इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य रासायनिक उद्यान इंजेक्शन प्रयोगों के माध्यम से नकली हाइड्रोथर्मल चिमनियों को बनाना और 3 डी प्रिंट करने योग्य कंडेनसर का उपयोग करके अकार्बनिक वर्षा झिल्ली में थर्मल ढाल पेश करना है जिसे शैक्षिक उद्देश्यों के लिए पुन: पेश किया जा सकता है।
डीप सी हाइड्रोथर्मल वेंट्स भू-रासायनिक असंतुलन से उत्पन्न स्वयं-आयोजन उपजी हैं और जीवन के उद्भव के लिए एक संभावित सेटिंग के रूप में प्रस्तावित किए गए हैं। एक प्रारंभिक पृथ्वी वेंट प्रणाली के भीतर एक थर्मल ढाल वातावरण में हाइड्रोथर्मल चिमनियों के विकास को सोडियम सल्फाइड जैसे विभिन्न हाइड्रोथर्मल सिमुलेंट का उपयोग करके सफलतापूर्वक अनुकरण किया गया था, जिन्हें भंग फेरस आयरन युक्त प्रारंभिक पृथ्वी महासागर सिमुलेंट में इंजेक्ट किया गया था। इसके अलावा, एक उपकरण को ठंडे पानी के स्नान में डूबे एक कंडेनसर पोत में लगभग 0 डिग्री सेल्सियस तक महासागर को पर्याप्त रूप से ठंडा करने के लिए विकसित किया गया था, जबकि गर्म कमरे के तापमान पर सल्फाइड समाधान का इंजेक्शन दिया गया था, प्रभावी रूप से कुछ घंटों की अवधि में तापमान ढाल वातावरण में एक कृत्रिम चिमनी संरचना का निर्माण किया गया था। विभिन्न रसायनों और चर तापमान ढाल के साथ इस तरह के प्रयोगों चिमनी संरचना में मोर्फोलोजी की एक किस्म के परिणामस्वरूप। कमरे के तापमान पर महासागर और हाइड्रोथर्मल द्रव सिमुलेंट के उपयोग के परिणामस्वरूप ऊर्ध्वाधर चिमनियों का परिणाम हुआ, जबकि गर्म हाइड्रोथर्मल द्रव और ठंडे महासागर के संयोजन ने मजबूत चिमनी संरचनाओं के गठन को बाधित किया। इस अध्ययन के लिए बनाया गया अनुकूलन 3 डी मुद्रित कंडेनसर एक जैकेट प्रतिक्रिया पोत के रूप में कार्य करता है जिसे आसानी से संशोधित किया जा सकता है और विभिन्न शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किया जा सकता है। यह इंजेक्शन दर और वेंट और महासागर सिमुलेंट की रासायनिक संरचना के सावधानीपूर्वक नियंत्रण की अनुमति देगा, जो प्राकृतिक प्रणालियों के समान थर्मल ढाल के साथ चिमनी प्रणालियों में प्रीबायोटिक प्रतिक्रियाओं को सटीक रूप से अनुकरण करने में मदद करनी चाहिए।
हाइड्रोथर्मल चिमनियां स्वयं-आयोजन रासायनिक उद्यान हैं जो गहरे समुद्र वेंट वातावरण के भीतर भू-रासायनिक डिस्क्विलिब्रिया से उत्पन्न होने वाले गर्म, हाइड्रोथर्मल रूप से बदल जाने वाले तरल पदार्थ को एक ठंडा महासागर में बदल देते हैं। पृथ्वी के प्रारंभिक परिदृश्य में, यह प्रस्ताव किया गया है कि प्राचीन क्षारीय वेंट पर गठित चिमनियों, और परिवेश पीएच/रेडॉक्स/रासायनिक ढाल को पार करने से चयापचय1,2,3,4,5, 6के उद्भव की ओर प्रतिक्रियाएं प्रेरित हो सकती थीं । समुद्र की दुनिया, यूरोपा और एन्सेलाडस7,8,9,10सहित अन्य ग्रहों पर भी हाइड्रोथर्मल वेंट्स मौजूद हैं . प्रस्तावित प्रीबायोटिक हाइड्रोथर्मल चिमनी रसायन के पहलुओं का अनुकरण करने के लिए विभिन्न प्रयोग किए गए हैं जिनमें उत्प्रेरक लौह सल्फाइड खनिजों की वर्षा शामिल है जो सीओ 2 11 ,12,ग्रेडिएंट चालित कार्बनिकसंश्लेषण 13 ,14,15को कम कर सकता है और चिमनी संरचनाओं में ऑर्गेनिक्स का समावेश16। हाइड्रोथर्मल वेंट्स की नकल करने के लिए प्रयोगात्मक सेटअप बनाने में, चाहे वह पृथ्वी पर हो या अन्य दुनिया पर, यथार्थवादी सिमुलेशन का उत्पादन करने के लिए सिस्टम की भू-रासायनिक ढाल और खुली, दूर-से-संतुलन प्रकृति पर विचार करना आवश्यक है।
पीएच, रेडॉक्स और रासायनिक ढाल के अलावा, हाइड्रोथर्मल वेंट्स भी एक ठंडे समुद्री वातावरण में गर्म वेंट तरल पदार्थ की फ़ीड के कारण चिमनी झिल्ली/दीवार भर में एक थर्मल ढाल लागू करते हैं । ठंडे समुद्री महासागर का तापमान गहराई, सौर प्रवेश और लवणता के एक समारोह के रूप में भिन्न हो सकता है; वेंट साइटों पर औसत समुद्री महासागर गहराई (ज्यादातर मध्य महासागर लकीरें पर) 0-4 डिग्री सेल्सियस17की सीमा में हैं । वेंट के प्रकार के आधार पर, महासागर और वेंट तरल पदार्थ के बीच थर्मल ढाल नाटकीय रूप से भिन्न हो सकता है-क्षारीय वेंट के मामूली ढाल से, जैसे खोया शहर18,19 या स्ट्रिटन हाइड्रोथर्मल फील्ड जहां वेंट तरल पदार्थ 40-90 डिग्री सेल्सियस20,21है, गहरे समुद्री तल काले धूम्रपान करने वालों तक जहां वेंट तरल पदार्थ कई सौ डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकता है22, 23,24,25. जीवन की उत्पत्ति के नजरिए से, हाइड्रोथर्मल सिस्टम में थर्मल ग्रेडिएंट का अनुकरण महत्वपूर्ण है क्योंकि वे खनिज विज्ञान और चिमनी की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को प्रभावित कर सकतेहैं3,13 और/ चिमनी की दीवार के पार एक ढाल में, तापमान की स्थिति की एक श्रृंखला थोड़ी दूरी पर मौजूद होगी, और चिमनी की दीवार खनिजों और इन सभी थर्मल शासनों की विशेषता प्रतिक्रियाओं का एक संयोजन का प्रतिनिधित्व करेंगे ।
थर्मल ढाल में प्रयोगशाला में विकसित हाइड्रोथर्मल चिमनियों को इस संभावित प्रीबायोटिक वातावरण पर ठंडे महासागर और गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ के प्रभावों का पता लगाने के लिए नकली किया गया था। आम तौर पर, क्योंकि एक गर्म इंटीरियर और ठंडे बाहरी के साथ एक इंजेक्शन विधि के माध्यम से नकली हाइड्रोथर्मल चिमनी बढ़ती व्यावहारिक चुनौतियों को प्रस्तुत करता है, सबसे सुलभ चिमनी प्रयोग परिवेश दबाव में किए गए हैं (इसलिए महंगे और जटिल रिएक्टरों की आवश्यकता नहीं है)। एक थर्मल ढाल में प्रयोगशाला में उगाई गई चिमनियों में पिछले प्रयासों से गर्म/गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ और ठंडे महासागर दोनों का उत्पादन नहीं हो पाया है । पूरी चिमनी को लंबी अवधि के लिए उच्च तापमान पर रखने के प्रयास में प्रतिक्रियाशील खनिज ों को बनाने के लिए जो कार्बनिक प्रतिक्रियाओं को चला सकते हैं, कुछ अध्ययनों ने पूरे प्रयोग (महासागर और हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ) को केवल जैकेट या गर्म स्नान13,14का उपयोग करके ~ 70 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया। एक “ईंधन सेल” उपकरण में चिमनी का एक और प्रकार का गठन गठन प्रयोग, एक फ्लैट झिल्ली टेम्पलेट पर चिमनी की दीवार का गठन किया; इन प्रयोगों को भी एक गर्म पानी बाथ27 , 28में ईंधन सेल ढाल उपकरण जलमग्न द्वारा थोक में गर्म किया गया है . पिछले अध्ययनों ने गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थों से नकली हाइड्रोथर्मल चिमनियों का गठन किया है (विभिन्न तरीकों का उपयोग करके ~ 70 डिग्री सेल्सियस तक गर्म) को कमरे के तापमान वाले महासागर3,12में इंजेक्ट किया गया है; हालांकि, एक ठंडे सागर का प्रयास नहीं किया गया है ।
यह काम प्रीबायोटिक चिमनी विकास प्रयोगशाला सिमुलेशन4 के लिए एक ठंड (0-5 डिग्री सेल्सियस) महासागर से एक गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ के लिए एक यथार्थवादी थर्मल ढाल बनाने के लिए तरीकों को आगे बढ़ाता है जिसमें चिमनी सामग्री को संश्लेषित करने और ब्याज के गुणों का परीक्षण करने के लिए। आज तक, क्षारीय वेंट के लिए यथार्थवादी तापमान ढाल के साथ सफलतापूर्वक कोई प्रीबायोटिक चिमनी प्रयोग नहीं किया गया है: आंतरिक वेंट समाधान ~ 70 डिग्री सेल्सियस पर आयोजित और बाहरी महासागर समाधान ~ 5 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा हो गया है। इसके अलावा, कुछ गर्म चिमनी प्रयोगों में जो आयोजित किए गए हैं, प्रायोगिक सेटअप जटिल है और महंगा हो सकता है। रासायनिक उद्यान प्रयोगों में उन प्रक्रियाओं के बारे में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने की अपार क्षमता होती है जो प्रारंभिक पृथ्वी पर हाइड्रोथर्मल वेंट्स में हो सकती हैं। इसलिए, चिमनी प्रयोग के कई रूपों को जल्दी से स्थापित करने की क्षमता लाभप्रद है, जैसा कि एक सरल उपकरण है जो सस्ती, गैर-नाजुक, आसानी से संशोधित और छात्रों के साथ काम करने के लिए आदर्श है। यहां प्रस्तुत एक उपन्यास उपकरण(चित्रा 1)है जो ठंडे महासागर और गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ के बीच यथार्थवादी थर्मल ढाल को बनाए रखने और निगरानी करते हुए एक नकली हाइड्रोथर्मल चिमनी के विकास को सुविधाजनक बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह प्रयोगात्मक उपकरण एक जैकेट रिएक्टर के डिजाइन में समान है, लेकिन एक त्रि-आयामी (3 डी) मुद्रित कंडेनसर है जिसे समान प्रयोगों के संचालन में रुचि रखने वाले किसी भी शोध समूह द्वारा आसानी से उत्पादित किया जा सकता है (पूरक प्रिंट करने योग्य फ़ाइलदेखें)। इस 3 डी मुद्रित कंडेनसर का उपयोग करके, थर्मल रेडिएंट चिमनी प्रयोग मजबूत तापमान ढाल बनाए रखने और चिमनी संरचना और आकृति विज्ञान पर तापमान ढाल के प्रभावों का परीक्षण करने के लिए इस उपकरण की उपयोगिता का परीक्षण करने के लिए आयोजित किए गए थे।
नकली चिमनी विकास पर थर्मल ढाल का प्रभाव:इस प्रयोगात्मक तंत्र ने चिमनी मॉर्फोलोजी में कई भिन्नताएं उत्पीठित कीं जो कई प्रयोगात्मक मापदंडों के कारण थीं। लोहे के सल्फाइड और लोहे के हाइड्रोक्साइड की चिमनियों ने कमरे के तापमान पर लंबा ईमानदार संरचनाओं का गठन किया, लेकिन थर्मल ढाल प्रयोगों में अधिक कमजोर, स्ट्रींग उपजी या फ्लैट टीले का गठन किया। यह हर्शी एट अल के निष्कर्षों के अनुरूप था। जहां विस्पी, गैर-सीधा चिमनी 70-80 डिग्री सेल्सियस तक गर्म हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ से गठित की गई थी और कमरे के तापमान वाले महासागर सिमुलेंट33में इंजेक्ट की गई थी। इसके लिए विभिन्न संभव स्पष्टीकरण हैं: संवहनी गर्मी हस्तांतरण अधिक प्राकृतिक उछाल वाली ताकतों (इंजेक्शन के जबरन पंपिंग के साथ) का कारण बन सकता है ताकि समुद्र पोत के शीर्ष की ओर तेजी से तेज़ प्रवाह हो सके क्योंकि यह बन रहा है। वैकल्पिक रूप से, सिरिंज तरल पदार्थ को गर्म करने से हाइड्रोथर्मल सिमुलेंट कम घना हो जाता है और इस प्रकार इंजेक्शन बिंदु के शीर्ष पर स्थिर होने की तुलना में खड़ी वृद्धि होने का खतरा अधिक होता है। यह संभव है कि सिरिंज इंजेक्शन दर को धीमी दरों में बदलकर इस प्रभाव को कम किया जा सकता है ताकि अधिक स्थिर संरचना के विकास की अनुमति दी जा सके। सफेद एट अल हाइड्रोथर्मल सिमुलेंट के साथ लोहे की सल्फाइड चिमनी वृद्धि की जांच की बेहद धीमी दरों (०.०८ mL/h) पर इंजेक्शन, और हालांकि चिमनी को मिलाने में दिन लग गए, यह संरचनात्मक रूप से स्थिर13था । के रूप में Herschy एट अल 10-120 mL/h, जो हमारे थर्मल ढाल प्रयोगों में इस्तेमाल की दरों की तुलना में तेजी से परिमाण के कई आदेश है की इंजेक्शन दरों पर peristaltic पंपों का इस्तेमाल किया, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि वे भी स्ट्रिंग की तरह चिमनीसंरचनाओं ३३का उत्पादन किया ।
महासागर और वेंट समाधानों में प्रतिक्रियाओं को कम करने की उच्च सांद्रता थर्मल ढाल में अधिक मजबूत चिमनियां भी पैदा कर सकती है। हाइड्रोथर्मल द्रव या महासागर सिमुलेंट में आयनों (सल्फाइड या हाइड्रोक्साइड) की उच्च रासायनिक सांद्रता उच्च समग्र तेज़ द्रव्यमान का कारण बन सकती है, इस प्रकार एक मजबूत संरचना का निर्माण करती है। जैसा कि हर्शी एट अल और व्हाइट एट अल ने हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ (10 mM) में सल्फाइड की कम सांद्रता का उपयोग किया, उनकी संरचनाएं उच्च (20-50 mM) सल्फाइड सांद्रता का उपयोग करके इस काम में उत्पादित लोगों की तुलना में छोटी थीं। इसके अतिरिक्त, आयरन सल्फाइड चिमनी वृद्धि के कुछ अध्ययनों में सोडियम सल्फाइड के साथ हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ में सिलिका को भी शामिल किया गया है, जो अधिक मजबूत चिमनियों3, 13,33का उत्पादन करने में मदद कर सकता है। सिलिका रासायनिक उद्यान संरचनाओं का उपयोग हाइड्रोथर्मल चिमनी विकास34के पहलुओं का अनुकरण करने के लिए भी किया गया है, और ये बहुत मजबूत संरचनाओं का उत्पादन करते हैं जिन्हें भौतिक विश्लेषण के लिए ट्यूब/शीशी से हटाया जा सकता है। हालांकि, सिलिका इंजेक्शन संरचनाओं पर तापमान ढाल के प्रभाव ज्ञात नहीं हैं और आगे के अध्ययन का एक क्षेत्र होगा।
भविष्य चिमनी सिमुलेशन प्रयोगों के लिए विचार:महासागर पोत को ठंडा करने के लिए इस अध्ययन में बनाए गए 3 डी मुद्रित कंडेनसर ने जैकेट प्रतिक्रिया पोत की तरह काम किया, लेकिन कुछ व्यावहारिक सुधारों के साथ: 1) खुले शीर्ष ने चिमनी के नमूने की अनुमति दी और एनोक्सिक महासागर हेडस्पेस को बनाए रखा; 2) 3 डी मुद्रित भाग आसान प्रजनन प्रदान; 3) जैसा कि डिजाइनों को डिजिटल रूप से संपादित किया जा सकता है, उपकरण को जल्दी से संशोधित किया जा सकता है और यदि वांछित हो तो फिर से मुद्रित किया जा सकता है; और 4) सस्ती सामग्रियों के उपयोग ने प्रत्येक कंडेनसर को वास्तविक ग्लास-जैकेट प्रतिक्रिया जहाजों की तुलना में अधिक लागत प्रभावी बना दिया। ये 3 डी मुद्रित कंडेनसर एक लचीला और आसानी से साझा किया गया प्रयोगात्मक उपकरण है जो विभिन्न अनुसंधान समूहों में नकली हाइड्रोथर्मल चिमनी प्रयोगों के लिए प्लेटफार्मों को मानकीकृत करने का एक उपयोगी तरीका हो सकता है, जिससे नमूनों और डेटा की बेहतर तुलना की अनुमति मिल सकती है। कंडेनसर की फाइलें सहकर्मियों को उनके शैक्षिक या वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए अपने दम पर मुद्रित करने के लिए भेजी जा सकती हैं (इस काम में उपयोग किए जाने वाले कंडेनसर की पूरक 3 डी प्रिंटिंग फाइल देखें)। इस सस्ती सेटअप का उपयोग रासायनिक उद्यानों या केमोब्रियोनिक्स29,35के लिए स्नातक प्रयोगशाला प्रयोग के रूप में भी किया जा सकता है ।
अंत में, यह काम तापमान ढाल वातावरण में नकली हाइड्रोथर्मल चिमनियों के विकास को सुविधाजनक बनाने के लिए 3 डी प्रिंटिंग का उपयोग करके एक उपन्यास प्रयोगात्मक तंत्र का वर्णन करता है। 3 डी मुद्रित कंडेनसर समुद्र तल हाइड्रोथर्मल सिस्टम के पास समुद्री जल के समान, लगभग ठंड तापमान के लिए समुद्र simulant शांत करने में सक्षम है । इस बीच, इस ठंडे महासागर में इंजेक्शन उच्च तापमान हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ का अनुकरण करने के लिए एक गर्म सिरिंज का उपयोग किया गया था। लोहे के सल्फाइड और लोहे के हाइड्रोक्साइड चिमनियों की मोरफोलोजी और संरचनाएं थर्मल ढाल से प्रभावित थीं: जब महासागर और हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ दोनों कमरे के तापमान पर थे, तो चिमनियों ने खड़ी उन्मुख संरचनाओं का गठन किया, लेकिन जब हाइड्रोथर्मल तरल पदार्थ गर्म किया गया था और महासागर ठंडा हो गया था, तो मजबूत चिमनी संरचनाओं के गठन को बाधित किया गया था। प्राकृतिक प्रणालियों के अनुरूप थर्मल ढाल के साथ ऐसी चिमनी प्रणालियों में प्रीबायोटिक प्रतिक्रियाओं का सटीक अनुकरण करने के लिए, इंजेक्शन दर और वेंट और महासागर सिमुलेंट्स दोनों की रासायनिक संरचना जैसे मापदंडों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना आवश्यक होगा। इस अध्ययन के लिए बनाया गया कस्टम और सस्ती 3 डी मुद्रित कंडेनसर एक जैकेट प्रतिक्रिया पोत के लिए कार्य में समान है और आसानी से संशोधित किया जा सकता है और कई प्रकार के रसायनोब्रियोनिक प्रयोगों में उपयोग के लिए विभिन्न अनुसंधान और शैक्षिक समूहों को इलेक्ट्रॉनिक रूप से वितरित किया जा सकता है।
The authors have nothing to disclose.
नासा के एस्ट्रोबायोलॉजी इंस्टीट्यूट बर्फीले दुनिया द्वारा समर्थित नासा के साथ एक अनुबंध के तहत कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के जेट प्रणोदन प्रयोगशाला में यह शोध किया गया । डॉ गेब्रियल LeBlanc भाग में एक अनुसंधान दीक्षा अनुदान (2017-34) द्वारा ओकलाहोमा नासा EPSCoR सहकारी समझौते (NNX15AK42A) के माध्यम से समर्थन किया गया था । हम प्रारंभिक 3 डी मुद्रित कंडेनसर डिजाइन के साथ सहायता के लिए हीथ व्हाइटहेड, 3 डी प्रिंटिंग के साथ सहायता के लिए कालिंद बढ़ई, कंडेनसर जहाजों पर सहायक चर्चा के लिए जॉन-पॉल जोन्स, तापमान डेटा विश्लेषण के साथ मदद के लिए लौरा रोड्रिगेज, और प्रयोगशाला सहायता के साथ एरिका फ्लोरेस का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं। कॉपीराइट 2020 कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी।
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 |