Introduction
"Jardines químicos" son precipitados inorgánicos autoensamblables desarrollados donde dos fluidos de químicas contrastantes interactúan 1,2. Estas estructuras inorgánicas de autoensamblaje han sido objeto de interés científico durante más de un siglo, en parte debido a su apariencia biomimético, y se han interpuesto numerosos estudios experimentales y teóricos para entender los diversos aspectos complejos y las posibles funciones de los sistemas jardín químicos 3. Ejemplos naturales de jardines químicos incluyen minerales "chimenea" precipitados que crecen alrededor de manantiales hidrotermales y filtraciones, y se ha argumentado que estos podrían proporcionar entornos plausibles para la vida emerja 4. Para cultivar un jardín química simulando un respiradero hidrotermal chimenea natural, una solución de reserva debe representar una composición océano simulado y una solución de inyección debe representar el fluido hidrotermal que alimenta en el océano. La versatilidad de este tipo of experimento para diferentes sistemas de reacción permite la simulación de casi cualquier química de los fluidos del océano / hidrotermal propuesto, incluyendo ambientes en la Tierra primitiva o en otros mundos. En la Tierra primitiva, los océanos habrían estado anóxico, ácido (pH 5-6), y habría contenido disuelto CO 2 atmosférico y Fe 2+, así como Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- y NO 2. Las reacciones químicas entre este agua de mar y la corteza oceánica ultramafic habrían producido un fluido hidrotermal alcalina que contiene hidrógeno y metano, y en algunos casos sulfuro (HS -) 4-8. Las chimeneas formadas en ambientes de ventilación alcalina tempranas de la Tierra por lo tanto podrían haber contenido oxihidróxidos férricos / ferrosos y sulfuros de hierro / níquel, y se ha propuesto que estos minerales podrían haber servido particulares funciones catalíticas y proto-enzimática hacia el aprovechamiento geoquímicos redox / gradientes de pH para conducir la aparición de Metabolism 5. Del mismo modo, en otros mundos como el que pueden albergar (o puede haber alojados) de agua / interfaces de roca - como Marte primitivo, la luna de Júpiter, Europa, o la luna de Saturno Encelado - es posible que la química del agua / roca podría generar entornos de ventilación alcalinos capaces de conducción química prebiótica o incluso proporcionar nichos habitables para la vida existente 5,9-11.
El clásico experimento jardín química implica un cristal de siembra de una sal de metal, por ejemplo, tetrahidrato de cloruro ferroso FeCl 2 • 4H 2 O, sumergido en una solución que contiene aniones reactivo, por ejemplo silicato de sodio o "vidrio soluble". La sal se disuelve de metal, creando una solución ácida que contiene Fe2 + que interactúa con la solución más alcalina (que contiene aniones de silicato y OH -) y se forma un precipitado membrana inorgánica. Las olas de membrana bajo presión osmótica, ráfagas, luego re-precipita unt la nueva interfaz de fluido. Este proceso se repite hasta que se disuelven los cristales, lo que resulta en una orientación vertical, la estructura precipitado auto-organizada con una morfología compleja en ambas escalas macro y micro. Este proceso de precipitación resultados en la separación continua de soluciones químicamente contrastantes través de la membrana jardín química inorgánica, y la diferencia de especies cargadas a través de la membrana produce un potencial de membrana 12-14. Estructuras de jardín Química son complejas, exhibiendo gradientes de composición desde el interior al exterior 13,15-19, y las paredes de la estructura mantener la separación entre las soluciones contrastadas por períodos largos sin dejar de ser un poco permeable a los iones. Además de ser un experimento ideal para fines educativos (ya que son fáciles de hacer para demostraciones en el aula, y pueden educar a los estudiantes acerca de las reacciones químicas y la auto-organización), jardines químicos tienen importancia científica como representaciones de la auto-assembly en dinámicos sistemas, lejos del equilibrio, que involucra métodos que pueden conducir a la producción de materiales interesantes y útiles 20,21.
Jardines química en el laboratorio también pueden ser cultivadas a través de métodos de inyección, en el que la solución que contiene un ion precipitando se inyecta lentamente en la segunda solución que contiene el ion (o iones) co-precipitación. Esto resulta en la formación de estructuras de jardín químicas similares a las de los experimentos de crecimiento de cristales, excepto que las propiedades del sistema y el precipitado se pueden controlar mejor. El método de inyección tiene varias ventajas significativas. Le permite a uno para formar un jardín química usando cualquier combinación de precipitantes o incorporados especies, es decir, múltiples iones precipitantes se pueden incorporar en una solución, y / o otros componentes no precipitante puede ser incluido en cualquiera de las soluciones para adsorber / reaccionan con el precipitado . El potencial de membrana generado en un producto químicosistema de jardín se puede medir en un experimento inyección si un electrodo se incorpora en el interior de la estructura, permitiendo así estudio electroquímico del sistema. Experimentos de inyección ofrecen la posibilidad de alimentar la solución de inyección en el interior del jardín química para marcos de tiempo controlados mediante la variación de la velocidad de inyección o el volumen total inyectado; por lo tanto es posible alimentar a través de diferentes soluciones de forma secuencial y utilizar la estructura de precipitado como una trampa o reactor. Combinadas, estas técnicas permiten simulaciones de laboratorio de los complejos procesos que podrían haber ocurrido en un sistema de jardín químico natural en un respiradero hidrotermal submarina, incluyendo una chimenea formado de muchas reacciones de precipitación simultáneas entre el océano y la ventilación de fluido (por ejemplo, la producción de sulfuros, hidróxidos , y / o carbonatos y silicatos) 5,22. Estas técnicas también se pueden aplicar a cualquier sistema de reacción jardín química para permitir la formación de nuevos tiposde materiales, por ejemplo, tubos de capas o tubos con especies reactivas adsorbidos 20,23.
Detallamos aquí un experimento de ejemplo que incluye el crecimiento simultáneo de dos jardines químicos, Fe 2 + que contienen estructuras en un ambiente anóxico. En este experimento se incorporaron cantidades traza de polifosfatos y / o aminoácidos en la solución inicial de inyección para observar su efecto sobre la estructura. Después de la formación inicial del jardín química que luego cambiamos la solución de inyección para introducir el sulfuro como un anión precipitante secundaria. Las mediciones de los potenciales de membrana se realizan automáticamente durante todo el experimento. Este protocolo describe cómo ejecutar dos experimentos a la vez utilizando una bomba de jeringa dual; Los datos mostrados requieren múltiples carreras de este procedimiento. Las tasas relativamente altas de flujo, pH bajo de las concentraciones del yacimiento y reactivos empleados en nuestros experimentos están diseñados para formar precipitados gran chimenea en tiempo sccervezas adecuados para experimentos de laboratorio de un día. Sin embargo, las tasas de flujo de fluido en fuentes hidrotermales naturales pueden ser mucho más difusa y las concentraciones de reactivos precipitantes (por ejemplo, Fe y S en un sistema de la Tierra temprana) podrían ser un orden de magnitud inferior 4; por lo tanto, precipitados estructurados se forman en escalas de tiempo más largos y la rejilla de ventilación podrían estar activos durante decenas de miles de años 24,25.
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Protocol
1. Consideraciones de seguridad
- Use el equipo de protección personal (bata de laboratorio, gafas de protección, guantes de nitrilo, zapatos adecuados) para prevenir contra derrames químicos o lesión. Use jeringas y agujas, y tener cuidado de no perforar los guantes. Tenga cuidado durante el montaje experimental para comprobar el aparato que no haya fugas mediante la realización de la inyección primero con doble destilada H 2 O (ddH2O), y para comprobar la estabilidad de los viales de reacción sobre el soporte, antes de añadir productos químicos.
- Llevar a cabo este experimento con cualquier receta jardín química, pero uno de los reactivos que utilizamos para simular los respiraderos de aguas profundas es una sustancia química peligrosa, sulfuro de sodio; por lo tanto, hacer todo el experimento dentro de una campana de humos para evitar la exposición.
- Sólo abrir la botella de sulfuro de sodio en la campana de humos y coloque un equilibrio dentro de la campana de humos para el pesaje de sulfuro. Mantenga siempre las soluciones que contienen sulfuro dentro de la campana de extracción a medida que liberan tóxicos H 2 S de gas, y también mantener Sulfide líquido, objetos punzantes, y contenedores de residuos sólidos en la campana de humos. Otro reactivo de interés es Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, que se oxida al contacto con el aire, así que tenga cuidado de mantener soluciones anóxica y crecer jardines químicos bajo un espacio de cabeza anóxica (por ejemplo, N2 o Ar), siempre dentro una campana de humos o en la guantera.
2. Configuración para experimentos de inyección
- Crear vidrio "viales de inyección" por el corte de la parte inferior 1 cm de un 100 ml de vidrio claro de engarce botella de suero superior (20 mm engarzado sello tipo de cierre) con un cortador de vidrio de modo que, cuando se invierte, el recipiente está abierto al aire. A medida que estos son reutilizables, limpiar los viales en un 1 M de HCl baño de ácido O / N, y luego enjuague bien con ddH2O antes de que un nuevo experimento.
- Preparar los viales de inyección (Figura 1).
- Reunir un tabique de 20 mm, 20 mm de aluminio engarzado sello, y una punta de pipeta de plástico 0,5-10 l. El uso de un ne 16 G jeringaedle, perfore cuidadosamente un agujero a través del centro del tabique, luego retire y deseche la aguja en el contenedor de residuos cortopunzantes apropiado.
- Inserte la punta de la pipeta en el agujero de la aguja, en el lado del tabique de goma que se enfrentará el interior de la parte superior de engarce del vial. Empuje la punta de la pipeta a través del septo de modo que empuja hacia fuera el otro lado.
- Crimp-sellar el tabique con punta de la pipeta en el recipiente de la inyección para hacer un sello hermético. Cuando sellada, empuje la punta de la pipeta aún más a través del tabique de manera que sobresalga fuera.
- Fije la tubería resistente a productos químicos 1/16 "diámetro interior clara flexible a la punta de la pipeta (longitud del tubo debe llegar desde el vial de inyección de la bomba de jeringa); deslice hacia arriba para un sello hermético.
Nota: Este será el tubo de inyección, alimentada desde el otro extremo por una jeringa con aguja 16 G. - Compruebe si hay fugas: Inserte una jeringa de 10 ml lleno de ddH 2 O con una aguja de 16 G en el otro extremo de la tubería(sin problemas deslice el tubo directamente a la aguja y tener cuidado de no perforar la pared del tubo). Inyecte lentamente de modo que la ddH 2 O se mueve hacia arriba el tubo y en la parte inferior del recipiente de reacción. Asegúrese de que la jeringa / tubo, tubo / punta y crimpado sellos son herméticos.
- Sujetar los viales de inyección en un soporte en una campana de humos, por lo que la inyección se alimentará desde la parte inferior del vial.
Nota: viales de múltiples se pueden configurar a la vez y se alimentaron simultáneamente por jeringas separadas. - Establecer electrodos para medir el potencial de membrana a través de la pared de los jardines químicos. Utilice siempre el mismo convenio para que el plomo es "dentro" y que está "fuera" de los jardines químicos.
- Cortar trozos de alambre aislado (por ejemplo, cobre) que llegan desde el interior de los recipientes de reacción a la iniciativa del multímetro o registrador de datos. Deja un poco de holgura en los cables para el posicionamiento.
- Strip ~ 3 mm de lacable desnudo en los extremos que se ubicarán en el interior del vial de reacción. En los otros extremos que se conectarán a los cables del multímetro, tira ~ 1 cm de alambre.
- Fijar los cables en su lugar para medir el potencial de membrana a través del jardín química. Para el cable que irá dentro del jardín química: la inserta en la apertura de la punta de la pipeta de la cual el fluido se alimentará en el vaso.
- Empuje el alambre en la ligera para asegurar el contacto con la solución de inyección, pero no tan lejos que se va a obstruir el flujo de inyección. Para el alambre exterior: lugar de modo que estará en contacto con el depósito de la solución, pero no con el precipitado jardín química.
- Tape o de otra manera asegurar los cables de modo que no pueden moverse en el interior del vial de inyección durante el experimento (Figura 2).
- Conecte los otros extremos de los cables al multímetro, y asegurar los cables de manera que los extremos también no se mueven durante todo el experimento.
- Configure N 2
- Dividir la alimentación de gas de una fuente de N 2 en varios tubos, de modo que hay una N 2 de alimentación para cada vial de inyección.
- Colocar cada tubo 2 N de manera que se alimenta en el espacio de cabeza de uno de los viales de inyección.
3. Preparación de Soluciones para la química Jardín Crecimiento
- Preparar la solución de depósito, a 100 ml para cada experimento. Nota: En este ejemplo, utilizar mM Fe 2+ 75 y 25 mM Fe 3+ como los cationes precipitantes (Tabla 1).
- Crear soluciones anóxicas por primera burbujeando el ddH 2 O con N 2 gas durante ~ 15 min por 100 ml.
- Pesar y añadir el FeCl2 • 4H 2 O y FeCl3 • 6H 2 O, revolviendo suavemente para disolver (no con vigor a fin de no introducir oxígeno).
- Después se disuelven los reactivos, Resum inmediatamentee la luz de propagación del Fe 2+ / Fe 3+ solución con gas N2, mientras que las inyecciones se preparan.
- Elija cualquier dos de las soluciones de inyección primarios mostrados en la Tabla 1, y preparar 10 ml de cada uno. Llene una jeringa 10 ml hasta la marca de 7 ml con cada una de las soluciones (una jeringa para cada solución). Vuelva a colocar las tapas de aguja y reservar.
- Preparar 20 ml de la solución de inyección secundaria (sulfuro de sodio - Precaución). Mostrados en la Tabla 1 Llenar dos 10 ml jeringas a la marca de 7 ml con esta solución, coloque las tapas de aguja y reservar. Mantenga siempre las soluciones que contienen sulfuro y jeringas en la campana de humos.
- Vuelva a llenar el ddH2O jeringas de Paso 2.2.5; estos se utilizan para enjuagar el tubo de inyección.
4. A partir de la primera inyección
- Utilice registrador de datos deseado para la membrana mediciones potenciales; medir el potencial de cada experimento en una separate canal y ajustar la velocidad de barrido para dar la cantidad deseada de puntos de datos (por ejemplo, para una inyección de 2 horas, grabando potencial de cada 30 segundos sería suficiente).
- Asegure las jeringas de inyección primaria en la bomba de jeringa programables en la campana de humos.
- Use un vaso de precipitados de residuos para coger goteos y establecer la bomba de jeringa para inyectar a un ritmo rápido hasta que las jeringas ambos comienzan a gotear en el vaso. A continuación, detenga la inyección (con el fin de asegurar que las dos jeringas comenzar a inyectar exactamente al mismo nivel).
- Re-programa de la bomba de jeringa para inyectar a los 2 ml por hora (calibrar para el tipo de jeringa que se utiliza), pero no golpear comienzo.
- Inserte los ddH2O jeringas en los dos tubos de inyección de plástico, e inyectar de manera que el agua llena el tubo transparente hasta la abertura donde entra en el reservorio principal. Coloque las jeringas en el stand, por encima de los viales de inyección.
- Verter 100 ml de solución de depósito de la Fe 2+ / Fe 3+ en eavial ch.
- Ajustar el flujo de las líneas de gas N 2 como se desee para mantener la anóxica experimento para la duración de las inyecciones.
- Cubrir cuidadosamente los viales del yacimiento con un sello hermético (por ejemplo, utilizando Parafilm; no obstruir la vista a través del cristal) e inserte un feed N 2 en cada vial (Figura 3).
- Traiga las ddH2O jeringas (siendo insertados en el tubo) al lado de las jeringas de inyección primaria. Cuidadosamente deslice el tubo de plástico por inyección de la aguja de la jeringa O ddH 2, y transferir inmediatamente directamente sobre una de las agujas jeringa de inyección primaria. (Tenga cuidado para no romper la pared de la tubería.)
- Inicie la inyección, y comenzar la grabación de potencial de membrana.
5. A partir de la inyección secundaria:
- Hit parada de la bomba de jeringa después de 3 horas (después de haber sido inyectada 6 ml), estructuras de jardín vez químicas han formado (Figure 4), generando continuamente un potencial de membrana (Figura 5).
- Retire con cuidado las jeringas primarios de inyección de la bomba de jeringa (pero déjelos conectados a la tubería por lo que las estructuras no son perturbados); ponerlos en el soporte por encima del nivel del fluido en los viales de manera que el fluido no puede fluir de nuevo en la jeringa.
- Asegure las jeringas de sulfuro de inyección secundarias a la bomba de jeringa, y repita los pasos 4.3 y 4.4.
- Retire las jeringas secundarios uno a la vez de la bomba de jeringa, y, mientras mantiene las jeringas por encima del nivel del fluido en los viales, repita el paso 4.9, transfiriendo el tubo desde las jeringas primarias para las jeringas secundarias (Figura 6). Sea vigilante que la presión de fluido desde el depósito en la jeringa no causa que el fluido fluya de nuevo en la jeringa ya que esto podría colapsar el jardín química.
- Cuando se complete la transferencia, fije atentamente las jeringas secundarias a thbomba de jeringa e.
- Re-programa de la bomba de jeringa para inyectar a los 2 ml por hora, y pulsa START para continuar la inyección con la nueva solución de inyección.
- Deseche las jeringas de inyección primaria.
6. Poner fin al experimento
- La primera parada la bomba de jeringa, y luego se detiene la grabación del potencial de membrana y guardar los datos.
- Apague el flujo de N 2 y quitar las líneas y el Parafilm de los vasos de inyección.
- Si se desea, muestras de la solución de depósito o precipitar para su posterior análisis. Para quitar cuidadosamente la solución de depósito y no perturbar el precipitado, utilice una pipeta de 25 ml pipetear con cuidado la solución de depósito en varias alícuotas, y desechar la solución en un vaso de precipitados de residuos.
- Desembridar los vasos de inyección de uno a la vez y se vierte la solución en un vaso de precipitados de transferencia de residuos en la campana de humos. Utilice ddH2O para enjuagar piezas de precipitado.
- Retire las jeringas from la bomba de jeringa, y extraerlos de la tubería, dejando que el exceso de líquido de inyección se escurra en el vaso de precipitados de transferencia de residuos. Vacíe las jeringas en el vaso de residuos, y disponer de las jeringas en un contenedor de objetos punzantes sulfuro de mantenerse en la campana de humos.
- Retire el tubo del vial experimento y disponer de ella en una bolsa de residuos sólidos. Uncrimp el sello y disponer del tabique, sello, y punta de la pipeta.
- Enjuague el experimento vial de vidrio y sumergirlo en un 1 M de HCl baño de ácido O / N. (PRECAUCIÓN - material de vidrio que ha estado en contacto con sulfuro de sodio lanzará tóxicos H 2 S de gas cuando se coloca en ácido Mantenga baños de ácido dentro de la campana de humos..)
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Representative Results
Una vez que la solución de inyección comenzó a alimentar en la solución reservorio, un precipitado jardín química comenzó a formarse en la interfaz de fluido y esta estructura continuó creciendo en el transcurso de la inyección (Figuras 4-7). En los experimentos publicados aquí, la primera inyección fue de hidróxido de sodio (que puede ser modificado para incluir L-alanina y / o pirofosfato), y la solución de depósito fue una mezcla 1: 3 de Fe 3+ / Fe2 +, produciendo un mezclado -redox estado precipitado oxihidróxido de hierro. Los jardines químicos típicamente exhibieron una morfología de color dual - algunas piezas del precipitado eran de color verde oscuro (probablemente indica un oxihidróxido mixto) y otras piezas eran de color naranja (que probablemente indica principalmente un Fe 3+ -oxyhydroxide / óxido). El hierro oxihidróxido jardines químicos eran bastante estructuras sólidas y eran a menudo capaces de permanecer en posición vertical cuando la solución de depósito fue retirado de la embarcación después de la inyección (Fifigura 8). En precipitados que sólo contienen Fe-oxihidróxido, los jardines químicos normalmente forman varias ramas; sin embargo, cuando el aminoácido alanina hidrófobo se incluyó en la solución de inyección, los jardines químicos tendían a formar un menor número de ramas o incluso una sola columna de precipitado. Esta inhibición de la ruptura y la ramificación presumiblemente indica que la adición de alanina produce una pared más durable jardín química 26. Bajo microscopía electrónica de barrido ambiental (ESEM), los precipitados formados en presencia de alanina parecían más redondeada y amorfa, mientras que los precipitados Fe-oxihidróxido puros (así como los que contienen pirofosfato) apareció más cristalino (Figura 9). Cuando pirofosfato se incluyó en la solución de inyección, un jardín química Fe-oxihidróxido ramificado formado, y precipitado adicional verde nublado (probable pirofosfato de hierro) formado y se extiende desde los bordes de la estructura (Figura 10). Tsu penacho precipitado verde no era parte del jardín química, y cuando se retiró la solución de depósito, las plumas se derrumbó y no agregación de bien a la estructura principal.
El potencial de membrana en experimentos jardín químicos se generó tan pronto como el jardín química se hizo visible (hubo un tiempo de retraso, como la solución de inyección viajó a través de la tubería). En experimentos en los que la solución de inyección era NaOH, NaOH con alanina, o NaOH con pirofosfato, el potencial tiende a alcanzar su punto máximo inmediatamente alrededor de 0,45 a ,55 V y luego disminuyó durante aproximadamente una hora antes de estabilizarse alrededor del 0,1 a 0,2 V para el resto de la inyección primaria . (En experimentos en los que la inyección primaria era NaOH + pirofosfato + alanina, la tensión no pico en el valor más alto de ~ 0,45 a 0,55, sino que se mantuvo alrededor de ~ 0.2 para toda la inyección primaria.) Hubo diferencias en el potencial de membrana en repeticiones del mismo experimento (Figura 11) <strong>, pero los patrones observados eran más o menos constante a lo largo de cuatro repeticiones de cada inyección química.
Cuando las jeringas primarias fueron cambiados a las jeringas secundarias que contienen sulfuro de sodio, el jardín química continuó creciendo, excepto que los nuevos crecimientos visibles eran ahora sulfuro de hierro negro. En vez de contribuir a las paredes existentes, las porciones de sulfuro negras del jardín química parecían ramifican y crecer por separado. Tan pronto como la solución de inyección de sulfuro alcanzó el jardín químico, el potencial de membrana de inmediato saltó a ~ 0,9 V. El valor del potencial alcanzado durante la inyección secundaria era la misma para todos los experimentos, independientemente de la solución de inyección primaria (Figura 10). Esto es debido a que el potencial en experimentos de jardín químicos se debe principalmente a la química entre las dos soluciones de interfaz, y puesto que nuestras soluciones de inyección secundarias eran todos 50 mM Na 2 S • 9H Nos lleva a cabo típicamente cuatro experimentos jardín química a la vez, utilizando cuatro botellas de depósito que fueron alimentados por cuatro jeringas separadas y todos impulsados a la misma velocidad por la bomba de jeringa. Utilizando la misma química en los cuatro duplicados, se observa a menudo grandes variaciones en la estructura química de jardín (tamaño total, el número de ramas), así como las variaciones en el potencial de membrana dentro de un rango de 0,1 - 0,2 V. Esta falta de reproducibilidad es de esperar en el momento del equilibrio experimentos cuando tanto depende de las complejidades de las condiciones iniciales. Es probable que la formación aleatoria de la estructura en los jardines químicas conduce a veces a precipitar membranas con diferentes permeabilidad a los iones; En algunos casos, las soluciones de inyección y el depósito son probablemente mejores separada y por lo tanto el potencial de membrana es capaz de ser mantenido durante un período más largo. Tabla 1. Las tensiones generadas por jardines químicos generados por la inyección lentamente primero una primaria, secundaria y luego una solución en un depósito. V 1max (promedio) y V 2 máx (promedio) son los promedios de las más altas tensiones producidas durante la primariae inyecciones secundarias, respectivamente; σ es la desviación estándar. 
Figura 1. Preparación de los recipientes de reacción. Los recipientes de reacción para la inyección experimentos químicos jardín se hicieron cortando la parte inferior de una botella de suero 100 ml, la inserción de una punta de pipeta a través de un septum w hich fue luego selló con plegamiento de la botella y, adjuntando un tubo a través del cual para alimentar la solución inyectable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 2. Colocación de los cables en el recipiente de reacción química jardín. (A) Vista desde arriba, que muestra la colocación del electrodo de "interior" en la abertura de inyección. Este cable fue envuelto por el jardín químico cuando comenzó a crecer. El electrodo "externa" tuvo que permanecer más lejos del punto de inyección por lo que no fue tocado por la creciente jardín química. (B) Fije los cables con cinta para que no se muevan durante todo el experimento.= "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 3. Crear el espacio de cabeza N 2. Después se añadió la solución de depósito, se formó un sello hermético sobre la parte superior del recipiente con Parafilm (que cubre los electrodos también), y luego se inserta una fuente de luz N 2 para mantener las condiciones anóxicas en todo el jardín crecimiento química. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 4. Crecimiento Time-lapse de un jardín químico. Este experimento contenía FeC 75 mMl 2 • 4H 2 O y 25 mM FeCl3 • 6H 2 O en la solución de depósito. La primera inyección fue de 0,1 M NaOH + 10 mM de K 2 P 4 O 7, y después de 180 minutos de la inyección se cambió a 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 5. potenciales de membrana. Potencial de membrana se generó como un jardín química creció alrededor del electrodo interior. Después de la inyección primaria de hidróxido primero que forma la estructura precipitado, la jeringa se conectó con una jeringa de solución de sulfuro de sodio. En este experimento, la solución de reserva era 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl 
Figura 6. jeringa. (A) La correcta inserción de la aguja de la jeringa en el tubo de plástico flexible. Se debe tener cuidado de no perforar el tubo -. Ejemplo de inserción incorrecta se muestra en (B) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 8. precipitado estabilidad. Fe (II / III) jardines -hydroxide químicos a veces puede mantener la estabilidad estructural después de la disolución de reserva se retira cuidadosamente. El precipitado puede entonces ser muestreado para su posterior análisis si deseado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 9. electrónica de barrido ambiental de imágenes de microscopía. (A) Fe (II / III) jardines químicas -hydroxide, (B) Fe (II / III) jardines químicas -hydroxide que contienen K 2 P 4 O 7, y (C) Fe ( II / III) jardines químicas -hydroxide que contiene alanina. Todas las imágenes son de los jardines químicos después solamente de la primera inyección. Los precipitados que incorporaron alanina parecían redondeadas y menos cristalino que el precipitados de solamente Fe (II / III) -hydroxide y Fe (II / III) -hydroxide que contiene K 2 P 4 O 7..jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Jardines Figura 10. Químicas cultivadas en una solución de reserva de 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM solución FeCl 3 • 6H 2 O. (A) Inyección contenían 0,1 M NaOH + 10 mM de K 2 P 4 O 7. Solución (B) Inyección contenía 0,1 M de NaOH + 10 mM de K 2 P alanina 4 O 7 + 10 mM. En jardines químicos en la solución inyectable contenida K 2 P 4 O 7, penachos precipitado verde (flechas) se formaron cerca de la pr sólidoramas ecipitate, pero estas plumas no estaban totalmente agregan a la estructura principal y se derrumbó cuando se retiró la solución de reserva. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 
Figura 11. Potencial de membrana generado por jardines químicos cultiva en soluciones de depósito de 75 mM FeCl mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 3 • 6H 2 O. Se muestran cuatro repeticiones de cada experimento. El potencial fue generado tan pronto como la solución de inyección viajó por el tubo y en contacto con lasolución de reserva para producir una estructura de precipitado que envuelve el electrodo interior. La estructura continuó creciendo a medida que la inyección primaria procedió. Cuando la jeringa se cambió a la solución de sulfuro de sodio y la inyección secundaria comenzó (flechas), el potencial aumenta hasta 0,9 a 1,0 V. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Solución Embalse (100 ml) Inyección primaria (6 ml) Tasa de Inyección Primaria V 1max (promedio) Inyección secundaria (6 ml) Secundaria tasa de inyección V 2 máx (promedio) 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O 0,1 M NaOH 3 ml / h 0.431 V, σ = 0.002 2 S • 9H 2 O 2 ml / h 0.881 V, σ = 0,047 0.1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 3 ml / h 0.473 V, σ = 0,016 2 ml / h 0.914 V, σ = 0,040 0.1 M NaOH + alanina 10 mM 3 ml / h 0.485 V, σ = 0,044 2 ml / h 0.929 V, σ = 0,015 0.1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 alanina + 10 mM 3 ml / h 0.239 V, σ = 0.061 2 ml / h 0.923 V, σ = 0,033
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Discussion
La formación de una estructura química a través de jardín método de inyección se puede lograr mediante la interconexión dos soluciones que contienen iones reactivos que producen un precipitado. Hay muchos sistemas de reacción posibles que producirán estructuras precipitado y encontrar la receta adecuada de iones reactivos y concentraciones para hacer crecer una estructura deseada es una cuestión de prueba y error. El caudal de la solución de inyección se controla mediante una bomba de jeringa programable y esto también se puede variar entre los experimentos para simular diferentes tasas de flujo de fluido en un sistema natural. La estructura de jardines químicas depende de muchos factores, incluyendo la composición y velocidad de flujo, y es posible hacer crecer estructuras en tan poco como unas pocas horas y durante períodos más largos de días a semanas. También se puede agregar otros componentes traza de interés en la solución de inyección o depósito, tales como moléculas orgánicas o de otros componentes piensa que es geológicamente o biológicamente relevante <sup> 27,28. Dependiendo de la química, estos componentes pueden ser incorporados en el precipitado y / o experimentan reacciones.
Hay varios métodos que se han utilizado en trabajos anteriores para el cultivo de precipitados jardín química, incluyendo el crecimiento directo desde la disolución de cristales o 'bolitas' 18,29 y experimentos de inyección como los que aparecen aquí 30,31. Para diseñar un experimento de jardín químico, cuando es posible medir con fiabilidad el potencial de membrana, se debe crear alguna manera de envolver por completo el "interior" de alambre dentro de la membrana precipitado durante todo el experimento. Esto es difícil (aunque no imposible 14) para llevar a cabo en experimentos de crecimiento de cristales. En experimentos de inyección 13 anteriores, hemos observado en general que el cable debe colocarse directamente en el punto de inyección, de lo contrario el jardín químico menudo "evita" el hilo a medida que crece, por lo tanto leaving ambos cables en la solución de depósito y no el potencial de membrana se puede medir. Jardines químicos cultivadas a través de inyección varían en estabilidad estructural en función del sistema (s) reactivo químico utilizado - sistemas por ejemplo, hierro-silicato o de hierro hidróxido dan estructuras más robustas que permanecen en pie cuando se decanta el líquido del depósito, mientras que los sistemas de hierro-sulfuro puros tienden a dar un delicado precipitado mucho más gelatinosa, que se derrumba fácilmente si se altera la solución. Un colapso del jardín química o cualquier ruptura significativa de la membrana provocará efectos inmediatos en el potencial de membrana, como las distribuciones desiguales de especies cargadas a través de la membrana sangran a cabo. Por lo tanto, en este tipo de experimento, es muy importante que los cables están asegurados cuidadosamente antes de la inyección de modo que no se mueven como el jardín química crece, y que la configuración experimental / inyección es estable y no empujado durante el crecimiento.
Porquedespués de la inyección del fluido que fluye en el depósito es instructivo, se recomienda tubo Tygon transparente flexible sobre otras posibilidades tales como acero inoxidable. El tubo transparente permite la observación de partículas de precipitado que forman dentro de la tubería, le permite a uno para desalojar las obstrucciones, y permite la detección / eliminación de burbujas de aire. La desventaja de este tubo es que puede ser fácilmente perforada por la aguja de la jeringa (Figura 6). Hemos experimentado con jeringas de conmutación mediante la inserción de la segunda aguja directamente en el tubo desde el lado delante de la primera inyección, en lugar de mover realmente el tubo de una jeringa a otra, pero esta técnica era muy difícil de lograr sin perforar. Otro beneficio de la tubería de Tygon es que, en caso de pinchazo accidental mientras que la inserción de una aguja, uno puede simplemente cortar la parte perforado del tubo fuera y volver a insertar la aguja.
El crecimiento de la membrana es dirigida por el buoyancy y, en menor grado, la presión de inyección. Un cambio drástico en la presión de inyección puede causar un colapso del jardín química, especialmente en sistemas que no producen precipitados sólidos. Al cambiar las jeringas, es importante para mantener la jeringa que se retira en, o justo por encima, el nivel de fluido para evitar el flujo hacia atrás y la desagregación probable. Tal evento también podría ser evitado mediante la creación de la experiencia de tal manera que la bomba de jeringa está en el nivel aproximado de los embalses. No hay mucha diferencia con los datos de potenciales de membrana si el experimento "pausa" durante un período de tiempo mientras que el cambio de jeringas, siempre y cuando el jardín químico permanece inalterado. Por lo tanto, se recomienda cambiar las jeringas con cuidado, uno a la vez, y asegurar la jeringa que está sosteniendo la presión interna del jardín química de modo que no puede "fluir de vuelta", antes de pasar a la siguiente. La velocidad de inyección debe mantenerse bastante consthormiga entre la primera y segunda inyecciones, y en general no deben ser demasiado rápido (tiempo mínimo experimento ~ varias horas), ya que el exceso de presión de inyección se rompa la membrana.
Este experimento es muy versátil en que permite para la investigación de crecimiento precipitado auto-montaje en una variedad de sistemas de reacción, incluidos aquellos en los que uno o más reactivos están presentes en la misma solución. El intercambio de jeringas permite la posibilidad de crecer un jardín química estable usando uno química de la reacción, a continuación, utilizando esa estructura como un "reactor químico" para un segundo componente que pasa a través. Por ejemplo, si uno quería investigar si moléculas orgánicas pueden ser absorbidos y / o reaccionar dentro de una chimenea hidrotermal compuesto de minerales de hierro 26, se podría cultivar un jardín química de componentes inorgánicos pertinentes y luego alimentar a través de una segunda jeringa de la solución que contiene, por ejemplo, nucleótidos, aminoácidos, péptidos,28 o ARN. Esto tendría el efecto de la adsorción y la absorción de los componentes orgánicos en el precipitado en lugar de ellos disipar en el depósito. En nuestros experimentos, hemos observado que la inyección secundaria causada chimeneas de sulfuro de hierro para crecer en la parte superior de las chimeneas de hidróxido de hierro existentes, presumiblemente a través de las rupturas en la membrana original debido a la presión del fluido. Por lo tanto, los interiores de los diferentes chimeneas podrían ser al menos algo conectado y las secciones de diferentes minerales en la membrana pueden servir diferentes funciones en un escenario del origen de la vida, por ejemplo, sulfuros de metal oxidante hidrotermal H 2 / reducción de CO oceánica 2 32,33 y hierro oxihidróxidos conducción reacciones de fosfato y la reducción de nitrato a amonio en el sitio 5,34,35. Investigaciones de ciencias materiales se pueden realizar con este tipo de experimento, así; por ejemplo, formando deliberadamente jardines químicas de los componentes catalíticos (por ejemplo, aluminosilicates) y luego la alimentación de otros componentes (por ejemplo, moléculas orgánicas o fosfatos) a través de ellos para reaccionar. También se podría explorar la formación de materiales en capas alternando jeringas para producir diferentes precipitados inorgánicos (como en Roszol y Steinbock 2011 23). Es una simple cuestión de mantener los recipientes de reacción individuales en condiciones anaerobias o cualquier espacio de cabeza de gas deseado durante la formación de jardín química.
Las limitaciones de este tipo de experimento se deben principalmente al hecho de que estructuras de jardín químicos en sistemas accionados por la inflación, la flotabilidad y la convección son muy difíciles de controlar. Las estructuras de precipitado pueden ser frágiles y difíciles de eliminar y analizar después del experimento. Además, ya que el crecimiento del jardín químico es siempre impredecible, con el fin de garantizar una medición del potencial de membrana, el alambre "exterior" en el depósito debe estar distanciado del punto de inyección, para evitar que el chemical jardín que envuelve a los dos cables. Sin embargo, toma esta precaución significa que los cables no suelen ser idealmente cerca de la membrana. En su lugar, la membrana inorgánica mediciones precisas potenciales pueden ser alcanzados por el crecimiento de la membrana en una plantilla de papel de pergamino entre las dos soluciones 36. En experimentos de jardín químicos no suele ser posible a la muestra y / o de otra manera de medir (por ejemplo, pH) de la solución interior; análisis detallado en tiempo real sólo puede hacerse en la solución de depósito.
Respiraderos naturales también podrían albergar los gradientes térmicos entre el fluido calentado hidrotermal (~ de 70-100 ° C) y el océano 4, y así para simular sistemas hidrotermales puede ser deseable para hacer crecer el jardín química a una temperatura y presión más altas 37, lo que plantea retos con la configuración que se describe aquí. Sería posible envolver la botella depósito en una bobina de calentamiento con el fin de regular la temperatura antes de comenzar; sin embargo, una diferirent tipo de bomba puede ser necesario con el fin de calentar de manera similar la solución de inyección. Para simular un sistema natural, podría ser necesario incluir gases disueltos (por ejemplo, CO 2) en solución; si bien esto podría ser más fácil de lograr dentro del depósito (simulante océano), se requeriría una preparación más cuidadosa para la inyección (simulante hidrotermal). En los sistemas de aguas profundas, la alta presión podría afectar el crecimiento de la chimenea y la química, y, dependiendo del experimento, el aumento de presión de gas en ambos fluidos podría tener un efecto significativo (por ejemplo, disuelto CO 2 podría resultar en hierro precipitación de carbonato en el jardín químico , también depende de la presión hidrostática 6). La incorporación de aumento de la temperatura y la presión en los experimentos de jardín químicas de este tipo daría lugar a muchas posibilidades interesantes, ya que la temperatura y la presión afectan a la solubilidad, la precipitación, y las propiedades específicas de muchos minerales.
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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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