Introduction
"Kemiska gardens" är självsamlande oorganiska utfällningar utvecklats där två vätskor av kontrasterande kemiska samverkar 1,2. Dessa självorganiserande oorganiska strukturer har varit föremål för vetenskapligt intresse för mer än ett sekel delvis på grund av deras biomimetisk utseende, och många experimentella och teoretiska studier har bedrivits för att förstå de olika komplexa aspekter och möjliga funktioner av kemiska trädgårdssystem 3. Naturliga exempel på kemiska trädgårdar inkluderar mineral "skorsten" fällningar som växer runt hydrotermiska källor och sipprar, och det har hävdats att dessa skulle kunna ge rimliga miljöer för livet att dyka upp 4. Att växa en kemisk trädgård simulerar en naturlig hydrotermisk vent skorsten, ska en reservoarlösning representera en simulerad ocean sammansättning och en injektionslösning bör representera den hydrotermiska vätska som matas in i havet. Mångsidigheten hos denna typ of experiment till olika reaktionssystem möjliggör simulering av nästan alla föreslagna hav / hydrotermiska vätskekemi, inklusive miljöer på den tidiga Jorden eller på andra världar. På den tidiga Jorden, skulle haven varit anoxiska, sura (pH 5-6), och skulle ha inne löst atmosfär CO2 och Fe 2+, liksom Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- och NO 2. Kemiska reaktioner mellan denna havsvatten och den ultramafic havet skorpa skulle ha producerat en alkalisk hydrotermal fluid innehållande väte och metan, och i vissa fall sulfid (HS -) 4-8. Skorstenarna bildades i början av alkaliska jordartsventilationsmiljöer skulle alltså ha innehållit järn / järn oxyhydroxides och järn / nickel sulfider, och det har föreslagits att dessa mineraler kan ha tjänat särskilda katalytiska och proto-enzymatiska funktioner mot utnyttja geokemiska redox / pH-gradienter att köra uppkomsten av Metabolism 5. På samma sätt, i andra världar, såsom som kan vara värd (eller kan ha värd) vatten / berg gränssnitt - såsom tidig Mars, Jupiters måne Europa, eller Saturnus måne Enceladus - det är möjligt att vatten / rock kemi kan generera alkaliska ventilationsmiljöer förmåga att körning prebiotiska kemi eller ens ge beboe nischer för ännu existerande liv 5,9-11.
Den klassiska kemiska trädgård experiment involverar en ympkristall av ett metallsalt, t ex ferroklorid tetrahydrat FeCl2 • 4H 2 O, nedsänkt i en lösning innehållande reaktiva anjoner, t.ex. natrium silikat eller "vattenglas". Metallsaltet löses, skapar en sur lösning innehållande Fe 2+ som samverkar med den mer alkalisk lösning (innehållande silikatanjoner och OH -) och ett oorganiskt membran fällning bildas. Membran sväller enligt osmotiska trycket, skurar, sedan åter fälls ent den nya fluidgränsytan. Denna process upprepas tills kristallerna löses, vilket resulterar i en vertikalt orienterad, självorganiserade fällning struktur med komplexa morfologi på både makro- och mikronivå. Denna nederbörd resulterar i den fortsatta separation av kemiskt kontrasterande lösningar över oorganisk kemikalie trädgårds membran, och skillnaden av laddade ämnen över membranet ger en membranpotential 12-14. Kemisk trädgårds strukturer är komplexa, uppvisar sammansättningsgradienter från inre till yttre 13,15-19, och väggarna hos konstruktionen upprätthålla separationen mellan kontrasterande lösningar under långa perioder medan de förblir något permeabelt för joner. Förutom att vara en idealisk experiment i utbildningssyfte (eftersom de är enkla att göra för klassrummet demonstrationer, och kan utbilda studenter om kemiska reaktioner och självorganisering), kemiska trädgårdar har vetenskaplig betydelse som representationer av själv assembly i dynamiska, långt från jämvikt system som omfattar metoder som kan leda till produktion av intressanta och användbara material 20,21.
Kemiska trädgårdar i laboratoriet kan även odlas via injektionsmetoder, i vilken lösningen innehållande ett utfällande jon injiceras långsamt in i den andra lösningen innehållande samutfällning jon (eller joner). Detta resulterar i bildandet av kemiska trädgårdsstrukturer som liknar de hos kristalltillväxtexperiment, med undantag av att systemets egenskaper och fällningen kan kontrolleras bättre. Injektionsmetoden har flera betydande fördelar. Det gör att man kan bilda en kemisk trädgård med valfri kombination av utfallande eller införlivade arter, dvs kan flera utlösande joner införlivas i en lösning, och / eller andra icke-utfällning komponenter kan ingå i antingen lösning att adsorbera / reagerar med fällningen . Membranpotentialen alstras i en kemiskträdgårds systemet kan mätas i en injektionsexperiment om en elektrod är införlivad i det inre av strukturen, så att elektrokemisk undersökning av systemet. Injektions experiment erbjuder möjligheten att mata injektionslösningen in i det inre av den kemiska trädgården för kontrollerade tidsramar genom att variera injektionshastigheten eller total injicerad volym; Det är därför möjligt att mata igenom olika lösningar sekventiellt och använda den utfällda strukturen som en fälla eller reaktor. Tillsammans dessa tekniker möjliggör laboratorie simuleringar av komplexa processer som kunde ha inträffat i en trädgård naturlig kemisk systemet vid en ubåt hydrotermisk vent, inklusive en skorsten bildas av många samtidiga utfällningsreaktioner mellan havet och ventilera vätska (t.ex. producerar metall sulfider, hydroxider , och / eller karbonater och silikater) 5,22. Dessa tekniker kan även appliceras på vilken som helst kemisk trädgård reaktionssystem för att möjliggöra bildning av nya typerav material, till exempel, skiktade rör eller rör med adsorberade reaktiva ämnen 20,23.
Vi detalj här ett exempel experiment som innefattar den samtidiga ökningen av två kemiska trädgårdar, Fe 2 + -innehållande strukturer i en syrefri miljö. I detta experiment införlivade vi spårmängder av polyfosfater och / eller aminosyror i den ursprungliga injektionslösningen att observera deras effekt på strukturen. Efter inledande bildandet av den kemiska trädgården vi sedan bytte injektionslösningen att införa sulfid som en sekundär fällnings anjon. Mätningar av membranpotentialer gjordes automatiskt genom experimentet. Detta protokoll beskriver hur du kör två experiment på gång med dubbla sprutpump; De data som visas krävs flera körningar av detta förfarande. De relativt höga flödeshastigheter, lågt pH hos reservoaren och reaktant-koncentrationer som används i våra experiment är utformade för att bilda stora skorsten utfälles i tid SCales som lämpar sig för en dag laborationer. Emellertid kan fluidflödeshastigheter vid naturliga hydrotermala fjädrar vara mycket mer diffus och koncentrationerna av utfällande reaktanter (t.ex. Fe och S i en tidig jordens system) kan vara en storleksordning lägre 4; sålunda skulle strukturerade fällningar bildas över längre tidsskalor och ventilations kan vara aktiv för tiotusentals år 24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Säkerhets Överväganden
- Använd personlig skyddsutrustning (labbrock, skyddsglasögon, nitril, ordentliga skor) för att förhindra mot kemikaliespill eller skada. Använd sprutor och nålar och vara noga med att inte punktera handskar. Var försiktig under experimentet för att kontrollera anordningen för läckor genom att utföra första injektionen med dubbeldestillerat H2O (DDH 2 O), och för att kontrollera stabiliteten hos reaktionskärlen i montern, innan du lägger kemikalier.
- Genomföra detta experiment med någon kemisk recept trädgård, men en av reaktanterna vi använder för att simulera djuphavs ventiler är en farlig kemikalie, natrium, därför gör hela experimentet inuti ett dragskåp för att förhindra exponering.
- Bara öppna flaskan med natriumsulfid i dragskåp och placera en balans inne i dragskåp för att väga sulfid. Ha alltid sulfidinnehållande lösningar inuti dragskåp som de släpper giftiga H2S gas, och även hålla sulfide vätska, vassa föremål och avfallsbehållare i dragskåp fast. En annan reaktant av intresse är Fe (II) Cl2 • 4H 2 O, som oxiderar vid exponering för luft, så noga med att hålla lösningar anoxiska och växa kemiska trädgårdar under en anoxisk gasutrymme (t.ex. N2 eller Ar), alltid inom ett dragskåp eller handskfacket.
2. Inkoppling för injektion Experiment
- Skapa glas "injektionsflaskor" genom att skära av de nedre 1 cm av en 100 ml glas crimp toppserumflaska (20 mm krusningsförseglingen stängning typ) med en glasskärare så att, när den är inverterad, är öppen för luften i kärlet. Eftersom dessa kan återanvändas, rengör rören i en 1 M HCI syrabad O / N, och skölj sedan väl med DDH 2 O innan ett nytt experiment.
- Förbered injektionsflaskor (Figur 1).
- Samla en 20 mm septum, 20 mm aluminium krusningsförseglingen, och 0,5-10 il plast pipettspetsen. Med hjälp av en 16 G spruta needle försiktigt punktera ett hål genom centrum av membranet och ta bort och kassera nålen i rätt vassa avfallsbehållare.
- För in pipettspetsen i nålhålet, in i sidan av den gummiseptum som kommer att möta inuti crimp toppen av flaskan. Skjut pipettspetsen genom skiljeväggen så att den sticker ut på andra sidan.
- Crimp-försegla septumet med pipettspetsen på insprutningskärlet för att göra en vattentät tätning. När förseglade trycker pipettspetsen vidare genom skiljeväggen så att den sticker ut utanför.
- Anbringa 1/16 "innerdiameter klart flexibla kemikalieresistenta slangen till pipettspetsen (slang längd skall nå från injektionsflaskan till sprutpumpen); Skjut upp för en vattentät tätning.
Anmärkning: Detta kommer att vara den insprutningsrör, som matas från den andra änden av en spruta med 16 G-nål. - Kontrollera tätheten: Sätt i en 10 ml spruta fylld med DDH 2 O med en 16 G nål i den andra änden av slangen(smidigt glida slangen direkt på nålen och vara noga med att inte punktera väggen i röret). Injicera långsamt så att DDH 2 O rör sig upp slangen och in i botten av reaktionskärlet. Se till att sprutan / rör, rör / spets, och försegling är vattentäta.
- Kläm injektionsflaskor på ett stativ i ett dragskåp, så att injektion mata in från botten av flaskan.
Obs: Flera flaskor kan sättas upp på en gång och matas samtidigt genom separata sprutor. - Sätt upp elektroder för mätning av membranpotential över väggen av de kemiska trädgårdar. Använd alltid samma konvention som bly är "inne" och som är "utanför" av kemiska trädgårdar.
- Skär längder av isolerad tråd (t.ex. koppar) som når inifrån reaktionskärlen till ledningen av multimeter eller datalogger. Lämna lite slack i trådarna för positionering.
- Strip ~ 3 mm fråntråd nakna vid ändarna som kommer att ligga inne i reaktionsflaskan. Vid de andra ändarna som ska anslutas till multimetern leder, band ~ 1 cm av tråd.
- Fäst kablarna på plats för att mäta membranpotential över kemiska trädgården. För tråden som kommer att gå in i kemiska trädgård: sätt in det i öppningen av pipettspetsen från vilken vätska kommer att ingå i kärlet.
- Tryck tråden i lätt för att säkerställa kontakt med injektionslösningen, men inte så långt att det kommer att täppa injektionsflödet. För utanför tråden: placera den så att den kommer att vara i kontakt med behållaren lösning, men inte med den kemiska trädgården fällning.
- Tejp eller på annat sätt säkra ledningarna så att de inte kan röra sig inuti injektionsflaskan under försöket (figur 2).
- Fäst andra ändarna av kablarna till multimetern, och säkra ledningarna så att dessa mål också inte flytta hela experimentet.
- Ställ in N2
- Split gasinmatningen från en N 2 källa i flera rör, så att det finns ett N2-flöde för varje injektionsflaska.
- Placera varje N 2 röret så att den matas in i gasutrymmet i en av injektionsflaskor.
3. Beredning av lösningar för Chemical Garden Growth
- Bered reservoarlösningen, 100 ml för varje experiment. Obs: I detta exempel, använder 75 mM Fe 2+ och 25 mM Fe 3+ som fällnings katjoner (tabell 1).
- Skapa anoxiska lösningar genom att först bubbling av DDH 2 O med N 2-gas under ~ 15 min per 100 ml.
- Väg upp och tillsätt FeCl2 • 4H 2 O och FeCl3 • 6 H2O, omrörning försiktigt för att lösa (inte med kraft för att inte införa syre).
- Efter reagens upplöses omedelbart resume ljus bubblande av Fe 2+ / Fe 3+ lösning med N 2 gas medan injektioner framställs.
- Välj två av de primära injektionslösningar som visas i tabell 1, och förbereda 10 ml vardera. Fyll en 10 ml spruta till 7 ml märket med var och en av lösningarna (en spruta för varje lösning). Byt ut nålskyddet och ställ åt sidan.
- Förbered 20 ml av sekundärinjektionslösningen (natriumsulfid - FÖRSIKTIGHET). Visas i tabell 1 Fyll två 10 ml sprutor till 7 ml märket med denna lösning, ersätta nålskyddet och ställ åt sidan. Ha alltid sulfidinnehållande lösningar och sprutor i dragskåp.
- Fyll DDH 2 O sprutor från steg 2.2.5; dessa kommer att användas för att spola insprutningsröret.
4. Starta första injektionen
- Använd önskad datalogger för membranpotentialmätningar; mäta varje experiment potential på en Separate-kanal, och ställ in skanningshastighet för att ge den önskade mängden datapunkter (t.ex. för en 2-timmars injektion, inspelning potential every 30 sec skulle räcka).
- Säkra de primära injektionssprutor på den programmerbara sprutpump i dragskåpet.
- Använd ett slöseri bägare att fånga dropp och ställ in sprutpump att injicera i snabb takt tills sprutorna båda börjar droppa in i bägaren. Sedan stoppa injektionen (i syfte att säkerställa att de två sprutorna börjar injicera vid exakt samma nivå).
- Åter program sprutpumpen att injicera på 2 ml per timme (kalibrera för den typ av sprutan som används), men inte slå start.
- Sätt i DDH 2 O sprutor i de två plast injektion rör, och injicera så att vattnet fyller klart slangen till öppningen där det går in i huvudreservoaren. Placera sprutor på stativet, ovanför injektionsflaskor.
- Häll 100 ml av Fe 2+ / Fe 3+ reservoarlösning i each ampull.
- Justera flödet av N2-gas linjer såsom önskas för att hålla experimentet anoxiska för varaktigheten av injektionerna.
- Försiktigt täcka reservoarflaskor med en lufttät tätning (t.ex. med hjälp av Parafilm, inte hindrar sikten genom glaset) och sätt en N2-flöde till varje flaska (Figur 3).
- Ta med DDH 2 O sprutor (fortfarande införda i slangen) ner bredvid de primära injektionssprutor. Skjut försiktigt plastinsprutningsslangen från DDH 2 O sprutnål, och omedelbart överföra den direkt på en av de primära injektions kanyler. (Var noga med att inte punktera väggen i röret.)
- Starta injektion och starta inspelningen av membranpotential.
5. Starta sekundär insprutning:
- Hit stopp på sprutpumpen efter 3 timmar (efter 6 ml har injicerats), har en gång kemiska trädgårdsstrukturer bildas (Figure 4), kontinuerligt alstra en membranpotential (fig 5).
- Försiktigt bort de primära injektionssprutor från sprutpump (men lämna dem ansluten till slangen så strukturerna inte störd); ställa in dem på stativet ovanför nivån för vätskan i injektionsflaskorna, så att vätska inte kan strömma tillbaka in i sprutan.
- Säkra de sekundära insprutnings svavelväte sprutor till sprutpumpen, och upprepa steg 4.3 och 4.4.
- Ta bort de sekundära sprutorna en i taget från sprutpumpen, och, medan du håller sprutorna ovanför vätskenivån i flaskorna, upprepa steg 4,9, överföring slangen från primär sprutor till de sekundära sprutor (Figur 6). Vara vaksamma att fluidtrycket från behållaren in i sprutan inte orsakar vätska att strömma tillbaka in i sprutan, eftersom detta skulle kunna kollapsa den kemiska trädgården.
- När överföringen är klar, noga säkra sekundära sprutor till the sprutpump.
- Åter program sprutpumpen att injicera på 2 ml per timme, och tryck börja fortsätta injektion med den nya injektionslösningen.
- Säker förfoga över de primära injektionssprutor.
6. Avsluta Experiment
- Först stoppa sprutpumpen, sedan stoppa inspelningen av membranpotentialen och spara data.
- Stäng av N2-flöde och ta bort linjer och Parafilm från injektionskärlen.
- Om så önskas, prov reservoarlösningen eller fällning för vidare analys. Att försiktigt ta bort reservoarlösningen och inte störa fällningen, använd en 25 ml pipett för att försiktigt pipett av reservoarlösningen i flera portioner, och kasta lösningen i en avfallsbägare.
- Frikoppla injektionskärlen en i taget och häll lösningen i en överföringsavfallsbägare i dragskåpet. Använd DDH 2 O att skölja ut bitar av fällning.
- Ta bort sprutorna tillbakam sprutpumpen, och extrahera dem från röret, låter extra injektionsvätska rinna av i överföringsavfallsbägare. Töm sprutorna i avfalls bägaren, och förfoga över sprutor i en sulfid avfallsbehållare förvaras i dragskåp.
- Ta bort slangen från experimentet flaskan och kasta den i en fast avfallspåse. Uncrimp tätningen och göra sig av med septum, tätning och pipettspetsen.
- Skölj glaset experimentet flaskan och dra det i en 1 M HCI syrabad O / N. (OBS - glas som har varit i kontakt med natriumsulfid bildas giftiga H2S gas när de placeras i syra Håll syrabad inne i dragskåp..)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
När injektionslösningen började matas in i reservoarlösningen, började en kemisk trädgård fällning bildas vid fluidgränsytan och denna struktur fortsatte att växa under loppet av injektions (fig 4-7). I experimenten som rapporteras här, den första injektionen var natriumhydroxid (som kan modifieras för att inkludera L-alanin och / eller pyrofosfat), och reservoarlösningen var en 1: 3 blandning av Fe3 + / Fe2 +, vilket gav en blandad -redox-state järn oxihydroxid fällning. De kemiska trädgårdar uppvisade typiskt en dubbel färgad morfologi - vissa delar av fällningen var mörkgröna (förmodligen indikerar en blandad oxihydroxid) och andra delar var apelsin (förmodligen indikerar främst Fe 3+ -oxyhydroxide / oxid). Järnet oxihydroxid kemiska trädgårdar var ganska robusta strukturer och ofta kan hålla sig upprätt när reservoaren lösningen avlägsnades från kärlet efter injektion (Figur 8). I fällningar som endast innehåller Fe-oxihydroxid, de kemiska trädgårdar bildas vanligen flera grenar; men när den hydrofoba aminosyran alanin ingick i injektionslösningen, de kemiska trädgårdarna tenderade att bilda färre grenar eller ens en enda kolumn av fällning. Denna hämning för sprängning och förgrening förmodligen tyder på att tillsatsen av alanin ger en mer hållbar kemisk trädgården väggen 26. Enligt miljösvepelektronmikroskop (ESEM), de bildade fällningarna i närvaro av alanin verkade mer rundad och amorfa, medan rena Fe-oxihydroxid fällningar (liksom de som innehåller pyrofosfat) verkade mer kristallina (Figur 9). När pyro ingick i injektionslösningen, en förgrenad Fe-oxihydroxid kemisk trädgård bildas och ytterligare gröna grumlig fällning (sannolikt järnpyrofosfat) bildas och sträckte sig från kanterna av strukturen (Figur 10). Thans gröna plym fällningen var inte en del av den kemiska trädgården, och när reservoaren lösningen avlägsnades, de plymer kollapsade och inte aggregera väl till huvudstrukturen.
Membranpotentialen i kemiska trädgårds experiment genererades så snart den kemiska trädgården blev synliga (fanns en fördröjningstid, som injektionslösningen reste genom slangen). I experiment där injektionslösningen var NaOH, NaOH med alanin eller NaOH med pyrofosfat, potential tenderade att topp närmast 0,45-0,55 V och minskade sedan i ungefär en timme innan stabilisera cirka 0,1 till 0,2 V för resten av första injektionen . (I experiment där första injektionen var NaOH + pyrofosfat + alanin, hade spänningen inte topp på det högre värdet av ~ 0,45-0,55, utan förblev runt ~ 0,2 för hela första injektionen.) Det fanns skillnader i membranpotentialen i upprepningar av samma experiment (figur 11) <strong>, men mönstren observerades mer eller mindre konsekvent över fyra upprepningar av varje injektion kemi.
När de primära sprutorna bytte till de sekundära sprutor innehållande natriumsulfid, den kemiska trädgården fortsatte att växa, förutom att synliga nya utväxter var nu svart järnsulfid. I stället för att bidra till de befintliga väggar, svarta svavelväte delarna av kemiska trädgården verkade förgrenar sig och växa sig. Så snart som sulfid injektionslösningen nådde den kemiska trädgården, membranpotentialen omedelbart hoppade till ~ 0,9 V. Värdet på potentialen som nåddes under sekundär insprutning var samma för alla experiment, oberoende av den primära insprutningslösningen (figur 10). Detta beror på att potentialen i kemiska trädgård experiment är främst på grund av kemin mellan de två gränssnittslösningar, och eftersom våra sekundära injektionslösningar var alla 50 mM Na 2 S • 9H Vi genomförde typiskt fyra kemiska trädgård experiment på en gång, med hjälp av fyra reservoarflaskor som matas av fyra separata sprutor och allt drivs med samma hastighet genom sprutpumpen. Genom att använda samma kemi i alla fyra dubbletter, observerade vi ofta stora variationer i kemisk trädgården struktur (totala storleken, antalet filialer) samt variationer i membranpotential inom intervallet 0,1-0,2 V. Denna brist på reproducerbarhet är att vänta i långt från jämvikt experiment när så mycket beror på den invecklade de ursprungliga villkoren. Det är troligt att den slumpmässiga bildningen av strukturen i kemiska trädgårdar leder ibland till utfällning membran med varierande permeabilitet för joner; i vissa fall, de injektion och reservoarlösningar är troligen bättre separerade och sålunda membranpotentialen kan bibehållas under en längre period. Tabell 1. Spänningar som genereras av kemiska trädgårdar som genereras genom att långsamt injicera först en primär, sedan en sekundär lösning i en behållare. V 1max (avg) och V 2max (avg) är genomsnitten av de högsta spänningarna som produceras under den primäraoch sekundära injektioner, respektive; σ är standardavvikelsen. 
Figur 1. Förbereda reaktionskärl. Reaktionskärl för injektion kemiska trädgård experiment gjordes genom att skära av botten av en 100 ml serumflaska, sätter en pipettspets genom en skiljevägg w hich därefter krusighet förseglas flaskan, och fästa ett rör genom vilket att mata injektionslösningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 2. Placering av trådarna i den kemiska trädgården reaktionskärl. (A) Vy från ovan, som visar placeringen av "inre" elektrod i injektionsöppningen. Denna tråd var omsluten av den kemiska trädgården när det började växa. Den "yttre" elektrod hade kvar längre bort från injektionspunkten så att det inte blev rörd av den växande kemiska trädgården. (B) Fäst kablarna med tejp så att de inte rör sig under hela experimentet.= "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 3. Skapa N2 huvudutrymmet. Efter reservoarlösningen tillsattes, en lufttät försegling bildas över toppen av kärlet med Parafilm (som täcker elektroderna samt), och sedan en lätt N2 foder infördes för att upprätthålla anoxiska villkor i hela den kemiska trädgården tillväxten. Klicka här att se en större version av denna siffra. 
Figur 4. Time-lapse tillväxten av en kemisk trädgård. Detta experiment innehöll 75 mM FECl 2 • 4H 2 O och 25 mM FeCl3 • 6H 2 O i reservoarlösningen. Den första injektionen var 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7, och efter 180 minuter injektions bytte till 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 5. Membran potentialer. Membranpotential genererades som en kemisk trädgård växte runt inre elektroden. Efter den primära injektionen av hydroxid som först bildas fällningen strukturen, var sprutan kopplas med en spruta av natriumsulfidlösning. I detta experiment reservoarlösningen var 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCla 
Figur 6. Spruta. (A) Korrekt insättning av injektionsnålen i den böjliga plastslangar. Man måste vara försiktig att inte punktera slangen -. Exempel på felaktig insättning visas i (B) Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 8. fällning stabilitet. Fe (II / III) -hydroxid kemiska trädgårdar ibland kan bibehålla strukturell stabilitet efter reservoarlösningen avlägsnas försiktigt. Fällningen kan sedan provtas för vidare analys om önskas. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 9. Miljö Svepelektronmikroskopi avbildning. (A) Fe (II / III) -hydroxid kemiska trädgårdar, (B) Fe (II / III) -hydroxid kemiska trädgårdar innehållande K 2 P 4 O 7, och (C) Fe ( II / III) -hydroxid kemiska trädgårdar innehåller alanin. Alla bilder är av kemiska trädgårdar efter bara första injektionen. Fällningarna som ingår alanin verkade rundade och mindre kristallin än utfällningar av endast Fe (II / III) -hydroxid och Fe (II / III) -hydroxid innehållande K 2 P 4 O 7..jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 10. Kemiska trädgårdar odlas i en reservoar lösning av 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O. (A) injektionslösning innehöll 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7. (B) Injektion lösningen innehöll 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7 + 10 mM alanin. I kemiska trädgårdar där injektionslösningen innehöll K 2 P 4 O 7, grön fällning plymer (pilar) som bildas nära den fasta precipitate grenar, men dessa plymer var inte helt samman till huvudstrukturen och kollapsade när reservoaren lösningen avlägsnades. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 11. Membran potential som genereras av kemiska trädgårdar odlas i reservoarlösningar av 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6H 2 O. Fyra upprepningar av varje experiment visas. Potentialen alstrades så snart som injektionslösningen rest upp röret och kontaktadereservoarlösning för framställning av en fällning struktur omsluter den inre elektroden. Strukturen har fortsatt att växa i takt med första injektionen fortsatte. När sprutan byttes till natriumsulfidlösning och sekundär insprutning började (pilar), ökade möjligheter till 0,9-1,0 V. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Reservoarlösning (100 ml) Primär Injektion (6 ml) Primär injektionshastighet V 1max (avg) Sekundär insprutning (6 ml) Sekundär injektionshastighet V 2max (avg) 75 mM FeCl2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6 H2O 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 + 10 mM alanin 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 + 10 mM alanin 3 ml / h 0,239 V, σ = 0,061 2 ml / h 0,923 V, σ = 0,033
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bildningen av en kemisk trädgård struktur via injektion metod kan åstadkommas genom samverkan som helst två lösningar innehållande reaktiva joner som ger en fällning. Det finns många möjliga reaktionssystem som kommer att ge fällning strukturer och att hitta rätt recept av reaktiva joner och koncentrationer för att växa en önskad struktur är en fråga om trial and error. Flödeshastigheten för injektionslösningen styrs av en programmerbar sprutpump och detta kan även varieras mellan experiment för att simulera olika hastigheter av fluidflödet i ett naturligt system. Strukturen av kemiska trädgårdar är beroende av många faktorer, bland annat sammansättning och flödeshastighet, och det är möjligt att odla strukturer i så lite som ett par timmar och under längre perioder av dagar till veckor. Man kan också lägga till andra spårkomponenter av intresse in i injektions eller reservoarlösning, såsom organiska molekyler eller andra komponenter som tros vara geologiskt eller biologiskt relevant <sup> 27,28. Beroende på kemin, kan dessa komponenter införlivas i fällningen och / eller genomgå reaktioner.
Det finns olika metoder som har använts i tidigare arbete för att odla kemisk trädgård fällningar, inklusive direkt tillväxt lösa kristaller eller "pellets" 18,29 och injektionsexperiment som de visas här 30,31. Att utforma en kemisk trädgård experiment där det är möjligt att tillförlitligt mäta membranpotential, måste ett skapa ett sätt att helt omsluter den "inre" tråd inom fällningen membranet under hela experimentet. Detta är svårt (men inte omöjligt 14) för att åstadkomma i kristalltillväxtexperiment. I injektion tidigare experiment 13, har vi i allmänhet observerat att tråden ska placeras direkt i insprutningspunkten, annars kemiska trädgården ofta "undviker" tråden när det växer, vilket leaving båda trådarna i reservoarlösningen och ingen membranpotential kan mätas. Kemiska trädgårdar odlas via injektion varierar i strukturell stabilitet beroende på den kemiska reaktantsystemet (er) som används - till exempel järn-silikat eller järn hydroxid system ger mer robusta strukturer som finns kvar står när reservoaren vätskan dekanteras, medan rena järn sulfid system tenderar att ge en mycket mer gelatinös, delikat fällning som lätt kollapsar om lösningen är störd. En kollaps av den kemiska trädgården eller någon betydande brott på membranet kommer att orsaka omedelbara effekter i membranpotentialen, eftersom de ojämlika fördelning av laddade ämnen över membranet blöda ut. Således, i denna typ av experiment, är det mycket viktigt att trådarna är noggrant fäst före injektion så att de inte kommer att röra sig som den kemiska trädgård växer, och att den experimentella / injektion setup är stabil och inte knuffad under tillväxten.
Därför attefter injektion av vätska som strömmar in i behållaren är lärorikt, är flexibel transparent Tygonrör rekommenderas över andra möjligheter såsom rostfritt stål. Den klara slangen möjliggör observation av fällnings partiklar som bildar inuti röret, gör att man kan få bort träskor, och tillåter detektion / avlägsnande av luftbubblor. Nackdelen med denna slang är att det lätt kan punkteras av sprutnålen (figur 6). Vi experimenterade med omkopplings sprutor genom att föra in den andra nålen direkt in i slangen från sidan före den första injektionen, snarare än att faktiskt förflytta slangen från en spruta till en annan, men denna teknik var mycket svårt att åstadkomma utan punktering. En annan fördel med Tygonrör är att i händelse av punktering när du sätter en nål, kan man helt enkelt skära punkterade delen av röret bort och sätt tillbaka nålen.
Tillväxten av membranet styrs av buoyancy och, i mindre grad, trycket från injektionen. En drastisk förändring i insprutningstrycket kan orsaka en kollaps av den kemiska trädgården, särskilt i system som inte ger robusta fällningar. När du byter sprutor, är det viktigt att hålla sprutan tas bort på, eller strax över, att vätskenivån förhindra strömma tillbaka och den sannolika uppdelning. En sådan händelse skulle kunna också undvikas genom att inrätta experimentet så att sprutpumpen är på den ungefärliga nivån av reservoarerna. Det gör liten skillnad till membran potentiella uppgifter om experiment "paus" för en längre tid samtidigt som du slår sprutor, så länge som den kemiska trädgården förblir ostört. Det rekommenderas att byta sprutor noga, en i taget, och säkra sprutan som håller det inre trycket av den kemiska trädgården så att det inte kan "strömma tillbaka", innan vi går vidare till nästa. Injektionshastigheten bör vara någorlunda constant mellan de första och andra injektioner, och i allmänhet bör inte vara alltför snabb (minsta experimentet tid ~ flera timmar), eftersom överskottsinsprutningstryck kommer att brista membranet.
Detta experiment är mångsidig i det att den möjliggör för undersökning av självsamlande fällning tillväxt i en mängd olika reaktionssystem, inklusive de i vilka en eller flera reaktanter är närvarande i samma lösning. Den byta sprutor gör det möjligt att odla en stabil kemisk trädgård genom att använda någon reaktionskemi, sedan använda denna struktur som en "kemisk reaktor" för en andra komponent passerar. Till exempel, om en ville undersöka om organiska molekyler kan bli absorberas och / eller reagerar inom en hydrotermisk skorsten består av järnmineral 26, kunde en odlar en kemisk trädgård relevanta oorganiska komponenter och sedan matas genom en andra spruta med lösning innehållande, för Exempelvis nukleotider, aminosyror, peptider,eller RNA 28. Detta skulle innebära att adsorbera och absorbera de organiska komponenterna i fällningen i stället för dem att skingra in i reservoaren. I våra experiment observerade vi att den sekundära injektionen orsakade järnsulfid skorstenar att växa på toppen av befintliga järnhydroxid skorstenar, förmodligen genom sprickor i det ursprungliga membranet på grund av fluidtryck. Således kan det inre av olika skorstenar vara åtminstone något anslutna och delar av olika mineraler i membranet kan tjäna olika funktioner i en ursprung-of-life scenario, till exempel, metallsulfider oxiderande hydrotermisk H2 / minska ocean CO2 32,33 och järn oxyhydroxides driver fosfat reaktioner och minska nitrat till ammonium på plats 5,34,35. Utredningar materialvetenskap kan utföras med hjälp av denna typ av experiment samt; till exempel, medvetet bildar kemiska trädgårdar katalytiska komponenter (t.ex. aluminosilicates) och sedan mata andra komponenter (t.ex. organiska molekyler eller fosfater) genom dem att reagera. Man kan också utforska bilda skiktade material genom att växla sprutor för att producera olika oorganiska utfällningar (som i Roszol och Steinbock 23 2011). Det är en enkel sak att hålla de enskilda reaktionskärlen under anaeroba förhållanden eller någon önskad gas headspace under kemisk trädgård bildning.
Begränsningarna av denna typ av experiment är främst på grund av det faktum att kemiska trädgårdsstrukturer i system som drivs av inflation, bärighet och konvektion är mycket svårt att kontrollera. Fällningen strukturer kan vara sköra och svåra att ta bort och analysera efter experimentet. Dessutom, eftersom tillväxten av den kemiska trädgården är alltid oförutsägbar, för att säkerställa mätning av membranpotential, den "yttre" tråd i behållaren måste vara på avstånd från insprutningspunkten, för att förhindra att chemical trädgård kuvertering båda ledningarna. Om man tar denna försiktighetsåtgärd innebär att trådarna vanligtvis inte är idealiskt nära membranet. Istället kan exakta oorganiskt membranpotentialmätningar uppnås genom att odla membranet på ett bakplåtspapper mall mellan de två lösningarna 36. I kemiska trädgård experiment är det i regel inte möjligt att ta prov och / eller på annat sätt mäta (t.ex. pH) den inre lösningen; detaljerad analys i realtid kan endast göras på reservoarlösningen.
Naturliga ventiler skulle också värd termiska gradienter mellan den uppvärmda hydrotermiska vätska (~ 70-100 ° C) och havet 4, och så att simulera hydrotermiska system kan det vara önskvärt att odla den kemiska trädgård vid en högre temperatur och tryck 37, som utgör utmaningar med installationen som beskrivs här. Det skulle vara möjligt att linda behållaren flaskan i en värmeslinga för att reglera temperaturen innan; emellertid ett skiljerent typ av pump kan vara nödvändig för att på liknande sätt uppvärma injektionslösningen. För att simulera ett naturligt system, kan det vara nödvändigt att inkludera upplösta gaser (t.ex. CO 2) i antingen lösning; medan det kan vara lättare att genomföra i reservoaren (ocean simulator), skulle det krävas mer noggranna förberedelser för injektionen (hydrotermiska simulator). I djuphavssystem, kunde högtrycks påverkar skorsten tillväxt och kemi, och, beroende på experimentet, vilket ökar gastrycket i båda vätskorna kan ha en betydande effekt (t.ex. löst CO 2 kan leda till järnkarbonat nederbörd i den kemiska trädgården , också beroende av det hydrostatiska trycket 6). Införliva ökad temperatur och tryck i kemiska trädgårds experiment av denna typ skulle leda till många intressanta möjligheter, eftersom temperatur och tryck påverkar lösligheten, utfällning, och specifika egenskaper hos många mineraler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Syringe Pump | Fisher | 14-831-3 | Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments |
| Ferrous chloride tetrahydrate | Fisher | I90500 | Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified) |
| Ferric chloride hexahydrate | Fisher | I88-100 | Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS) |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous) |
| Sodium sulfide nonahydrate | Fisher | S425212 | Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20 °C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood. |
| Potassium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | 322431 | 97% |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | |
| Syringes (10 cc) | Fisher | 14-823-16E | BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) |
| Syringe needles (16 gauge) | Fisher | 14-826-18B | BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm) |
| Tubing | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD |
| Aluminum seals | Fisher | 0337523C | Thermo Scientific™ National™ Headspace 20 mm Crimp Seals |
| Gray butyl stoppers | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ National™ 20 mm Septa for Headspace Vials |
| Serum bottles | Sigma-Aldrich | 33110-U | Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off. |
| Pipette tips | VWR | 53511-682 | pipette tips 0.5-10 μl |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
References
- Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
- Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
- Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
- Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
- Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
- Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
- Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
- Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
- Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
- Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
- Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
- Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
- Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
- Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
- Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
- Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
- Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
- Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
- Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
- Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
- Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
- Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
- Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
- Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
- McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
- Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
- Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
- Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
- Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates? Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
- Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
- Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , InTech. (2012).
- van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
- Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).
