Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

Published: November 18, 2015 doi: 10.3791/53015
Automatic Translation
1,2,3, 1,2, 1,2, 1,3,4, 1,2, 1, 1,2
1NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2NASA Astrobiology Institute, Icy Worlds, 3Blue Marble Space Institute of Science, 4Citrus College

Introduction

"גנים כימיים" הם משקעים אורגניים הרכבה עצמית המפותחים שבו שני נוזלים של chemistries מנוגד האינטראקציה 1,2. מבנים אורגניים הרכבה העצמית אלה היו הנושא של עניין מדעי במשך יותר ממאה בחלקו בשל המראה שלהם biomimetic, ורבים מחקרים ניסיוניים ותיאורטי כבר רדפו להבין את ההיבטים השונים מורכבים ופונקציות אפשריות של מערכות גן כימיות 3. דוגמאות טבעיות של גנים כימיים כוללות משקעים "ארובה" מינרלים שגדלים סביב מעיינות הידרותרמיות ומחלחל, וזה כבר טען כי אלה יכולים לספק סביבות מתקבלות על הדעת לחיים לצאת 4. לגדול גן כימי מדמה ארובת אוורור הידרותרמיות טבעי, פתרון מאגר צריך לייצג הרכב אוקיינוס ​​מדומה ופתרון הזרקה צריך לייצג את הנוזל הידרותרמיות שמזין לתוך האוקיינוס. הרבגוניות של o סוג זהניסוי F למערכות תגובה שונות מאפשר סימולציה של כמעט כל כימיה מוצעת אוקיינוס ​​/ הידרותרמיות נוזל, כוללים סביבות על כדור הארץ הקדום או בעולמות אחרים. על כדור הארץ הקדום, האוקיינוסים היו anoxic, חומצי (pH 5-6), והיה הכילו מומסים CO 2 באטמוספרה ופה 2 +, כמו גם פה III, Ni 2 +, Mn 2 +, NO 3 , ולא 2. תגובות כימיות בין מי ים ואת קרום אוקיינוס ​​ultramafic היו מיוצרות נוזל הידרותרמיות בסיסי המכיל מימן ומתאן, ובחלק ממקרים גופרתי (HS -) 4-8. הארובות נוצרו בסביבות פורקן בסיסי מוקדמות כדור הארץ ובכך יכולות היו כלולים oxyhydroxides ברזל / ברזל וסולפידים הברזל / ניקל, וזה כבר הציע שמינרלים אלה שאולי שימשו פונקציות קטליטי ופרוטו-האנזימטית מסוימות כלפי רתימת חיזור / הדרגתיים pH גיאוכימיים לנהוג הופעתה של metaboliמ"ר 5. מים / ממשקים כמו כן, על עולמות אחרים, כגון שעלולים לארח (או אולי אירחו) רוק - כגון תחילת מארס, אירופה הירח של צדק, או הירח של שבתאי אנסלדוס - זה אפשרי, כי כימיה מים / רוק יכולה ליצור סביבות פורקן בסיסיות מסוגלים נהיגה כימיה prebiotic או אפילו מתן נישות למגורים לכל חיים קיימים 5,9-11.

ניסוי הגן כימי הקלאסי כרוך גביש זרע של מלח מתכת, למשל tetrahydrate כלוריד ברזל FeCl 2 • 4H 2 O, שקוע בתמיסה המכילה אניוני תגובה, למשל סיליקט נתרן או "כוס מים". המסת מלח מתכת, יצירת תמיסה חומצית מכילה פה 2 + ממשקים עם הפתרון בסיסי יותר (המכילה אניוני סיליקט וOH -) ומשקע קרום אורגני נוצר. מתנפח הקרום תחת לחץ האוסמוטי, התפרצויות, אז מחדש משקעיםt ממשק הנוזל החדש. תהליך זה חוזר עד הגבישים מתמוססים, וכתוצאה מכך בכיוון אנכי, מבנה משקע עצמי מאורגן עם מורפולוגיה מורכבת בשני סולמות מאקרו ומיקרו. תוצאות תהליך זה ממטרים בהפרדה המשיכה פתרונות כימיים מנוגדים על פני קרום הגן כימי אורגני, וההבדל של מין טעון על פני הקרום מניבה קרום פוטנציאל 12-14. מבני גן כימי מורכבים, מציגים הדרגתיים הלחנה מפנים לחיצוני 13,15-19, והקירות של המבנה לשמור על הפרדה בין פתרונות המנוגדים לתקופות ארוכות בזמן שנותרו מעט חדיר ליונים. בנוסף להיותו ניסוי אידיאלי למטרות חינוכיות (כפי שהם פשוט להפוך להפגנות בכיתה, והוא יכול לחנך את התלמידים על תגובות כימיות וארגון עצמי), יש לי גנים כימיים כייצוגים של assemb עצמי משמעות מדעיתly במערכות דינמיות, רחוק משיווי המשקל, הכולל שיטות שיכולים להוביל לייצור של חומרים מעניינים ושימושיים 20,21.

גנים כימיים במעבדה גם ניתן לגדל באמצעות שיטות הזרקה, שבו התמיסה המכילה יונים מזרזים אחד מוזרקת באיטיות לתוך הפתרון השני המכיל את היון מזרז-שיתוף (או יונים). התוצאה היא ההיווצרות של מבני גן כימיים דומים לאלה של ניסויי צמיחת גביש, פרט לכך שהמאפיינים של המערכת והמשקע יכולים להיות נשלטו טובים יותר. יש שיטת ההזרקה כמה יתרונות משמעותיים. היא מאפשרת אחד כדי ליצור גן כימי באמצעות כל שילוב של מינים מזרזים או התאגדו; כלומר, יכולים להיות משולבים יונים מזרזים מרובים לתוך פתרון אחד, ו / או ניתן לכלול רכיבי מזרז לא-באו פתרון ללספוג / להגיב עם המשקע . פוטנציאל הקרום שנוצר בחומר כימימערכת גן ניתן למדוד בניסוי הזרקה אם האלקטרודה משולבת לתוך הפנים של המבנה, ובכך לאפשר מחקר אלקטרוכימי של המערכת. ניסויי הזרקה מציעים את היכולת להאכיל את פתרון ההזרקה לתוך הפנים של הגן הכימי למסגרות זמן שונים הנשלטות על ידי קצב ההזרקה או נפח מוזרק כולל; לכן ניתן להאכיל ברצף פתרונות שונים ולהשתמש במבנה זירז כמלכודת או כור. בשילוב, טכניקות אלו מאפשרים לסימולציות במעבדה של התהליכים המורכבים שיכולים היה להתרחש במערכת גן כימית טבעית בפורקן הידרותרמיות צוללת, כולל ארובה שנוצרה מהרבה תגובות משקעים בו זמנית בין האוקיינוס ​​ולפרוק נוזל (למשל, סולפידים מתכת ייצור, hydroxides , ו / או פחמתי וסיליקטים) 5,22. יכולות להיות מיושמות גם בטכניקות אלה לכל מערכת תגובת גן כימית כדי לאפשר היווצרות של סוגים חדשיםשל חומרים, למשל, צינורות או צינורות שכבתיים עם מינים תגובתי adsorbed 20,23.

אנחנו נפרט כאן ניסוי דוגמא הכולל צמיחה בו זמנית של שני גנים כימיים, Fe 2 + המכילים מבנים בסביבת anoxic. בניסוי זה אנו משולבים כמויות זעירות של polyphosphates ו / או חומצות אמינו לפתרון ההזרקה הראשונית להתבונן השפיעו על המבנה. לאחר היווצרות ראשונית של הגן הכימי שלאחר מכן החליפו את פתרון ההזרקה להציג גופרתי כאניון מזרז משנית. מדידות של פוטנציאל קרום נעשו באופן אוטומטי בכל הניסוי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להפעיל שני ניסויים בשימוש במשאבת מזרק כפול פעם אחת; הנתונים שמוצגים נדרשו ריצות מרובות של הליך זה. ספיקות גבוהות יחסית, pH הנמוך של ריכוזי המאגר ומגיב מועסקים בניסויים שלנו נועדו ליצור ארובה גדולה משקעים בsc הזמןAles המתאים לניסויי מעבדה של יום אחד. עם זאת, שיעורי זרימת נוזל במעיינות הידרותרמיות טבעיות יכולים להיות הרבה יותר מפוזר והריכוזים של מגיבים מזרזים (למשל, פה ו- S במערכת כדור הארץ מוקדמת) יכולים להיות בסדר גודל נמוך 4; כך, משקעים מובנים יהוו על לוחות זמנים ארוכים יותר והאוורור יכול להיות פעיל במשך עשרות אלפי שנים 24,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. שיקולי בטיחות

  1. להשתמש בציוד מגן אישי (מעבדה מעיל, משקפי מגן, כפפות nitrile, נעליים מתאימות) כדי למנוע נגד דליפות כימיות או פציעה. השתמש במזרקים ומחטים, ולדאוג שלא לנקב כפפות. דואג במהלך התקנת ניסוי כדי לבדוק את המנגנון להדלפות על ידי ביצוע הזריקה ראשון עם כפול מזוקק H 2 O (DDH 2 O), וכדי לבדוק את היציבות של בקבוקוני תגובה על הדוכן, לפני הוספת כימיקלים.
  2. מתחייב ניסוי זה עם כל מתכון גן כימי, אך אחד מהמגיבים אנו משתמשים כדי לדמות פתחים במעמקי ים הוא כימיקל מסוכן, נתרן גופרתי; לכן לעשות הניסוי כולו בתוך מנדף כדי למנוע חשיפה.
    1. לפתוח רק את הבקבוק של נתרן גופרתי במנדף ולמקם את איזון בתוך מנדף לשקילת גופרי. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי בתוך מנדף כפי שהם ישחררו את הגז רעיל S H 2, וגם לשמור על sulfidנוזל דואר, חדים, ומיכלי פסולת מוצק במנדף. מגיב אחר של עניין הוא פה (II) Cl 2 • 4H 2 O, אשר מתחמצן בחשיפה לאוויר, כך דואג לשמור פתרונות anoxic ולגדול גנים כימיים תחת אמיץ anoxic (למשל, N 2 או אר), תמיד ב מנדף או תא הכפפות.

2. הגדרה לניסויים בהזרקה

  1. צור "בקבוקוני הזרקה" זכוכית על ידי ניתוק 1 סנטימטר התחתון של זכוכית שקופה 100 מיליליטר crimp בקבוק סרום עליון (crimp סוג סגירת חותם 20 מ"מ) עם חותך זכוכית, כך ש, כאשר הפוך, הכלי פתוח לאוויר. כמו אלה הם לשימוש חוזר, לנקות את צלוחיות באמבטית 1 O חומצת M HCl / N, ולאחר מכן לשטוף היטב עם DDH 2 O לפני ניסוי חדש.
  2. הכן את בקבוקוני הזרקה (איור 1).
    1. לאסוף מחצה 20 מ"מ, 20 מ"מ אלומיניום crimp חותם, וקצה פיפטה פלסטיק 0.5-10 μl. שימוש במזרק ne 16 Gedle, לנקב חור בזהירות דרך המרכז של מחיצת האף, ולאחר מכן להסיר ולהשליך את המחט במכל הפסולת החדים המתאים.
    2. הכנס את קצה פיפטה לתוך חור המחט, לצד השני של מחיצת הגומי שיעמוד בפני בתוך הראש מלחץ של הבקבוקון. לדחוף את קצה פיפטה באמצעות המחיצה, כך שהוא דוקר את הצד השני.
    3. לחיצה-לאטום את המחיצה עם קצה פיפטה על כלי ההזרקה לעשות חותם אטום למים. כאשר אטום, לדחוף את קצה פיפטה נוסף באמצעות המחיצה, כך שהוא בולט החוצה.
    4. להדביק צינורות 1/16 "קוטר הפנימי ברורים גמישים כימיים עמידה לקצה פיפטה (אורך צינור צריך להגיע מבקבוקון ההזרקה למשאבת המזרק); להחליק אותו לחותם אטום למים.
      שים לב: זה יהיה צינור ההזרקה, האכיל מהקצה השני על ידי מזרק עם מחט 16 G.
    5. בדקו דליפות: הכנס מזרק 10 מיליליטר מלא DDH 2 O עם מחט G 16 לקצה השני של הצינור(בצורה חלקה להחליק את הצינור היישר אל המחט ולהיזהר שלא לנקב את הקיר של הצינור). לאט לאט להזריק כך שDDH 2 O נע מעלה והצינורות לתחתית כלי התגובה. חותמות להבטיח כי המזרק / צינור, צינור / טיפ, וcrimp הן אטומים למים.
  3. הצמד את בקבוקוני ההזרקה בדוכן במנדף, כך שהזריקה תהיה להאכיל מהחלק התחתון של הבקבוקון.
    הערה: ניתן להגדיר בקבוקונים מרובים בבת אחת והאכילו בו זמנית על ידי מזרקים נפרדים.
  4. הגדרת אלקטרודות למדידת פוטנציאל הממברנה על הקיר של הגנים הכימיים. תמיד להשתמש באותו הכנס שעופרת היא "בתוך" ושהוא "מחוץ" לגנים הכימיים.
    1. חותך אורכים של חוט מבודד (למשל, נחושת) שמגיע מבפנים כלי התגובה ליתרון של מודד לוגר או נתונים. השאר קצת רפוי בחוטי החשמל למיצוב.
    2. הרצועה ~ 3 מ"מ שלחוט חשוף בקצוות שיהיה ממוקמים בתוך בקבוקון התגובה. בקצוות האחרים שמחוברים למוביל מודד, רצועה ~ 1 סנטימטר של חוט.
    3. לתקן את החוטים במקום למדוד פוטנציאל קרום על פני הגן הכימי. לחוט שילך בתוך הגן הכימי: הכנס אותו לפתיחה של קצה פיפטה שממנו הנוזל יאכיל לתוך הכלי.
    4. לדחוף את החוט בקלות כדי להבטיח מגע עם פתרון ההזרקה, אבל לא כל כך הרבה שזה יהיה לסתום את זרימת ההזרקה. למחוץ התיל: המקום כך שהוא יהיה במגע עם מאגר הפתרון אבל לא עם משקע הגן הכימי.
    5. קלטת או אחר לאבטח את החוטים, כך שהם לא יכולים לזוז בתוך בקבוקון ההזרקה במהלך הניסוי (איור 2).
    6. צרף את הקצוות האחרים של החוטים למודד, ולאבטח את החוטים כך שהקצוות אלה גם לא זזו לאורך כל הניסוי.
  5. הגדרת N 2
  6. לפצל את הזנת הגז ממקור N 2 לכמה צינורות, כך שיש להאכיל אחד N 2 לכל בקבוקון הזרקה.
  7. מניחים כל צינור N 2, כך שהוא מזין לתוך אמיץ של אחד מהבקבוקונים להזרקה.

3. הכנת פתרונות לגן כימית צמיחה

  1. הכן את פתרון המאגר, עבור כל ניסוי 100 מיליליטר. הערה: בדוגמא זו, השתמש 75 מ"מ Fe 2+ ו -25 מ"מ Fe 3+ כקטיונים המזרזים (טבלת 1).
    1. ליצור פתרונות anoxic ידי המבעבע הראשון DDH 2 O עם N 2 גז ל~ 15 דקות לכל 100 מיליליטר.
    2. לשקול את ולהוסיף FeCl 2 • 4H 2 O וFeCl 3 • 6 שעות 2 O, תוך ערבוב בעדינות כדי לפזר (לא בתוקף כדי לא להציג את החמצן).
    3. לאחר ריאגנטים מומסים, מייד resumמבעבע דואר אור Fe 2+ / Fe 3+ פתרון עם N 2 גז בעוד זריקות מוכנות.
  2. בחר כל שני פתרונות ההזרקה העיקריים מוצגים בטבלה 1, ולהכין 10 מיליליטר של כל אחד. ממלאי מזרק 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם כל אחד מהפתרונות (מזרק אחד לכל פתרון). החזר את כמוסות המחט ומניח בצד.
  3. הכן 20 מיליליטר של פתרון ההזרקה המשני (נתרן גופרתי - זהירות). ניתן לראות בטבלה 1 מלא שני מזרקים 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם הפתרון הזה, להחליף את כובעי המחט ומניח בצד. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי ומזרקים במנדף.
  4. למלא את DDH 2 O מזרקים משלב 2.2.5; אלה ישמשו כדי לשטוף את צינור ההזרקה.

4. החל ההזרקה הראשונית

  1. השתמש בנתונים לוגר רצויים למדידות פוטנציאל הממברנה; למדוד את הפוטנציאל של כל ניסוי בseparatערוץ E, ולקבוע את שיעור הסריקה לתת את הכמות הרצויה של נקודות נתונים (לדוגמא, להזרקה 2-שעה, הקלטת פוטנציאל בכל 30 שניות תספיק).
  2. אבטח את המזרקים ההזרקה העיקריים במשאבת מזרק לתכנות במנדף.
  3. השתמש בכוס פסולת לתפוס טיפות ולהגדיר את משאבת המזרק כדי להזריק בקצב מהיר עד המזרקים שני מתחילים לטפטף לתוך הכוס. אז להפסיק ההזרקה (על מנת להבטיח ששני המזרקים להתחיל הזרקה בדיוק באותה הרמה).
  4. תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה (לכייל לסוג של מזרק בשימוש), אך לא פגע התחלה.
  5. הכנס את DDH 2 O המזרקים לשני צינורות פלסטיק בהזרקה, ולהזריק כך שהמים ממלאים את צינורות עד ברור לצמצם שבו נכנס למאגר המרכזי. מניחים את המזרקים על הדוכן, מעל בקבוקוני ההזרקה.
  6. יוצקים של פתרון מאגר Fe 2+ / 3+ פה לEA 100 מיליליטרבקבוקון ch.
  7. התאם את הזרימה של קווי גז N 2 כרצויים לשמור anoxic הניסוי למשך הזריקות.
  8. לכסות בזהירות את בקבוקוני מאגר עם חותם אטום (למשל, באמצעות Parafilm; לא חוסם את הנוף מבעד לזכוכית) והכנס N 2 להאכיל לתוך בקבוקון אחד (איור 3).
  9. להביא 2 O המזרקים DDH (עדיין הוכנסו בצינורות) למטה ליד המזרקים הזרקה הראשוניים. החלק בזהירות את צינור הפלסטיק בהזרקה את מחט מזרק O DDH 2, ולהעביר אותו באופן מיידי ישירות על גבי אחת ממחטי מזרק ההזרקה הראשונית. (שים לב שלא לנקב את הקיר של הצינור.)
  10. התחל ההזרקה, ולהתחיל בהקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה.

5. החל ההזרקה המשנית:

  1. הכה תחנה על משאבת המזרק לאחר 3 שעות (לאחר 6 מיליליטר כבר הזריק), מבני גן פעם כימיים יצרו (Figuמחדש 4), יצירת פוטנציאל הממברנה ללא הרף (איור 5).
  2. מוציא בזהירות את המזרקים ההזרקה העיקריים ממשאבת המזרק (אבל להשאיר אותם מחובר לצינורות כך המבנים לא מופרעים); להגדיר אותם על הדוכן מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים כך שהנוזל לא יכול לזרום בחזרה לתוך המזרק.
  3. אבטח את המזרקים הזרקה גופרתי המשניים למשאבת המזרק, וחזור על שלבי 4.3 ו -4.4.
  4. הסר את המזרקים המשניים אחת בכל פעם ממשאבת המזרק, ותוך כדי לחיצת המזרקים מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים, לחזור על שלב 4.9, העברת צינורות מהמזרקים העיקריים למזרקים המשניים (איור 6). להיות ערני שלחץ הנוזל מהמאגר לתוך המזרק אינו גורם לנוזל לזרום בחזרה לתוך המזרק כמו זה יכול לכווץ את הגן הכימי.
  5. כאשר ההעברה תסתיים, לאבטח היטב את המזרקים המשניים המשאבת מזרק דואר.
  6. תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה, ופגעה להתחיל להמשיך הזרקה עם פתרון ההזרקה החדש.
  7. בבטחה להיפטר המזרקים הזרקה הראשוניים.

6. סיום הניסוי

  1. ראשית להפסיק את משאבת המזרק, אז לעצור את ההקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה ולשמור את הנתונים.
  2. כבה את זרימת N 2 ולהסיר את השורות וParafilm מכלי ההזרקה.
  3. אם תרצה, לטעום פתרון המאגר או לזרז לניתוח נוסף. כדי להסיר בזהירות את פתרון המאגר ולא להפריע למשקע, להשתמש פיפטה 25 מיליליטר פיפטה בזהירות את פתרון המאגר בכמה aliquots, וזורקים את הפתרון בכוס פסולת.
  4. Unclamp כלי זריקה אחת בכל פעם ויוצקים את הפתרון לתוך מבחנה העברת פסולת במנדף. השתמש DDH 2 O לשטוף את החתיכות של משקע.
  5. הסר את המזרקים הלוך ושובמ 'משאבת המזרק, ולחלץ אותם מהצינור, ומאפשר הזרקת נוזל נוסף לברוח לתוך כוס העברת פסולת. רוקן את המזרקים לתוך כוס הפסולת, ולהיפטר מהמזרקים במכל חדים גופרי כל הזמן במנדף.
  6. הסר את צינורות מבקבוקון הניסוי ולהיפטר ממנו בשקית פסולת מוצקה. Uncrimp החותם ולהיפטר של מחיצת האף, חותם, וקצה פיפטה.
  7. יש לשטוף את בקבוקון זכוכית ניסוי ולספוג אותו באמבטית 1 O חומצת M HCl / N. (זהירות - כלי זכוכית שהיו במגע עם נתרן גופרתי ישחרר גז רעיל S H 2 כאשר הניחו בחומצה שמור אמבטיות חומצה בתוך מנדף..)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

לאחר פתרון ההזרקה התחיל להאכיל לתוך תמיסת המאגר, משקע גן כימי החל להיווצר בממשק הנוזל ומבנה זה המשיך לגדול במהלך ההזרקה (האיורים 4-7). בניסויים שדווחו כאן, הזריקה הראשונה הייתה נתרן הידרוקסידי (אשר יכול להיות שונה כדי לכלול L-אלנין ו / או pyrophosphate), ופתרון המאגר היה 1: 3 תערובת של Fe 3+ / Fe 2+, מניב מעורב --redox מדינת משקע oxyhydroxide הברזל. גנים הכימיים בדרך כלל הציגו מורפולוגיה צבע כפולה - כמה חתיכות של המשקע היו ירוק כהים (כנראה מצביע oxyhydroxide מעורב) וחלקים אחרים היו כתומים (כנראה מעידות בעיקר Fe 3+ -oxyhydroxide / תחמוצת). ברזל oxyhydroxide גנים כימיים היו נאה למדי מבנים חזקים והיו לעתים קרובות תוכל להישאר זקוף כאשר פתרון המאגר הוסר מהספינה לאחר ההזרקה (אלחוטיאיור 8). במשקעים המכילים Fe-oxyhydroxide רק, גנים הכימיים בדרך כלל נוצרו כמה סניפים; עם זאת, כאשר אלאנין חומצת אמינו הידרופובי נכלל בפתרון ההזרקה, גנים הכימיים נטו ליצור פחות סניפים או אפילו עמודה אחת של משקע. עיכוב זה של מתפרץ ומסתעף ככל הנראה מצביע על כך שהתוספת של אלאנין מייצרת קיר גן כימי עמיד יותר 26. תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק סביבתי (ESEM), משקעים שנוצרו בנוכחות אלאנין הופיעו יותר מעוגלים ואמורפי, ואילו משקעים טהורים Fe-oxyhydroxide (כמו גם אלה המכילים pyrophosphate) הופיעו יותר גבישים (איור 9). כאשר pyrophosphate נכלל בפתרון ההזרקה, גן כימי Fe-oxyhydroxide מסועף שנוצר, ומשקע נוסף ירוק מעונן (pyrophosphate ברזל הסביר) שנוצר והוארך מהקצוות של המבנה (איור 10). Tמשקע הפלומה הירוק שלו לא היה חלק מהגן הכימי, וכאשר פתרון המאגר הוסר, הנוצות התמוטטו ולא לצבור גם למבנה הראשי.

פוטנציאל הממברנה בניסויי גן כימיים נוצר ברגע שהגן הכימי הפך גלוי (לא היה זמן שפיגור, כפתרון ההזרקה נסע דרך צינורות). בניסויים שבם פתרון ההזרקה היה NaOH, NaOH עם אלאנין, או NaOH עם pyrophosphate, הפוטנציאל נטה להגיע לשיא מייד סביב 0.45-0.55 V ולאחר מכן ירד כלשעה לפני הייצוב סביב 0.1-0.2 V לשאר ההזרקה הראשונית . (בניסויים שבם ההזרקה העיקרית הייתה pyrophosphate NaOH + + אלאנין, המתח לא שיא בשווי גבוה יותר של ~ 0.45-0.55; במקום זאת, הוא נשאר בסביבה ~ 0.2 להזרקה העיקרית כולו.) היו הבדלים בפוטנציאל הממברנה ב חוזר מאותו הניסוי (איור 11) <strong>, אך הדפוסים שנצפו היו פחות או יותר עקביים לאורך ארבע חזרות של כל כימיה הזרקה.

כאשר המזרקים העיקריים החליפו למזרקים המכילים נתרן גופרתי המשניים, הגן הכימי המשיך לגדול, פרט לכך שהגידולים החדשים הגלויים היו עכשיו גופרתי ברזל שחור. במקום לתרום לקירות הקיימים, מנות הגופר השחורות של הגן הכימי הופיעו למתפצלות ולגדול בנפרד. ברגע שפתרון הזרקת גופרי הגיע לגן הכימי, פוטנציאל הממברנה קפץ מייד ל~ 0.9 V. הערך של הפוטנציאל הגיע במהלך ההזרקה המשנית היה זהה עבור כל הניסויים, ללא קשר לפתרון ההזרקה הראשוני (איור 10). סיבה לכך הוא הפוטנציאל בניסויי גן כימיים הוא בעיקר בשל הכימיה בין פתרונות ממשק שני, ומאז פתרונות ההזרקה המשניים שלנו היו כל 50 מ"מ Na 2 S • 9 השעות > 2 O ופתרון המאגר לא שינה, המתח שנוצר היו דומים.

אנחנו בדרך כלל שנערכו ארבעה ניסויי גן כימי בבת אחת, באמצעות ארבעה בקבוקי מאגר שהואכלו על ידי ארבעה מזרקים נפרדים וכל מונעים באותו השיעור על ידי משאבת המזרק. שימוש באותה הכימיה בכל ארבע הכפילויות, לעתים קרובות אנו נצפו וריאציות רבות במבנה גן כימי (גודל כולל, מספר הסניפים), כמו גם שינויים בפוטנציאל הממברנה בטווח של 0.1-0.2 V. זה חוסר שחזור הוא צפוי בניסויים רחוקים משיווי המשקל כאשר כל כך הרבה תלוי במורכבות של התנאים הראשוניים. סביר להניח כי ההיווצרות האקראית של מבנה בגנים כימיים לעתים מובילה ללזרז קרומים עם משתנה חדירות ליונים; במקרים מסוימים, פתרונות ההזרקה ומאגר הם כנראה נפרדים טוב יותר ובכך את פוטנציאל הקרום הוא מסוגל להישמר לתקופה ארוכה יותר.

class = "jove_content"> אנו אפשרו הזריקות להמשיך ב2-3 מיליליטר / שעה, והניסוי הופסק לאחר שעה 2 להזרקה הראשונית ושעה 3 נוספת להזרקה המשנית. במהלך תקופה זו, פוטנציאל הקרום נשאר בערך האופייני שלה ללפי הזרקת פתרון היה בשימוש. אם זריקות נעצרו, אז הפוטנציאל נרקב לאט חזרה לאפס כפתרוני פנים וחוץ equilibrated. (במערכות ברזל הידרוקסיד, אם ההזרקה הופסקה, הארובות היו לפעמים לפזר על פני כמה ימים, בשל החומציות נמוכה מאוד (~ 2) לפתרון המאגר.)

איור 1
איור 1. הכנת כלי התגובה. כלי תגובה לניסויי גן כימי הזרקה נעשו על ידי חיתוך החלק התחתון של בקבוק סרום 100 מיליליטר, החדרת קצה פיפטה באמצעות מחיצה w hich היה אז מלחץ אטום לבקבוק, ומצרף צינור שדרכו כדי להאכיל את פתרון ההזרקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. מיקום של החוטים בכלי תגובת הגן הכימי. צפה ב() מלמעלה, מראה את המיקום של האלקטרודה "הפנימית" לצמצם ההזרקה. חוט זה אפף אותו הגן הכימי כאשר הוא החל לגדול. אלקטרודה "החיצונית" נאלצה להישאר רחוק יותר מנקודת ההזרקה כך שזה לא נגע ללב הגן הכימי גדל. (ב) Secure חוטים עם סרט, כך שהם לא זזים במהלך הניסוי.= "_ Blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. יצירה אמיץ N 2. לאחר פתרון המאגר הוסיף, חותם אטום הוקם מעל הכלי עם Parafilm (המכסה את האלקטרודות גם כן), ולאחר מכן הזנת N אור 2 הוכנסה כדי לשמור על תנאי anoxic לאורך צמיחת הגן הכימי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. צמיחת זמן לשגות של גן כימי. ניסוי זה הכיל 75 מ"מ FECl 2 • 4H 2 O ו- 25 מ"מ FeCl 3 • 6H 2 O בפתרון המאגר. הזריקה הראשונה הייתה 0.1 M NaOH + 10 מ"מ K 2 P 4 O 7, ולאחר 180 דקות ההזרקה הודלקה 50 מ"מ Na 2 S • 9 השעות 2 א 'אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. פוטנציאל ממברנה. פוטנציאל קרום נוצר כגן כימי גדל סביב האלקטרודה הפנים. לאחר ההזרקה הראשונית של הידרוקסיד שיצר את מבנה המשקע ראשון, המזרק היה עבר עם מזרק של פתרון נתרן גופרתי. בניסוי זה פתרון המאגר היה 75 מ"מ FeCl 2 • 4H 2 O + 25 מ"מ FeCl 2 O, ההזרקה העיקרית היו 0.1 M NaOH, וההזרקה המשנית הייתה 50 מ"מ Na 2 S • 9 שעות 2 א 'אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. מזרק. הכנסה נכונה של מחט המזרק לתוך צינורות פלסטיק גמישים (). יש להקפיד שלא לנקב את הצינור -. דוגמא של הכנסה לא נכונה מוצגת ב( ב ') אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
2 • 4H 2 O + 25 מ"מ FeCl 3 • 6 שעות 2 O, מוצגים לאחר ההזרקה הראשונית של 0.1 M NaOH (בתוספת תוספים של אלאנין ו / או K 2 P 4 O 7 מפורטים בטבלה 1) ולאחר ההזרקה המשנית של 50 מ"מ Na 2 S • 9 השעות 2 א 'אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8
איור 8. משקע יציבות. Fe (II / III) גנים כימיים -hydroxide לפעמים יכול לשמור על יציבות מבנית לאחר פתרון המאגר הוא הסיר בזהירות. המשקע אז יכול להיות שנדגמו לניתוח נוסף אם רצוי. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9. הסביבה סריקה מיקרוסקופית אלקטרונים הדמיה. () Fe (II / III) גנים כימיים -hydroxide, (ב) פה (II / III) גנים כימיים -hydroxide מכילים K 2 P 4 O 7, ו- (ג) פה ( II / III) גנים כימיים -hydroxide מכיל אלאנין. כל התמונות הן של גינות כימיות לאחר ההזרקה הראשונית בלבד. משקעים שהתאגדו אלאנין הופיעו מעוגלים ופחות גבישים מהמשקעים של רק פה (II / III) -hydroxide ופה (II / III) -hydroxide מכיל K 2 P 4 O 7."Target =" _ .jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
גני איור 10. כימי גדלו בפתרון מאגר של 75 2 • 4H 2 O + 25 פתרון 3 O. הזרקה • 6H 2 (א) מ"מ FeCl מ"מ FeCl כלול 0.1 M NaOH + 10 מ"מ K 2 P 4 O 7. פתרון הזרקה (B) הכיל 0.1 M NaOH + 10 מ"מ K 2 P 4 O 7 + 10 מ"מ אלאנין. בגנים כימיים שבו פתרון ההזרקה כלול K 2 P 4 O 7, נוצות משקע ירוקות (חיצים) נוצרו ליד יחסי הציבור המוצקסניפי ecipitate, אבל נוצות אלה לא מצטברים באופן מלא למבנה העיקרי והתמוטטו כאשר פתרון המאגר הוסר. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 11
איור 11. פוטנציאל ממברנה שנוצר בגנים כימיים גדל בפתרונות מאגר של 75 מ"מ FeCl 2 • 4H 2 O + 25 מ"מ FeCl 3 • 6H 2 O. ארבע חזרות של כל ניסוי מוצגות. הפוטנציאל נוצר בהקדם פתרון ההזרקה נסע עד הצינור ופנה לפתרון מאגר לייצר מבנה משקע עוטף את האלקטרודה הפנימית. המבנה המשיך לגדול כהזרקה הראשונית המשיכה. כאשר המזרק היה החליף לפתרון נתרן גופרתי וההזרקה המשנית החלה (חיצים), הפוטנציאל מוגבר ל0.9-1.0 V. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

פתרון מאגר (100 מיליליטר) הזרקה העיקרית (6 מיליליטר) קצב הזרקה ראשוני 1max V (ממוצע) הזרקה משנית (6 מיליליטר) קצב הזרקה המשני 2max V (ממוצע)
75 מ"מ FeCl 2 • 4H 2 O + 25 מ"מ FeCl 3 • 6H 2 O 0.1 M NaOH 3 מיליליטר / שעה .431 V, σ = 0.002 2 S • 9 שעות 2 O 2 מיליליטר / שעה 0.881 V, σ = .047
0.1 M NaOH + 10 מ"מ 4 K P 2 O 7 3 מיליליטר / שעה .473 V, σ = 0.016 2 מיליליטר / שעה .914 V, σ = 0.040
0.1 M NaOH + אלאנין 10 מ"מ 3 מיליליטר / שעה .485 V, σ = 0.044 2 מיליליטר / שעה .929 V, σ = 0.015
0.1 M NaOH + 10 מ"מ K 4 P אלאנין 2 O 7 + 10 מ"מ 3 מיליליטר / שעה .239 V, σ = 0.061 2 מיליליטר / שעה .923 V, σ = 0.033

מתחי טבלה 1. שנוצרו בגנים כימיים שנוצרו על ידי הזרקה לאט ראשון עיקרי, אז, פתרון משנית למאגר. 1max V (ממוצע) ו2max V (ממוצע) הם ממוצע של המתח הגבוה ביותר שהופק במהלך ראשוניוזריקות המשניות, בהתאמה; σ הוא סטיית התקן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ההיווצרות של מבנה גן כימי באמצעות שיטת הזרקה יכולה להתבצע על ידי ממשק כל שני פתרונות המכילים יונים תגובתי המייצרים משקע. ישנן מערכות תגובה אפשריות רבות שיפיקו מבני משקע ולמצוא את המתכון הנכון של יונים וריכוזי תגובה לגדול מבנה רצוי הוא עניין של ניסוי וטעייה. קצב הזרימה של פתרון ההזרקה נשלט על ידי משאבת מזרק לתכנות וזה גם יכול להיות מגוון בין ניסויים כדי לדמות שיעורים שונים של זרימת נוזל במערכת טבעית. המבנה של גנים כימיים תלוי בגורמים רבים, כוללים הרכב וקצב זרימה, וזה אפשרי לגדול מבנים קטנים כמו כמה שעות ועל פני תקופות ארוכות של ימים עד שבועות. אפשר גם להוסיף רכיבים אחרים עקבות של עניין לפתרון ההזרקה או מאגר, כגון מולקולות אורגניות או רכיבים אחרים חשבו להיות מבחינה גיאולוגית או ביולוגי רלוונטי <sup> 27,28. בהתאם לכימיה, רכיבים אלה עשויים להיות משולבים בתוך המשקע ו / או לעבור תגובות.

ישנן שיטות שונות שכבר נוצלו בעבודה קודמת לגידול משקעים גן כימי, לרבות גידול ישיר מהמסת גבישים או 'כדורים' 18,29 וניסויי הזרקה כמו אלה בהשתתפות כאן 30,31. לעצב ניסוי גן כימי שבו אפשר למדוד את פוטנציאל הממברנה באופן מהימן, יש ליצור דרך כלשהי עוטף לגמרי את חוט "פנים" בתוך קרום המשקע לאורך כל הניסוי. זה קשה (אם כי לא בלתי אפשרי 14) להשיג בניסויי גידול גבישים. בניסויי הזרקה קודמים 13, יש לנו בדרך כלל ציינו כי החוט חייב להיות ממוקם ישירות לנקודת ההזרקה, אחרת הגן הכימי לעתים קרובות "מתחמק" החוט ככל שהוא גדל, וכך leaving שני החוטים בפתרון המאגר ולא פוטנציאל הממברנה ניתן למדוד. גנים כימיים גדלו באמצעות הזרקה להשתנות ביציבות מבנית בהתאם למערכת מגיב הכימי (ים) המשמשת - מערכות לדוגמא, ברזל סיליקט או ברזל הידרוקסיד לתת מבנים חזקים יותר שיישארו עומדים כאשר נוזל המאגר יצק, ואילו מערכות ברזל-גופרתי טהורות נוטה לתת משקע הרבה יותר דביק, עדין שבקלות מתמוטט אם הפתרון מופרע. קריסה של הגן הכימי או כל שבירה משמעותית של הקרום תגרום השפעות מיידיות בפוטנציאל הקרום, כהפצות לא שוויוניות של מינים טעונים על פני הקרום לדמם החוצה. כך, בסוג זה של ניסוי, זה מאוד חשוב שהחוטים מאובטחים בקפידה לפני זריקה, כך שהם לא יזוזו כגן הכימי גדל, וכי ההתקנה ניסיונית / הזרקה היא יציבה ולא נדחף במהלך צמיחה.

כיבעקבות ההזרקה של הנוזל זורם לתוך המאגר הוא מאלף, צינורות Tygon שקופים גמישים מומלץ על אפשרויות אחרות כגון פלדה אל חלד. צינורות ברורים מאפשר לתצפית של חלקיקי משקע להרכיב בתוך צינורות, מאפשר לאדם לעקור כפכפים, ומאפשרים זיהוי / הסרת בועות אוויר. החסרון של צינורות זו הוא שזה יכול להיות ניקב בקלות על ידי מחט המזרק (איור 6). אנחנו התנסינו במיתוג מזרקים על ידי החדרת המחט השנייה ישירות לתוך צינורות מהצד לפני ההזרקה הראשונה, ולא ממש נע צינורות ממזרק אחד למשנהו, אך טכניקה זו הייתה קשה מאוד להשיג ללא ניקוב. יתרון נוסף של צינורות Tygon הוא כי במקרה של ניקור מקרי תוך החדרת מחט, אפשר פשוט לחתוך את החלק המנוקב של הצינור וממחדש להכניס את המחט.

הצמיחה של הקרום היא נוהלה על ידי בuoyancy ו, ובמידה פחותה, הלחץ של הזרקה. שינוי דרסטי בלחץ ההזרקה יכול לגרום לקריסה של הגן הכימי, במיוחד במערכות שאינם מייצרים משקעים חזקים. בעת מעבר מזרקים, חשוב להחזיק את המזרק שהוסר ב, או מעל, מפלס הנוזל כדי למנוע זרימה חזרה והסביר disaggregation. אירוע כזה יכול להיות גם להימנע על ידי הגדרת הניסוי כזה שמשאבת המזרק היא ברמה המשוערת של המאגרים. זה עושה הבדל קטן לנתונים פוטנציאל הממברנה אם הניסוי "עוצר" לאורכו של זמן בעת ​​מעבר מזרקים, כל עוד הגן הכימי נשאר באין מפריע. לפיכך מומלץ לעבור מזרקים בזהירות, אחד בכל פעם, ולהבטיח את המזרק שמחזיק את הלחץ הפנימי של הגן הכימי, כך שהוא לא יכול "לזרום חזרה", לפני שעבר למשנהו. שיעור ההזרקה צריך להישמר למדי constנמלה בין הזריקות הראשונות ושנייה, ובאופן כללי לא צריכה להיות (מינימום זמן ניסוי ~ כמה שעות) מהר מדי, שכן לחץ הזרקה עודף קרע הקרום.

ניסוי זה הוא תכליתי בכך שהוא מאפשר לחקירה של צמיחת משקע הרכבה עצמית במגוון רחב של מערכות תגובה, כוללים אלה שבמגיבים אחד או יותר נמצאים באותו הפתרון. החלפת מזרקים מאפשרת לאפשרות של גידול גן כימי יציב באמצעות כימיה תגובה אחת, ולאחר מכן באמצעות מבנה שכ" כור כימי "למרכיב שני עובר. לדוגמא, אם אחד רצה לבדוק האם יכולים להיקלט מולקולות אורגניות ו / או להגיב בתוך ארובה הידרותרמיות המורכבת ממינרלי ברזל 26, אחד יכול לגדול גן כימי של רכיבים אורגניים רלוונטיים ולאחר מכן להאכיל באמצעות מזרק שני של תמיסה המכיל, ל למשל, נוקלאוטידים, חומצות אמינו, פפטידים,או RNA 28. זה היה האפקט של adsorbing וסופג את הרכיבים האורגניים למשקע ולא מתפוגגים לתוך המאגר. בניסויים שלנו, אנו ציינו כי ההזרקה המשנית גרמה ארובות ברזל גופרי לגדול על גבי ארובות הידרוקסיד ברזל הקיימות, ככל הנראה באמצעות קרעים בקרום המקורי בשל לחץ נוזל. לפיכך, את הפנימיות של הארובות השונות יכול להיות מחובר במידה מסוימת לפחות, והחלקים של מינרלים שונים בקרום עשויים לשמש פונקציות שונות בתרחיש המקור-חיים, למשל, סולפידים מתכת חמצון הידרותרמיות H 2 / הפחתת CO 2 האוקיינוס 32,33 וברזל oxyhydroxides נהיגה תגובות פוספט וצמצום חנקתי לאמוניום באתר 5,34,35. ניתן לבצע חקירות מדע חומרי שימוש בסוג זה של ניסוי וכן; לדוגמא, בכוונה יוצר גינות כימיות של רכיבי קטליטי (למשל, Aluminosilicates) ולאחר מכן האכלת רכיבים אחרים (למשל, מולקולות או זרחנים אורגניים) דרכם להגיב. אפשר גם לחקור להרכיב חומרים שכבתיים לסירוגין מזרקים לייצר משקעים אורגניים שונים (כמו בRoszol וטיינבוק 2011 23). זה עניין פשוט לשמור את כלי תגובת פרט בתנאים אנאירוביים או כל אמיץ גז רצוי במהלך היווצרות גן כימית.

המגבלות של סוג זה של ניסוי הן בעיקר בשל העובדה שמבני גן כימיים במערכות המונעות על ידי אינפלציה, ציפה והסעה קשים מאוד לשלוט. מבני המשקע יכולים להיות שבירים וקשים להסיר ולנתח לאחר הניסוי. בנוסף, מאז הצמיחה של הגן הכימי היא תמיד בלתי צפויה, על מנת להבטיח מדידה של פוטנציאל הממברנה, החוט "החיצוני" במאגר יש להרחיק מנקודת ההזרקה, כדי למנוע chemicaגן l עוטף שני החוטים. עם זאת, לוקח אמצעי זהירות זה אומר שהחוטים הם בדרך כלל לא באופן אידיאלי קרוב לממברנה. במקום זאת, ניתן להשיג מדידות פוטנציאל הממברנה אורגנית מדויקות על ידי גידול הקרום על תבנית נייר אפייה בין שני הפתרונות 36. בניסויי גן כימיים זה בדרך כלל לא ניתן לטעום ו / או למדוד (למשל pH,) פתרון הפנים; ניתוח מפורט בזמן אמת יכול להיעשות רק על פתרון המאגר.

פתחי אוורור טבעיים גם יארחו שינויי טמפרטורה בין הנוזל המחומם הידרותרמיות (~ 70-100 ° C) והאוקיינוס ​​4, וכן כדי לדמות מערכות הידרותרמיות זה עשוי להיות רצוי לגדול הגן הכימי בטמפרטורה גבוהה ולחץ 37, אשר מהווה אתגרים עם ההתקנה המתוארת כאן. זה יהיה אפשרי לעטוף את הבקבוק במאגר סליל חימום על מנת לווסת את הטמפרטורה לפני התחילה; עם זאת, שונהסוג אף אוזן גרון של משאבה עשוי להיות נחוץ כדי לחמם את הפתרון דומה ההזרקה. כדי לדמות מערכת טבעית, ייתכן שיהיה צורך לכלול גזים מומסים (למשל, CO 2) בכל פתרון; אמנם זה עשוי להיות קל יותר להשיג במאגר (simulant האוקיינוס), זה ידרוש הכנה קפדנית יותר להזרקה (simulant הידרותרמיות). במערכות מים עמוקים, בלחץ הגבוה עלול להשפיע על צמיחה וכימיה ארובה, ו, בהתאם לניסוי, הגדלת לחץ גז בשני הנוזלים יכול להיות השפעה משמעותית (לדוגמא, מומס CO 2 עלולים לגרום למשקעים פחמה ברזל בגן הכימי , גם תלוי בלחץ ההידרוסטטי 6). שילוב טמפרטורה עלתה ולחץ בניסויי גן כימיים מסוג זה יוביל להרבה אפשרויות מעניינות, מאז טמפרטורה ולחץ משפיעים על המסיסות, משקעים, ומאפיינים ספציפיים של מינרלים רבים.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
  2. 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).
  3. Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
  4. Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
  5. Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
  6. 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).
  7. Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
  8. 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).
  9. Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
  10. Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
  11. Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
  12. 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).
  13. Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
  14. 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).
  15. Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
  16. Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
  22. Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
  23. Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
  31. 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).
  32. Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
  37. Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).

Tags

כימיה גיליון 105 כימי גנים נביעות הידרותרמיות עצמי עצרת אסטרוביולוגיה מקור החיים אי-אורגניים ממברנות
כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Barge, L. M., Abedian, Y., Doloboff, … More

Barge, L. M., Abedian, Y., Doloboff, I. J., Nuñez, J. E., Russell, M. J., Kidd, R. D., Kanik, I. Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems. J. Vis. Exp. (105), e53015, doi:10.3791/53015 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter