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熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション

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

このプロトコルの目的は、化学庭園の注入実験を介してシミュレートされた熱水煙突を形成し、教育目的のために再現することができる3D印刷可能な凝縮器を使用して、無機沈殿膜を横切って熱勾配を導入することです。

Abstract

深海熱水噴出孔は、地球化学的崩壊から発生する自己組織化沈殿物であり、生命の出現の可能性のある設定として提案されている。初期の地球ベント系内の熱勾配環境における熱水煙突の成長は、溶解した鉄を含む初期の地球海洋シミュラントに注入された硫化ナトリウムのような異なる熱水シミュラントを使用してうまくシミュレーションされました。また、高温から室温で硫化物溶液を注入しながら冷水浴に浸漬した凝縮器容器内の海洋シミュラントを0°C近くに十分に冷却する装置が開発され、数時間の間に温度勾配環境で人工煙突構造を効果的に作り出しました。異なる化学と可変温度勾配を用いたこのような実験は、煙突構造における様々な形態をもたらした。室温で海洋と熱水流体シミュラントを使用すると垂直煙突が発生し、熱熱水流体と冷たい海洋シミュラントの組み合わせにより、堅牢な煙突構造の形成が阻害されました。この研究のために作成されたカスタマイズ可能な3Dプリントコンデンサーは、異なる研究者によって簡単に修正して使用することができるジャケット反応容器として機能します。これは、噴射速度と海のシミュラントの化学組成の慎重な制御を可能にし、自然システムと同様の熱勾配を有する煙突系におけるプレバイオティクス反応を正確にシミュレートするのに役立つはずです。

Introduction

熱水煙突は、熱く、熱水で変化した流体が寒い海に浸透する深海ベント環境内の地球化学的崩壊から生成された自己組織化化学庭園の沈殿物です。初期の地球のシナリオでは、古代アルカリ性の通気孔で形成された煙突、および周囲のpH/レドックス/化学的勾配を移調することが、代謝の出現に向けた反応を駆動する可能性があることを提案されている1,2,3,4,5,6.熱水噴出孔は、海洋世界、エウロパとエンセラダス7、8、9、10を含む他の惑星に存在するように仮定されています。CO2 11、12、勾配駆動有機合成13、14、15、および煙突構造への有機物の組み込みなど、提案されたプレバイオティクス熱水煙突化学の側面をシミュレートするために様々な実験が行われている。地球上でも他の世界でも、熱水ベントを模倣する実験的なセットアップを作成する際には、地球化学的勾配とシステムの開いた平衡性を考慮して、現実的なシミュレーションを生成することが不可欠です。

pH、酸化還元、化学勾配に加えて、熱水性ベントは冷たい海底環境への加熱された通気液の供給のために煙突膜/壁全体に熱勾配を課します。冷たい海底の海洋温度は、深さ、太陽の浸透、および藻の関数として変化することができます。通気場(主に中海の尾根)の平均海底海底深さは、0〜4 °C17の範囲にある。通気孔の種類に応じて、海と通気流体の間の熱勾配は、ロストシティ18、19、またはベント流体が40-90°C20、21のストリタン熱水田などのアルカリ性ベントの穏やかな勾配から、ベント流体が数百度に達することができる深海底黒い喫煙者まで劇的に変化する可能性があります。 23、24、25。生命の起源の観点から、水熱系における熱勾配のシミュレーションは、煙突沈殿3、13および/または水熱煙突が鉱物表面から直接電子を取り込む微生物を宿宿する可能性があるため、居住性に影響を及ぼす可能性があるため、有意である。煙突壁を横切る勾配では、温度条件の範囲が短い距離にわたって存在し、煙突壁はこれらすべての熱レジームに特徴的な鉱物と反応の組み合わせを表します。

熱勾配の実験室で成長した熱水煙突をシミュレートし、この潜在的なプレバイオティクス環境に対する冷たい海と熱水流体の影響を探る。一般的に、加熱された内部および冷たい外装を伴う注入法を介してシミュレートされた熱水煙突を成長させることは実用的な課題を提示するので、最もアクセス可能な煙突実験は周囲の圧力で行われるものです(したがって、高価で複雑な原子炉を必要としません)。熱勾配の実験室で成長した煙突での以前の試みは、熱い/暖かい熱水流体と冷たい海の両方を生成することはできませんでした。煙突全体を高温に保ち、有機反応を促進する反応性鉱物を形成するために、いくつかの研究は、加熱ジャケットまたは熱い浴13、14のいずれかを使用して実験全体(海洋および熱水流体)を〜70°Cに加熱した。別のタイプの煙突沈殿形成実験は、「燃料電池」装置において、平らな膜鋳型に煙突壁シミュラントを形成した。これらの実験は、燃料電池勾配装置を温水浴27,28に水没させることによっても一括加熱されている。これまでの研究では、室温の海3、12に注入された熱水流体(様々な方法を使用して〜70°Cに加熱)からシミュレートされた熱水煙突を形成しました。しかし、冷たい海は試みられていない。

この研究は、プレバイオティクス煙突成長実験室シミュレーション4 の方法を進め、寒冷(0〜5°C)の海洋から、煙突材料を合成し、関心のある特性をテストする熱水流体に現実的な熱勾配を作り出す。現在までに、アルカリ性ベントの現実的な温度勾配でプレバイオティクス煙突実験が成功した:〜70°Cで開催された内部ベント溶液と〜5°Cに冷却された外海溶液で。 さらに、実施されたいくつかの加熱煙突実験では、実験のセットアップは複雑であり、コストがかかる可能性があります。化学庭園の実験は、初期の地球上の熱水噴出孔で行われた可能性のあるプロセスに関する洞察を生み出す大きな可能性を秘めています。したがって、煙突実験の複数のバリエーションをすばやく設定する能力は、安価で脆弱で、簡単に修正でき、学生が一緒に作業するのに理想的な単純な装置を持つ能力と同様に有利です。ここでは、冷たい海と熱水流体のシミュラントとの間の現実的な熱勾配を維持し、監視しながら、シミュレートされた熱水煙突の成長を促進するように設計された新しい装置(図1)です。この実験装置は、設計上のジャケット反応器と類似しているが、同様の実験を行うことに興味のある研究グループが容易に製造できる三次元(3D)プリントコンデンサーである( 補足印刷可能ファイルを参照)。この3Dプリントコンデンサーを使用して、熱勾配煙突実験を行い、この装置の有用性をテストして、堅牢な温度勾配を維持し、温度勾配が煙突構造および形態に及ぼす影響をテストしました。

Protocol

1. 安全に関する考慮事項

  1. ニトリル手袋、フェイスゴーグル、ラボコート、適切な靴(肌が露出していない)など、個人保護のための実験室の保護具を使用してください。
    1. 注射器や針を使用する場合は、手袋や皮膚を穿刺しないように注意してください。
    2. フュームフードの装置全体に漏れが発生していないか確認してください。
    3. 混合物に任意の化学物質を追加する前に、スタンド上のガラスバイアルとコンデンサーの安定性を確認してください。
  2. 水の流出を封じ込めるために煙の中ですべての熱勾配実験を操作します。
  3. それは健康に危険であるとして、ヒューム内のすべての硫化ナトリウム(Na2S•9H2O)を使用してください。
    1. 硫化ナトリウムをヒュームフードに入れ、硫化物量を秤量するためのフームフードの内側にバランスを取ります。
    2. 常に硫化物含有溶液をガス中に入れて、有毒なH2Sガスを放出し、硫化液、シャープ、固形廃棄物容器をヒュームフードに入れておきます。
    3. 硫化物溶液の廃棄物を他の既知の化学物質と混合しないでください。
  4. 反応物Fe(II)Cl2•4H2Oを使用する場合、空気への暴露時に酸化するので、N2/Arで一貫してパージします。フュームフード内のヘッドスペースにN2/Arガスを入れることで、フュームフードに解気剤を入れておきます。パラフィルムで保護し、さらなる酸化を防ぎます。

2. 射出実験のセットアップ

  1. 3Dプリントされたコンデンサーインジェクションをヒュームフードのスタンドにクランプし、小さなポートホールがヒュームフードの底面に向かえるようにします。コンデンサがクランプ内でレベル付けされていることを確認します。
  2. ガラスカッターを使用して100mLクリアガラスの底部から1cmを切断し、ガラスカッターを使用して圧着トップセラムボトル(20mm圧着シール閉鎖型)を切断し、容器が底から空気に開かっていることを確認して、ガラスの「注入容器」を作成します。
    1. 1 M HCl酸浴でバイアルを一晩洗浄し、二重蒸留水(ddH2O)で洗浄してから新しい実験を行います。
    2. 割れたり壊れたりしない限り、ガラスを再利用し、処分してください。
  3. インジェクションバイアルを準備します(図1)。
    1. 20 mm の隔壁、20 mm アルミニウム圧着シール、0.5~10 μL プラスチックピペットチップ、16 G シリンジ針、クリンパーツールを収集します。
    2. ゴム中隔の中央に穴を慎重に穿刺し、針を切り取って、鋭い廃棄物容器に捨てます。
    3. ピペットチップを針穴に挿入し、バイアルの圧着の上に向かうゴム中隔の側面に挿入します。ピペットの先端を中隔に押し込み、反対側をわずかに突き出します。
      注:クリンパーツールでクリンプシールを配置するのに十分なクリアランスを与えないので、すべての方法を押し通してしないでください。
    4. クリンプシールの上にクリンパーを置きます。クリンパーを絞り、注入容器にピペットチップで中隔を密封して水密にします。適切にシールした後、ピペットの先端をガラス瓶に押し込み、ガラスから約1.0インチ突き出るようにします。
    5. ピペットチップに透明で柔軟な耐薬品性チューブをピペットチップに配置し、ピペットチップに水密シールを取り付けます。
      注:チューブは、シリンジがこの透明なチューブを通して水熱流体を海洋シミュラントに送り込むので、シリンジポンプの上に16 Gシリンジに達するのに十分な長さでなければなりません。
    6. 3Dプリントコンデンサーに注入バイアルをフームフードに入れ、底部のコンデンサーポートホールを通してチューブを蛇行します。コンデンサーの小さなポートホールからバイアルが突き出ているか確認してください。
      注:複数のコンデンサーを使用する場合は、複数のバイアルを同時に設定し、別の注射器で同時に供給することができます。
    7. ddH2O で満たされた 10 mL シリンジを挿入し、開いたチューブのもう一方の端に 16 G の針を入れて、最終的な漏れを確認します。チューブを穿刺しないように、慎重にチューブに16 G針を挿入します。ddH2Oをゆっくりと注入して、チューブを上に移動し、反応容器の底に入り、シリンジ/チューブ、チューブ/チップ、および圧着シールがすべて水密になるようにします。
    8. バイアルのカットオフトップの上にしっかりとパラフィルムを固定し、パラフィルムの上にテープの小片を置きます。N2/Arがポンプで送り込まれるとO2がガスアウトできるように、テープに小さな穴を開けます。
    9. N2/Arガスラインを設定し、それぞれがカットオフトップから注入バイアルの1つに供給し、海洋シミュラントが注がれる前にガラスバイアル無酸素にします。
    10. N2/Ar ソースからのガス供給を複数のチューブに分割し、インジェクションバイアルごとに 1 つの N2/Ar フィードを使用します (複数の実験を行う場合)。
    11. テープを穿刺し、バイアルの海液の上にホバリングして、注射器(N2/Arに接続)を置きます。煙突の成長の中断を避けるために針で海洋溶液を貫通しないように注意してください。

3. 化学ガーデンの成長のためのソリューションの準備

  1. 海のシミュレーションを準備する
    1. 各実験に対して100mLの溶液を準備します。
      注: この例では、沈殿カチオンとして特定の濃度に表 1 を使用します。
    2. まず、100 mLのddH 2 OをN2/Arガスで、エルレンマイヤーフラスコで100 mLあたり約15分間泡立て、無酸素溶液を作成します。
    3. 計量し、海洋化学成分のいずれかを追加し、溶かすために穏やかにかき混ぜます(酸素を導入しないように精力的ではありません)。
    4. 試薬を溶解した後、すぐに熱水注入を準備しながら、N2/Arガスで海洋シミュラントの軽いバブリングを再開します。
  2. 水熱流体シミュラント(硫化ナトリウム製剤)の調製
    1. 表1に示す注射濃度のいずれかを選択し、各濃度の10mLを調製する。10 mLのシリンジを溶液で満たします。針のキャップを交換し、脇に置きます。
      注:常に硫化物含有溶液と注射器は、フームフードに保管してください。
    2. ヒュームフード内の硫化ナトリウム(Na2S•9H2 O)の必要量(ddH2 Oで50mLの溶液)のみを秤量してください。
      1. 50 mL 遠心分離管を ddH2O で充填します。
      2. Na2S•9H2Oを50 mL遠心管に入れ、フームフードにしっかりと密封します。
      3. すべての硫化物粒子が完全に溶解するまで、チューブをヒュームフードで十分に振ります。
      4. N2/Arを注入する10Gの針が挿入されたパラフィルムを使用して、ヒュームフードに解無酸素溶液を保ちます。

4. サーミスタのセットアップ

  1. サーミスタを、できるだけヒュームフードの近くにサイドベンチの安定した位置に置きます。RS232アダプタケーブルのUSB側をコンピュータのUSBポートに挿入します。
  2. サーミスタの電源を入れます。ケーブル抵抗器の設定方法については、付録 2の「サーミスタ」の手順を参照してください。
  3. コンピュータのサーミスタ ソフトウェアの電源を入れます。
    1. [ 通信ポート] までスクロールダウンします。最初の数個の通信ポートを選択し、各ポートの左にある 接続 ボタンをクリックして、サーミスタがソフトウェアに接続するまでは、そのポートを選択します。
      注: ソフトウェアは、 緑色で読み取り設定 バーが表示されます。 サンプリング アイコンは点滅し続け、現在の温度が頻繁にサンプリングされていることを示します。これらの信号がどちらも観測されない場合は、他の通信ポートを選択します。通信ポートがどれも機能しない場合は、 通信エラー または 通信不可能を示すポップアップ メッセージが表示されます。
    2. 通信エラーが表示された場合は、プログラムを閉じて再起動します。リボンケーブルを再確認し、RS232ケーブルのピン配置のピンに正しく接続されていることを確認します。
  4. 接続したら、 出力 が赤いバーで100%読み取ることを確認してください。
  5. サーミスタが頻繁に間隔の測定を点滅させたら、間隔の時間を60 sに変更します。[ コントローラオプション] ボックスの下側に向かって、1 sをクリアし、60sに変更します。 [OK]ボタン をクリックします。
  6. 会社のロゴの横に「 自動スケール」というラベルの付いた楕円形のボタンがあります。このボタンをクリックすると、自動スケールがオンになります。温度の読み出しを示す黄色の線に注意してください。
  7. プロット エリア内で右クリックして、X 軸と y 軸のスケーリングなど、プロットを適切な方向に調整します。
  8. プロット エリアで右クリックし 、Excel へのエクスポートを クリックしてから、5000 s または 83.33 分ごとに新しい読み取り値が開始されます (選択した記録間隔に応じて異なります)。プログラムによって自動的に作成された温度と時間のデータをスプレッドシートに保存します。
  9. 金属製のサーミスタプローブを、コンデンサー内のガラスの海洋船に入れます。ガラス介機の中央にぶら下がっているサーミスタプローブが煙突の成長を中断するので、プローブがガラスの側面に設定されていることを確認してください。パラフィルムでもう一度カバーします。

5. 氷浴の設置

  1. 大きなプラスチック製のパンと中型のバケツをつかみます。バケツに水を半分まで満たします。
  2. フライパンの中にバケツを入れ、水の中に氷を入れて、ほぼいっぱいになるまで置きます。
  3. 2つのプラスチック製のカットオフホースをウォーターポンプの両端に置きます(付録3、図1)。垂直ポンプ開口部は、プライミングを開始するために水を注ぐ場所であり、水平開口部は水が排出される場所であることに注意してください。ポンプを電源ソケットに差し込みますが、接続時にポンプに電力を供給するため、電気コネクタは開いたままにしておきます。
  4. 水平プラスチックホース(付録3、図2)を、右向きの高いコンデンサーポートに接続し、ホースがアイスバケツに届くのに十分な長さを確保します。
  5. 別のカットオフプラスチックホースを左(下)のコンデンサーポートに置き、このホースも氷水浴に到達するのに十分な長さであることを確認します。このホースを、水が凝縮器から排出される氷水のバケツの上に置きます。
  6. ポンプの垂直開口部に接続されているホースを通して冷たい水を注ぎます。ポンプが水でいっぱいになったら、コンデンサーポートまで届き、ホースを氷水浴に浸し、電気コネクタを直ちに接続します。
    注: 2 人が必要な場合があります。
  7. ポンプをプライムして凝縮器を通して水を流し始め、バケツに氷を満たし、温度計をバケツに入れ、温度を確認します。
    注:水温は約0°Cに達する必要があります。 補足付録 1 図 2の制御テストを参照してください。
  8. 暖かい水の一部を取り除きながら、冷たい温度で水を維持するためにより多くの氷を追加し続けます。

6. 注射の準備

  1. ddH2O シリンジ (セクション 2.3) を水熱流体注入注射器の横に下にします。慎重にddH2Oシリンジ針からプラスチック注射チューブをスライドさせ、すぐに一次注射注射針の1つに直接転送します。
    注:チューブの壁を穿刺しないでください。
  2. ヒーターパッドを差し込み、水熱シミュラントを70~80°Cに加熱します。 (警告:高温でプラスチックのシリンジがゆがんだり損傷したりする可能性があります。
  3. 硫化物シリンジの周りにパッドを巻き付け、パッドの周りに2つの金属クランプをしっかりとねじ込みます(補足付録3、図3)。
  4. クランプが所定の位置に固定されたら、シリンジポンプに置き、ポンプをしっかりと固定します(選択したシリンジポンプに依存します)。
  5. 上矢印キーを押して、コントロールボックスの温度を~70 °Cに設定します(補足付録3、図5)。を押す設定/開始を押します。 
  6. 加熱されたシリンジがシリンジポンプの所定の位置にロックされたら、1-2 mL/hで注入するようにシリンジポンプをセットします。
  7. 海洋ソリューションが完全に溶解していることを確認します。曇った場合は、ほとんど溶解するまでかき混ぜます。
  8. 海のシミュラントをpH 5.5に引き下げ、ハデ海の酸性度30,31をシミュレートする。10 M HCl を使用し、pH メーターが安定した 5.5 を読み取るまで(N2/Ar フィードの下で)ゆっくりと液滴を追加します。5.5を超える場合は、NaOHを使用して、同じスロードロップレット法を使用してpHをより基本的なレベルに戻します。
  9. プレハブの煙突容器に1つまたは2つの海洋溶液を注ぎます。1つの海洋溶液をコンデンサー内のガラスバイアルに注ぎ、もう1つはコンデンサーなしで室温の容器に注ぎます(2回の実験を行う場合)。
    メモ:温度プローブは動かないでください。
  10. ガラスバイアルの上部をパラフィルムで密封します。N2/Arフィードを海のヘッドスペースの上部に交換し、針を海のシミュラントに入れないように注意してください。
  11. 1-2 mL/hで注入するように注射器ポンプをプログラム(シリンジポンプの種類に応じて、使用されているシリンジのサイズに合わせて較正する)が 、Startを押さない。
  12. チューブの長さによって熱損失が発生するのを防ぐために、熱い流体を急速に注入して、海の貯水池とすぐに接触します。その後、冷たい海に1〜2ml / hで注射を実行してみましょう。( 補足付録1のシリンジの熱試験を参照してください。任意の点滴をキャッチするために廃棄物ビーカーを使用してください。
  13. 射出を開始し、サーミスタの海水温の記録を開始します。

7. 温度と実験のモニタリング

注:水が凝縮器を通って循環すると、サーミスタ温度プローブは、海の中の温度の低下を表示し始めます。目標は、温度が0°C近くに達することです。 正確な温度(熱)勾配設定については、 表2 を参照してください。

  1. プロット エリアを右クリックしてすべての温度データを保存し、. CSV ファイル。
    注:プログラムは、温度データの5000 sの価値を記録し、その後、最初からやり直します。
  2. 煙突がほとんど発達するまで、または少なくとも注射器がほとんど空になるまで、氷をほぼ氷点下の温度を維持するためにバケツに氷を加え続けてください。
  3. 室温煙突も監視します。両方の煙突の煙突の成長を通して頻繁に写真を撮ります。
  4. 煙突が完成したら、両方の煙突の隣に小さな定規を置き、画像を撮って保存します。
    注:プロセス全体が~6時間実行されます。

8. 実験の終了

  1. シリンジポンプを停止し、サーミスタの温度記録を停止し、データをスプレッドシートに保存します。
  2. N2/Arの流れをオフにし、射出容器からラインとパラフィルムを取り除く。
  3. 必要に応じて、海洋溶液をサンプリングするか、沈殿してさらなる分析を行います。沈殿物を乱さずにリザーバ溶液を慎重に除去するには、25 mLピペットを使用して、リザーバ溶液のいくつかのアリコートを慎重にピペットオフし、廃ビーカーに溶液を捨てます。
  4. 慎重にコンデンサー内のバイアルを廃棄物ビーカーに排出します。注射器からチューブを取り出し、海の溶液がヒュームフードのビーカーに排水されるようにします。コンデンサーのないバイアルでも同じことをしてください。
  5. 容器を1つずつクランプから取り出し、ddH2Oを使用して沈殿物の破片を無駄なビーカーにすすい出します。
  6. 注射器ポンプからチューブと注射器を取り外します。注射器と余分な注入液を廃棄物移送ビーカーに空にし、煙のフードに保管されている硫化物のシャープ容器に注射器を処分します。
  7. 実験バイアルからチューブを取り出し、固形廃棄物袋に入れ捨ててください。シールを外し、中隔、シール、ピペットチップを処分します。
  8. ガラス実験バイアルをすすいで、1M HCl酸浴に一晩浸します。
    注:硫化ナトリウムと接触しているガラス製品は、酸に入れると有毒なH2Sガスを放出します。したがって、煙のフードの中にすべての酸性浴場を保ちます。

Representative Results

以前の研究のように 1,2,13,29;水熱流体シミュラントが海のバイアルに到達すると、注入の間、より厚く、より高くなる鉱物沈殿物構造が形成され始めました。硫化鉄煙突は、あまり堅牢ではなく、海のバイアルまたは注入が物理的に乱れた場合に容易に分解された繊細な構造であった。これは以前の研究3の結果と一致しています。硫化液の化学的濃度は、硫化煙突の形態にも重要な役割を果たした。硫化物のより濃縮された溶液は、 図5に示すように、より高く、丈夫なミネラル沈殿物を可能にし、硫化物溶液の低濃度は弱い煙突構造を作り出した。いくつかのケースでは、構造が形成されなかった、液体硫化鉱物「スープ」のみが作成され、最終的には堆積物として落ち着く(図3D)。これは、熱勾配条件と非熱勾配条件の両方で発生しました。

熱勾配煙突実験では、硫化鉄を用いた固体煙突構造は、一般に室温で行った場合と同様に合体しなかった。図3E-Hは、冷たい海と室温の熱水流体の間で成長した硫化鉄煙突の形態を示す。温度勾配の煙突は文字列状で、本質的には緊張していたのに対し、非熱勾配の結果(図3A-D)はより多くの半永久的な構造を示す。熱水流体を加熱したときも同様でした (図4)。例外は、室温熱水溶液と冷たい海洋シミュラントの間に固体硫化鉄煙突が形成された、より高い硫化物および鉄濃度(図5)であった。

水酸化鉄煙突の成長に対する熱勾配の効果も試験した。結果は硫化鉄煙突と同様のパターンを示した:室温水酸化鉄実験はより堅牢な煙突沈殿をもたらしたが、暖かい熱水流体と冷たい海の間の熱勾配実験は、垂直に合体しなかった煙突材料のより小さなマウンドをもたらした(図6)。前作(室温実験)29で観察された水酸化鉄煙突の高直立構造とは対照的に、我々の熱勾配実験は異なる形態を示した。

Figure 1
図1: 熱勾配煙突装置 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:3Dプリントコンデンサー (A)凝縮器寸法を示す3Dプリントコンデンサーの概略図。(B) コンデンサー内にガラスの海洋船を配置し、海洋のシミュラントを冷却する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3: 温度および非熱勾配煙突の様々な( A-D) 室温熱水流体(HTF)から室温海洋シミュラントまでの非熱勾配制御実験(A) 10 mM Na2S•9H2O HTF および 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(B)20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(C) 20 mM Na2S •9H2O HTF と 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(D) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 20mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(E-H)室温HTFシミュラントから冷海貯留層(〜5〜10°C)までの熱勾配煙突実験。(E) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(F)10 mM Na2S•9H2O HTF と 20 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(G) 20 mM Na2S•9H2O HTF と 10 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.(H)10 mM Na2S•9H2O HTF と 20 mM FeCl2·4H2O 海洋シミュラント.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4: 熱勾配実験実験は、温暖(35-40°C)20 mMNa2S•9H2 O溶液を冷熱(〜5-10°C)20 mM FeCl 2 ·4H2O海洋シミュラントで行い、小さな煙突ストランドを生成する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:煙突に対する海洋シミュラント濃度の影響 アノキシック海洋シミュラントの高濃度(〜50 mM Na2S•9H2O、10 mM FeCl2·4H2O、および200 mM NaCl)は、より構造的に堅牢で背の高い煙突を生成した。室温硫化液を2〜10°C海洋シミュラントに注入した。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6: 熱と非熱勾配煙突の同時増殖( A)100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O海洋溶液を200 mM NaOH水溶液(HTF)液水系水上水域で室温でシミュレートする。(B) 暖かいHTFで同じ濃度の熱勾配実験~35-50°C~5~10°Cの冷たい海のシミュラントに、この図のより大きなバージョンを見るにはここをクリックしてください。

熱水流体化学(噴射) 海洋化学(貯水池)
50 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
20 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
10 mM Na2S 20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaClまたはNaHCO3
200 mM NaOH 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

表1:水域シミュレーションと水熱流体注入液の濃度マトリックス

HTF °C 海洋シミュラント温度 °C
~23 ~23 5-10
~35-50 ~23 5-10

表2:熱勾配実験行列熱水流体(HTF)温度は、シリンジ中の流体の温度を指します。海のバイアルへの入口の実際の温度は、シリンジ内の温度(〜70°C)より20〜35度低かった(補足付録1、図3、および図4を参照)。

補足印刷可能ファイル。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足付録 1. このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足付録 2. このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

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Discussion

シミュレーションされた煙突成長に対する熱勾配の効果: この実験装置は、いくつかの実験パラメータによる煙突形態のいくつかのバリエーションを生み出した。硫化鉄と水酸化鉄の煙突は、室温で背の高い直立構造を形成したが、熱勾配実験でより緊張した、糸状の沈殿物または平らなマウンドを形成した。これは、70〜80°Cに加熱された熱水流体から、高温海洋シミュラント33に注入された、厄介な、勃起しない煙突沈殿物が形成されたHerschyららの発見と一致した。これにはさまざまな可能な説明があります:対流熱伝達は、より自然な浮力(注射の強制ポンピングと共に)を引き起こし、沈殿物が形成されるにつれて船舶の上部に向かって急速に流れる可能性があります。あるいは、シリンジ液を加熱すると、熱水シミュラントの密度が低くなり、射出ポイントの上で安定するよりも垂直に上昇しやすくなります。より安定した構造の成長を可能にするために、注射器の注入速度を遅い速度に変えることによって、この効果を軽減することができる。白らら、熱水シミュラントを非常に遅い速度(0.08 mL/h)で注入して硫化鉄煙突の成長を調べ、煙突が合体するのに数日かかったが、構造的に安定であった13。Herschyら et al. は、熱勾配実験で使用される速度よりも数桁速い10〜120 mL/hの注入速度で蠕動性ポンプを使用したので、それらはまた、文字列状の煙突構造33を生成していることは驚くべきことではない。

海洋およびベント溶液における沈殿反応物の高濃度はまた熱勾配のより強い煙突を生み出すことができる。水熱流体または海洋シミュラント中の沈殿イオン(硫化物または水酸化物)の化学的濃度が高いほど、全体的な沈殿質量が高くなり、より強い構造が生じ得る。Herschy et al. および White et al. は、熱水流体中の硫化物の濃度が低く (10 mM) を使用したため、それらの構造は、より高い (20- 50 mM) 硫化物濃度を使用してこの研究で生成されたものよりも小さかった。さらに、硫化鉄煙突の成長のいくつかの研究はまた、より堅牢な煙突3、13、33を生成するのに役立つ硫化ナトリウムと一緒に熱水流体にシリカを含んでいます。シリカの化学庭園構造は、熱水煙突成長34の側面をシミュレートするためにも使用されており、これらは、物理的分析のためにチューブ/バイアルから除去することができる非常に堅牢な構造を生成する傾向があります。しかし、温度勾配がシリカ注入構造に及ぼす影響は知られておらず、さらなる研究の領域となるだろう。

将来の煙突シミュレーション実験に関する考慮事項: 船舶を冷却するためにこの研究で作成された3Dプリントコンデンサーは、ジャケット反応船のように機能しましたが、いくつかの実用的な改善:1)オープントップは煙突のサンプリングを許可し、無酸素海洋ヘッドスペースを維持しました。2)3Dプリントされた部品は容易な再現性を与えた;3)設計はデジタル編集することができるように、装置は、必要に応じて迅速に変更し、再印刷することができます。4)安価な材料の使用は、各凝縮器は、実際のガラスジャケット反応容器よりも費用対効果が高くなります。これらの3Dプリントコンデンサーは、異なる研究グループ間でシミュレートされた熱水煙突実験のためのプラットフォームを標準化するのに便利な、柔軟で簡単に共有された実験装置であり、サンプルとデータのより良い比較を可能にします。コンデンサのファイルは、教育的または科学的な目的のために自分で印刷するために同僚に送信することができます(この作品で使用されるコンデンサーの補足的な3D印刷ファイルを参照)。この安価なセットアップは、化学庭園やケモブリオニクス29、35のための学部の実験室実験としても使用することができます。

結論として、この研究は、温度勾配環境における模擬熱水煙突の成長を促進するために3Dプリンティングを用いた新しい実験装置を記述する。3Dプリントコンデンサーは、海底水熱システムの近くの海水と同様に、海洋のシミュレーションを氷点下近くの温度まで冷却することができます。一方、この冷たい海に注入する高温熱水流体をシミュレートするために加熱された注射器を使用しました。硫化鉄と水酸化鉄煙突の形態と構造は、熱勾配の影響を受けました:海と熱水流体の両方のシミュラントが室温にあったとき、煙突は垂直指向の構造を形成しましたが、熱水流体が加熱され、海が冷却されると、堅牢な煙突構造の形成が阻害されました。このような煙突系におけるプレバイオティクス反応を自然界のシステムに似た熱勾配で正確にシミュレーションするためには、噴射速度や、ベントと海洋の両方のシミュラントの化学組成などのパラメータを注意深く制御する必要があります。この研究のために作成されたカスタムおよび安価な3Dプリントコンデンサーは、ジャケット反応容器と機能が類似しており、様々な研究グループや教育グループに簡単に変更して電子的に配布し、多くのタイプのケモブリオニック実験で使用することができます。

Disclosures

著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgments

この研究は、NASAアストロバイオロジー研究所氷世界の支援を受けて、NASAとの契約の下、カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所で行われました。ガブリエル・ルブラン博士は、オクラホマ州NASA EPSCoR協同協定(NNX15AK42A)を通じて、研究開始助成金(2017-34)によって部分的に支援されました。最初の3Dプリントコンデンサーデザイン、3Dプリンティングの支援のためのカリンド・カーペンター、コンデンサー船に関する有益な議論のためのジョン・ポール・ジョーンズ、温度データ分析の助けを借りてローラ・ロドリゲス、実験室の支援を受けたエリカ・フローレスの支援をヘザー・ホワイトヘッドに感謝したいと思います。著作権 2020 カリフォルニア工科大学.

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

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References

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環境科学、第168号、
熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション
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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).

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