Waiting
Login processing...

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

Environment

محاكاة المداخن الحرارية المائية للأرض في وقت مبكر في بيئة الانحدار الحراري

Published: February 27, 2021 doi: 10.3791/61789
Automatic Translation
1, 2, 1
1NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2The University of Tulsa

Summary

والهدف من هذا البروتوكول هو تشكيل مداخن حرارية مائية محاكاة عن طريق تجارب حقن الحديقة الكيميائية وإدخال تدرج حراري عبر الغشاء الراسب غير العضوي، وذلك باستخدام مكثف قابل للطباعة ثلاثي الأبعاد يمكن استنساخه لأغراض تعليمية.

Abstract

10 - والفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار هي رواسب ذاتية التنظيم تتولد عن اختلال التوازن الكيميائي الجيولوجي، وقد اقترحت بوصفها بيئة ممكنة لظهور الحياة. وقد تمت محاكاة نمو المداخن الحرارية المائية في بيئة تدرج حراري داخل نظام تنفيس الأرض المبكر بنجاح باستخدام زنافات حرارية مائية مختلفة، مثل كبريتيد الصوديوم، التي حقنت في سيمولانت محيطي أرضي مبكر يحتوي على الحديد الحديدي الذائب. وعلاوة على ذلك، تم تطوير جهاز لتبريد المحيطات بشكل كاف إلى ما يقرب من 0 درجة مئوية في وعاء مكثف مغمور في حمام الماء البارد أثناء حقن محلول كبريتيد في درجات حرارة ساخنة إلى درجة حرارة الغرفة، مما يخلق بشكل فعال هيكل مدخنة اصطناعية في بيئة تدرج درجة الحرارة على مدى بضع ساعات. مثل هذه التجارب مع كيمياء مختلفة وتدرجات درجة الحرارة المتغيرة أسفرت عن مجموعة متنوعة من المورفولوجيا في هيكل المدخنة. وأدى استخدام زنافضات المحيطات والسوائل الحرارية المائية في درجة حرارة الغرفة إلى مداخن عمودية، في حين أن الجمع بين السائل الحراري المائي الساخن وزمن المحيطات البارد يحول دون تكوين هياكل مدخنة قوية. يعمل المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد القابل للتخصيص الذي تم إنشاؤه لهذه الدراسة كوعاء رد فعل سترة يمكن تعديله واستخدامه بسهولة من قبل باحثين مختلفين. وسيسمح بالتحكم الدقيق في معدل الحقن والتركيب الكيميائي للنفتاحات ومزيلات المحيطات، مما سيساعد على محاكاة التفاعلات البريبايوتية بدقة في أنظمة المدخنة ذات التدرجات الحرارية المماثلة لتلك الموجودة في النظم الطبيعية.

Introduction

المداخن الحرارية المائية هي ذاتية التنظيم رواسب الحديقة الكيميائية المتولدة من اختلال التوازن الجيوكيميائية داخل بيئات تنفيس أعماق البحار كما ساخنة، السائل المعدلة هيدروثيرميا يتسرب إلى محيط أكثر برودة. في سيناريو الأرض في وقت مبكر، وقد اقترح أن المداخن التي تشكلت في فتحات القلوية القديمة، وأن تحويل درجة الحموضة المحيطة / الأكسدة / التدرجات الكيميائية يمكن أن يكون الدافع وراء ردود الفعل نحو ظهور التمثيل الغذائي1،2،3،4،5،6. كما تم فترض الفتحات الحرارية المائية أن تكون موجودة على كواكب أخرى بما في ذلك عوالم المحيطات، أوروبا وانسيلادوس7،8،9،10. وقد أجريت تجارب مختلفة لمحاكاة جوانب الكيمياء المدخنة الحرارية المائية prebiotic المقترحة بما في ذلك هطول الأمطار من معادن كبريتيد الحديد الحفاز التي يمكن أن تقلل من CO211،12، التوليف العضوي التدرج يحركها13،14،15، ودمج المواد العضوية في هياكل المدخنة16. ومن الضروري عند إنشاء أجهزة تجريبية لمحاكاة الفتحات الحرارية المائية، سواء على الأرض أو في عوالم أخرى، النظر في التدرجات الجيوكيميائية والطبيعة المفتوحة البعيدة عن التوازن للنظام لإنتاج محاكاة واقعية.

بالإضافة إلى درجة الحموضة والأكسدة والتدرجات الكيميائية، تفرض الفتحات الحرارية المائية أيضا تدرجا حراريا عبر غشاء المدخنة / الجدار بسبب تغذية سائل الفتحات الساخن في بيئة قاع البحر الباردة. ويمكن أن تتفاوت درجات حرارة المحيطات الباردة في قاع البحر كدالة للعمق، والاختراق الشمسي، والملوحة؛ متوسط أعماق المحيطات قاع البحر في مواقع تنفيس (معظمها في منتصف المحيطات التلال) هي في حدود 0-4 درجة مئوية17. اعتمادا على نوع تنفيس، يمكن أن التدرج الحراري بين المحيطات والسوائل تنفيس تختلف بشكل كبير من التدرجات أخف من الفتحات القلوية، مثل فقدت مدينة18،19 أو حقل Strytan الحرارية المائية حيث السائل تنفيس هو 40-90 درجة مئوية20،21، إلى المدخنين السود قاع البحر العميق حيث تنفيس السوائل يمكن أن تصل إلى عدة مئات من الدرجات مئوية22، 23،24،25. من منظور أصل الحياة ، فإن محاكاة التدرجات الحرارية في الأنظمة الحرارية المائية مهمة لأنها يمكن أن تؤثر على المعادن والتفاعل الكيميائي للمدخنة يترسب3و13 و / أو يمكن أن يؤثر على قابلية السكن حيث تستضيف المداخن الحرارية المائية الميكروبات التي تأخذ الإلكترونات مباشرة من الأسطح المعدنية26. في الانحدار عبر جدار المدخنة ، ستكون هناك مجموعة من ظروف درجة الحرارة على مسافة قصيرة ، وسيمثل جدار المدخنة مزيجا من المعادن وردود الفعل المميزة لجميع هذه الأنظمة الحرارية.

وتم محاكاة المداخن الحرارية المائية المزروعة في المختبر في التدرجات الحرارية لاستكشاف آثار المحيط البارد والسوائل الحرارية المائية الساخنة على هذه البيئة البريبايوتية المحتملة. عموما، لأن تزايد محاكاة المداخن الحرارية المائية عن طريق طريقة الحقن مع الخارجي الداخلية والباردة ساخنة يمثل تحديات عملية، والتجارب المدخنة الأكثر سهولة هي تلك التي تتم في الضغط المحيط (وبالتالي لا تتطلب مفاعلات مكلفة ومعقدة). ولم تتمكن المحاولات السابقة في المداخن المزروعة في المختبر في تدرج حراري من إنتاج سائل حراري مائي ساخن/دافئ ومحيط بارد. في محاولة للحفاظ على المدخنة بأكملها في درجة حرارة عالية لفترات طويلة لتشكيل المعادن التفاعلية التي يمكن أن تدفع التفاعلات العضوية، قامت بعض الدراسات بتسخين التجربة بأكملها (المحيطات والسوائل الحرارية المائية) إلى ~ 70 درجة مئوية باستخدام إما سترة التدفئة أو حمام ساخن13،14. نوع آخر من المدخنة عجلت تشكيل التجربة، في جهاز "خلايا الوقود"، شكلت جدار المدخنة simulant على قالب غشاء مسطح. وقد تم تسخين هذه التجارب أيضا بكميات كبيرة عن طريق غمر جهاز التدرج خلايا الوقود في حمام الماء الساخن27،28. وقد شكلت الدراسات السابقة محاكاة المداخن الحرارية المائية من السوائل الحرارية المائية الساخنة (تسخينها إلى ~ 70 درجة مئوية باستخدام أساليب مختلفة) حقنها في محيط درجة حرارة الغرفة3,12; ومع ذلك، لم تتم محاولة المحيط البارد.

هذا العمل يعزز أساليب لمحاكاة مختبر نمو المدخنة prebiotic4 لخلق الانحدار الحراري واقعية من المحيط البارد (0-5 درجة مئوية) إلى السائل الحراري المائي ساخنة التي لتجميع مواد المدخنة واختبار خصائص ذات أهمية. حتى الآن، لم تكن هناك تجارب مدخنة prebiotic أجريت بنجاح مع الانحدار درجة حرارة واقعية للفتحات القلوية: مع حل تنفيس الداخلية التي عقدت في ~ 70 درجة مئوية والحل المحيط الخارجي مبردة إلى ~ 5 درجة مئوية. وعلاوة على ذلك، في عدد قليل من التجارب المدخنة ساخنة التي أجريت، والإعداد التجريبي معقدة ويمكن أن تكون مكلفة. تجارب الحديقة الكيميائية لديها إمكانات كبيرة للسفر عن رؤى حول العمليات التي قد تكون وقعت في الفتحات الحرارية المائية على الأرض في وقت مبكر. وبالتالي ، فإن القدرة على إعداد اختلافات متعددة بسرعة لتجربة المدخنة مفيدة ، وكذلك القدرة على الحصول على جهاز بسيط غير مكلف وغير هش ، وتعديله بسهولة ، ومثالي للطلاب للعمل معه. هنا هو جهاز جديد (الشكل 1) مصممة لتسهيل نمو مدخنة الحرارية المائية محاكاة مع الحفاظ على ورصد الانحدار الحراري واقعية بين المحيط البارد وسخونة السائل الحراري المائي simulant. يشبه هذا الجهاز التجريبي في تصميمه مفاعل الجاكيت ، ولكنه مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) يمكن أن ينتج بسهولة من قبل أي مجموعة بحثية مهتمة بإجراء تجارب مماثلة (انظر الملف التكميلي القابل للطباعة). باستخدام هذا المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد ، أجريت تجارب مدخنة متدرجة حرارية لاختبار فائدة هذا الجهاز للحفاظ على تدرجات درجة الحرارة القوية واختبار آثار تدرجات درجة الحرارة على هيكل المدخنة ومورفولوجيا.

Protocol

1. اعتبارات السلامة

  1. استخدام معدات الحماية المختبرية للحماية الشخصية بما في ذلك قفازات النتريل ونظارات الوجه ومعطف المختبر والأحذية المناسبة (لا يتعرض الجلد).
    1. عند استخدام المحاقن والإبر، يجب الحرص على عدم ثقب القفازات أو الجلد.
    2. تحقق من الجهاز بأكمله في غطاء الدخان بحثا عن تسرب.
    3. تحقق من استقرار الزجاج قارورة والمكثف على المنصة قبل إضافة أي مادة كيميائية إلى الخليط.
  2. تشغيل جميع تجارب التدرج الحراري في الدخان لاحتواء انسكابات المياه.
  3. استخدام جميع كبريتيد الصوديوم(Na 2S •9H2O) في الدخان لأنها خطرة على الصحة.
    1. احتفظ بكبريتيد الصوديوم في غطاء الدخان، وضع توازنا داخل غطاء الدخان لوزن كمية الكبريتيد.
    2. احتفظ دائما بالحلول المحتوية على الكبريتيد داخل غطاء الدخان أثناء إطلاقها لغاز H2S السام ، والحفاظ على سائل الكبريتيد و الحاد وحاويات النفايات الصلبة في غطاء الدخان.
    3. لا تخلط أي نفايات محلول كبريتيد مع غيرها من المواد الكيميائية المعروفة.
  4. عند استخدام reactant Fe(II) Cl2• 4H2O، قم بالتطهير باستمرار مع N2/Ar أثناء أكسدته عند التعرض للهواء. الحفاظ على حلول anoxic في غطاء الدخان عن طريق وضع N2/ Ar الغاز في مساحة الرأس داخل غطاء الدخان. آمنة مع البارافيلم لمنع المزيد من الأكسدة.

2. الإعداد لتجارب الحقن

  1. قم بمشبك حقن المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد على حامل في غطاء الدخان ، بحيث تواجه فتحة الميناء الصغيرة الجزء السفلي من غطاء الدخان. تأكد من تسوية المكثف داخل المشبك.
  2. إنشاء الزجاج "أوعية الحقن" عن طريق قطع 1 سم من الجزء السفلي من الزجاج واضحة 100 مل، زجاجة مصل مجعد الأعلى (20 مم كريمب ختم نوع الإغلاق) باستخدام قاطع الزجاج، وتأكد من أن السفينة مفتوحة في الهواء من أسفل إلى أعلى.
    1. تنظيف قوارير في حمام حمض HCl 1 M بين عشية وضحاها، ومن ثم شطف مع الماء المقطر المزدوج (ddH2O) قبل إجراء تجربة جديدة.
    2. إعادة استخدام الزجاج ما لم تصدع أو مكسورة، ثم التخلص منها.
  3. إعداد قنينات الحقن (الشكل 1).
    1. جمع المواد التالية: حاجز 20 ملم، وختم كريم الألومنيوم 20 ملم، و0.5-10 ميكرولتر من البلاستيك ماصة تلميح، إبرة حقنة 16 G، وأداة مجعد.
    2. ثقب بعناية ثقب في وسط الحاجز المطاطي، ومن ثم إزالة والتخلص من الإبرة في حاوية النفايات حادة.
    3. إدراج طرف ماصة في حفرة إبرة، في جانب الحاجز المطاطي الذي سيواجه داخل رأس تجعيد القارورة. دفع طرف ماصة من خلال الحاجز بحيث كزة بها قليلا على الجانب الآخر.
      ملاحظة: لا تدفع على طول الطريق من خلال، لأن هذا لن يعطي ما يكفي من التخليص لوضع ختم تجعيد مع أداة مجعد.
    4. ضع العقص على الختم العقص. الضغط على مجعد وختم الحاجز مع طرف ماصة على وعاء الحقن لجعله ماء. بعد الختم بشكل صحيح، ودفع طرف ماصة من خلال جرة زجاجية، بحيث يبرز حوالي 1.0 "من الزجاج.
    5. ضع أنبوبا واضحا ومرنا ومقاوما للمواد الكيميائية يبلغ قطره الداخلي 1/16 بوصة على طرف المصصة للحصول على ختم محكم على طرف المصصة.
      ملاحظة: يجب أن يكون الأنبوب طويلا بما يكفي للوصول إلى حقنة 16 G فوق مضخة الحقنة حيث أن الحقنة ستضخ السائل الحراري المائي من خلال هذا الأنبوب الواضح في المحيط.
    6. ضع قنينات الحقن في المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد في غطاء الدخان ، عن طريق ربط الأنابيب من خلال ثقب منفذ المكثف في الأسفل. تأكد من أن القارورة تبرز من ثقب الميناء الصغير في المكثف.
      ملاحظة: إذا كان المكثفات متعددة لاستخدامها، يمكن إعداد قوارير متعددة في وقت واحد وتغذيتها في وقت واحد عن طريق حقن منفصلة.
    7. تحقق من أي تسرب نهائي عن طريق إدخال حقنة 10 مل مليئة ddH2O ومع إبرة 16 G في الطرف الآخر من الأنابيب المفتوحة. أدخل إبرة 16 G بعناية في الأنابيب حتى لا تثقب الأنبوب. حقن ببطء DDH2O بحيث يتحرك حتى الأنابيب وإلى الجزء السفلي من وعاء رد الفعل لضمان أن الحقنة / أنبوب، أنبوب / تلميح، والأختام مجعد كلها ماء.
    8. تأمين parafilm بإحكام على الجزء العلوي قطع من القارورة، ووضع قطعة صغيرة من الشريط على الجزء العلوي من البارافيلم. لكمة ثقب صغير من خلال الشريط وذلك كما يمكن للغاز O2 كما N2/ Ar يتم ضخها في.
    9. إعداد N2/ Ar خطوط الغاز التي سوف تتغذى على كل واحدة من قوارير الحقن من أعلى قطع لجعل أنوكسيك قارورة الزجاج قبل أن يصب في المحيط simulant.
    10. تقسيم تغذية الغاز من مصدر N2/ Ar إلى عدة أنابيب، بحيث يكون هناك واحد N2/ Ar تغذية لكل قارورة حقن (إذا إجراء تجارب متعددة).
    11. ضع الحقنة (المتصلة ب N2/Ar) عن طريق ثقب الشريط ، تحوم فوق محلول المحيط في القارورة. يجب الحرص على عدم اختراق حل المحيط مع الإبرة لتجنب تعطيل نمو المدخنة.

3. إعداد حلول لنمو الحديقة الكيميائية

  1. إعداد المحيط simulant
    1. إعداد 100 مل من الحل لكل تجربة.
      ملاحظة: في هذا المثال، استخدم الجدول 1 لتركيزات معينة كقطات عجل.
    2. إنشاء حلول anoxic عن طريق 100 مل من أول محتدما DDH2O مع N2/ Ar الغاز ل ~ 15 دقيقة لكل 100 مل في قارورة Erlenmeyer.
    3. تزن بها وإضافة أي من المكونات كيمياء المحيطات، واثارة بلطف لتذوب (وليس بقوة حتى لا إدخال الأكسجين).
    4. بعد حل الكواشف، استئناف فورا ضوء محتدما من سيمولانت المحيط مع الغاز N2/ Ar أثناء إعداد الحقن الحرارية المائية.
  2. إعداد سيمولانت السائل الحراري المائي (إعداد كبريتيد الصوديوم)
    1. اختر أحد تركيزات الحقن الموضحة في الجدول 1، واستعد 10 مل من كل تركيز. املأ 10 مسيلات حقن بالحلول. استبدال قبعات إبرة وتنحى جانبا.
      ملاحظة: احتفظ دائما بالحلول والمحاقن المحتوية على الكبريتيد في غطاء الدخان.
    2. وزن الكمية المطلوبة من كبريتيد الصوديوم (Na2S •9H2O) في غطاء الدخان فقط (50 مل من الحل مع ddH2O).
      1. املأ أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل مع ddH2O.
      2. ضع جهاز Na2S•9H2O في أنبوب الطرد المركزي سعة 50 مل، واغلقه بإحكام في غطاء الدخان.
      3. يهز الأنبوب جيدا في غطاء الدخان حتى يتم حل جميع جزيئات الكبريتيد بالكامل.
      4. الحفاظ على anoxic الحل في غطاء محرك السيارة الدخان باستخدام parafilm التي تم إدخال إبرة 10 G حقن N2/ Ar.

4. إعداد thermistor

  1. ضع thermistor في وضع مستقر على مقعد جانبي أقرب إلى غطاء الدخان قدر الإمكان. أدخل جانب USB من كبل محول RS232 في منفذ USB للكمبيوتر.
  2. تشغيل الطاقة لثيرمستور. للحصول على توجيهات حول إعداد مقاومات الكبل، راجع إجراء Thermistor في الملحق التكميلي 2.
  3. قم بتشغيل برنامج thermistor على الكمبيوتر.
    1. مرر لأسفل إلى منفذ الاتصالات. حدد منافذ الاتصال القليلة الأولى، وانقر على زر الاتصال إلى اليسار لكل منفذ، حتى يتصل thermistor بالبرنامج.
      ملاحظة: سوف تظهر البرامج أشرطة "تكوين القراءة" باللون الأخضر. سوف يستمر رمز أخذ العينات في الوميض، مما يظهر أنه يأخذ عينات من درجة الحرارة الحالية على فترات متكررة. إذا لم يتم ملاحظة أي من هذه الإشارات، اختر منافذ اتصال أخرى. إذا لم يعمل أي من منافذ الاتصال، يتم مشاهدة رسالة منبثقة تشير إلى خطأ الاتصالات أو غير قادر على الاتصال.
    2. إذا ظهر خطأ الاتصالات، أغلق البرنامج وأعد تشغيله. إعادة التحقق من كبلات الشريط، وتأكد من أنها متصلة بشكل صحيح إلى دبابيس على pinouts كابل RS232.
  4. بمجرد الاتصال، تأكد من أن الإخراج يقرأ 100٪ في الأشرطة الحمراء.
  5. بمجرد أن تومض thermistor قياسات الفاصل الزمني المتكرر، تغيير وقت الفاصل الزمني إلى 60 ثانية. في المربع خيارات المراقب المالي، نحو الأسفل، قم بمسح 1 s وتغيير إلى 60 s. انقر على الزر موافق.
  6. سيكون هناك زر بيضاوي بجانب شعار الشركة المسمى Auto-scale. انقر على هذا الزر لتشغيل المقياس التلقائي. لاحظ السطر الأصفر الذي سيظهر قراءات درجة الحرارة.
  7. داخل منطقة المؤامرة، انقر بزر الماوس الأيمن لضبط المؤامرة ترضيك، مثل توسيع محاور س و ص.
  8. انقر بزر الماوس الأيمن في منطقة الرسم، وانقر على التصدير إلى Excel قبل أن تبدأ قراءة جديدة كل 5000 ثانية أو 83.33 دقيقة (اعتمادا على الفاصل الزمني للتسجيل الذي تم اختياره). حفظ بيانات درجة الحرارة والوقت في جدول البيانات التي تم إنشاؤها تلقائيا من قبل البرنامج.
  9. ضع مسبار thermistor المعدني في وعاء المحيط الزجاجي داخل المكثف. تأكد من تعيين المسبار قبالة إلى جانب الزجاج كما التحقيق thermistor معلقة في منتصف قارورة الزجاج سوف يقطع نمو المدخنة. تغطية مرة أخرى مع البارافيلم.

5. إعداد حمام الجليد

  1. الاستيلاء على مقلاة بلاستيكية أكبر ودلو متوسطة الحجم. ملء دلو مع الماء حتى منتصف الطريق.
  2. ضع الدلو داخل المقلاة، وضع الثلج داخل الماء حتى يمتلئ تقريبا.
  3. ضع خرطومي قطع البلاستيك على طرفي مضخة المياه(الملحق التكميلي 3، الشكل 1). لاحظ أن فتحة المضخة الرأسية هي المكان الذي سيتم فيه صب الماء لبدء الفتيل ، والفتح الأفقي هو المكان الذي يتم فيه إخراج الماء. قم بتوصيل المضخة بمقبس الطاقة، ولكن اترك الموصلات الكهربائية مفتوحة لأنها ستعمل على تشغيل المضخة عند توصيلها.
  4. ربط خرطوم البلاستيك الأفقي (الملحق التكميلي 3، الشكل 2) إلى أعلى منفذ المكثف، التي تواجه الحق، وضمان أن خرطوم طويلة بما يكفي للوصول إلى دلو الجليد.
  5. ضع خرطوما بلاستيكيا آخر مقطوعا إلى منفذ المكثف الأيسر (السفلي) ، مما يضمن أن هذا الخرطوم طويل بما يكفي للوصول إلى حمام الماء المثلج. ضع هذا الخرطوم فوق دلو الماء المثلج الذي سيتم فيه إخراج الماء من المكثف.
  6. صب الماء البارد من خلال خرطوم متصلة الفتحة الرأسية للمضخة. عندما تكون المضخة مليئة بالماء، تصل إلى منفذ المكثف، تزج خرطوم في حمام الماء المثلج، وعلى الفور توصيل الموصلات الكهربائية.
    ملاحظة: قد يتطلب هذا شخصين.
  7. قم بتشغيل المضخة لبدء تدفق المياه من خلال المكثف ، وملء الدلو بالثلج ، ووضع ميزان الحرارة في الدلو للتحقق من درجة الحرارة.
    ملاحظة: يجب أن تصل درجة حرارة الماء ~ 0 °C . انظر اختبار التحكم في الملحق التكميلي 1 الشكل 2.
  8. الحفاظ على إضافة المزيد من الجليد للحفاظ على المياه في درجة حرارة باردة، مع إزالة بعض من المياه الأكثر دفئا.

6. التحضير للحقن

  1. أحضر المحاقن DDH2O (القسم 2.3) إلى أسفل بجوار حقن حقن السوائل الحرارية المائية. الشريحة بعناية أنابيب حقن البلاستيك قبالة إبرة حقنة DDH2O، ونقلها مباشرة على الفور على واحدة من إبر حقن الحقن الأولية.
    ملاحظة: لا ثقب جدار الأنابيب.
  2. سد العجز في لوحة سخان لتسخين simulant الحرارية المائية إلى 70-80 درجة مئوية.  (تحذير: ارتفاع درجات الحرارة يمكن أن تشوه أو تلف المحاقن البلاستيكية.)
  3. التفاف لوحة حول حقنة كبريتيد، والمسمار بحزم على اثنين من المشابك المعدنية حول لوحة (الملحق التكميلي 3، الشكل 3).
  4. بمجرد تأمين المشابك في مكانها ، ضعها على مضخة الحقن ، وتأمين المضخة بإحكام (يعتمد على مضخة الحقنة المفضلة).
  5. تعيين درجة الحرارة على مربع التحكم إلى ~ 70 درجة مئوية عن طريق الضغط على مفتاح السهم لأعلى (الملحق التكميلي 3، الشكل 5). اضغط على مجموعة/بدء.
  6. بمجرد أن يتم تأمين المحاقن (الحقن) الساخنة في مكانها على مضخة الحقن ، قم بتعيين مضخة الحقن لحقنها عند 1-2 مل / ساعة.
  7. تأكد من أن حلول المحيطات مذابة بالكامل. إذا غائما، يحرك حتى يذوب في الغالب.
  8. تثبط المحيط simulant إلى درجة الحموضة 5.5 لمحاكاة حموضة المحيطات الهاديان30،31. استخدام 10 M HCl وإضافة قطرات ببطء (تحت N2/ Ar تغذية) حتى متر الحموضة يقرأ مستقرة 5.5. إذا تجاوز 5.5، استخدم NaOH لإعادة pH إلى مستويات أساسية أكثر باستخدام نفس طريقة القطيرات البطيئة.
  9. صب واحد أو اثنين من حلول المحيطات في السفن المدخنة الجاهزة. صب محلول المحيط واحد في قارورة زجاجية داخل المكثف والآخر في وعاء درجة حرارة الغرفة مع عدم وجود مكثف (إذا إجراء تجربتين) (الشكل 6).
    ملاحظة: لا تحرك مسبار درجة الحرارة.
  10. ختم الجزء العلوي من قوارير الزجاج مع البارافيلم. استبدال N2/ Ar تغذية إلى أعلى مساحة الرأس من المحيط simulant، مع الحرص على عدم إدخال الإبرة في المحيط simulant.
  11. برمجة مضخة الحقن لحقن في 1-2 مل / ساعة (معايرة لحجم الحقنة المستخدمة، اعتمادا على نوع من مضخة حقنة)، ولكن لا تضغط ابدأ.
  12. لمنع الفقدان الحراري من الحدوث من خلال طول الأنبوب حقن السائل الساخن بسرعة لإجراء اتصال فوري مع خزان المحيط. ثم، اسمحوا حقن تشغيل في 1-2 مل / ساعة في المحيط البارد. (انظر الاختبار الحراري للمحاقن في الملحق التكميلي 1). استخدام الأكواب النفايات للقبض على أي يقطر.
  13. بدء الحقن، والبدء في تسجيل درجة حرارة المحيط على thermistor.

7. رصد درجة الحرارة والتجربة

ملاحظة: بمجرد دوران الماء من خلال المكثف، سيبدأ مسبار درجة حرارة الثيرمستور في عرض الانخفاض في درجة الحرارة داخل المحيط. والهدف من ذلك هو أن تصل درجة الحرارة إلى ما يقرب من 0 درجة مئوية. راجع الجدول 2 للاطلاع على إعدادات التدرج (الحراري) الدقيقة لدرجة الحرارة.

  1. حفظ جميع البيانات درجة الحرارة عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على منطقة المؤامرة، وحفظ باعتبارها . ملف CSV.
    ملاحظة: سيقوم البرنامج بتسجيل بيانات درجة الحرارة التي تصل قيمتها إلى 5000 s ثم ابدأ من جديد.
  2. استمر في إضافة الثلج إلى الدلو للحفاظ على درجات حرارة شبه متجمدة ، حتى تتطور المدخنة في الغالب ، أو على الأقل حتى تصبح الحقنة فارغة تقريبا.
  3. مراقبة مدخنة درجة حرارة الغرفة كذلك. التقاط صور متكررة في جميع أنحاء نمو المدخنة لكلا المداخن.
  4. بمجرد اكتمال المدخنة ، ضع مسطرة صغيرة بجوار كلا المدخنتين ، ثم خذ الصور وحفظها.
    ملاحظة: يجب تشغيل العملية بأكملها ل ~ 6 ساعة.

8. إنهاء التجربة

  1. أوقف مضخة الحقنة، ثم توقف عن تسجيل درجة الحرارة على الثيرميستور، واحفظ البيانات في جدول بيانات.
  2. إيقاف تشغيل تدفق N2/Ar، وإزالة خطوط وبارافيلم من السفن الحقن.
  3. إذا لزم الأمر، عينة من محلول المحيطات أو تسريع لمزيد من التحليل. لإزالة محلول الخزان بعناية دون إزعاج الراسب ، استخدم ماصة سعة 25 مل لتزيل بعناية العديد من الاقتباسات من محلول الخزان ، والتخلص من المحلول في كوب نفايات.
  4. استنزاف بعناية قارورة داخل المكثف في كوب النفايات. إزالة الأنابيب من الحقنة، والسماح للمحلول المحيط استنزاف في الكأس في غطاء محرك السيارة الدخان. تفعل الشيء نفسه للقارورة مع عدم وجود مكثف.
  5. إزالة السفن، واحدة في وقت واحد، من المشبك، واستخدام DDH2O لشطف قطعة من الرواسب في كوب النفايات.
  6. إزالة الأنابيب والمحاقن من مضخة حقنة. إفراغ المحاقن وأي سائل حقن إضافي في كوب نقل النفايات، والتخلص من المحاقن في حاوية حادة كبريتيد أبقى في غطاء الدخان.
  7. إزالة الأنابيب من قارورة التجربة والتخلص منه في كيس النفايات الصلبة. فك الختم والتخلص من الحاجز، ختم، ومزيت تلميح.
  8. شطف قارورة تجربة الزجاج، ونقع بين عشية وضحاها في حمام حمض HCl 1 M.
    ملاحظة: سوف الأواني الزجاجية التي كانت على اتصال مع كبريتيد الصوديوم الإفراج عن الغاز H2S السامة عند وضعها في حامض. وبالتالي، والحفاظ على جميع الحمامات الحمضية داخل غطاء محرك السيارة الدخان.

Representative Results

كما في الدراسات السابقة1،2،13،29؛ بمجرد وصول السائل الحراري المائي إلى قارورة المحيط ، بدأ هيكل الرواسب المعدنية في التشكل الذي نما أكثر سمكا وأطول طوال مدة الحقن. وكانت مداخن كبريتيد الحديد هياكل حساسة لم تكن قوية جدا وكانت مصنفة بسهولة إذا كانت قارورة المحيط أو الحقن مضطربة جسديا. وهذا يتفق مع نتائج الدراسات السابقة3. كما لعب التركيز الكيميائي لمحلول الكبريتيد دورا حيويا في مورفولوجيا مداخن الكبريتيد. وقد سمحت المحاليل الأكثر تركيزا للكبريتيد برواسب معدنية أطول وقوية، كما هو مبين في الشكل 5،في حين أن التركيزات المنخفضة من حلول الكبريتيد أنتجت هياكل مدخنة ضعيفة. في بعض الحالات، لم يتم تشكيل أي هيكل، تم إنشاء فقط السائل كبريتيد المعدنية "حساء"، التي من شأنها أن تستقر في نهاية المطاف كرواسب(الشكل 3D). وقد حدث ذلك في ظروف التدرج الحراري وغير الحراري على حد سواء.

في تجارب مدخنة التدرج الحراري مع كبريتيد الحديد ، لم تتجمع هياكل المدخنة الصلبة بشكل عام كما فعلت في درجة حرارة الغرفة. الشكل 3E-H يظهر مورفولوجيا مدخنة كبريتيد الحديد التي تزرع بين المحيط البارد والسوائل الحرارية المائية درجة حرارة الغرفة. وكانت المداخن في تدرج درجة الحرارة تشبه السلسلة وضعيفة في الطبيعة، في حين أن نتائج التدرج غير الحرارية(الشكل 3A-D)تظهر المزيد من الهياكل شبه الدائمة. وينطبق الشيء نفسه عندما تم تسخين السائل الحراري المائي (الشكل 4). وكان الاستثناء في تركيزات كبريتيد والحديد أعلى(الشكل 5)حيث تشكلت مدخنة كبريتيد الحديد الصلب بين محلول حراري مائي درجة حرارة الغرفة وسيمولانت المحيط البارد.

كما تم اختبار تأثير الانحدار الحراري على نمو مداخن هيدروكسيد الحديد. وأظهرت النتائج أنماطا مماثلة لتلك التي كانت مدخنة كبريتيد الحديد: ففي حين أسفرت تجربة هيدروكسيد الحديد في درجة حرارة الغرفة عن عجل مدخنة أكثر قوة، أسفرت تجربة التدرج الحراري بين السائل الحراري المائي الدافئ والمحيط البارد عن كومة أصغر من مواد المدخنة التي لم تتجمع عموديا(الشكل 6). على النقيض من الهياكل المستقيمة الطويلة لمداخن هيدروكسيد الحديد التي لوحظت في العمل السابق (في تجارب درجة حرارة الغرفة)29، أظهرت تجربتنا التدرج الحراري مورفولوجيا مختلفة.

Figure 1
الشكل 1: جهاز مدخنة التدرج الحراري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

Figure 2
الشكل 2: مكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد. (A) تخطيطي لمكثف مطبوع ثلاثي الأبعاد يظهر أبعاد المكثف. (ب) وضع سفينة المحيط الزجاجي داخل المكثف لتبريد المحيط simulant. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3:مجموعة متنوعة من المداخن الحرارية وغير الحرارية المتدرجة. (A-D) تجربة التحكم في التدرج غير الحراري من السائل الحراري المائي في درجة حرارة الغرفة (HTF) إلى محيط درجة حرارة الغرفة. أ) 10 م منا 2S • 9H2O HTF و 20m FeCl2· 4H2O المحيط simulant. (ب) 20 م منا 2S • 9H2O HTF و 10 mM FeCl2· 4H2O المحيط simulant. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF و20m FeCl2·4H2O المحيط simulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF و20m FeCl2·4H2O المحيط simulant. (E-H) تجربة مدخنة التدرج الحراري من درجة حرارة الغرفة HTF simulant إلى خزان المحيط البارد (~ 5-10 درجة مئوية). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF و 10 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (F) 10 mMNa 2S•9H2O HTF و20 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF و 10 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. (H) 10 mMNa 2S•9H2O HTF و20 mM FeCl2·4H2O المحيط simulant. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تجربة التدرج الحراري. تجربة أجريت مع الحارة (~ 35-40 درجة مئوية) 20 mM Na2S •9H 2O حل حقنها في البرد (~ 5-10 درجة مئوية) 20 MM FeCl2· 4H2O المحيط simulant، وإنتاج خيوط مدخنة صغيرة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تأثير تركيز المحيطات على المداخن. تركيزات أعلى (~ 50 mM Na2S •9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O, و 200 mM NaCl) من مداخن المحيط الأنوكسي أنتجت مداخن أكثر قوة من الناحية الهيكلية وأطول. تم حقن محلول كبريتيد درجة حرارة الغرفة في سيمولانت المحيط 2-10 درجة مئوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: النمو المتزامن للمداخن التدرج الحراري وغير الحرارية. (A) 100 mM FeCl2· 4H2O + 100 mM FeCl3· 6H2O حل المحيط مع 200 mM NaOH السائل الحراري المائي (HTF) السائل simulant في درجة حرارة الغرفة. (ب) تجربة التدرج الحراري مع نفس التركيزات مع HTF الحارة في ~ 35-50 درجة مئوية في المحيط البارد simulant في ~ 5-10 درجة مئوية.

كيمياء السوائل الحرارية المائية (حقن) كيمياء المحيطات (الخزان)
50 مليون نا2S 10 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
20 mM نا2S 10 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
10 mM نا2S 20 mM FeCl2· 4H2O + 200 mM NaCl أو NaHCO3
200 مليون متر ناوه 100 mM FeCl2· 4H2O + 100 mM FeCl3· 6H2O

الجدول 1: مصفوفة التركيز لحلولحقن المحيطات والسوائل الحرارية المائية المحاكاة بو.

HTF °C المحيطات Simulant درجات الحرارة °C
~23 ~23 5-10
~ 35-50 ~23 5-10

الجدول 2: مصفوفة تجريبية للتدرج الحراري. تشير درجة حرارة السائل الحراري المائي (HTF) إلى درجة حرارة السائل في الحقنة؛ وكانت درجة الحرارة الفعلية عند مدخل قارورة المحيطات أقل من درجة الحرارة في المحقنة (~70 درجة مئوية)(انظر الملحق التكميلي 1 والشكل 3 والشكل 4).

ملف قابل للطباعة تكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف. 

الملحق التكميلي 1- المرونة في استخدام البطاقات الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف. 

الملحق التكميلي 2. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف. 

الملحق التكميلي 3- المرونة في نهاية الأمر الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف. 

Discussion

تأثير التدرجات الحرارية على نمو المدخنة المحاكاة:أثمر هذا الجهاز التجريبي عن عدة اختلافات في مورفولوجيا المدخنة التي كانت بسبب العديد من المعلمات التجريبية. شكلت مداخن كبريتيد الحديد وهيدروكسيد الحديد هياكل مستقيمة طويلة في درجة حرارة الغرفة ، ولكنها شكلت رواسب أكثر هشاشة أو رواسب وترية أو تلال مسطحة في تجارب التدرج الحراري. وكان هذا متسقا مع النتائج التي توصل إليها هيرشي وآخرون حيث تشكلت رواسب المدخنة غير المنتصبة من سائل حراري مائي ساخن إلى 70-80 درجة مئوية وحقن في محيط33درجة حرارة الغرفة. هناك تفسيرات مختلفة ممكنة لهذا: نقل الحرارة الحمل الحراري يمكن أن يسبب المزيد من القوى المزدهرة الطبيعية (جنبا إلى جنب مع الضخ القسري للحقن) لجعل تدفق عجل بسرعة نحو الجزء العلوي من سفينة المحيط لأنها تتشكل. بدلا من ذلك، تسخين السائل حقنة يجعل الزهماة الحرارية المائية أقل كثافة، وبالتالي أكثر عرضة للارتفاع عموديا من لتحقيق الاستقرار على رأس نقطة الحقن. ومن الممكن تخفيف هذا التأثير عن طريق تغيير معدل حقن المحاقن إلى معدلات أبطأ للسماح بنمو هيكل أكثر استقرارا. الأبيض وآخرون فحص نمو مدخنة كبريتيد الحديد مع حقن الزناد الحراري المائي بمعدلات بطيئة للغاية (0.08 مل / ساعة) ، وعلى الرغم من أن المدخنة استغرقت أياما للتحام ، إلا أنها كانت مستقرة هيكليا13. كما Herschy وآخرون تستخدم مضخات التثابر بمعدلات الحقن من 10-120 مل / ساعة، وهو عدة أوامر من حجم أسرع من المعدلات المستخدمة في تجاربنا التدرج الحراري، فإنه ليس من المستغرب أنها أنتجت أيضا سلسلة تشبه هياكل المدخنة33.

كما أن التركيزات الأعلى من المواد المتفاعلة المترسبة في المحيطات وحلول التهوية يمكن أن تسفر عن مداخن أكثر قوة في التدرجات الحرارية. ويمكن أن تؤدي التركيزات الكيميائية الأعلى من الأيونات المترسبة (الكبريتيد أو الهيدروكسيد) في السائل الحراري المائي أو سيمولانت المحيطات إلى ارتفاع الكتلة الكلية المعجلة، مما يخلق هيكلا أقوى. وبما أن هيرشي وآخرون ووايت وآخرين استخدموا تركيزات أقل من الكبريتيد في السائل الحراري المائي (10 أمتار)، كانت هياكلها أصغر من تلك التي أنتجت في هذا العمل باستخدام تركيزات كبريتيد أعلى (20-50 مليون متر). بالإضافة إلى ذلك، شملت بعض الدراسات لنمو مدخنة كبريتيد الحديد أيضا السيليكا في السائل الحراري المائي جنبا إلى جنب مع كبريتيد الصوديوم، والتي يمكن أن تساعد في إنتاج مداخن أكثرقوة 3،13،33. كما تم استخدام هياكل الحديقة الكيميائية السيليكا لمحاكاة جوانب نمو المدخنة الحرارية المائية34، وهذه تميل إلى إنتاج هياكل قوية جدا التي يمكن إزالتها من أنبوب / قارورة للتحليل المادي. ومع ذلك، فإن آثار تدرجات درجة الحرارة على هياكل حقن السيليكا غير معروفة وستكون مجالا لمزيد من الدراسة.

اعتبارات تجارب محاكاة المدخنة المستقبلية:عمل المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه في هذه الدراسة لتبريد سفينة المحيطات مثل وعاء رد فعل سترة ، ولكن مع بعض التحسينات العملية: 1) سمح الجزء العلوي المفتوح بأخذ عينات من المدخنة والحفاظ على مساحة رأس المحيط الأنوكسي ؛ 2) الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد منح سهولة الإعادة إنتاجها؛ 3) كما يمكن تحرير التصاميم رقميا، يمكن تعديل الجهاز بسرعة وإعادة طباعتها إذا رغبت في ذلك؛ و4) استخدام مواد غير مكلفة جعل كل مكثف أكثر فعالية من حيث التكلفة من السفن الفعلية رد فعل الزجاج سترة. هذه المكثفات المطبوعة ثلاثية الأبعاد هي جهاز تجريبي مرن وسهل المشاركة يمكن أن يكون طريقة مفيدة لتوحيد منصات تجارب المدخنة الحرارية المائية المحاكاة عبر مجموعات بحثية مختلفة ، مما يسمح بمقارنة أفضل للعينات والبيانات. يمكن إرسال ملفات المكثف إلى الزملاء للطباعة من تلقاء أنفسهم لأغراضهم التعليمية أو العلمية (انظر ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد التكميلي للمكثف المستخدم في هذا العمل). ويمكن أيضا أن تستخدم هذا الإعداد غير مكلفة كتجربة مختبر الجامعية للحدائق الكيميائية أو chemobrionics29،35.

في الختام، يصف هذا العمل جهازا تجريبيا جديدا يستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتسهيل نمو المداخن الحرارية المائية المحاكاة في بيئات تدرج درجة الحرارة. المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد قادر على تبريد المحيط إلى درجات حرارة شبه متجمدة، على غرار مياه البحر بالقرب من الأنظمة الحرارية المائية في قاع البحر. وفي الوقت نفسه، تم استخدام حقنة ساخنة لمحاكاة السائل الحراري المائي عالي الحرارة الذي يحقن في هذا المحيط البارد. تأثرت مورفولوجيا وهياكل كبريتيد الحديد ومداخن هيدروكسيد الحديد بالتدرج الحراري: عندما كان كل من المحيط وزماع السوائل الحرارية المائية في درجة حرارة الغرفة ، شكلت المداخن هياكل موجهة عموديا ، ولكن عندما تم تسخين السائل الحراري المائي وتبريد المحيط ، تم تثبيط تكوين هياكل مدخنة قوية. ومن أجل محاكاة التفاعلات البريبايوتية بدقة في نظم المدخنة هذه ذات التدرجات الحرارية المماثلة لتفاعلات النظم الطبيعية، سيكون من الضروري التحكم بعناية في بارامترات مثل معدل الحقن والتركيب الكيميائي لكل من المخارج والمحيطات. المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد المخصص وغير المكلف الذي تم إنشاؤه لهذه الدراسة يشبه في وظيفته وعاء رد الفعل الم وسترة ويمكن تعديله بسهولة وتوزيعه إلكترونيا على مجموعات بحثية وتعليمية مختلفة لاستخدامه في العديد من أنواع التجارب الكيميائية.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

وقد أجري هذا البحث في مختبر الدفع النفاث، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بموجب عقد مع وكالة ناسا، بدعم من معهد البيولوجيا الفلكية التابع لوكالة ناسا للعوالم الجليدية. وقد تم دعم الدكتور غابرييل لوبلان جزئيا من خلال منحة بدء البحث (2017-34) من خلال اتفاقية تعاون EPSCoR التابعة لوكالة ناسا في أوكلاهوما (NNX15AK42A). نود أن نشكر هيذر وايتهيد للمساعدة في تصميم المكثف المطبوع ثلاثي الأبعاد الأولي ، وكاليند كاربنتر للمساعدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وجون بول جونز للمناقشة المفيدة على سفن المكثف ، ولورا رودريغيز للمساعدة في تحليل بيانات درجة الحرارة ، وإريكا فلوريس بمساعدة المختبر. حقوق الطبع والنشر 2020 معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3/8-Inch Clear Vinyl Tubing Watts SVIG10  Cut to desired length for experiment
40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables EDGELEC ED-DP_L30_Mix_120pcs These wires will require stripping of plastic ends and carefully removing one of the 2 plastic casings
Aluminum seals Fisher 0337523C Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals
Ferric chloride hexahydrate Fisher I88-100  Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Ferrous chloride tetrahydrate Fisher I90500 Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Gear Hose Clamps Glarks 40Pcs
Gray butyl stoppers Fisher 0337522AA Thermo Scientific National 20 mm Septa for Headspace Vials
Pipette tips VWR 53511-682 pipette tips 0.5-10 microliters
Serum bottles Sigma-Aldrich 33110-U Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, outer diameter x height 51.7 mm x 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
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.
syringe heater  Syringepump.com HEATER-KIT-5SP  Clamp gear hose clamps around heating blanket
Syringe needles (16 gauge) Fisher 14-826-18B BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Syringe Pump Syringepump.com NE-4000 Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Syringes (10 mL) Fisher 14-823-16E BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Tubing Cole Parmer EW-06407-71 Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" internal diameter X 1/8" outer diameter
Water Circulation Pump  Bayite  BYT-7A015  May need two people to help prime pump

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sojo, V., Herschy, B., Whicher, A., Camprubi, E., Lane, N. The origin of life in alkaline hydrothermal vents. Astrobiology. 16 (2), 181-197 (2016).
  2. Barge, L. M., et al. From chemical gardens to fuel cells: Generation of electrical potential and current across self-assembling iron mineral membranes. Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8184-8187 (2015).
  3. Mielke, R. E., et al. Iron-sulfide-bearing chimneys as potential catalytic energy traps at life's emergence. Astrobiology. 11 (10), 933-950 (2011).
  4. Russell, M. J., et al. The drive to life on wet and icy worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
  5. Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. Journal of the Geological Society, London. 154 (3), 377-402 (1997).
  6. Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere-Constraints from Ore Deposits, Geological Society of America. Kesler, S. E., Ohmoto, H. 198, 1-32 (2006).
  7. Hsu, H. W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
  8. Vance, S., et al. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7 (6), 987-1005 (2007).
  9. Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Sainz-Díaz, C. I. Carbonate-hydroxide chemical-garden tubes in the soda ocean of Enceladus: abiotic membranes and microtubular forms of calcium carbonate. Icarus. 319, 337-348 (2019).
  10. Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa. Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).
  11. Yamaguchi, A., et al. Electrochemical CO2 reduction by Ni-containing iron sulfides: How is CO2 electrochemically reduced at bisulfide-bearing deep-sea hydrothermal precipitates. Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).
  12. Roldan, A., et al. Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions. Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).
  13. White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life. Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).
  14. Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).
  15. Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life. Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).
  16. 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 condensers. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).
  17. Cutler, K. B., et al. Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period. Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).
  18. Kelley, D. S., et al. An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30 N. Nature. 412 (6843), 145-149 (2001).
  19. Kelley, D. S., et al. A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field. Science. 307 (5714), 1428-1434 (2005).
  20. Price, R., et al. Alkaline vents and steep Na+ gradients from ridge-flank basalts-Implications for the origin and evolution of life. Geology. 45 (12), 1135-1138 (2017).
  21. Proskurowski, G., et al. Abiogenic hydrocarbon production at Lost City hydrothermal field. Science. 319 (5863), 604-607 (2008).
  22. Francheteau, J., et al. Massive deep-sea sulphide ore deposits discovered on the East Pacific Rise. Nature. 277 (5697), 523-528 (1979).
  23. Spiess, F. N., et al. East Pacific Rise: hot springs and geophysical experiments. Science. 207 (4438), 1421-1433 (1980).
  24. Hekinian, R., Fevrier, M., Bischoff, J. L., Picot, P., Shanks, W. C. Sulfide deposits from the East Pacific Rise near 21 N. Science. 207 (4438), 1433-1444 (1980).
  25. Haymon, R. M. Growth history of hydrothermal black smoker chimneys. Nature. 301 (5902), 695-698 (1983).
  26. Ishii, T., Kawaichi, S., Nakagawa, H., Hashimoto, K., Nakamura, R. From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe (II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources. Frontiers in Microbiology. 6, 994 (2015).
  27. Barge, L. M., et al. Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates. Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).
  28. Barge, L. M., White, L. M. Experimentally testing hydrothermal vent origin of life on Enceladus and other icy/ocean worlds. Astrobiology. 17 (9), 820-833 (2017).
  29. Barge, L. M., et al. Chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems. Journal of Visualized Experiments. 105, e53015 (2015).
  30. Morse, J. W., Mackenzie, F. T. Hadean ocean carbonate geochemistry. Aquatic Geochemistry. 4 (3-4), 301-319 (1998).
  31. Russell, M. J., Arndt, N. T. Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean. Biogeosciences. 2 (1), 97-111 (2005).
  32. Price, R. E., Giovannelli, D. A Review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents. Reference Module in Earth Systems and Environmental Science. , Elsevier. New York, USA. (2017).
  33. Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. Journal of Molecular Evolution. 79 (5-6), 213-227 (2014).
  34. Barge, L. M., et al. Characterization of iron-phosphate-silicate chemical garden structures. Langmuir. 28 (8), 3714-3721 (2012).
  35. Barge, L. M., et al. From chemical gardens to chemobrionics. Chemical Reviews. 115 (16), 8652-8703 (2015).

Tags

العلوم البيئية، العدد 168،
محاكاة المداخن الحرارية المائية للأرض في وقت مبكر في بيئة الانحدار الحراري
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hermis, N., LeBlanc, G., Barge, L.… More

Hermis, N., LeBlanc, G., Barge, L. M. Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment. J. Vis. Exp. (168), e61789, doi:10.3791/61789 (2021).

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