Waiting
Login processing...

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

Environment

Simulering af tidlige jord hydrotermiske skorstene i et termisk gradientmiljø

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

Målet med denne protokol er at danne simulerede hydrotermiske skorstene via kemiske haven injektion eksperimenter og indføre en termisk gradient på tværs af den uorganiske bundfald membran, ved hjælp af en 3D printbar kondensator, der kan reproduceres til uddannelsesmæssige formål.

Abstract

Dybhavs hydrotermiske ventilationskanaler er selvorganiserende bundfald genereret af geokemisk uligevægt og er blevet foreslået som en mulig ramme for fremkomsten af liv. Væksten af hydrotermiske skorstene i et termisk gradientmiljø i et tidligt jordventilatorsystem blev med succes simuleret ved hjælp af forskellige hydrotermiske simulanter, såsom natriumsulfid, som blev injiceret i en tidlig jordhavsimulator, der indeholder opløst jernholdigt jern. Desuden blev der udviklet et apparat til at afkøle havets simulant tilstrækkeligt til nær 0 °C i et kondensatorbeholder nedsænket i et koldtvandsbad, mens der injiceres en sulfidopløsning ved varme til stuetemperaturer, hvilket effektivt skabte en kunstig skorstensstruktur i et temperaturgradientmiljø over en periode på et par timer. Sådanne eksperimenter med forskellige kemiker og variable temperaturgradienter resulterede i en række morfologier i skorstensstrukturen. Brugen af hav- og hydrotermiske væskesimulatorer ved stuetemperatur resulterede i lodrette skorstene, mens kombinationen af en varm hydrotermisk væske og koldt havsimulator hæmmet dannelsen af robuste skorstenskonstruktioner. Den tilpasselige 3D-printede kondensator skabt til denne undersøgelse fungerer som et kappet reaktionskar, der let kan ændres og bruges af forskellige forskere. Det vil gøre det muligt nøje kontrol af injektion sats og kemisk sammensætning af udluftning og ocean simulanter, som bør hjælpe præcist simulere præbiotiske reaktioner i skorsten systemer med termiske gradienter svarende til de naturlige systemer.

Introduction

Hydrotermiske skorstene er selvorganiserende kemiske haveudfælder genereret fra geokemisk uligevægt i dybhavsventilationsmiljøer, da opvarmede, hydrotermisk ændrede væsker siver ind i et koldere hav. I et tidligt Jord scenario, er det blevet foreslået, at skorstene dannet på gamle alkaliske ventilationskanaler, og at transecting omgivende pH / redox / kemiske gradienter kunne have drevet reaktioner mod fremkomsten af stofskiftet1,2,3,4,5,6. Hydrotermiske ventilationskanaler er også blevet postuleret til at eksistere på andre planeter, herunder ocean verdener, Europa og Enceladus7,8,9,10. Der er udført forskellige forsøg for at simulere aspekter af den foreslåede præbiotiske hydrotermiske skorstenskemi , herunder udfældning af katalytiske jernsulfidaleraler, der kan reducere CO211,12, gradientdrevet organisk syntese13,14,15og iblanding af organiske stoffer i skorstenskonstruktioner16. Ved at skabe eksperimentelle opsætninger til at efterligne hydrotermiske ventilationskanaler, hvad enten det er på Jorden eller i andre verdener, er det vigtigt at overveje de geokemiske gradienter og systemets åbne, langt fra ligevægtskarakter for at producere realistiske simuleringer.

Ud over pH, redox og kemiske gradienter, hydrotermiske ventilationskanaler også pålægge en termisk gradient på tværs af skorstenen membran / væg på grund af foder af opvarmet udluftningsvæske i en kold havbunden miljø. Kolde havbund havtemperaturer kan variere som en funktion af dybde, sol penetration, og saltholdighed; gennemsnitlige havbundsdybder på udluftningssteder (for det meste i midten af havets højderygge) ligger i intervallet 0-4 °C17. Afhængigt af typen af udluftning, den termiske gradient mellem hav og udluftning væske kan variere dramatisk-fra de mildere gradienter af alkaliske ventilationskanaler, såsom Lost City18,19 eller Strytan Hydrotermisk Field, hvor udluftningsvæsken er 40-90 °C20,21,til den dybe havbund sorte rygere, hvor udluftningsvæsken kan nå flere hundrede grader Celsius22, 23,24,25. Fra en oprindelse-of-life perspektiv, simulering af termiske gradienter i hydrotermiske systemer er betydelig, da de kan påvirke mineralogi og kemisk reaktivitet af skorsten bundfald3,13 og / eller kan påvirke beboelighed som hydrotermiske skorstene vært mikrober, der optager elektroner direkte fra mineralske overflader26. I en gradient over skorstensvæggen ville en række temperaturforhold være til stede over en kort afstand, og skorstensvæggen ville repræsentere en kombination af mineraler og reaktioner, der er karakteristiske for alle disse termiske regimer.

Laboratoriedyrkede hydrotermiske skorstene i termiske gradienter blev simuleret for at udforske virkningerne af det kolde hav og varm hydrotermisk væske på dette potentielle præbiotiske miljø. Generelt, fordi dyrkning simulerede hydrotermiske skorstene via en injektionsmetode med et opvarmet interiør og koldt ydre giver praktiske udfordringer, er de mest tilgængelige skorstenseksperimenter dem, der udføres ved omgivende tryk (derfor ikke kræver dyre og komplicerede reaktorer). Tidligere forsøg på laboratoriedyrkede skorstene i en termisk gradient har ikke været i stand til at producere både en varm / varm hydrotermisk væske og et koldt hav. I et forsøg på at holde hele skorstenen ved høj temperatur i lang tid til at danne reaktive mineraler, der kan drive organiske reaktioner, nogle undersøgelser opvarmet hele eksperimentet (ocean og hydrotermisk væske) til ~ 70 ° C ved hjælp af enten en varmejakke eller et varmt bad13,14. En anden type skorstensfrydningsforsøg i et "brændselscelle" apparat dannede skorstensvæggen simulant på en flad membranskabelon; disse forsøg er også blevet opvarmet i løs vægt ved at nedsænke brændselscellegradientapparatet i et varmtvandsbad27,28. Tidligere undersøgelser har dannet simulerede hydrotermiske skorstene af varme hydrotermiske væsker (opvarmet til ~ 70 °C ved hjælp af forskellige metoder) injiceret i et hav med stuetemperatur3,12; et koldt hav er dog ikke blevet forsøgt.

Dette arbejde fremmer metoder til præbiotiske skorstensvækstlaboratorisimuleringer4 for at skabe en realistisk termisk gradient fra et koldt (0-5 °C) hav til en opvarmet hydrotermisk væske, hvor skorstensmaterialer og testegenskaber af interesse. Til dato har der ikke været nogen præbiotiske skorsten eksperimenter med succes udført med en realistisk temperatur gradient for alkaliske ventilationskanaler: med den indvendige udluftning løsning holdt på ~ 70 ° C og den udvendige havopløsning kølet til ~ 5 ° C. Desuden er det eksperimentelle setup komplekst og kan blive dyrt i de få opvarmede skorstensforsøg, der er udført. Kemiske haveforsøg har et stort potentiale til at give indsigt i de processer, der kan have fundet sted i hydrotermiske ventilationskanaler på den tidlige Jord. Derfor er evnen til hurtigt at oprette flere variationer af et skorstenseksperiment fordelagtig, ligesom evnen til at have et simpelt apparat, der er billigt, ikke-skrøbeligt, let modificeret og ideelt for studerende at arbejde med. Præsenteret her er et nyt apparat (Figur 1) designet til at lette væksten af en simuleret hydrotermisk skorsten og samtidig opretholde og overvåge en realistisk termisk gradient mellem det kolde hav og opvarmet hydrotermisk væske simulant. Dette forsøgsapparat ligner en jakkereaktor i design, men er en tredimensionel (3D) trykt kondensator, der let kan produceres af enhver forskningsgruppe, der er interesseret i at udføre lignende eksperimenter (se supplerende printbar fil). Ved hjælp af denne 3D-printede kondensator blev der udført termiske gradient skorstenseksperimenter for at teste nytten af dette apparat til opretholdelse af robuste temperaturgradienter og for at teste temperaturgradienternes virkninger på skorstensstrukturen og morfologien.

Protocol

1. Sikkerhedsmæssige overvejelser

  1. Brug laboratoriebeskyttelsesudstyr til personlig beskyttelse, herunder nitrilhandsker, ansigtsbriller, kittel og rigtige sko (ingen hududlagt).
    1. Når du bruger sprøjter og nåle, skal du passe på ikke at punktere handsker eller hud.
    2. Kontroller hele apparatet i røghætten for lækager.
    3. Kontroller stabiliteten af glasglas og kondensator på stativet, før du tilføjer noget kemikalie til blandingen.
  2. Brug alle termiske gradientforsøg i røg for at indeholde vandspild.
  3. Brug al natriumsulfid (Na2S•9H2O) i røg, da det er sundhedsfarligt.
    1. Opbevar natriumsulfid i røghætten, og placer en balance inde i røghætten til vejning af sulfidemængden.
    2. Opbevar altid sulfideholdige opløsninger inde i røghætten, når de frigiver giftig H2S-gas, og opbevar sulfidevæske, skarpe og faste affaldsbeholdere i røghætten.
    3. Bland ikke affald af sulfidopløsninger med andre kendte kemikalier.
  4. Ved brug af reaktant Fe(II)Cl2•4H2O skal du konsekvent rense med N2/Ar,da den oxiderer ved lufteksponering. Opbevar opløsninger anoxic i røg hætten ved at placere N2/ Ar gas i headspace inde i røg hætten. Fastgør med parafilm for at forhindre yderligere oxidation.

2. Opsætning af injektionsforsøg

  1. Fastgør den 3D-printede kondensatorindsprøjtning på et stativ i en røghætte, så det lille havnehul vender mod bunden af røghætten. Sørg for, at kondensatoren er nivelleret i klemmen.
  2. Opret glas "injektion fartøjer" ved at afskære 1 cm fra bunden af en 100 mL klart glas, crimp-top serum flaske (20 mm krympe tætning type) ved hjælp af en glasskærer, og sørg for, at fartøjet er åbent for luften nedefra og op.
    1. Rengør hætteglassene i et 1 M HCl syrebad natten over, og skyl derefter med dobbeltdestilleret vand (ddH2O), før du udfører et nyt eksperiment.
    2. Genbrug glas, medmindre revnet eller brudt, derefter bortskaffe.
  3. Tilbered injektionsglassene (Figur 1).
    1. Saml følgende materialer: en 20 mm septum, en 20 mm aluminium krympeforsegling, en 0,5-10 μL plast pipette spids, en 16 G sprøjte nål, og en crimper værktøj.
    2. Punkter forsigtigt et hul i midten af gummi septum, og fjern derefter og kassér nålen i en skarp affaldsbeholder.
    3. Sæt pipettespidsen ind i nålehullet i siden af gummisalden, der vender ind i krympetoppen. Skub pipettenspidsen gennem septum, så den stikker lidt ud på den anden side.
      BEMÆRK: Skub ikke hele vejen igennem, da dette ikke giver tilstrækkelig frihøjde til at placere krympeforseglingen med crimperværktøjet.
    4. Læg krymperen på krympeforseglingen. Klem crimperen og forsegle septum med pipettespidsen på injektionsbeholderen for at gøre den vandtæt. Efter forsegling korrekt skubbes pipettenspidsen gennem glaskrukken, så den stikker ca. 1,0 "ud af glasset.
    5. Placer et klart, fleksibelt, kemisk resistent rør med 1/16" indvendig diameter på pipettespidsen for at få en vandtæt forsegling på pipettespidsen.
      BEMÆRK: Røret skal være langt nok til at nå 16 G sprøjten oven på sprøjtepumpen, da sprøjten vil pumpe den hydrotermiske væske gennem denne klare slange i havet simulant.
    6. Anbring injektionsglassene i den 3D-printede kondensator i røghætten ved at sno slangen gennem kondensatorporthullet på bunden. Sørg for, at hætteglasset stikker ud fra det lille havnehul i kondensatoren.
      BEMÆRK: Hvis der skal anvendes flere kondensatorer, kan der på én gang opsættes flere hætteglas og fodres samtidigt med separate sprøjter.
    7. Kontroller, om der er afsluttende lækager ved at indsætte en 10 mL sprøjte fyldt med ddH2O og med en 16 G nål i den anden ende af den åbne slange. Sæt forsigtigt 16 G-nålen i slangen for ikke at punktere røret. Indsprøjt langsomt ddH2O, så den bevæger sig op i slangen og ind i bunden af reaktionsbeholderen for at sikre, at sprøjten/røret, røret/spidsen og krympetætninger alle er vandtætte.
    8. Fastgør parafilm tæt over afskæringen af hætteglasset, og læg et lille stykke tape på toppen af parafilmen. Punch et lille hul gennem båndet, så O2 kan gas ud som N2/ Ar pumpes ind.
    9. Sæt N2/Ar gasledninger op, som hver især vil indgå i et af injektionsglasset fra cut-off-toppen for at gøre glasglasset anoxic, før havsimulatoren hældes i.
    10. Flenser gastilførslen fra en N2/Ar-kilde i flere rør, så der er et N2/Ar-foder til hvert injektionsglas (hvis der udføres flere forsøg).
    11. Placer sprøjten (tilsluttet N2/Ar) ved at punktere gennem båndet og svæve over havopløsningen i hætteglasset. Pas på ikke at trænge ind i havopløsningen med nålen for at undgå forstyrrelser af skorstensvæksten.

3. Udarbejdelse af løsninger til kemisk havevækst

  1. Forberedelse af havet simulant
    1. Forbered 100 mL løsning til hvert eksperiment.
      BEMÆRK: I dette eksempel skal du bruge tabel 1 til specifikke koncentrationer som udfældende kationer.
    2. Opret anoxiske løsninger ved først at boble 100 mL ddH2O med N2/Ar gas i ~ 15 min pr. 100 mL i en Erlenmeyer kolbe.
    3. Afveje og tilsæt nogen af havets kemi ingredienser, omrøring forsigtigt at opløse (ikke kraftigt for ikke at indføre ilt).
    4. Efter opløsning af reagenserne genoptages straks lysbubbling af havsimulatoren med N2/Ar-gas, mens de hydrotermiske injektioner forberedes.
  2. Forberedelse af hydrotermisk væskesimulant (natriumsulfidpræparat)
    1. Vælg en af injektionskoncentrationerne i tabel 1, og forbered 10 mL af hver koncentration. Fyld 10 mL sprøjter med opløsningerne. Udskift nålehætterne og sæt til side.
      BEMÆRK: Opbevar altid sulfideholdige opløsninger og sprøjter i røghætten.
    2. Den nødvendige mængde natriumsulfid (Na2S•9H2O) vejes kun i røghætten (50 mL opløsning med ddH2O).
      1. Fyld et 50 mL centrifugerør med ddH2O.
      2. Anbring Na2S•9H2O i 50 mL centrifugerøret, og tætslut det i røghætten.
      3. Ryst røret grundigt i røghætten, indtil alle sulfidpartikler er helt opløst.
      4. Opløsningen er anoxisk i røghætten med parafilm, hvori derer indsat en 10 G nålinje N 2/Ar.

4. Opsætning af thermistor

  1. Anbring thermistor i en stabil position på en sidebænk så tæt på røghætten som muligt. Sæt USB-siden af et RS232-adapterkabel i computerens USB-port.
  2. Tænd for strømmen til thermistor. For vejledning i opsætning af kabelmodstande henvises til Thermistor-proceduren i tillægstillæg 2.
  3. Tænd for thermistor-softwaren på computeren.
    1. Rul ned til kommunikationsport. Vælg de første par kommunikationsporte, og klik på knappen Opret forbindelse til venstre for hver port, indtil thermistor opretter forbindelse til softwaren.
      BEMÆRK: Softwaren viser læsekonfigurationslinjerne med grønt. Prøveudtagningsikonet blinker ved med at blinke, hvilket viser, at det prøver den aktuelle temperatur med jævne mellemrum. Hvis ingen af disse signaler overholdes, skal du vælge andre kommunikationsporte. Hvis ingen af kommunikationsportene fungerer, vises en pop op-meddelelse med angivelse af kommunikationsfejl eller Kan ikke kommunikere.
    2. Hvis der opstår kommunikationsfejl, skal du lukke programmet og genstarte. Kontroller båndkablerne igen, og sørg for, at de er korrekt tilsluttet stifterne på RS232-kabelpinouts.
  4. Når forbindelsen er tilsluttet, skal du sørge for, at Output læser 100% i røde bjælker.
  5. Når thermistor blinker hyppige intervalmålinger, skal du ændre intervaltiden til 60 s. Fjern 1 s i feltet Controllerindstillinger mod bunden og skift til 60'ere. Klik på knappen OK.
  6. Der vil være en oval knap ved siden af firmaets logo mærket Auto-skala. Klik på knappen for at aktivere automatisk skalering. Bemærk den gule linje, der viser temperaturudlæsningen.
  7. Inden for plotområdet skal du højreklikke for at justere plottet efter din smag, f.eks.
  8. Højreklik i afbildningsområdet, og klik på eksport til Excel, før en ny læsning starter hver 5000 s eller 83,33 min (afhængigt af det valgte optagelsesinterval). Gem de temperatur- og klokkeslætsdata i regnearket, der automatisk er oprettet af programmet.
  9. Placer metal thermistor sonden i glashavsfartøjet i kondensatoren. Sørg for, at sonden er modregne til siden af glasset som thermistor sonde hængende i midten af glas hætteglasset vil afbryde skorsten vækst. Dæk igen med parafilm.

5. Opsætning af isbadet

  1. Grib en større plastikpande og en mellemstor spand. Fyld spanden med vand op til halvvejs.
  2. Placer spanden inde i panden, og læg is inde i vandet, indtil næsten fuld.
  3. Anbring de to plastafskæringsslanger i hver ende af vandpumpen (tillæg 3, figur 1). Bemærk, at den lodrette pumpeåbning er der, hvor vandet vil blive hældt ind for at begynde priming, og den vandrette åbning er der, hvor vandet skubbes ud. Sæt pumpen i en stikkontakt, men lad de elektriske stik stå åbne, da de vil drive pumpen, når de er tilsluttet.
  4. Tilslut den vandrette plastslange (supplerende tillæg 3, figur 2) til den højere kondensatorport, der vender mod højre, så slangen er lang nok til at nå isspanden.
  5. Placer en anden afskåret plastslange til venstre (lavere) kondensator port, at sikre, at denne slange også er lang nok til at nå isvand bad. Placer denne slange over spanden med isvand, hvori vandet vil blive skubbet ud af kondensatoren.
  6. Hæld koldt vand gennem slangen, der er tilsluttet pumpens lodrette åbning. Når pumpen er fuld af vand, når hele vejen til kondensatorporten, nedsænke slangen i isvandsbadet og tilslut straks de elektriske stik.
    BEMÆRK: Dette kan kræve to personer.
  7. Prime pumpen til at begynde at flyde vand gennem kondensator, fylde spanden med is, og læg et termometer i spanden for at kontrollere temperaturen.
    BEMÆRK: Vandtemperaturen skal nå ~0 °C. Se kontroltest i supplerende tillæg 1 Figur 2.
  8. Fortsæt med at tilføje mere is for at opretholde vandet ved en kold temperatur, samtidig med at du fjerner noget af det varmere vand.

6. Prepping til injektion

  1. Anbring ddH2O-sprøjterne (punkt 2.3) ved siden af sprøjterne til injektion af hydrotermisk væske. Skub forsigtigt plastikindsprøjtningsslangen af ddH2O sprøjtenålen, og overfør den straks direkte til en af de primære injektionssprøjtenåle.
    BEMÆRK: Rørvæggen må ikke punkteres.
  2. Sæt varmepuden i for at opvarme det hydrotermiske simulant til 70-80 °C.  (Advarsel: højere temperaturer kan forvride eller beskadige plastiksprøjten.)
  3. Pak puden rundt om sulfidesprøjten, og skru på to metalklemmer rundt om puden (supplerende tillæg 3, figur 3).
  4. Når klemmerne er fastgjort på plads, skal du placere dem på sprøjtepumpen og fastgøre pumpen tæt (afhænger af den valgte sprøjtepumpe).
  5. Indstil temperaturen på kontrolboksen til ~70 °C ved at trykke på pil op ( supplerendetillæg 3, figur 5). Tryk på set/start.
  6. Når den eller de opvarmede sprøjter er låst på sprøjtepumpen, skal sprøjtepumpen indstilles til at injicere ved 1-2 mL/h.
  7. Kontroller, at havopløsninger er helt opløst. Hvis overskyet, rør indtil det meste opløst.
  8. Titrere havet simulant til pH 5,5 for at simulere Hadehavetssurhedsgrad 30,31. Brug 10 M HCl og tilsæt dråber langsomt (under N2/Ar-feedet), indtil pH-måleren lyder stabilt 5,5. Hvis det overstiger 5,5, skal du bruge NaOH til at bringe pH tilbage til mere grundlæggende niveauer ved hjælp af den samme langsomme dråbemetode.
  9. Hæld en eller to havløsninger i de præfabrikerede skorstenskar. Hæld den ene havopløsning i glasglasset i kondensatoren og den anden i rumtemperaturbeholderen uden kondensator (hvis der udføres to forsøg) (figur 6).
    BEMÆRK: Temperatursonden må ikke flyttes.
  10. Forsegl toppen af glasglassene med parafilm. Udskift N2/Ar-foderet til toppen af havsimulatorens headspace, idet du sørger for ikke at introducere nålen i havet simulant.
  11. Lad sprøjtepumpen injicere ved 1-2 mL/h (kalibrer for størrelsen på den sprøjte, der anvendes, afhængigt af sprøjtepumpens type), men tryk ikke på Start.
  12. For at forhindre termisk tab opstår gennem slangens længde injiceres den varme væske hurtigt for at komme i umiddelbar kontakt med havtanken. Lad derefter injektionen køre ved 1- 2 ml / t i det kolde hav. (Se termisk test for sprøjte i supplerende tillæg 1). Brug affaldsbægere til at fange eventuelle dryp.
  13. Start injektionen, og begynd at registrere havtemperaturen på thermistor.

7. Overvågning af temperaturen og eksperimentet

BEMÆRK: Når vandet cirkulerer gennem kondensatoren, begynder temperatursonden i thermistor at vise faldet i temperaturen i havet. Målet er, at temperaturen skal nå nær 0 °C. Se tabel 2 for de præcise temperaturgradientindstillinger (termisk).

  1. Gem alle temperaturdata ved at højreklikke på plotområdet, og gem som en . CSV-fil.
    BEMÆRK: Programmet registrerer temperaturdata til en værdi af op til 5000 og starter derefter forfra.
  2. Fortsæt med at tilføje is i spanden for at opretholde nær frysende temperaturer, indtil skorstenen for det meste har udviklet sig, eller i det mindste indtil sprøjten er næsten tom.
  3. Overvåg også skorstenen med stuetemperatur. Tag hyppige fotografier i hele skorstensvæksten for begge skorstene.
  4. Når skorstenen er færdig, skal du placere en lille lineal ved siden af begge skorstene og derefter tage og gemme billeder.
    BEMÆRK: Hele processen skal køre i ~ 6 timer.

8. Afslutning af eksperimentet

  1. Stop sprøjtepumpen, og stop derefter med at registrere temperaturen på thermistor, og gem dataene i et regneark.
  2. Sluk for N2/Ar-flowet, og fjern linjerne og parafilmen fra injektionsbeholderne.
  3. Hvis det er nødvendigt, prøve havet løsning eller bundfald til yderligere analyse. For forsigtigt at fjerne reservoiropløsningen uden at forstyrre bundfaldet skal du bruge en 25 mL pipette til forsigtigt at pipette flere aliquots af reservoiropløsningen og kassere opløsningen i et affaldsbæger.
  4. Dræn forsigtigt hætteglasset i kondensatoren i et affaldsbæger. Fjern slangen fra sprøjten, og lad havopløsningen løbe ind i bægerglasbet i røghætten. Gør det samme for hætteglasset uden kondensator.
  5. Fjern karrene en ad gangen fra klemmen, og brug ddH2O til at skylle stumperne af bundfald i et affaldsbæger.
  6. Tag slangen og sprøjterne ud af sprøjtepumpen. Tøm sprøjterne og eventuel ekstra injektionsvæske i affaldsoverførselsbægeret, og kassér sprøjterne i en beholder med sulfidespidser, der opbevares i røghætten.
  7. Fjern slangen fra forsøgsglasset, og smid det i en fast affaldspose. Afkrimp forseglingen og bortskaffe septum, tætning og pipettespids.
  8. Skyl glasforsøget ud, og blød det natten over i et 1 M HCl syrebad.
    BEMÆRK: Glasvarer, der har været i kontakt med natriumsulfid, frigiver giftig H2S-gas, når det anbringes i syre. Opbevar derfor alle syrebade inde i røghætten.

Representative Results

Som i tidligere undersøgelser1,2,13,29; når hydrotermisk væske simulant nåede havet hætteglas, en mineralsk bundfald struktur begyndte at danne, der voksede tykkere og højere for varigheden af injektionen. Jernsulfid skorstene var sarte strukturer, der ikke var meget robuste og let blev opdelt, hvis havet hætteglas eller injektion blev fysisk forstyrret. Dette er i overensstemmelse med resultaterne fra tidligere undersøgelser3. Den kemiske koncentration af sulfidopløsningen spillede også en afgørende rolle i morfologien af sulfideskorstenene. Mere koncentrerede opløsninger af sulfid tilladt for højere og robuste mineraludfælder, som vist i figur 5, mens lavere koncentrationer af sulfidopløsninger producerede svage skorstenskonstruktioner. I nogle tilfælde blev der ikke dannet nogen struktur, kun en flydende sulfide-mineral "suppe" blev skabt, der til sidst ville bosætte sig som et sediment (Figur 3D). Dette skete under både termiske og ikke-termiske gradientforhold.

I termisk gradient skorsten eksperimenter med jernsulfid, faste skorsten strukturer generelt ikke samle sig så godt som de gjorde ved stuetemperatur. Figur 3E-H viser morfologien af en jernsulfidskorsten dyrket mellem et koldt hav og stuetemperatur hydrotermisk væske. Skorstenene i temperaturgradienten var snorlignende og spinkle i naturen, mens ikke-termiske gradientresultater (Figur 3A-D) viser mere semi-permanente strukturer. Det samme var tilfældet, da hydrotermisk væske blev opvarmet (Figur 4). Undtagelsen var ved højere salt- og jernkoncentrationer (figur 5), hvor der blev dannet en fast jernsulfidskorsten mellem en vandtermisk opløsning med stuetemperatur og koldt havsimulant.

Effekten af en termisk gradient på væksten af jernhydroxid skorstene blev også testet. Resultaterne viste mønstre, der lignede jernsulfidskorstenens: mens rumtemperaturjernhydroxidforsøget resulterede i en mere robust skorstensudfældelse, resulterede det termiske gradienteksperiment mellem den varme hydrotermiske væske og det kolde hav i en mindre bunke skorstensmateriale, der ikke smeltede lodret (Figur 6). I modsætning til de høje opretstående strukturer af jernhydroxidskorstene observeret i tidligere arbejde (i rumtemperaturforsøg)29,viste vores termiske gradienteksperiment en anden morfologi.

Figure 1
Figur 1: Termisk skorstensapparat. Klik her for at se en større version af dette tal. 

Figure 2
Figur 2: 3D-printet kondensator. (A) Skematisk for en 3D-trykt kondensator, der viser kondensatordimensioner. (B) Placering af et glas havfartøj inde i kondensatoren for at afkøle havet simulant. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: En række termiske og ikke-termiske gradient skorstene. (A-D) Ikke-termisk gradient kontrol eksperiment fra stuetemperatur hydrotermisk væske (HTF) til stuetemperatur ocean simulant. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulator. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulator. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulator. (E-H) Termisk gradient skorsten eksperiment fra stuetemperatur HTF simulant til et koldt reservoir (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulator. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20 mM FeCl2·4H2O havsimulant. G) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulator. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20 mM FeCl2·4H2O havsimulator. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Termisk gradienteksperiment. Forsøg udført med varm (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O opløsning injiceret i en kold (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O havsimulator, der producerer små skorstensstrenge. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Virkningen af koncentrationen af havsimulator på skorstene. Højere koncentrationer (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O og 200 mM NaCl) af anoxiske havsimulatorer producerede mere strukturelt robuste, højere skorstene. Rumtemperatursulfidopløsningen blev injiceret i 2-10 °C havsimulator. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Samtidig vækst af termiske og ikke-termiske gradientskorstene. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O havopløsning med en 200 mM NaOH hydrotermisk væske (HTF) væskesimulator ved stuetemperatur. (B) Termisk gradient eksperiment med de samme koncentrationer med varm HTF på ~ 35-50 ° C i koldt hav simulant på ~ 5-10 ° C. Klik her for at se en større version af dette tal.

Hydrotermisk væskekemi (injektion) Havkemi (reservoir)
50 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl eller NaHCO3
20 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl eller NaHCO3
10 mM Na2S 20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl eller NaHCO3
200 mM NaOH 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

Tabel 1: Koncentrationsmatrix for both simulerede hav- og hydrotermiske væskeindsprøjtningsløsninger.

HTF °C Ocean Simulant Temperaturer °C
~23 ~23 5-10
~35-50 ~23 5-10

Tabel 2: Eksperimentel matrix til termisk gradient. Den hydrotermiske væske (HTF) temperatur refererer til temperaturen af væsken i sprøjten; den faktiske temperatur ved indløbet til havglasset var mellem 20 og 35 grader lavere end temperaturen i sprøjten (~70 °C) (se supplerende tillæg 1, figur 3og figur 4).

Supplerende fil, der kan udskrives. Klik her for at downloade denne fil. 

Tillæg 1. Klik her for at downloade denne fil. 

Tillæg 2. Klik her for at downloade denne fil. 

Tillæg 3. Klik her for at downloade denne fil. 

Discussion

Effekt af termiske gradienter på simuleret skorstensvækst: Dette eksperimentelle apparat gav flere variationer i skorstenmorphologier, der skyldtes flere eksperimentelle parametre. Skorstene af jernsulfid og jernhydroxid dannede høje opretstående strukturer ved stuetemperatur, men dannede mere spinkle, trævlede bundfald eller flade høje i de termiske gradientforsøg. Dette var i overensstemmelse med resultaterne af Herschy et al., hvor wispy, ikke-oprejst skorsten bundfald blev dannet af en hydrotermisk væske opvarmet til 70-80 °C og injiceres i stuetemperatur ocean simulant33. Der er forskellige mulige forklaringer på dette: konvektiv varmeoverførsel kan forårsage mere naturlige flydende kræfter (sammen med den tvungne pumpning af injektionen) for at få bundfaldet til at flyde hurtigt mod toppen af havfartøjet, som det dannes. Alternativt gør opvarmning af sprøjtevæsken den hydrotermiske simulant mindre tæt og dermed mere tilbøjelig til at stige lodret end at stabilisere oven på injektionspunktet. Det er muligt, at denne effekt kan afbødes ved at ændre sprøjteindsprøjtningshastigheden til langsommere hastigheder for at muliggøre væksten af en mere stabil struktur. White et al. undersøgte jernsulfid skorsten vækst med hydrotermisk simulant injiceret med ekstremt langsomme hastigheder (0,08 ml / t), og selv om skorstenen tog dage at samle, det var strukturelt stabil13. Da Herschy et al. brugte peristaltiske pumper ved injektionshastigheder på 10-120 mL/h, hvilket er flere størrelsesordener hurtigere end de satser, der anvendes i vores termiske gradientforsøg, er det ikke overraskende, at de også producerede strenglignende skorstenskonstruktioner33.

Højere koncentrationer af udfældende reaktanter i havet og udluftningsløsninger kan også give mere robuste skorstene i termiske gradienter. Højere kemiske koncentrationer af udfældende ioner (sulfid eller hydroxid) i hydrotermisk væske eller havsimulator kan føre til højere samlet bundfaldsmasse, hvilket skaber en stærkere struktur. Da Herschy et al. og White et al. anvendte lavere koncentrationer af sulfid i hydrotermisk væske (10 mM), var deres strukturer mindre end dem, der blev produceret i dette arbejde ved hjælp af højere (20-50 mM) sulfidekoncentrationer. Derudover har nogle undersøgelser af jernsulfid skorstensvækst også inkluderet silica i hydrotermisk væske sammen med natriumsulfid, som kan hjælpe med at producere mere robuste skorstene3,13,33. Silica kemiske havestrukturer er også blevet brugt til at simulere aspekter af hydrotermisk skorstensvækst34, og disse har tendens til at producere meget robuste strukturer, der kan fjernes fra røret / hætteglasset til fysisk analyse. Men, virkningerne af temperatur gradienter på silica injektion strukturer er ikke kendt og vil være et område af yderligere undersøgelse.

Overvejelser for fremtidige skorsten simulation eksperimenter: 3D trykte kondensator skabt i denne undersøgelse for at afkøle havfartøjet fungerede som en jacketed reaktion fartøj, men med nogle praktiske forbedringer: 1) den åbne top tilladt prøveudtagning af skorstenen og opretholde den anoxiske ocean headspace; 2) den 3D-printede del gav let reproducerbarhed; 3) da designene kan redigeres digitalt, kan apparatet hurtigt ændres og udskrives igen, hvis det ønskes; og 4) brugen af billige materialer gjorde hver kondensator mere omkostningseffektiv end de faktiske glasjakke reaktionsbeholdere. Disse 3D-printede kondensatorer er et fleksibelt og let delt eksperimentelt apparat, der kunne være en nyttig måde at standardisere platforme til simulerede hydrotermiske skorstenseksperimenter på tværs af forskellige forskningsgrupper, hvilket giver mulighed for bedre sammenligning af prøver og data. Kondensatorens filer kan sendes til kolleger til at udskrive på egen hånd til deres uddannelsesmæssige eller videnskabelige formål (se supplerende 3D-printfil af kondensatoren, der anvendes i dette arbejde). Denne billige opsætning kan også bruges som en bachelor laboratorium eksperiment for kemiske haver eller kemobrionics29,35.

Afslutningsvis beskriver dette arbejde et nyt eksperimentelt apparat ved hjælp af 3D-print for at lette væksten af simulerede hydrotermiske skorstene i temperaturgradientmiljøer. Den 3D-printede kondensator er i stand til at afkøle havet simulant til nær frysende temperaturer, svarende til havvandet nær havbunden hydrotermiske systemer. I mellemtiden blev en opvarmet sprøjte brugt til at simulere den højtemperatur hydrotermiske væske, der injiceres i dette kolde hav. Morfologierne og strukturerne af jernsulfid og jernhydroxidskorstene blev påvirket af den termiske gradient: Når både havet og hydrotermiske væskesimulatorer var ved stuetemperatur, dannede skorstenene vertikalt orienterede strukturer, men da hydrotermisk væske blev opvarmet og havet blev afkølet, blev dannelsen af robuste skorstenskonstruktioner hæmmet. For nøjagtigt at simulere præbiotiske reaktioner i sådanne skorstenssystemer med termiske gradienter svarende til de naturlige systemer, vil det være nødvendigt at omhyggeligt kontrollere parametre såsom injektionshastighed og kemisk sammensætning af både udluftning og ocean simulanter. Den brugerdefinerede og billige 3D trykte kondensator skabt til denne undersøgelse ligner i funktion til en jacketed reaktion fartøj og kan nemt ændres og distribueres elektronisk til forskellige forsknings-og uddannelsesmæssige grupper til brug i mange typer af kemobrioniske eksperimenter.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev udført på Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under en kontrakt med NASA, støttet af NASA Astrobiology Institute Icy Worlds. Dr. Gabriel LeBlanc blev delvist støttet af et Forskningsinitieringstilskud (2017-34) gennem Oklahoma NASA EPSCoR Cooperative Agreement (NNX15AK42A). Vi vil gerne takke Heather Whitehead for hjælp med den oprindelige 3D trykte kondensator design, Kalind Carpenter for bistand med 3D-print, John-Paul Jones for nyttig diskussion om kondensator fartøjer, Laura Rodriguez for hjælp med temperatur data analyse, og Erika Flores med laboratorieassistance. Copyright 2020 California Institute of Technology.

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

Miljøvidenskab udgave 168
Simulering af tidlige jord hydrotermiske skorstene i et termisk gradientmiljø
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