i den oprindelige membran på grund af fluidtryk. Således kunne det indre af de forskellige skorstene være mindst noget forbundet og de dele af forskellige mineraler i membranen kan tjene forskellige funktioner i en oprindelse-of-life scenarie, for eksempel, metal sulfider oxiderende hydrotermisk H2 / reducere oceaniske CO2 32,33 og jern oxyhydroxider kørsel fosfat reaktioner og reducere nitrat til ammonium på stedet 5,34,35. Materialevidenskab undersøgelser kan udføres ved hjælp af denne type eksperiment samt; for eksempel bevidst at danne kemiske haver katalytiske komponenter (f.eks aluminosilicates) og derefter fodre andre komponenter (f.eks organiske molekyler eller fosfater) gennem dem at reagere. Man kunne også undersøge danner lagdelte materialer ved vekslende sprøjter til at producere forskellige uorganiske bundfald (som i Roszol og Steinbock 2011 23). Det er en enkel sag at holde de enkelte reaktionsbeholdere under anaerobe betingelser eller enhver ønsket gas headspace under kemisk have formation.
Begrænsningerne af denne type eksperiment er for det meste på grund af det faktum, at kemiske strukturer haven i systemer drevet af inflationen, opdrift og konvektion er meget vanskelige at kontrollere. Bundfaldet strukturer kan være skrøbelig og vanskeligt at fjerne og analysere efter forsøget. Derudover, da væksten af kemikaliet haven er altid uforudsigelige, for at sikre måling af membranpotentiale, den "ydre" tråd i reservoiret skal i afstand fra indsprøjtningspunktet, at forhindre chemical haven kuvertering begge ledninger. Tage denne forholdsregel betyder imidlertid, at ledningerne er normalt ikke ideelt tæt på membranen. I stedet kan præcise uorganisk membran potentielle målinger opnås ved dyrkning af membranen på en pergament papir skabelon mellem de to løsninger 36. I kemiske haven eksperimenter er det normalt ikke muligt at prøve og / eller på anden måde at måle (f.eks pH) den indvendige opløsning; detaljerede real-time analyse kan kun ske på reservoiret løsning.
Naturlige ventilationskanaler også ville være vært termiske gradienter mellem den opvarmede hydrotermiske væske (~ 70-100 ° C) og havet 4, og så at simulere hydrotermiske systemer kan det være ønskeligt at dyrke den kemiske haven ved en højere temperatur og tryk 37, der udgør udfordringer med opsætningen her beskrevne. Det vil være muligt at ombryde reservoiret flaske i en varmeflade for at regulere temperaturen, før du begynder; imidlertid en forskelligent pumpetype kan være nødvendig for at opvarme tilsvarende injektionsopløsningen. For at simulere et naturligt system, kan det være nødvendigt at inkludere opløste gasser (f.eks CO2) i enten opløsning; mens dette kan være lettere at udføre i reservoiret (ocean simulator), ville det kræve mere omhyggelig forberedelse til injektion (hydrotermiske simulator). I oceangående systemer, kunne det høje tryk påvirker skorstenen vækst og kemi, og afhængigt af forsøget, stigende gastryk i begge væsker kunne have en betydelig virkning (f.eks opløst CO 2 kan resultere i ferrokarbonat udfældning i den kemiske haven , også afhængig af hydrostatisk tryk 6). Integrering af forhøjet temperatur og tryk i kemiske have eksperimenter af denne type vil føre til mange interessante muligheder, idet temperatur og tryk påvirker opløseligheden, udfældning og specifikke egenskaber ved mange mineraler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Syringe Pump | Fisher | 14-831-3 | Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments |
| Ferrous chloride tetrahydrate | Fisher | I90500 | Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified) |
| Ferric chloride hexahydrate | Fisher | I88-100 | Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS) |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous) |
| Sodium sulfide nonahydrate | Fisher | S425212 | Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20 °C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood. |
| Potassium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | 322431 | 97% |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | |
| Syringes (10 cc) | Fisher | 14-823-16E | BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) |
| Syringe needles (16 gauge) | Fisher | 14-826-18B | BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm) |
| Tubing | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD |
| Aluminum seals | Fisher | 0337523C | Thermo Scientific™ National™ Headspace 20 mm Crimp Seals |
| Gray butyl stoppers | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ National™ 20 mm Septa for Headspace Vials |
| Serum bottles | Sigma-Aldrich | 33110-U | Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off. |
| Pipette tips | VWR | 53511-682 | pipette tips 0.5-10 μl |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
References
- Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
- Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
- Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
- Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
- Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
- Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
- Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
- Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
- Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
- Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
- Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
- Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
- Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
- Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
- Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
- Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
- Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
- Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
- Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
- Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
- Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
- Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
- Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
- Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
- McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
- Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
- Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
- Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
- Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates? Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
- Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
- Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , InTech. (2012).
- van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
- Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).
