Målet med detta protokoll är att bilda simulerade hydrotermiska skorstenar via kemiska trädgårdsinjektionsexperiment och införa en termisk lutning över det oorganiska fällmembranet, med hjälp av en 3D-utskrivbar kondensor som kan reproduceras för utbildningsändamål.
Djuphavshydrotermiska ventiler är självorganiserande fällningar som genereras från geokemisk obalans och har föreslagits som en möjlig miljö för livets framväxt. Tillväxten av hydrotermiska skorstenar i en termisk gradientmiljö i ett tidigt jordventilsystem simulerades framgångsrikt med hjälp av olika hydrotermiska simulatorer, såsom natriumsulfid, som injicerades i ett tidigt jordhavsimulator som innehåller upplöst järn. Dessutom utvecklades en apparat för att tillräckligt kyla havssimulatorn till nära 0 °C i ett kondensorkärl nedsänkt i ett kallt vattenbad medan man injicerade en sulfadlösning vid varma till rumstemperaturer, vilket effektivt skapade en konstgjord skorstensstruktur i en temperaturgradientmiljö under några timmar. Sådana experiment med olika kemier och variabla temperaturgradienter resulterade i en mängd olika morfologier i skorstensstrukturen. Användningen av havs- och hydrotermiska vätskesimulatorer vid rumstemperatur resulterade i vertikala skorstenar, medan kombinationen av en varm hydrotermisk vätska och kallt havssimulator hämmade bildandet av robusta skorstensstrukturer. Den anpassningsbara 3D-printade kondensorn som skapats för denna studie fungerar som ett mantelförsedt reaktionskärl som enkelt kan modifieras och användas av olika forskare. Det kommer att möjliggöra noggrann kontroll av injektionshastigheten och den kemiska sammansättningen av ventilations- och havssimulatorer, vilket bör bidra till att noggrant simulera prebiotiska reaktioner i skorstenssystem med termiska lutningar som liknar de naturliga systemens.
Hydrotermiska skorstenar är självorganiserande kemiska trädgårdsutfällningar som genereras från geokemisk obalans inom djuphavsventilmiljöer när uppvärmd, hydrotermiskt förändrad vätska sipprar in i ett kallare hav. I ett tidigt jordscenario har det föreslagits att skorstenarna bildas vid gamla alkaliska ventiler, och att transecting omgivande pH/ redox / kemiska gradienter kan ha drivit reaktioner mot uppkomsten av ämnesomsättning1,2,3,4,5,6. Hydrotermiska ventiler har också postulerats för att existera på andra planeter inklusive havsvärldarna, Europa och Enceladus7,8,9,10. Olika experiment har utförts för att simulera aspekter av föreslagen prebiotisk hydrotermisk skorstenskemi inklusive utfällning av katalytiska järnsulfidmineraler som kan minska CO211,12, gradientdriven organisksyntes 13,14,15och införlivande av organiska ämnen i skorstensstrukturer16. När man skapar experimentella inställningar för att efterlikna hydrotermiska ventiler, oavsett om det är på jorden eller i andra världar, är det viktigt att överväga de geokemiska lutningarna och systemets öppna, långt ifrån jämviktskaraktär för att producera realistiska simuleringar.
Förutom pH, redox och kemiska lutningar inför hydrotermiska ventiler också en termisk lutning över skorstensmembranet / väggen på grund av matning av uppvärmd ventilationsvätska i en kall havsbottenmiljö. Kalla havsbotten havstemperaturer kan variera som en funktion av djup, solpenetration och salthalt; genomsnittliga havsbotten havsdjup på ventilationsplatser (mestadels vid mid-ocean åsar) ligger i intervallet 0-4 °C17. Beroende på typen av ventil kan värmegradienten mellan hav och ventilationsvätska variera dramatiskt från de mildare lutningarna på alkaliska ventiler, såsom Lost City18,19 eller Strytan Hydrothermal Field där ventilationsvätskan är 40-90 °C20,21, till de djupa havsbotten svarta rökarna där ventilationsvätskan kan nå flera hundra grader Celsius22, 23,24,25. Ur ett livscykelperspektiv är simulering av termiska lutningar i hydrotermiska system betydande eftersom de kan påverka mineralogin och kemisk reaktivitet hos skorstensutfällningar3,13 och/eller kan påverka beboeligheten eftersom hydrotermiska skorstenar är värd för mikrober som tar upp elektroner direkt från mineralytor26. I en lutning över skorstensväggen skulle en rad temperaturförhållanden vara närvarande över en kort sträcka, och skorstensväggen skulle representera en kombination av mineraler och reaktioner som är karakteristiska för alla dessa termiska regimer.
Laboratorieodlade hydrotermiska skorstenar i termiska gradienter simulerades för att utforska effekterna av det kalla havet och varm hydrotermisk vätska på denna potentiella prebiotiska miljö. Eftersom odling av simulerade hydrotermiska skorstenar via en insprutningsmetod med uppvärmd inredning och kall exteriör innebär praktiska utmaningar, är de mest tillgängliga skorstensexperimenten de som görs vid omgivningstryck (kräver därför inte kostsamma och komplicerade reaktorer). Tidigare försök till labbodlade skorstenar i termisk lutning har inte kunnat producera både en varm/varm hydrotermisk vätska och ett kallt hav. I ett försök att hålla hela skorstenen vid hög temperatur under långa varaktigheter för att bilda reaktiva mineraler som kan driva organiska reaktioner, värmde vissa studier hela experimentet (hav och hydrotermisk vätska) till ~ 70 ° C med antingen en värmemantel eller ett varmt bad13,14. En annan typ av skorstensutfällningsformationsexperiment, i en “bränslecellsapparat”, bildade skorstensväggsimulatorn på en platt membranmall; Dessa experiment har också värmts upp i bulk genom att dränka bränslecellens gradientapparat i ett varmvattenbad27,28. Tidigare studier har bildat simulerade hydrotermiska skorstenar från heta hydrotermiska vätskor (uppvärmda till ~ 70 ° C med olika metoder) injicerade i ett rumstemperaturhav3,12; Ett kallt hav har dock inte försökts.
Detta arbete främjar metoder för prebiotiska skorsten tillväxtlaboratoriesimuleringar 4 för att skapa en realistisk termisk lutning från ett kallt (0-5 °C) hav till en uppvärmd hydrotermisk vätska för att syntetisera skorstensmaterial och testa egenskaper av intresse. Hittills har det inte gjorts några prebiotiska skorstensexperiment framgångsrikt med en realistisk temperaturgradient för alkaliska ventiler: med den inre ventilationslösningen som hålls vid ~ 70 ° C och den yttre havslösningen kyld till ~ 5 ° C. Dessutom är den experimentella installationen komplex och kan bli kostsam i de få uppvärmda skorstensexperiment som har utförts. Kemiska trädgårdsexperiment har stor potential att ge insikter om de processer som kan ha ägt rum i hydrotermiska ventiler på den tidiga jorden. Därför är förmågan att snabbt ställa in flera variationer av ett skorstensexperiment fördelaktig, liksom förmågan att ha en enkel apparat som är billig, icke-bräcklig, lätt modifierad och idealisk för studenter att arbeta med. Här presenteras en ny apparat (figur 1) utformad för att underlätta tillväxten av en simulerad hydrotermisk skorsten samtidigt som en realistisk termisk lutning bibehålls och övervakas mellan det kalla havet och det uppvärmda hydrotermiska vätskesimulatorn. Denna experimentella apparat liknar en mantelreaktor, men är en tredimensionell (3D) tryckt kondensor som lätt kan produceras av alla forskargrupper som är intresserade av att utföra liknande experiment (se Kompletterande utskrivbar fil). Med hjälp av denna 3D-utskrivna kondensor utfördes termiska gradientskorstensexperiment för att testa nyttan av denna apparat för att upprätthålla robusta temperaturgradienter och för att testa effekterna av temperaturgradienter på skorstensstrukturen och morfologin.
Effekt av termiska gradienter på simulerad skorstenstillväxt:Denna experimentella apparat gav flera variationer i skorstensmorfologier som berodde på flera experimentella parametrar. Skorstenar av järnsulfid och järnhydroxid bildade höga upprättstående strukturer vid rumstemperatur, men bildade mer svagt, strängt fällningar eller platta högar i termiska gradientexperimenten. Detta var förenligt med resultaten av Herschy et al. där wispy, icke-erigerade skorsten fällningar bildades från en hydrotermisk vätska uppvärmd till 70-80 °C och injiceras i rumstemperatur havssimulator33. Det finns olika möjliga förklaringar till detta: konvektiv värmeöverföring kan orsaka mer naturliga flytande krafter (tillsammans med den påtvingade pumpningen av injektionen) för att få fällningen att flöda snabbt mot toppen av havskärlet när det bildas. Alternativt gör uppvärmning av sprutvätskan hydrotermisk simulator mindre tät och därmed mer benägen att stiga vertikalt än att stabilisera ovanpå injektionspunkten. Det är möjligt att denna effekt kan mildras genom att ändra sprutans injektionshastighet till långsammare hastigheter för att möjliggöra tillväxten av en stabilare struktur. Vit et al. undersökt järnsulfid skorsten tillväxt med hydrotermisk simulant injiceras i extremt långsamma hastigheter (0,08 mL/h), och även om skorstenen tog dagar att förena, var den strukturellt stabil13. Eftersom Herschy et al. använde peristaltiska pumpar vid insprutningshastigheter på 10-120 mL/h, vilket är flera storleksordningar snabbare än de hastigheter som används i våra termiska gradientexperiment, är det inte förvånande att de också producerade strängliknande skorstensstrukturer33.
Högre koncentrationer av fällningsreaktanter i havet och ventilationslösningar kan också ge mer robusta skorstenar i termiska lutningar. Högre kemiska koncentrationer av fällningsjoner (sulfid eller hydroxid) i hydrotermisk vätska eller havssimulator kan leda till högre total fällningsmassa, vilket skapar en starkare struktur. Eftersom Herschy et al. och White et al. använde lägre koncentrationer av sulfid i hydrotermisk vätska (10 mM), var deras strukturer mindre än de som produceras i detta arbete med högre (20-50 mM) sulfidkoncentrationer. Dessutom har vissa studier av järnsulfidskorstenstillväxt också inkluderat kiseldioxid i hydrotermisk vätska tillsammans med natriumsulfiden, vilket kan bidra till att producera mer robustaskorstenar 3,13,33. Kiseldioxid kemiska trädgårdsstrukturer har också använts för att simulera aspekter av hydrotermisk skorsten tillväxt34, och dessa tenderar att producera mycket robusta strukturer som kan avlägsnas från röret / injektionsflaskan för fysisk analys. Effekterna av temperaturgradienter på kiseldioxidinsprutningsstrukturer är dock inte kända och kommer att vara ett område för ytterligare studier.
Överväganden för framtida skorstenssimuleringsexperiment: Den 3D-tryckta kondensorn som skapades i denna studie för att kyla havskärlet fungerade som ett mantlade reaktionskärl, men med några praktiska förbättringar: 1) den öppna toppen tillät provtagning av skorstenen och upprätthållande av det anoxiska havshuvudutrymmet; 2) Den 3D-printade delen gav enkel reproducerbarhet. 3) eftersom konstruktionerna kan redigeras digitalt kan apparaten snabbt modifieras och skrivas ut på om så önskas. och 4) Användningen av billiga material gjorde varje kondensor mer kostnadseffektiv än de faktiska glasmantlade reaktionskärlen. Dessa 3D-printade kondensatorer är en flexibel och lätt delad experimentell apparat som kan vara ett användbart sätt att standardisera plattformar för simulerade hydrotermiska skorstensexperiment över olika forskargrupper, vilket möjliggör bättre jämförelse av prover och data. Filer av kondensorn kan skickas till kollegor för att skriva ut på egen hand för deras pedagogiska eller vetenskapliga ändamål (se Kompletterande 3D-utskriftsfil för kondensorn som används i detta arbete). Denna billiga installation kan också användas som ett grundlaboratoriumsexperiment för kemiska trädgårdar eller kemobrionics29,35.
Sammanfattningsvis beskriver detta arbete en ny experimentell apparat som använder 3D-utskrift för att underlätta tillväxten av simulerade hydrotermiska skorstenar i temperaturgradientmiljöer. Den 3D-printade kondensorn kan kyla havssimulatorn till nästan frysande temperaturer, liknande havsvattnet nära havsbotten hydrotermiska system. Under tiden användes en uppvärmd spruta för att simulera den hydrotermiska högtemperaturvätskan som injicerades i detta kalla hav. Morfologierna och strukturerna i järnsulfid- och järnhydroxidskorstenarna påverkades av termisk lutning: när både havet och hydrotermiska vätskesimulatorerna var i rumstemperatur bildade skorstenarna vertikalt orienterade strukturer, men när hydrotermisk vätska värmdes upp och havet kyldes, hämmades bildandet av robusta skorstensstrukturer. För att exakt simulera prebiotiska reaktioner i sådana skorstenssystem med termiska gradienter som är analoga med de naturliga systemens, kommer det att vara nödvändigt att noggrant kontrollera parametrar som insprutningshastighet och kemisk sammansättning av både ventilations- och havssimulatorer. Den anpassade och billiga 3D-tryckta kondensorn som skapats för denna studie liknar ett mantelförsedt reaktionskärkärl och kan enkelt modifieras och distribueras elektroniskt till olika forsknings- och utbildningsgrupper för användning i många typer av kemobrioniska experiment.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning utfördes vid Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under ett kontrakt med NASA, med stöd av NASA Astrobiology Institute Icy Worlds. Dr. Gabriel LeBlanc stöddes delvis av ett forskningsinitieringsbidrag (2017-34) genom Oklahoma NASA EPSCoR Cooperative Agreement (NNX15AK42A). Vi vill tacka Heather Whitehead för hjälp med den första 3D-printade kondensordesignen, Kalind Carpenter för hjälp med 3D-utskrift, John-Paul Jones för hjälpsam diskussion om kondensorfartyg, Laura Rodriguez för hjälp med temperaturdataanalys och Erika Flores med laboratoriehjälp. Upphovsrätt 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 |