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 av tidlig jord hydrotermale skorsteiner 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 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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Sikkerhetshensyn

  1. Bruk laboratoriebeskyttelsesutstyr for personlig beskyttelse, inkludert nitrilhansker, ansiktsbriller, labfrakk og riktige sko (ingen hudutsatt).
    1. Når du bruker sprøyter og nåler, må du passe på å ikke punktere hansker eller hud.
    2. Kontroller hele apparatet i avtrekkshetten for lekkasjer.
    3. Kontroller stabiliteten til hetteglassene og kondensatoren på stativet før du tilsetter kjemikalier til blandingen.
  2. Bruk alle termiske gradientforsøk i røyk for å inneholde vannsøl.
  3. Bruk alt natriumsulfid (Na2S•9H2O) i røyk, da det er helsefarlig.
    1. Oppbevar natriumsulfid i avtrekkshetten, og legg en balanse inne i avtrekkshetten for å veie sulfidmengden.
    2. Oppbevar alltid sulfidholdige løsninger inne i avtrekkshetten når de slipper ut giftig H2S-gass, og oppbevar sulfidvæske, skarpe og faste avfallsbeholdere i avtrekkshetten.
    3. Ikke bland avfall fra sulfidoppløsning med andre kjente kjemikalier.
  4. Når du bruker reaktant Fe(II)Cl2•4H2O, må du konsekvent rense med N2/Ar mens den oksiderer ved eksponering for luft. Hold løsninger aoxic i avtrekkshetten ved å plassere N2/ Ar gass i hoderommet inne i avtrekkshetten. Sikre med parafilm for å forhindre ytterligere oksidasjon.

2. Oppsett for injeksjonseksperimenter

  1. Klem den 3D-trykte kondensatorinjeksjonen på et stativ i en avtrekkshette, slik at det lille porthullet vender mot bunnen av avtrekkshetten. Kontroller at kondensatoren er nivellert i klemmen.
  2. Lag glass "injeksjonsbeholdere" ved å kutte av 1 cm fra bunnen av et 100 ml klart glass, krympe-topp serumflaske (20 mm krympetetningstype) ved hjelp av en glasskutter, og sørg for at karet er åpent for luften fra bunnen og opp.
    1. Rengjør hetteglassene i et 1 M HCl syrebad over natten, og skyll deretter med dobbelt destillert vann (ddH2O) før du utfører et nytt eksperiment.
    2. Gjenbruk glass med mindre det er sprukket eller ødelagt, og kast det deretter.
  3. Klargjør injeksjons hetteglassene (Figur 1).
    1. Samle følgende materialer: en 20 mm septum, en 20 mm aluminiumskrympforsegling, en 0,5-10 μL plastpipettespiss, en 16 G sprøytenål og et krympeverktøy.
    2. Punkter forsiktig et hull i midten av gummiseptumet, og fjern og kast deretter nålen i en avfallsbeholder med skarpe gjenstander.
    3. Sett pipettespissen inn i nålehullet, inn i siden av gummiseptumet som vender inn i krympetoppen på hetteglasset. Skyv pipettespissen gjennom septumet slik at den stikker litt ut på den andre siden.
      MERK: Ikke skyv hele veien gjennom, da dette ikke vil gi nok klaring til å plassere krympetetningen med krympeverktøyet.
    4. Plasser krympen på krympeforseglingen. Klem krympen og forsegle septumet med pipettespissen på injeksjonsbeholderen for å gjøre den vanntett. Etter at du har tettet riktig, skyver du pipettespissen gjennom glassburken, slik at den stikker ut ca. 1,0" fra glasset.
    5. Plasser et klart, fleksibelt, kjemisk motstandsdyktig rør med 1/16" indre diameter på pipettespissen for å få en vanntett forsegling på pipettespissen.
      MERK: Røret skal være langt nok til å nå 16 G-sprøyten på toppen av sprøytepumpen, da sprøyten vil pumpe den hydrotermale væsken gjennom denne klare slangen inn i havsimulanten.
    6. Plasser injeksjonshettene i den 3D-trykte kondensatoren i avtrekkshetten ved å snaking slangen gjennom kondensatorporthullet på bunnen. Pass på at hetteglasset stikker ut fra det lille porthullet i kondensatoren.
      MERK: Hvis flere kondensatorer skal brukes, kan flere hetteglass settes opp samtidig og mates samtidig med separate sprøyter.
    7. Se etter eventuelle endelige lekkasjer ved å sette inn en 10 ml sprøyte fylt med ddH2O og med en 16 G kanyle inn i den andre enden av den åpne slangen. Sett forsiktig den 16 G nålen inn i slangen for ikke å punktere røret. Injiser ddH2O langsomt slik at den beveger seg opp i slangen og inn i bunnen av reaksjonsbeholderen for å sikre at sprøyten/røret, røret/spissen og krympetetningene er vanntette.
    8. Fest parafilmen tett over avskåret toppen av hetteglasset, og legg et lite stykke tape på toppen av parafilmen. Slå et lite hull gjennom båndet slik at O2 kan gasse ut når N2/Ar pumpes inn.
    9. Sett opp N2/Ar gassledninger som hver vil mate inn i et av injeksjonsflaskene fra cut-off toppen for å gjøre glass hetteglasset anoksisk før havsimulerende middel helles i.
    10. Del gassfôret fra en N2/Ar-kilde i flere rør, slik at det er en N2/Ar-feed for hvert injeksjonshetteglass (hvis du utfører flere eksperimenter).
    11. Plasser sprøyten (koblet til N2/Ar) ved å punktere gjennom båndet og sveve over havløsningen i hetteglasset. Pass på at du ikke trenger inn i havløsningen med nålen for å unngå forstyrrelse av skorsteinsveksten.

3. Utarbeidelse av løsninger for kjemisk hagevekst

  1. Forbereder havets simulant
    1. Forbered 100 ml løsning for hvert eksperiment.
      MERK: I dette eksemplet bruker du tabell 1 for spesifikke konsentrasjoner som utfellingsrasjoner.
    2. Lag anoksiske løsninger ved først å boble 100 ml ddH2O med N2/Ar gass i ~15 min per 100 ml i en Erlenmeyer-kolbe.
    3. Vei ut og legg til noen av havkjemiingrediensene, rør forsiktig for å oppløse (ikke kraftig for ikke å introdusere oksygen).
    4. Etter oppløsning av reagensene, gjenoppta umiddelbart lys boblende av havet simulant med N2/ Ar gass mens du forbereder hydrotermale injeksjoner.
  2. Forbereder hydrotermalvæskesimulerende middel (natriumsulfidpreparat)
    1. Velg en av injeksjonskonsentrasjonene som er vist i tabell 1, og lag 10 ml av hver konsentrasjon. Fyll 10 ml sprøyter med løsningene. Sett kanylehettene tilbake og sett til side.
      MERK: Oppbevar alltid sulfidholdige oppløsninger og sprøyter i avtrekkshetten.
    2. Vei den nødvendige mengden natriumsulfid (Na2S•9H2O) bare i avtrekkshetten (50 ml oppløsning med ddH2O).
      1. Fyll et 50 ml sentrifugerør med ddH2O.
      2. Plasser Na2S•9H2O i 50 ml sentrifugerøret, og forsegle det tett i avtrekkshetten.
      3. Rist røret grundig i avtrekkshetten til alle sulfidpartikler er helt oppløst.
      4. Oppbevar oppløsningen anoksisk i avtrekkshetten ved hjelp av parafilm der en 10 G nål injisering N2/Ar er satt inn.

4. Sette opp thermistoren

  1. Plasser thermistoren i en stabil posisjon på en sidebenk så nær avtrekkshetten som mulig. Sett USB-siden av en RS232-adapterkabel inn i datamaskinens USB-port.
  2. Slå på strømmen til thermistoren. Hvis du vil ha informasjon om hvordan du konfigurerer kabelmotstander, se Thermistor-prosedyren i tilleggstillegget 2.
  3. Slå på thermistor-programvaren på datamaskinen.
    1. Rull ned til Kommunikasjonsport. Velg de første kommunikasjonsportene, og klikk på Koble til-knappen til venstre for hver port, til thermistoren kobles til programvaren.
      MERK: Programvaren viser lesekonfigurasjonslinjene i grønt. Prøvetakingsikonet vil fortsette å blinke, og viser at det tar prøver av gjeldende temperatur ved hyppige intervaller. Hvis ingen av disse signalene overholdes, velger du andre kommunikasjonsporter. Hvis ingen av kommunikasjonsportene fungerer, vises en popup-melding med kommunikasjonsfeil eller Kan ikke kommunisere.
    2. Hvis kommunikasjonsfeil dukker opp, lukker du programmet og starter på nytt. Kontroller båndkablene på nytt, og kontroller at de er riktig koblet til pinnene på RS232-kabelpinnene.
  4. Når du er tilkoblet, må du sørge for at Output leser 100% i røde stolper.
  5. Når thermistoren blinker hyppige intervallmålinger, endrer du intervalltiden til 60 s. I boksen Alternativer for kontroller, mot bunnen, fjerner du ut 1 s og bytter til 60 s. Klikk på OK-knappen.
  6. Det vil være en oval knapp ved siden av firmalogoen merket Auto-scale. Klikk knappen for å aktivere automatisk skalering. Legg merke til den gule linjen som viser temperaturavlesningen.
  7. Inne i tegneområdet høyreklikker du for å justere plottet slik du vil ha det, for eksempel skalere x- og y-aksene.
  8. Høyreklikk i tegneområdet, og klikk på eksporter til Excel før en ny avlesning starter hver 5000 eller 83.33 min (avhengig av valgt opptaksintervall). Lagre temperatur- og tidsdataene i regnearket som er opprettet automatisk av programmet.
  9. Plasser metalltemistorsonden i glassets havfartøy i kondensatoren. Pass på at sonden er satt av til siden av glasset, da thermistorsonden som henger midt i hetteglasset i glasset, vil forstyrre skorsteinsveksten. Dekk igjen med parafilm.

5. Sette opp isbadet

  1. Ta tak i en større plastpanne og en mellomstor bøtte. Fyll bøtte med vann opp til halvveis.
  2. Plasser bøtta inne i pannen, og legg isen inne i vannet til den er nesten full.
  3. Plasser de to plast kappeslangene på hver ende av vannpumpen (Tillegg tillegg 3, figur 1). Vær oppmerksom på at den vertikale pumpeåpningen er der vann vil bli hellet inn for å begynne å grunne, og den horisontale åpningen er der vannet kastes ut. Koble pumpen til en stikkontakt, men la de elektriske kontaktene være åpne, da de vil drive pumpen når den er tilkoblet.
  4. Koble den horisontale plastslangen (Tillegg vedlegg 3, figur 2) til den høyere kondensatorporten, vendt mot høyre, og påse at slangen er lang nok til å nå isbøtten.
  5. Plasser en annen avskåret plastslange til venstre (nedre) kondensatorport, og sørg for at denne slangen også er lang nok til å nå isvannbad. Plasser denne slangen over bøtte med isvann der vannet skal kastes ut av kondensatoren.
  6. Hell kaldt vann gjennom slangen som er koblet til pumpens vertikale åpning. Når pumpen er full av vann, når du helt til kondensatorporten, senk slangen ned i isvannbadet, og koble umiddelbart de elektriske kontaktene.
    MERK: Dette kan kreve to personer.
  7. Prime pumpen for å begynne å strømme vann gjennom kondensator, fyll bøtte med is, og legg et termometer i bøtte for å sjekke temperaturen.
    MERK: Vanntemperaturen skal nå ~0 °C. Se kontrolltest i tilleggstillegg 1 figur 2.
  8. Fortsett å tilsette mer is for å opprettholde vannet ved kald temperatur, samtidig som du fjerner noe av det varmere vannet.

6. Prepping til injeksjon

  1. Ta ddH2O-sprøytene (avsnitt 2.3) ned ved siden av de hydrotermale væskeinjeksjonssprøytene. Skyv forsiktig plastinjeksjonsslangen av sprøyten ddH2O, og overfør den umiddelbart direkte til en av de primære sprøytenålene.
    MERK: Ikke punkter veggen på slangen.
  2. Koble til varmeputen for å varme opp det hydrotermale simulantet til 70-80 °C.  (Advarsel: Høyere temperaturer kan fordreie eller skade plastsprøyten.)
  3. Vikle puten rundt sulfidsprøyten, og skru fast to metallklemmer rundt puten (Tilleggsvedheng 3, figur 3).
  4. Når klemmene er festet på plass, plasser dem på sprøytepumpen, og fest pumpen tett (avhenger av den valgte sprøytepumpen).
  5. Sett temperaturen på kontrollboksen til ~70 °C ved å trykke på pil opp (tillegg tillegg 3, bilde 5). Trykk set/start.
  6. Når de oppvarmede sprøytene er låst på plass på sprøytepumpen, setter du sprøytepumpen til å injisere ved 1-2 ml/t.
  7. Kontroller at havløsningene er fullstendig oppløst. Hvis overskyet, rør til det meste oppløst.
  8. Titrate havet simulant til pH 5,5 for å simulere Hadean havsyre30,31. Bruk 10 M HCl og tilsett dråper sakte (under N2/Ar-feeden) til pH-måleren leser en stabil 5,5. Hvis den overskrider 5,5, bruker du NaOH til å bringe pH tilbake til mer grunnleggende nivåer ved hjelp av samme langsomme dråpemetode.
  9. Hell en eller to havløsninger i de prefabrikkerte skorsteinsfartøyene. Hell den ene havløsningen i hetteglasset i kondensatoren og den andre i romtemperaturbeholderen uten kondensator (hvis du utfører to eksperimenter) (Figur 6).
    MERK: Ikke flytt temperatursonden.
  10. Forsegle toppen av hetteglassene med parafilm. Bytt N2/ Ar-fôret til toppen av hoderommet på havsimulanten, pass på at du ikke introduserer nålen i havsimulanten.
  11. Programmer sprøytepumpen til å injisere ved 1-2 ml/t (kalibrer for størrelsen på sprøyten som brukes, avhengig av type sprøytepumpe), men ikke trykk på Start.
  12. For å forhindre at termisk tap oppstår gjennom lengden på slangen, injiserer varmvæsken raskt for å få umiddelbar kontakt med havreservoaret. La deretter injeksjonen gå i 1-2 ml/t i det kalde havet. (Se termisk test for sprøyte i tilleggsvedheng 1). Bruk avfallsbeger for å fange opp drypp.
  13. Start injeksjonen, og begynn å registrere havtemperaturen på thermistoren.

7. Overvåking av temperaturen og eksperimentet

MERK: Når vannet sirkulerer gjennom kondensatoren, vil thermistorens temperatursonde begynne å vise temperaturfallet i havet. Målet er at temperaturen skal nå nær 0 °C. Se tabell 2 for nøyaktige innstillinger for temperatur (termisk) gradient.

  1. Lagre alle temperaturdata ved å høyreklikke tegneområdet og lagre som en . CSV-filen.
    MERK: Programmet vil registrere temperaturdata på opptil 5000 s og deretter starte på nytt.
  2. Fortsett å legge is i bøtte for å opprettholde nesten frysende temperaturer, til skorsteinen for det meste har utviklet seg, eller i det minste til sprøyten er nesten tom.
  3. Overvåk også skorsteinen med romtemperatur. Ta hyppige bilder gjennom hele skorsteinsveksten for begge skorsteinene.
  4. Når skorsteinen er fullført, plasserer du en liten linjal ved siden av begge skorsteinene, og deretter tar og lagrer du bilder.
    MERK: Hele prosessen skal gå i ~ 6 timer.

8. Avslutte eksperimentet

  1. Stopp sprøytepumpen, slutt å registrere temperaturen på thermistoren, og lagre dataene i et regneark.
  2. Slå avN 2/Ar-strømmen, og fjern linjene og parafilmen fra injeksjonsbeholderne.
  3. Prøv om nødvendig havløsningen eller bunnfallet for videre analyse. For å fjerne reservoarløsningen forsiktig uten å forstyrre bunnfallet, bruk en 25 ml pipette for å forsiktig pipette av flere aliquots av reservoarløsningen, og kast løsningen i et avfallsbeger.
  4. Tøm hetteglasset forsiktig i kondensatoren i et avfallsbeger. Fjern slangen fra sprøyten, og la havløsningen renne ut i begeret i avtrekkshetten. Gjør det samme for hetteglasset uten kondensator.
  5. Fjern karene, en om gangen, fra klemmen, og bruk ddH2O for å skylle ut biter av nedbør i et avfallsbeger.
  6. Fjern slangen og sprøytene fra sprøytepumpen. Tøm sprøytene og eventuell ekstra injeksjonsvæske i avfallsoverføringsbegeret, og kast sprøytene i en sulfidskarpebeholder som oppbevares i avtrekkshetten.
  7. Fjern slangen fra hetteglasset med eksperimentet og kast det i en fast avfallspose. Løsne forseglingen og kast septum-, tetnings- og pipettespissen.
  8. Skyll hetteglasset med glasseksperimentet, og bløtlegg det over natten i et 1 M HCl syrebad.
    MERK: Glassvarer som har vært i kontakt med natriumsulfid vil frigjøre giftig H2S-gass når den plasseres i syre. Hold derfor alle syrebad inne i avtrekkshetten.

Representative Results

Som i tidligere studier1,2,13,29; Når det hydrotermale væskesimulerende middelet nådde haveullen, begynte en mineralutfellingsstruktur å danne seg som ble tykkere og høyere i løpet av injeksjonen. Jernsulfidskorsteinene var delikate strukturer som ikke var veldig robuste og lett ble deaggregatert hvis havhettekjøttet eller injeksjonen var fysisk forstyrret. Dette er i samsvar med resultater fra tidligere studier3. Den kjemiske konsentrasjonen av sulfidløsningen spilte også en viktig rolle i morfologien til sulfidskorsteinene. Mer konsentrerte løsninger av sulfid tillatt for høyere og solide mineralutfellinger, som vist i figur 5, mens lavere konsentrasjoner av sulfidløsninger produserte svake skorsteinsstrukturer. I noen tilfeller ble det ikke dannet noen struktur, bare en flytende sulfid-mineral "suppe" ble opprettet, som til slutt ville slå seg ut som et sediment (Figur 3D). Dette skjedde under både termiske og ikke-termiske gradientforhold.

I termisk gradient skorstein eksperimenter med jernsulfid, solid skorstein strukturer generelt ikke samle seg så godt som de gjorde ved romtemperatur. Figur 3E-H viser morfologien til en jernsulfidskorstein som vokser mellom et kaldt hav og romtemperaturhydrotermalvæske. Skorsteinene i temperaturgradienten var strenglignende og tøffe i naturen, mens ikke-termiske gradientresultater (Figur 3A-D) viser flere semi-permanente strukturer. Det samme gjaldt da den hydrotermale væsken ble oppvarmet (Figur 4). Unntaket var ved høyere sulfid- og jernkonsentrasjoner (figur 5) hvor det ble dannet en solid jernsulfidskorstein mellom en romtemperaturhydrotermisk løsning og kaldt havsimulant.

Effekten av en termisk gradient på veksten av jernhydroksid skorsteiner ble også testet. Resultatene viste mønstre som lignet på jernsulfidskorsteinen: Mens jernhydroksideksperimentet i romtemperatur resulterte i et mer robust skorsteinsutfelling, resulterte det termiske gradienteksperimentet mellom den varme hydrotermale væsken og det kalde havet i en mindre haug med skorsteinsmateriale som ikke samlet seg vertikalt (Figur 6). I motsetning til de høye oppreiste strukturene til jernhydroksid skorsteiner observert i tidligere arbeid (i romtemperatureksperimenter)29, viste vårt termiske gradienteksperiment en annen morfologi.

Figure 1
Figur 1: Termisk gradient skorsteinsapparat. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. 

Figure 2
Figur 2: 3D-trykt kondensator. (A) Skjematisk for en 3D-trykt kondensator som viser kondensatordimensjoner. (B) Plassering av et glass havfartøy inne i kondensatoren for å avkjøle havsimulanten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: En rekke termiske og ikke-termiske gradientskorsteiner. (A-D) Ikke-termisk gradientkontrolleksperiment fra romtemperaturhydrotermalvæske (HTF) til romtemperatur havsimulant. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulant. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulant. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 20mM FeCl2·4H2O havsimulant. (E-H) Termisk gradient skorsteinseksperiment fra romtemperatur HTF-simulant til et kaldt havreservoar (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulant. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20 mM FeCl2·4H2O havsimulant. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF og 10 mM FeCl2·4H2O havsimulant. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF og 20 mM FeCl2·4H2O havsimulant. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Eksperiment med termisk gradering. Eksperiment utført med varm (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O oppløsning injisert i en kald (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O havsimulant, som produserer små skorsteinsstrenger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Effekt av konsentrasjon av havsimulant på skorsteiner. Høyere konsentrasjoner (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O og 200 mM NaCl) av anoksiske havsimulanter produserte mer strukturelt robuste, høyere skorsteiner. Romtemperatur sulfidoppløsning ble injisert i 2-10 °C havsimulant. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Samtidig vekst av termiske og ikke-termiske gradientskorsteiner. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O havløsning med 200 mM NaOH hydrotermalvæske (HTF) væskesimulant ved romtemperatur. (B) Termisk gradient eksperiment med de samme konsentrasjonene med varm HTF ved ~ 35-50 °C i kaldt havsimulerende middel ved ~ 5-10 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Hydrotermal fluidkjemi (injeksjon) Havkjemi (reservoar)
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

Tabell 1: Konsentrasjonsmatrise for both simulerte hav- og hydrotermale væskeinjeksjonsløsninger.

HTF °C Havsimulerende temperaturer °C
~23 ~23 5-10
~35-50 ~23 5-10

Tabell 2: Eksperimentell matrise med termisk gradient. Den hydrotermale væsketemperaturen (HTF) refererer til temperaturen på væsken i sprøyten; den faktiske temperaturen ved innløpet til hav hetteglasset var mellom 20 og 35 grader lavere enn temperaturen i sprøyten (~70 °C) (se tillegg 1, figur 3og figur 4).

Tilleggsfil som kan skrives ut. Klikk her for å laste ned denne filen. 

Tillegg vedlegg 1. Klikk her for å laste ned denne filen. 

Tillegg vedlegg 2. Klikk her for å laste ned denne filen. 

Tillegg vedlegg 3. Klikk her for å laste ned denne filen. 

Discussion

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.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

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.

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

Miljøvitenskap utgave 168
Simulering av tidlig jord hydrotermale skorsteiner 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