Introduction
"Jardins Químicas" são precipitados inorgânicos auto-montagem desenvolvidos, onde dois fluidos de químicas contrastantes interagem 1,2. Estas estruturas inorgânicas de auto-montagem têm sido objeto de interesse científico por mais de um século, em parte devido à sua aparência biomimético, e muitos estudos experimentais e teóricos têm sido buscadas para entender os vários aspectos complexos e as possíveis funções dos sistemas de jardim químicos 3. Exemplos naturais de jardins químicos incluem minerais "chaminé" precipitados que crescem em torno fontes hidrotermais e afloramentos, e tem-se argumentado que estes poderiam fornecer ambientes plausíveis para a vida surgir 4. Para crescer um jardim química simulando um respiradouro chaminé hidrotermal natural, uma solução reservatório deve representar uma composição oceano simulado e uma solução para injecção deve representar o fluido hidrotermal que alimenta no oceano. A versatilidade deste tipo of experimento para diferentes sistemas de reação permite a simulação de quase qualquer química proposto fluido oceano / hidrotermal, incluindo ambientes da Terra primitiva ou em outros mundos. No início de terra, os oceanos teria sido anóxica, ácida (pH 5-6), e teria contido dissolvido CO2 atmosférico e Fe 2+, bem como Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- e NO 2. Reações químicas entre esta água do mar e da crosta ultramafic oceano teria produzido um fluido hidrotermal alcalina contendo hidrogênio e metano, e em alguns casos, sulfeto (HS -) 4-8. As chaminés formadas em ambientes de ventilação alcalina Terra primitiva poderia, assim, ter contido oxihidróxidos férricos / ferrosos e sulfetos de ferro / níquel, e tem sido proposto que estes minerais pode ter servido particulares funções catalíticas e proto-enzimática para aproveitamento redox / gradientes de pH geoquímicas de conduzir o aparecimento de Metabolism 5. Da mesma forma, em outros mundos, como a que pode hospedar (ou pode ter hospedado) de água / interfaces de rock - como início de Marte, lua de Júpiter Europa, ou lua de Saturno Enceladus - é possível que a química da água / rock poderia gerar ambientes de ventilação alcalinas capaz de condução química prebiótica ou mesmo fornecendo nichos habitáveis para a vida existente 5,9-11.
O experimento clássico jardim química envolve um cristal semente de um sal de metal, por exemplo, tetra-hidrato de cloreto ferroso FeCl2 • 4H 2 O, submersas numa solução contendo aniões reactivos, por exemplo, silicato de sódio ou de "vidro de água". O sal se dissolve de metal, criando uma solução ácida contendo Fe 2+ que faz interface com a solução mais alcalina (contendo aniões silicato e OH -) e uma membrana precipitado inorgânico é formado. As ondas de membrana sob pressão osmótica, explosões, em seguida, re-precipita umat da nova interface fluido. Este processo repete-se até que os cristais são dissolvidos, resultando numa orientada verticalmente, a estrutura auto-organizada precipitado com morfologia complexa em ambas as escalas macro e micro. Este processo de precipitação resulta na separação de soluções de continuidade contrastantes quimicamente através da membrana jardim química inorgânica, e a diferença de espécies carregadas através da membrana produz um potencial de membrana 12-14. Estruturas do jardim Chemical são complexos, exibindo gradientes de composição do interior para o exterior 13,15-19, e as paredes da estrutura manter a separação entre as soluções contrastantes por longos períodos, permanecendo um pouco permeável aos íons. Além de ser uma experiência ideal para fins educacionais (como eles são simples de fazer para demonstrações de sala de aula, e pode educar os alunos sobre reações químicas e auto-organização), jardins químicos têm significado científico como representações de auto-assembly em dinâmicos, far-de-equilíbrio sistemas, envolvendo métodos que podem levar à produção de materiais interessantes e úteis 20,21.
Jardins químicas em laboratório também pode ser cultivada por métodos de injecção, no qual a solução contendo um ião de precipitação é injectada lentamente para a segunda solução contendo o ião de co-precipitante (ou iões). Isto resulta na formação de estruturas do jardim químicas semelhantes às experiências de crescimento de cristal, a não ser que as propriedades do sistema e o precipitado pode ser melhor controlada. O processo de injecção tem várias vantagens significativas. Ele permite um para formar um jardim química usando qualquer combinação de precipitantes ou incorporados espécies, isto é, vários iões precipitantes podem ser incorporados em uma solução, e / ou outros componentes não-precipitante pode ser incluído em qualquer solução para adsorver / reagem com o precipitado . O potencial de membrana gerado em um produto químicosistema de jardim pode ser medido numa experiência de injecção se um eléctrodo é incorporada no interior da estrutura, permitindo assim estudo electroquímica do sistema. Experiências de injecção oferecem a capacidade para alimentar a solução de injecção para o interior do jardim química para intervalos de tempo controlada pela variação da velocidade de injecção ou volume total injectado; Por conseguinte, é possível alimentar as soluções através de diferentes sequencialmente e usar a estrutura precipitada como uma armadilha ou reactor. Combinadas, estas técnicas permitem simulações laboratoriais dos processos complexos que poderiam ter ocorrido em um sistema de jardim química natural em um respiradouro submarino hidrotermal, incluindo uma chaminé formado a partir de muitas reacções de precipitação simultâneas entre oceano e ventilação de líquidos (por exemplo, produtores de sulfetos metálicos, hidróxidos , e / ou carbonatos e silicatos) 5,22. Estas técnicas podem também ser aplicados a qualquer sistema de reacção jardim química para permitir a formação de novos tiposde materiais, como por exemplo, tubos ou tubos em camadas com espécies reactivas adsorvidas 20,23.
Nós detalhes aqui um experimento exemplo que inclui o crescimento simultâneo de dois jardins químicos, Fe 2+ molecular contendo estruturas em um ambiente anóxico. Nesta experiência foram incorporadas pequenas quantidades de polifosfatos e / ou aminoácidos na solução de injecção inicial para observar o seu efeito sobre a estrutura. Após a formação inicial do jardim químico que depois passou a solução de injecção para introduzir sulfeto como um ânion de precipitação secundária. As medições de potenciais de membrana foram feitas automaticamente durante todo o experimento. Este protocolo descreve como executar dois experimentos de uma só vez utilizando uma bomba de seringa dupla; Os dados mostrados necessários vários ensaios deste procedimento. As taxas relativamente elevadas de fluxo, baixo pH das concentrações dos reservatórios e dos reagentes utilizados em nossos experimentos são projetados para formar grande chaminé precipita em tempo scales adequados para experimentos de laboratório de um dia. No entanto, as taxas de fluxo do fluido em fontes hidrotermais naturais pode ser muito mais difusa e as concentrações de reagentes de precipitação (por exemplo, Fe e S num sistema cedo terra) poderia ser de uma ordem de magnitude mais baixa 4; assim, precipitados estruturados formaria em escalas de tempo mais longos e a ventilação poderia ser ativo para dezenas de milhares de anos 24,25.
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Protocol
1. Considerações de segurança
- Use equipamento de protecção pessoal (bata de laboratório, óculos de proteção, luvas de borracha nitrílica, sapatos adequados) para prevenir contra vazamentos químicos ou ferimentos. Usar seringas e agulhas, e tomar cuidado para não perfurar luvas. Tome cuidado durante a instalação do experimento para verificar o aparelho para vazamentos realizando a primeira injeção com duas vezes destilada H 2 O (DDH 2 O), e verificar a estabilidade dos tubos de ensaio sobre o suporte, antes de adicionar produtos químicos.
- Realizar esta experiência com qualquer receita jardim química, mas um dos reagentes que usamos para simular aberturas de profundidade é um produto químico perigoso, sulfeto de sódio; portanto, fazer todo o experimento dentro de um exaustor para evitar a exposição.
- Apenas abrir a garrafa de sulfureto de sódio no exaustor de fumos e colocar um equilíbrio no interior do exaustor de fumos para a pesagem de sulfureto. Mantenha sempre soluções contendo sulfureto dentro da coifa como eles liberam tóxico H2S gás, e também manter sulfide líquido, farelos, e contentores de resíduos sólidos na coifa. Outro reagente de interesse é Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, que oxidam quando expostas ao ar, por isso tome cuidado para manter as soluções anóxica e crescer jardins químicas no âmbito de um espaço superior anóxica (por exemplo, N 2 ou Ar), sempre dentro um exaustor ou caixa de luvas.
2. Instalação para Experimentos Injeção
- Crie vidro "frascos para injectáveis", cortando a parte inferior 1 cm de um 100 ml de vidro transparente friso parte superior do frasco de soro (20 mm friso selo tipo de fechamento) com um cortador de vidro, de modo que, quando invertido, o navio está aberto para o ar. Como estes são reutilizáveis, limpe os frascos em um 1 M HCl banho de ácido O / N, e depois enxaguar bem com ddH2O antes de uma nova experiência.
- Prepare os frascos de injecção (Figura 1).
- Recolha um septo 20 mm, 20 milímetros de alumínio friso de vedação, e uma 0,5-10 ul pipeta de plástico ponta. Utilizando uma seringa 16 G NEedle, perfure cuidadosamente um buraco no centro do septo, em seguida, remover e eliminar a agulha no recipiente de resíduos perfurocortantes apropriado.
- Insira a ponta da pipeta para o buraco da agulha, para o lado do septo de borracha que vai enfrentar dentro do top friso do frasco. Empurre a ponta da pipeta através do septo para que ele pica para fora do outro lado.
- Crimp-selar o septo com ponteira na embarcação injeção para fazer uma vedação estanque. Quando selado, empurrar a ponta da pipeta ainda mais através do septo, de modo que se projecta do lado de fora.
- Apor 1/16 "tubulação quimicamente resistentes clara flexível de diâmetro interno para a ponta da pipeta (comprimento da tubulação deve chegar a partir do frasco para injectáveis para a bomba de seringa); deslize-o para uma vedação estanque.
Nota: Este será o tubo de injecção, alimentado a partir da outra extremidade por uma seringa com agulha G 16. - Verifique se há vazamentos: Inserir uma seringa de 10 ml cheio com ddH2O com uma agulha G 16 na outra extremidade do tubo(suavemente deslize a tubulação reta na agulha e ter cuidado para não perfurar a parede do tubo). Injecte lentamente de modo que o ddH2O se move para cima do tubo e para dentro do fundo do vaso de reacção. Garantir que a seringa / tubo, tubo / ponta, e cravar os selos são à prova d'água.
- Braçadeira os frascos de injecção sobre um suporte em um exaustor, de modo que a injecção será alimentado a partir do fundo do frasco.
Nota: Vários frascos podem ser criados de uma só vez e alimentada simultaneamente por seringas separadas. - Configure eletrodos para medir o potencial de membrana através da parede dos jardins químicos. Sempre use a mesma convenção para que o chumbo é "dentro" e que é "fora" dos jardins químicos.
- Cortar comprimentos de fio isolado (por exemplo, cobre) que chegam do interior dos vasos de reacção para a liderança do multímetro ou data logger. Deixe um pouco de folga nos cabos de posicionamento.
- Tira ~ 3 mm dofio desencapado nas extremidades que serão localizados dentro do tubo de reação. Nos outros fins que serão conectados aos fios multímetro, tira ~ 1 cm de fio.
- Fixe os fios no lugar para medir o potencial de membrana em todo o jardim química. Para o fio que vai dentro do jardim química: insira-o na abertura da ponta da pipeta a partir do qual o fluido irá alimentar dentro do recipiente.
- Empurrar o fio em levemente para assegurar o contacto com a solução de injecção, mas não tão longe que vai obstruir o fluxo de injecção. Para o exterior fio: Coloque-o para que ele estará em contato com o reservatório de solução, mas não com o precipitado jardim química.
- Fita ou de outra forma fixar os fios, de modo que eles não podem mover-se dentro do frasco de injecção durante a experiência (Figura 2).
- Prenda as outras extremidades dos fios para o multímetro, e prenda os fios para que esses fins também não se movem ao longo da experiência.
- Configure N 2
- Dividir a alimentação de gás a partir de uma fonte de N 2 em vários tubos, de modo que não é um N 2 para a alimentação de cada frasco para injecção.
- Colocar cada tubo de N 2 de modo a que se alimenta no espaço livre de um dos frascos de injecção.
3. Preparação de Soluções para o Crescimento Chemical Garden
- Preparar a solução de reservatório, 100 ml para cada experimento. Nota: Neste exemplo, utilizam 75 mM de Fe2 + e Fe3 + 25 mM como os catiões de precipitação (Tabela 1).
- Criar soluções anóxicas pela primeira borbulhando o ddH2O com N2 gasoso durante ~ 15 min por 100 ml.
- Pesar e adicionar o FeCl 2 • 4H 2 O e FeCl3 • 6H 2 O, com agitação suave para dissolver (não vigorosamente de modo a não introduzir oxigénio).
- Depois de os reagentes são dissolvidos, resum imediatamentee luz borbulhante do Fe 2+ / Fe 3+ solução com gás N2 enquanto injecções são preparadas.
- Escolha qualquer uma das duas soluções de injecção primários mostrados na Tabela 1, e preparar-se 10 ml de cada. Encha uma seringa de 10 ml até à marca de 7 mL com cada uma das soluções (uma seringa para cada solução). Substituir as tampas de agulhas e reserve.
- Prepare 20 ml da solução de injeção secundário (sulfeto de sódio - CUIDADO). Apresentados na Tabela 1 Encha duas seringas de 10 ml para a marca de 7 ml com esta solução, recoloque as tampas de agulhas e reserve. Mantenha sempre soluções e seringas contendo sulfureto na coifa.
- Encha novamente o DDH 2 O seringas de Passo 2.2.5; estes serão utilizados para lavar o tubo de injecção.
4. A partir da injeção primária
- Use registrador de dados desejado para membrana medições potenciais; medir o potencial de cada experimento em um separate canal, e definir a taxa de varredura para dar a quantidade desejada de pontos de dados (por exemplo, para uma injecção de 2 horas, a gravação potencial a cada 30 seg seria suficiente).
- Fixar as seringas de injecção primária sobre a bomba de seringa programável no exaustor de fumos.
- Use um copo de resíduos para pegar pinga e definir a bomba de seringa para injetar em um ritmo rápido até que as seringas ambos começam a escorrer para o copo. Em seguida, parar a injecção (de modo a garantir que as duas seringas começam a injectar-se exactamente o mesmo nível).
- Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora (para calibrar o tipo de seringa a ser utilizado), mas não atingiu início.
- Inserir as ddH2O seringas nos dois tubos de injecção de plástico, e injectar de modo a que a água enche o tubo transparente até a abertura onde entra no reservatório principal. Coloque as seringas no stand, acima dos frascos para injectáveis.
- Despeje 100 ml de solução reservatório do Fe 2+ / Fe 3+ em eACH frasco.
- Ajustar o fluxo das linhas de gás N 2 como desejado para manter o experimento anóxica para a duração das injecções.
- Cobrir cuidadosamente os frascos de reservatório com uma vedação hermética (por exemplo, usando Parafilm; não obstruir a vista através do vidro) e inserir um N 2 alimentação em cada frasco (Figura 3).
- Traga os DDH 2 O (ainda seringas inseridos na tubulação) para baixo próximo à seringas de injeção primários. Deslize cuidadosamente o tubo de injecção de plástico fora do DDH 2 O seringa de agulha, e transferi-lo imediatamente diretamente em uma das agulhas de seringa de injeção primária. (Tome cuidado para não perfurar a parede do tubo.)
- Comece a injecção, e inicia a gravação do potencial de membrana.
5. Começando a injeção secundária:
- Hit parada da bomba de seringa após 3 horas (depois de 6 ml foram injetados), estruturas do jardim uma vez químicos formaram (FiguRe 4), continuamente gerando um potencial de membrana (Figura 5).
- Remova cuidadosamente as seringas de injeção primários da bomba de seringa (mas deixe-os conectados à tubulação de modo que as estruturas não são perturbados); colocá-las na posição acima do nível do líquido nos tubos de ensaio de modo a que o fluido não pode fluir para trás para dentro da seringa.
- Prenda as seringas de injeção de sulfeto secundário para a bomba de seringa, e repita os passos 4.3 e 4.4.
- Retirar as seringas secundárias um de cada vez a partir da bomba de seringa, e, ao mesmo tempo que prende as seringas acima do nível do líquido nos tubos de ensaio, repita a etapa 4.9, transferindo o tubo a partir das seringas primárias para as seringas secundários (Figura 6). Seja vigilante que a pressão do fluido a partir do reservatório para dentro da seringa não obrigar o fluido a fluir para dentro da seringa como este pode entrar em colapso o jardim química.
- Quando a transferência estiver completa, segura com cuidado as seringas secundárias ao thbomba e seringa.
- Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora, e bateu começo para continuar a injecção com a nova solução de injecção.
- Com segurança descartar as seringas de injeção primários.
6. Fim do Experimento
- Primeira parada da bomba de seringa, em seguida, parar a gravação do potencial de membrana e salvar os dados.
- Desligue o fluxo de N 2 e remova as linhas eo Parafilm a partir dos vasos de injeção.
- Se desejado, a amostra de solução reservatório ou precipitar para análise posterior. Para remover cuidadosamente a solução de reservatório e para não perturbar o precipitado, utilizar uma pipeta de 25 ml de uma pipetagem cuidadosa fora a solução reservatório em várias alíquotas e descartar a solução em um copo de resíduos.
- Soltar os vasos de injecção um de cada vez e deitar a solução para uma proveta de transferência de resíduos no exaustor de fumos. Use ddH2O para lavar peças de precipitado.
- Retire as seringas frosou a bomba de seringa, e extraí-los da tubulação, deixando fluido de injeção extra de correr para o copo de transferência de resíduos. Esvazie as seringas para o copo de resíduos e descarte das seringas em um recipiente de sulfeto de farelos mantido na capela.
- Remova o tubo do frasco experimento e descartá-la em um saco de resíduos sólidos. Uncrimp o selo e dispor do septo, selo, e ponteira.
- Enxaguar o experimento frasco de vidro e mergulhe-o em um 1 M HCl banho de ácido O / N. (ATENÇÃO - vidro que tem estado em contacto com sulfeto de sódio vai lançar tóxico H 2 S de gás quando colocado em ácido Mantenha banhos de ácido no interior do exaustor..)
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Representative Results
Uma vez que a solução de injecção começou a ser alimentada para dentro da solução de reservatório, um jardim química precipitado começou a formar-se na interface fluido e esta estrutura continuaram a crescer ao longo do curso da injecção (Figuras 4-7). Nas experiências relatadas aqui, a primeira injecção foi de hidróxido de sódio (que pode ser modificada para incluir L-alanina e / ou pirofosfato), e a solução reservatório era uma mistura 1: 3 de Fe3 + / Fe2 +, dando origem a um misturado -redox-estado precipitado oxyhydroxide ferro. Os jardins químicos normalmente exibiram uma morfologia duplo coloridos - algumas peças do precipitado eram verde escuro (provavelmente indicando uma oxyhydroxide misto) e outras peças foram laranja (provavelmente indicando principalmente um Fe 3+ -oxyhydroxide / óxido). O ferro oxihidr�ido jardins químicos foram relativamente estruturas robustas e foram muitas vezes capaz de se manter na posição vertical quando a solução de reserva foi removido a partir do vaso, após a injecção (Fifigura 8). Em precipitados contendo apenas Fe-oxyhydroxide, os jardins químicos tipicamente formados vários ramos; no entanto, quando o aminoácido alanina hidrofóbico foi incluído na solução de injecção, os jardins químicos tendiam a formar menos galhos ou mesmo uma única coluna de precipitado. Esta inibição de rebentamento e ramificação presumivelmente indica que a adição de alanina produz uma parede de jardim química durável 26 mais. Sob microscopia de varrimento electrónico ambiental (ESEM), os precipitados formados na presença de alanina apareceu mais arredondada e amorfa, enquanto puras precipitados Fe-oxi-hidróxido (assim como aqueles contendo pirofosfato) apareceu mais cristalina (Figura 9). Quando pirofosfato foi incluído na solução para injecção, um jardim ramificada química Fe-oxi-hidróxido formada, verde e turva precipitado adicional (provavelmente pirofosfato de ferro) e estendida formada a partir das bordas da estrutura (Figura 10). To precipitado pluma verde não fazia parte do jardim química, e quando a solução de reserva foi removido, as plumas em colapso e não agregam bem à estrutura principal.
O potencial de membrana em experiências químicas jardim foi gerado logo que o jardim química tornou-se visível (houve um tempo de atraso, como a solução de injecção viajou através do tubo). Nas experiências em que a solução de injecção foi de NaOH, NaOH com alanina, ou de NaOH com o pirofosfato, o potencial tende ao pico imediatamente em torno de 0,45 a 0,55 V e, em seguida, diminuiu para cerca de uma hora antes de se estabilizar em torno de 0,1 a 0,2 V para o resto da injecção primária . (Em experimentos onde a injecção primária era NaOH + pirofosfato + alanina, a tensão não atingir o pico no valor mais elevado de ~ 0,45-0,55; em vez disso, manteve-se em torno de ~ 0,2 para toda a injecção primária.) Houve diferenças no potencial da membrana em repetições da mesma experiência (Figura 11) <forte>, mas os padrões observados eram mais ou menos consistentes ao longo de quatro repetições de cada injecção química.
Quando as seringas primárias foram transferidos para as seringas secundários contendo sulfeto de sódio, o jardim química continuou a crescer, exceto que os novos crescimentos visíveis eram agora sulfeto de ferro preto. Ao invés de contribuir para as paredes existentes, as porções de sulfeto de negros do jardim química apareceu a ramificar e crescer separadamente. Assim que a solução atingiu a injecção de sulfeto de jardim química, o potencial da membrana imediatamente saltou para ~ 0,9 V. O valor do potencial de alcançar durante a injecção secundário foi o mesmo para todas as experiências, independentemente da solução de injecção primária (Figura 10). Isto é porque o potencial em experimentos químicos jardim é principalmente devido à química entre as duas soluções de interface, e uma vez que as nossas soluções de injeção secundário foram todos 50 mM Na 2 S • 9H Nós normalmente realizados quatro experimentos jardim químico de uma só vez, por meio de quatro garrafas de reservatório que foram alimentados por quatro seringas separadas e todos accionados com a mesma taxa pela bomba de seringa. Usando a mesma química em todas as quatro repetições, que muitas vezes observada grandes variações na estrutura química do jardim (tamanho total, o número de ramificações), bem como variações no potencial de membrana dentro de um intervalo de 0,1 - 0,2 V. Esta falta de reprodutibilidade é de se esperar em far-de-equilíbrio experiências quando tanta coisa depende de os meandros das condições iniciais. É provável que a formação aleatória de estrutura em jardins químicas por vezes conduz a precipitar com diferentes membranas de permeabilidade a iões; Em alguns casos, as soluções para injecção e são, provavelmente, melhor reservatório separado e, portanto, o potencial de membrana é capaz de ser mantida durante um período mais longo. Tabela 1. As tensões geradas por jardins químicos gerados por lentamente injetando primeiro um, então uma solução secundária primária em um reservatório. 1max V (AVG) 2max e V (AVG) são as médias das voltagens mais altas produzidas durante o primárioe injecções secundárias, respectivamente; σ é o desvio padrão. 
Figura 1. Preparação dos recipientes de reacção. Vasos de reacção para experiências químicas jardim injecção foram feitas cortando fora o fundo de uma garrafa de soro de 100 ml, a inserção de uma ponta de pipeta através de um septo W hich foi então selado friso para a garrafa, e anexar um tubo através do qual a alimentar a solução injectável. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 2. A colocação dos fios no vaso de reacção química jardim. (A) Vista de cima, mostrando a colocação do eléctrodo "interior" dentro da abertura de injecção. Este fio foi envolvido pelo jardim química quando se começou a crescer. O eletrodo "exterior" tinha de permanecer mais longe do ponto de injeção para que ele não foi tocado pela crescente jardim química. (B) Prenda os fios com fita adesiva para que eles não se movem ao longo da experiência.= "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 3. Criar o N2 headspace. Depois foi adicionada a solução de reservatório, um selo hermético foi formada sobre a parte superior do recipiente com Parafilm (cobrindo os eléctrodos bem), e depois uma alimentação de luz N2 foi inserido para manter as condições anóxicas durante todo o crescimento jardim química. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 4. crescimento Time-lapse de um jardim química. Este experimento continha FEC 75 mML 2 • 4H 2 O e mM de FeCl3 • 6H 2 O na solução reservatório 25. A primeira injecção foi NaOH 0,1 M + 10 mM K 2 P 4 O 7, e depois de 180 min a injeção foi comutada para 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 5. potenciais de membrana. Potencial de membrana foi gerado como um jardim química cresceu em torno do eletrodo interior. Após a primeira injecção de hidróxido de que em primeiro lugar formada a estrutura precipitado, a seringa foi transferido com uma seringa de solução de sulfeto de sódio. Nesta experiência, a solução reservatório foi de 75 mM de FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM de FeCl 
Figura 6. Seringa. (A) a inserção correta da agulha da seringa no tubo de plástico flexível. Cuidados devem ser tomados para não perfurar a tubulação -. Exemplo de inserção incorreta é mostrado em (B) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 8. O precipitado estabilidade. Fe (II / III) jardins químicos -hidróxido por vezes pode manter a estabilidade estrutural após a solução de reserva é cuidadosamente removido. O precipitado pode ser então amostrado para análise posterior se desejado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 9. Scanning Electron Microscopy Ambiental imagiologia. (A), Fe (II / III) jardins químicos -hidróxido, (B), Fe (II / III) -hidróxido jardins químicos contendo K 2 P 4 O 7, e (C) Fe ( II / III) -hidróxido jardins químicos contendo alanina. Todas as imagens são de jardins químicas após a injeção única primário. Os precipitados que incorporaram alanina pareceram arredondada e menos cristalina do que os precipitados de única Fe (II / III) -hidróxido e Fe (II / III) -hidróxido contendo K 2 P 4 O 7."target =" _ blank .jpg "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Jardins Figura 10. Chemical cultivadas em uma solução reservatório de FeCl mM de FeCl 3 mM de solução • 6H 2 O. (A) Injecção 2 • 75 4H 2 O + 25 continha 0,1 M de NaOH + 10 mM de K 2 P 4 O 7. Solução de (B) injecção continha NaOH 0,1 M + 10 mM de K 2 P 4 O 7 + 10 mM de alanina. Nos jardins químicos onde a solução injectável contido K 2 P 4 O 7, plumas verdes precipitado (setas) formados perto da pr sólidoramos ecipitate, mas essas penas não foram totalmente agregadas à estrutura principal e entrou em colapso quando a solução reservatório foi removido. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Potencial Figura 11. Membrana gerado por jardins cultivados em soluções químicas reservatório de 75 FeCl mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM 3 • 6H 2 O. Quatro repetições de cada experiência são mostrados. O potencial foi gerado logo que a solução de injecção viajou para cima no tubo e contactou osolução reservatório para produzir uma estrutura precipitado envolvendo o eléctrodo interior. A estrutura continuou a crescer à medida que a injeção primária prosseguiu. Quando a seringa foi trocada a solução de sulfeto de sódio e a injeção secundária começou (setas), o potencial aumento de 0,9-1,0 V. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Solução de reserva (100 ml) Uma injecção primária (6 ml) Injeção de taxa primária 1max V (AVG) Injeção secundária (6 ml) Secundário injeção Classificação 2máx V (avg) 75 mM de FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM de FeCl 3 6H 2 O • De NaOH 0,1 M 3 ml / hr 0,431 V, σ = 0,002 2 S 2 O • 9H 2 ml / hr 0,881 V, σ = 0,047 NaOH 0,1 M + 10 mM K 4 P 2 O 7 3 ml / hr 0,473 V, σ = 0,016 2 ml / hr 0,914 V, σ = 0,040 NaOH 0,1 M + 10 mM de alanina 3 ml / hr 0,485 V, σ = 0,044 2 ml / hr 0,929 V, σ = 0,015 NaOH 0,1 M + 10 mM de K 4 P 2 O 7 alanina + 10 mM 3 ml / hr 0,239 V, σ = 0,061 2 ml / hr 0,923 V, σ = 0,033
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Discussion
A formação de uma estrutura de jardim química através do método de injecção pode ser conseguida por qualquer interface duas soluções contendo iões reactivos que produzem um precipitado. Existem muitos sistemas reaccionais possíveis que irão produzir estruturas precipitado e encontrar a receita certa de iões reactivos e concentrações para crescer uma estrutura desejada é uma questão de tentativa e erro. A taxa de fluxo da solução de injecção é controlada por uma bomba programável de seringa e isto também pode ser variada entre os experimentos para simular diferentes taxas de fluxo de fluido num sistema natural. A estrutura de jardins químicos depende de muitos factores, incluindo a composição e a taxa de fluxo, e é possível cultivar estruturas em tão pouco quanto algumas horas e durante longos períodos de dias a semanas. Pode-se também adicionar outros componentes vestigiais de interesse para a solução de injecção ou reservatório, tal como moléculas orgânicas ou outros componentes que se pensa serem geológica ou biologicamente relevante <sup> 27,28. Dependendo da química, estes componentes podem ser incorporados no precipitado e / ou submetidos a reacções.
Existem vários métodos que têm sido utilizados em trabalhos anteriores para o cultivo de precipitados jardim química, incluindo o crescimento direto de dissolução de cristais ou pellets '18,29 e experimentos de injeção, como os apresentados aqui 30,31. Para projetar um experimento químico jardim onde é possível mensurar com fiabilidade o potencial de membrana, deve-se criar alguma forma de envolver completamente o "interior" fio dentro da membrana precipitado durante todo o experimento. Isto é difícil (apesar de não impossível 14) para realizar em experiências de crescimento de cristal. Em experiências anteriores de injecção 13, que têm geralmente observado que o fio deve ser colocada directamente no ponto de injecção, caso contrário, o jardim química frequentemente "evita" o fio à medida que cresce, assim leaving ambos os fios na solução de reservatório e nenhum potencial de membrana pode ser medida. Jardins química, cultivado através de injecção variar em estabilidade estrutural de acordo com o sistema (s) reagente químico usado - sistemas, por exemplo, ferro-silicato ou de ferro hidróxido dar estruturas mais robustas que permanecem em pé quando o fluido do reservatório é decantado, enquanto que os sistemas de ferro-sulfureto puro tendem a dar um precipitado muito mais gelatinoso, delicada que facilmente se recolhe a solução é perturbado. Um colapso do jardim químico ou qualquer ruptura significativa da membrana irá causar efeitos imediatos do potencial de membrana, tal como as distribuições desiguais de espécies carregadas através da membrana sangrar. Assim, neste tipo de experiência, é muito importante que os fios são cuidadosamente protegidas antes da injecção de modo a que eles não se moverá como o jardim química cresce, e que a instalação experimental / injecção é estável e não sofrer choques durante o crescimento.
Porqueapós a injecção de fluido que se escoa para dentro do reservatório é instrutiva, tubagem Tygon flexível transparente é recomendada em relação a outras possibilidades, tais como aço inoxidável. O tubo transparente permite a observação de partículas de precipitado que formam dentro da tubagem, permite que se desalojar obstruções, e permite a detecção / remoção de bolhas de ar. A desvantagem deste tubo é que ele pode ser facilmente perfurado pela agulha de seringa (Figura 6). Nós experimentado com seringas de comutação pela inserção da segunda agulha directamente para o tubo a partir do lado em frente da primeira injecção, em vez de mover efectivamente o tubo de uma seringa para outra, mas esta técnica era muito difícil de realizar sem o puncionamento. Outro benefício da tubagem Tygon é que, em caso de perfuração acidental durante a inserção de uma agulha, um pode simplesmente cortar a parte perfurada do tubo e volte a inserir a agulha.
O crescimento da membrana é dirigido pelo buoyancy e, em menor grau, a pressão de injecção. Uma alteração drástica na pressão de injecção pode causar um colapso da jardim química, especialmente em sistemas que não produzem precipitados sólidos. Ao mudar de seringas, é importante para manter a seringa a ser removido a, ou ligeiramente acima, o nível do fluido para evitar o fluxo para trás e para a desagregação provável. Tal acontecimento pode ser também ser evitada através da criação da experiência de modo a que a bomba de seringa está no nível aproximado dos reservatórios. Faz pouca diferença para os dados do potencial de membrana se a experiência "pausa" durante um período de tempo de interrupção, enquanto seringas, tanto tempo quanto o jardim química permanece intacta. Assim, recomenda-se trocar seringas com cuidado, um de cada vez, e garantir a seringa que está mantendo a pressão interna do jardim química para que ele não pode "fluir de volta", antes de passar para a próxima. A taxa de injecção deve ser mantido bastante constformiga entre as primeira e segunda injecções, e de um modo geral não deve ser demasiado rápido (tempo mínimo de experiência ~ várias horas), uma vez que o excesso de pressão de injecção irá romper a membrana.
Esta experiência é versátil na medida em que permite a investigação de crescimento precipitado de auto-montagem em uma variedade de sistemas de reacção, incluindo aqueles em que um ou mais reagentes estão presentes na mesma solução. A troca de seringas permite a possibilidade de crescimento de um jardim química estável usando uma reacção química, que, em seguida, utilizando a estrutura como um "reactor químico" para um segundo componente de passagem. Por exemplo, se se quisesse investigar se a moléculas orgânicas pode tornar-se absorvido e / ou reagem dentro de uma chaminé hidrotermal composto de minerais de ferro 26, pode-se crescer uma jardim química dos componentes inorgânicos relevantes e, em seguida, alimentado através de uma segunda seringa de solução contendo, por exemplo, nucleótidos, aminoácidos, péptidos,ARN ou 28. Isto teria o efeito de adsorver ou absorver os componentes orgânicos no precipitado em vez de lhes dissipar para o reservatório. Nas nossas experiências, observou-se que a injecção secundária causada chaminés de sulfureto de ferro para crescer em cima das chaminés de hidróxido de ferro existentes, presumivelmente através de rupturas na membrana original devido à pressão do fluido. Assim, os interiores dos diferentes chaminés poderia ser pelo menos um pouco conectado e as seções de diferentes minerais na membrana pode servir a funções diferentes em um cenário da origem da vida, por exemplo, sulfuretos de metal oxidação hidrotermal H 2 / redução oceânica CO 2 32,33 e ferro oxihidróxidos condução reações de fosfato e nitrato de amónio, reduzindo no local 5,34,35. Investigações ciência dos materiais pode ser conduzida usando este tipo de experiência bem; por exemplo, formando deliberadamente jardins químicas dos componentes catalíticas (por exemplo, alumíniominosilicates) e, em seguida, alimentando os outros componentes (por exemplo, moléculas orgânicas ou fosfatos) através deles para reagir. Também se poderia explorar formando materiais em camadas alternadas por seringas para produzir diferentes precipitados inorgânicos (como em Roszol e Steinbock 2011 23). É uma questão simples para manter os recipientes de reacção individuais em condições anaeróbias ou em qualquer espaço de topo de gás desejado durante a formação do jardim química.
As limitações deste tipo de experiência são principalmente devido ao fato de que as estruturas químicas de jardim em sistemas movidos pela inflação, flutuação e convecção são muito difíceis de controlar. As estruturas precipitado pode ser frágil e difícil de remover e analisar depois a experiência. Além disso, uma vez que o crescimento do jardim química é sempre imprevisível, a fim de assegurar a medição do potencial de membrana, o fio de "exterior" no reservatório deve ser afastado do ponto de injecção, para evitar que o Chemical jardim envolvendo ambos os fios. No entanto, tomando esta precaução significa que os fios não são geralmente idealmente perto da membrana. Em vez disso, medições do potencial de membrana inorgânica precisas pode ser conseguida através do crescimento da membrana em um modelo de papel de pergaminho entre as duas soluções de 36. Em experimentos de jardim químicos geralmente não é possível provar e / ou de outra forma medir (por exemplo, pH), a solução interior; análise detalhada em tempo real pode ser feito apenas com a solução reservatório.
Aberturas naturais também iria acolher gradientes térmicos entre o hidrotérmica fluido aquecido (~ 70-100 ° C) e o oceano 4, e de modo a simular sistemas hidrotermais, pode ser desejável fazer crescer o jardim química a uma temperatura mais elevada e pressão 37, o que coloca desafios com a configuração descrita aqui. Seria possível para embrulhar o frasco reservatório numa bobina de aquecimento, a fim de regular a temperatura antes de iniciar; No entanto, um diferemtipo de bomba pode ent ser necessário, a fim de aquecer a solução de injecção de forma semelhante. Para simular um sistema natural, pode ser necessário incluir gases dissolvidos (por exemplo, CO 2) quer em solução; enquanto isso pode ser mais fácil de realizar dentro do reservatório (simulador oceano), seria necessário uma preparação mais cuidadosa para a injecção (simulador hidrotermal). Em sistemas de águas profundas, a alta pressão pode afectar o crescimento de chaminé e química, e, dependendo da experiência, o aumento da pressão de gás em ambos os fluidos podem ter um efeito significativo (por exemplo, CO 2 dissolvido poderia resultar em ferro carbonato de precipitação no jardim química , também dependente da pressão hidrostática 6). Incorporando o aumento da temperatura e da pressão em experiências químicas deste tipo de jardim levaria a muitas possibilidades interessantes, uma vez que a temperatura e pressão afectar a solubilidade, a precipitação, e as propriedades específicas de muitas minerais.
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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 |
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