Målet med denne protokollen er å danne simulerte hydrotermale skorsteiner via kjemiske hageinjeksjonsforsøk og introdusere en termisk gradient over den uorganiske bunnhinnen, ved hjelp av en 3D-utskrivbar kondensator som kan reproduseres for pedagogiske formål.
Dyphavs hydrotermale ventiler er selvorganiserende bunnfall generert fra geokjemisk disequilibria og har blitt foreslått som en mulig setting for livets fremvekst. Veksten av hydrotermale skorsteiner i et termisk gradientmiljø i et tidlig jordventilsystem ble vellykket simulert ved hjelp av forskjellige hydrotermale simulanter, som natriumsulfid, som ble injisert i et tidlig jordisk simulant som inneholder oppløst jern. Videre ble et apparat utviklet for å tilstrekkelig avkjøle havsimulanten til nær 0 °C i et kondensatorfartøy nedsenket i et kaldtvannsbad mens det injiseres en sulfidløsning ved varme til romtemperaturer, og effektivt skape en kunstig skorsteinsstruktur i et temperaturgradientmiljø over en periode på noen timer. Slike eksperimenter med ulike kjemier og variable temperaturgradienter resulterte i en rekke morfologier i skorsteinsstrukturen. Bruken av hav- og hydrotermale væskesimulanter ved romtemperatur resulterte i vertikale skorsteiner, mens kombinasjonen av en varm hydrotermalvæske og kaldt havsimulerende middel hemmet dannelsen av robuste skorsteinskonstruksjoner. Den tilpassbare 3D-trykte kondensatoren som er laget for denne studien, fungerer som et jakkereaksjonsfartøy som enkelt kan modifiseres og brukes av forskjellige forskere. Det vil tillate nøye kontroll av injeksjonshastighet og kjemisk sammensetning av ventilasjons- og havsimulerende midler, som skal bidra til å nøyaktig simulere prebiotiske reaksjoner i skorsteinssystemer med termiske gradienter som ligner på naturlige systemer.
Hydrotermale skorsteiner er selvorganiserende kjemiske hageutfellinger generert fra geokjemiske ulikheter i dyphavsventilmiljøer som oppvarmede, hydrotermalt endrede væskesiver inn i et kaldere hav. I et tidlig jordscenario har det blitt foreslått at skorsteinene dannet seg ved gamle alkaliske ventiler, og at transektering av omgivende pH / redoks / kjemiske gradienter kunne ha drevet reaksjoner mot fremveksten av metabolisme1,2,3,4,5,6. Hydrotermale ventiler har også blitt postulert til å eksistere på andre planeter, inkludert havverdenene, Europa og Enceladus7,8,9,10. Ulike eksperimenter har blitt utført for å simulere aspekter ved foreslått prebiotisk hydrotermisk skorsteinskjemi, inkludert utfelling av katalytiske jernsulfidmineraler som kan redusere CO211,12, gradientdrevet organisk syntese13,14,15og inkorporering av organiske stoffer i skorsteinskonstruksjoner16. Ved å lage eksperimentelle oppsett for å etterligne hydrotermale ventiler, enten på jorden eller på andre verdener, er det viktig å vurdere de geokjemiske gradientene og systemets åpne, langt fra likevekts natur for å produsere realistiske simuleringer.
I tillegg til pH, redoks og kjemiske gradienter pålegger hydrotermale ventiler også en termisk gradient over skorsteinsmembranen / veggen på grunn av fôr av oppvarmet ventilasjonsvæske i et kaldt havbunnsmiljø. Kalde havbunnstemperaturer kan variere som en funksjon av dybde, solinntrengning og saltholdighet; gjennomsnittlig havbunnsdybde på ventilasjonssteder (for det meste ved midthavsrygger) ligger i området 0-4 °C17. Avhengig av type ventilasjon kan den termiske gradienten mellom hav og ventilasjonsvæske variere dramatisk fra de mildere gradientene av alkaliske ventiler, for eksempel Lost City18,19 eller Strytan Hydrothermal Field der ventilasjonsvæsken er 40-90 °C20,21, til de dype svarte røykerne der ventilasjonsvæsken kan nå flere hundre grader Celsius22, 23,24,25. Fra et livssynsopprinnelsesperspektiv er simulering av termiske gradienter i hydrotermale systemer betydelig, da de kan påvirke mineralogi og kjemisk reaktivitet av skorsteinsutfellinger3,13 og/eller kan påvirke beboeligheten ettersom hydrotermale skorsteiner er vert for mikrober som tar opp elektroner direkte fra mineraloverflater26. I en gradient over skorsteinsveggen ville en rekke temperaturforhold være til stede over kort avstand, og skorsteinsveggen ville representere en kombinasjon av mineraler og reaksjoner som er karakteristiske for alle disse termiske regimene.
Laboratorievokste hydrotermale skorsteiner i termiske gradienter ble simulert for å utforske effekten av det kalde havet og varm hydrotermalvæske på dette potensielle prebiotiske miljøet. Generelt, fordi voksende simulerte hydrotermale skorsteiner via en injeksjonsmetode med oppvarmet interiør og kaldt eksteriør gir praktiske utfordringer, er de mest tilgjengelige skorsteinsforsøkene de som gjøres ved omgivelsestrykk (derfor ikke krever kostbare og kompliserte reaktorer). Tidligere forsøk på lab-dyrkede skorsteiner i en termisk gradient har ikke klart å produsere både en varm/varm hydrotermal væske og et kaldt hav. I et forsøk på å holde hele skorsteinen ved høy temperatur i lange varigheter for å danne reaktive mineraler som kan drive organiske reaksjoner, oppvarmet noen studier hele eksperimentet (hav- og hydrotermalvæske) til ~ 70 ° C ved hjelp av enten en varmejakke eller et varmt bad13,14. En annen type skorsteinsutfellingsformasjonseksperiment, i et “brenselcelle” -apparat, dannet skorsteinsveggsimulanten på en flat membranmal; Disse eksperimentene har også blitt oppvarmet i bulk ved å senke brenselcellegradientapparatet i et varmtvannsbad27,28. Tidligere studier har dannet simulerte hydrotermale skorsteiner fra varme hydrotermale væsker (oppvarmet til ~ 70 °C ved hjelp av ulike metoder) injisert i et romtemperatur hav3,12; Det er imidlertid ikke forsøkt et kaldt hav.
Dette arbeidet fremmer metoder for prebiotiske simuleringer av skorsteinsvekstlaboratorier4 for å skape en realistisk termisk gradient fra et kaldt (0-5 °C) hav til en oppvarmet hydrotermisk væske der man kan syntetisere skorsteinsmaterialer og testegenskaper av interesse. Til dags dato har det ikke vært utført noen prebiotiske skorsteinsforsøk med en realistisk temperaturgradient for alkaliske ventiler: med den innvendige ventilasjonsløsningen holdt ved ~ 70 ° C og den ytre havløsningen kjølt til ~ 5 ° C. Videre, i de få oppvarmede skorsteinsforsøkene som er utført, er det eksperimentelle oppsettet komplekst og kan være kostbart. Kjemiske hageeksperimenter har et stort potensial for å gi innsikt i prosessene som kan ha funnet sted i hydrotermale ventiler på den tidlige jorden. Derfor er evnen til raskt å sette opp flere variasjoner av et skorsteinseksperiment fordelaktig, og det samme er evnen til å ha et enkelt apparat som er billig, ikke-skjøre, lett modifisert og ideelt for studenter å jobbe med. Presentert her er et nytt apparat (Figur 1) designet for å lette veksten av en simulert hydrotermal skorstein samtidig som den opprettholder og overvåker en realistisk termisk gradient mellom det kalde havet og oppvarmet hydrotermisk væskesimulant. Dette eksperimentelle apparatet ligner på en jakkereaktor, men er en tredimensjonal (3D) trykt kondensator som enkelt kan produseres av en forskningsgruppe som er interessert i å utføre lignende eksperimenter (se Supplerende utskrivbar fil). Ved hjelp av denne 3D-trykte kondensatoren ble det utført termiske gradient skorsteinsforsøk for å teste nytten av dette apparatet for å opprettholde robuste temperaturgradienter og for å teste effekten av temperaturgradienter på skorsteinsstruktur og morfologi.
Effekt av termiske gradienter på simulert skorsteinsvekst: Dette eksperimentelle apparatet ga flere variasjoner i skorsteinsmorfologier som skyldtes flere eksperimentelle parametere. Skorsteiner av jernsulfid og jernhydroksid dannet høye oppreiste strukturer ved romtemperatur, men dannet mer tøffe, strenge utfellinger eller flate høyder i de termiske gradientforsøkene. Dette var i samsvar med funnene fra Herschy et al. hvor wispy, ikke-oppreist skorsteinsutfellinger ble dannet fra en hydrotermal væske oppvarmet til 70-80 °C og injisert i romtemperatur havsimulant33. Det er ulike mulige forklaringer på dette: konvektiv varmeoverføring kan føre til mer naturlige oppdriftskrefter (sammen med tvungen pumping av injeksjonen) for å få bunnfallet til å strømme raskt mot toppen av havfartøyet når det dannes. Alternativt gjør oppvarming av sprøytevæsken det hydrotermale simulanten mindre tett og dermed mer tilbøyelig til å stige vertikalt enn å stabilisere seg på toppen av injeksjonspunktet. Det er mulig at denne effekten kan reduseres ved å endre sprøyteinjeksjonshastigheten til langsommere hastigheter for å tillate veksten av en mer stabil struktur. Hvit et al. undersøkte jernsulfid skorstein vekst med det hydrotermale simulant injisert ved ekstremt lave priser (0,08 ml / t), og selv om skorsteinen tok dager å samle seg, var det strukturelt stabilt13. Ettersom Herschy et al. brukte peristaltiske pumper med injeksjonshastigheter på 10-120 ml / t, som er flere størrelsesordener raskere enn prisene som brukes i våre termiske gradienteksperimenter, er det ikke overraskende at de også produserte strenglignende skorsteinskonstruksjoner33.
Høyere konsentrasjoner av utfellende reaktanter i havet og ventilasjonsløsninger kan også gi mer robuste skorsteiner i termiske gradienter. Høyere kjemiske konsentrasjoner av utfellende ioner (sulfid eller hydroksid) i hydrotermalvæsken eller havsimulerende middel kan føre til høyere generell bunnmasse, og dermed skape en sterkere struktur. Da Herschy et al. og White et al. brukte lavere konsentrasjoner av sulfid i den hydrotermale væsken (10 mM), var strukturene mindre enn de som produseres i dette arbeidet ved hjelp av høyere (20-50 mM) sulfidkonsentrasjoner. I tillegg har noen studier av jernsulfid skorsteinsvekst også inkludert silika i hydrotermalvæsken sammen med natriumsulfidet, som kan bidra til å produsere mer robuste skorsteiner3,13,33. Silika kjemiske hagekonstruksjoner har også blitt brukt til å simulere aspekter av hydrotermisk skorsteinsvekst34, og disse har en tendens til å produsere svært robuste strukturer som kan fjernes fra røret / hetteglasset for fysisk analyse. Effekten av temperaturgradienter på silikainjeksjonsstrukturer er imidlertid ikke kjent og vil være et område for videre studier.
Hensyn til fremtidige skorsteinssimuleringsforsøk: Den 3D-trykte kondensatoren som ble opprettet i denne studien for å kjøle ned havfartøyet, fungerte som et jakkereaksjonsfartøy, men med noen praktiske forbedringer: 1) den åpne toppen tillot prøvetaking av skorsteinen og opprettholde det anoksiske havhoderommet; 2) den 3D-trykte delen gitt enkel reproduserbarhet; 3) ettersom designene kan redigeres digitalt, kan apparatet raskt endres og skrives ut på nytt om ønskelig; og 4) bruk av billige materialer gjorde hver kondensator mer kostnadseffektiv enn de faktiske glassjakkede reaksjonsbeholderne. Disse 3D-trykte kondensatorene er et fleksibelt og lett delt eksperimentelt apparat som kan være en nyttig måte å standardisere plattformer for simulerte hydrotermale skorsteinsforsøk på tvers av ulike forskningsgrupper, noe som gir bedre sammenligning av prøver og data. Kondensatorens filer kan sendes til kolleger for å skrive ut på egen hånd for sine pedagogiske eller vitenskapelige formål (se Supplerende 3D-utskriftsfil for kondensatoren som brukes i dette arbeidet). Dette rimelige oppsettet kan også brukes som et lavere laboratorieeksperiment for kjemiske hager eller kjemobrionikk29,35.
Til slutt beskriver dette arbeidet et nytt eksperimentelt apparat ved hjelp av 3D-utskrift for å lette veksten av simulerte hydrotermale skorsteiner i temperaturgradientmiljøer. Den 3D-trykte kondensatoren er i stand til å avkjøle havsimulanten til nesten frysende temperaturer, som ligner sjøvannet i nærheten av havbunnshydrotermale systemer. I mellomtiden ble en oppvarmet sprøyte brukt til å simulere høytemperatur hydrotermalvæskeinjeksjon i dette kalde havet. Morfologiene og strukturene til jernsulfid og jernhydroksid skorsteiner ble påvirket av termisk gradient: når både havet og de hydrotermale væskesimulantene var ved romtemperatur, ble skorsteinene dannet vertikalt orienterte strukturer, men da den hydrotermale væsken ble oppvarmet og havet ble avkjølt, ble dannelsen av robuste skorsteinskonstruksjoner hemmet. For nøyaktig simulering av prebiotiske reaksjoner i slike skorsteinssystemer med termiske gradienter analogt med naturlige systemer, vil det være nødvendig å nøye kontrollere parametere som injeksjonshastighet og kjemisk sammensetning av både ventilasjons- og havsimulerende midler. Den tilpassede og rimelige 3D-trykte kondensatoren som er opprettet for denne studien, er lik funksjon som et jakkereaksjonsfartøy og kan enkelt modifiseres og distribueres elektronisk til ulike forsknings- og utdanningsgrupper for bruk i mange typer kjemobrioniske eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble utført ved Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under en kontrakt med NASA, støttet av NASA Astrobiology Institute Icy Worlds. Dr. Gabriel LeBlanc ble delvis støttet av en Research Initiation Grant (2017-34) gjennom Oklahoma NASA EPSCoR Cooperative Agreement (NNX15AK42A). Vi vil takke Heather Whitehead for hjelp med den første 3D-trykte kondensatordesignen, Kalind Carpenter for hjelp med 3D-utskrift, John-Paul Jones for nyttig diskusjon om kondensatorfartøy, Laura Rodriguez for hjelp med temperaturdataanalyse og Erika Flores med laboratorieassistanse. Opphavsrett 2020 California Institute of Technology.
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 |