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 tidiga jordhydrotermiska skorstenar i en termisk gradientmiljö

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 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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Säkerhetshänsyn

  1. Använd laboratorieskyddsutrustning för personligt skydd inklusive nitrilhandskar, ansiktsglasögon, labbrock och ordentliga skor (ingen hud exponerad).
    1. När du använder sprutor och nålar, var försiktig så att du inte punkterar handskar eller hud.
    2. Kontrollera hela apparaten i rökhuven efter läckor.
    3. Kontrollera stabiliteten hos glasflaskor och kondensor på stativet innan du tillsätter någon kemikalie till blandningen.
  2. Använd alla termiska gradientexperiment i rök för att begränsa vattenspill.
  3. Använd all natriumsulfid (Na2S•9H2O) i rök eftersom den är hälsofarlig.
    1. Förvara natriumsulfiden i rökhuven och placera en balans inuti rökhuven för att väga sulfadmängden.
    2. Förvara alltid sulfadhaltiga lösningar inuti rökhuven när de släpper ut giftig H2S-gas och förvarar sulfadvätska, vassa och fasta avfallsbehållare i rökhuven.
    3. Blanda inte sulfidlösningsavfall med andra kända kemikalier.
  4. Vid användning av reaktiv Fe(II)Cl2•4H2O, konsekvent rensa med N2/Ar när den oxiderar vid exponering för luft. Förvara lösningarna anoxiska i rökhuven genom att placera N 2/Ar-gas i huvudutrymmet inuti rökhuven. Säkra med parafilm för att förhindra ytterligare oxidation.

2. Inställningar för injektionsexperiment

  1. Kläm fast den 3D-printade kondensorinsprutningen på ett stativ i en rökhuv, så att det lilla porthålet är vänd mot botten av rökhuven. Se till att kondensorn är utjämnad i klämman.
  2. Skapa "injektionskärl" i glas genom att skära av 1 cm från botten av ett 100 ml klart glas, pressad serumflaska (20 mm presstätningsförslutningstyp) med hjälp av en glasskärare och se till att kärlet är öppet mot luften nedifrån och upp.
    1. Rengör injektionsflaskan i ett 1 M HCl syrabad över natten och skölj sedan med dubbeldestillerat vatten (ddH2O) innan du utför ett nytt experiment.
    2. Återanvändning av glas om det inte är sprucket eller trasigt, kassera sedan.
  3. Förbered injektionsflaskan(figur 1).
    1. Samla följande material: en 20 mm septum, en 20 mm aluminium presstätning, en 0,5-10 μL plastpipettspets, en 16 G spruta nål och ett pressverktyg.
    2. Punktera försiktigt ett hål i mitten av gummisepumet och ta sedan bort och kassera nålen i en skarp avfallsbehållare.
    3. Sätt in pipettspetsen i nålhålet, i sidan av gummiseptageväggen som kommer att vända sig in i injektionsflaskan. Tryck pipettspetsen genom septumet så att den sticker ut något på andra sidan.
      OBS: Tryck inte hela vägen igenom, eftersom detta inte ger tillräckligt med utrymme för att placera pressförseglingen med pressverktyget.
    4. Placera pressningen på pressförseglingen. Pressa crimpern och försegla septumet med pipettspetsen på injektionskärlet för att göra det vattentätt. Efter tätning ordentligt, tryck pipettspetsen genom glasburken, så att den sticker ut ca 1,0" från glaset.
    5. Placera ett klart, flexibelt, kemikaliebeständigt rör med 1/16" innerdiameter på pipettspetsen för att få en vattentät tätning på pipettspetsen.
      OBS: Röret ska vara tillräckligt långt för att nå 16 G-sprutan ovanpå sprutpumpen eftersom sprutan pumpar hydrotermisk vätska genom detta klara rör i havssimulatorn.
    6. Placera injektionsflaskan i den 3D-printade kondensorn i rökhuven genom att snaka slangen genom kondensorporthålet på botten. Se till att injektionsflaskan sticker ut från det lilla porthålet i kondensorn.
      OBS: Om flera kondensorer ska användas kan flera injektionsflaskan sättas upp samtidigt och matas samtidigt med separata sprutor.
    7. Kontrollera eventuella slutliga läckor genom att föra in en 10 ml spruta fylld med ddH2O och med en 16 G nål i andra änden av det öppna slangen. Sätt försiktigt in 16 G-nålen i slangen för att inte punktera röret. Injicera långsamt ddH2O så att den rör upp slangen och in i botten av reaktionskärlet för att säkerställa att sprutan/röret, röret/spetsen och presstätningarna alla är vattentäta.
    8. Säkra parafilmen tätt över injektionsflaskan och placera en liten bit tejp ovanpå parafilmen. Slå ett litet hål genom tejpen så att O2 kan gasa ut när N2/Ar pumpas in.
    9. Sätt upp N2/Ar-gasledningar som var och en matas in i en av injektionsflaskorna från avskärningsskivan för att göra glasflaskan anoxisk innan havssimulatorn hälls in.
    10. Dela upp gasmatningen från en N2/Ar-källa i flera rör, så att det finns ett N2/Ar-foder för varje injektionsflaska (om du utför flera experiment).
    11. Placera sprutan (ansluten till N2/Ar) genom att punktera genom tejpen och sväva över havslösningen i injektionsflaskan. Var försiktig så att du inte tränger in i havslösningen med nålen för att undvika störningar i skorstenstillväxten.

3. Beredning av lösningar för kemisk trädgårdstillväxt

  1. Förbereda havssimulatorn
    1. Förbered 100 ml lösning för varje experiment.
      OBS: Använd i detta exempel tabell 1 för specifika koncentrationer som fällning av cations.
    2. Skapa anoxiska lösningar genom att först bubbla 100 ml ddH2O med N2/Ar-gas i ~15 min per 100 ml i en Erlenmeyerkolv.
    3. Väg ut och tillsätt någon av ingredienserna i havskemin, rör om försiktigt för att lösas upp (inte kraftfullt för att inte införa syre).
    4. Efter upplösning av reagenserna, återuppta omedelbart ljusbubbla av havssimulatorn med N2/ Ar-gas medan du förbereder hydrotermiska injektioner.
  2. Beredning av hydrotermisk vätskasimulator (natriumsulfidpreparat)
    1. Välj en av injektionskoncentrationerna som visas i tabell 1och förbered 10 ml av varje koncentration. Fyll 10 ml sprutor med lösningarna. Byt ut nållocken och ställ åt sidan.
      OBS: Förvara alltid sulfadhaltiga lösningar och sprutor i rökhuven.
    2. Väg endast den erforderliga mängden natriumsulfid (Na2S•9H2O) i rökhuven (50 ml lösning med ddH2O).
      1. Fyll ett 50 ml centrifugeringsrör med ddH2O.
      2. Placera Na2S•9H2O i 50 ml centrifugeringsröret och täta det ordentligt i rökhuven.
      3. Skaka röret noggrant i rökhuven tills alla sulfamidpartiklar är helt upplösta.
      4. Förvara lösningen anoxisk i rökhuven med hjälp av parafilm i vilken en 10 G nål som injicerar N2/Ar har satts in.

4. Ställa in thermistor

  1. Placera thermistor i ett stabilt läge på en sidobänk så nära rökhuven som möjligt. Sätt in USB-sidan på en RS232-adapterkabel i datorns USB-port.
  2. Slå på strömmen till thermistor. För anvisningar om inställning av kabelmotstånd, se Thermistor-förfarandet i tilläggstillägg 2.
  3. Slå på programvaran thermistor på datorn.
    1. Rulla ned till kommunikationsporten. Välj de första kommunikationsportarna och klicka på knappen Anslut till vänster för varje port tills thermistor ansluter till programvaran.
      Obs: Programvaran visar läskonfigurationsfälten i grönt. Samplingsikonen fortsätter att blinka och visar att den tar prover på den aktuella temperaturen med jämna mellanrum. Om ingen av dessa signaler observeras väljer du andra kommunikationsportar. Om ingen av kommunikationsportarna fungerar visas ett popup-meddelande som anger kommunikationsfel eller Kan inte kommunicera.
    2. Om kommunikationsfelet dyker upp stänger du programmet och startar om. Kontrollera bandkablarna igen och se till att de är korrekt anslutna till stiften på RS232-kabelstiften.
  4. När du är ansluten, se till att utdata läser 100% i röda staplar.
  5. När thermistor blinkar frekventa intervallmätningar, ändra intervalltiden till 60 s. I rutan Alternativ för styrenhet, längst ner, rensar du ut 1 s och byter till 60 s. Klicka på OK-knappen.
  6. Det kommer att finnas en oval knapp bredvid företagets logotyp märkt Auto-scale. Klicka på den knappen för att aktivera automatisk skalning. Notera den gula linjen som visar temperaturavläsningen.
  7. Inne i ritytan högerklickar du för att justera tomten efter eget tycke, till exempel skala x- och y-axlarna.
  8. Högerklicka i ritytan och klicka på exportera till Excel innan en ny läsning startar var 5000:e eller 83,33 minut (beroende på vilket inspelningsintervall som valts). Spara temperatur- och tidsdata i kalkylbladet som automatiskt har skapats av programmet.
  9. Placera metalltermistorsonden i glashavskärlet i kondensorn. Se till att sonden är inställd på sidan av glaset eftersom thermistorsonden som hänger i mitten av glasflaskan kommer att avbryta skorstenstillväxten. Täck igen med parafilm.

5. Ställa in isbadet

  1. Ta en större plastpanna och en mellanstor hink. Fyll hinken med vatten upp till halvvägs.
  2. Placera hinken i pannan och placera isen i vattnet tills den är nästan full.
  3. Placera de två avskurna plastslangarna på båda sidor av vattenpumpen(tillägg tillägg 3, figur 1). Observera att den vertikala pumpöppningen är där vatten kommer att hällas in för att börja priming, och den horisontella öppningen är där vattnet matas ut. Anslut pumpen till ett eluttag, men lämna de elektriska kontakterna öppna eftersom de kommer att driva pumpen när den är ansluten.
  4. Anslut den horisontella plastslangen(tillägg 3, figur 2) till den högre kondensorporten, vänd åt höger, så att slangen är tillräckligt lång för att nå ishinken.
  5. Placera en annan avskuren plastslang till vänster (nedre) kondensorport, vilket säkerställer att denna slang också är tillräckligt lång för att nå isvattenbad. Placera slangen över hinken med isvatten i vilken vattnet kommer att sprutas ut från kondensorn.
  6. Häll kallt vatten genom slangen som är ansluten till pumpens vertikala öppning. När pumpen är full av vatten, når hela vägen till kondensorporten, sänk ner slangen i isvattenbadet och anslut omedelbart de elektriska kontakterna.
    OBS: Detta kan kräva två personer.
  7. Prime pumpen för att börja strömma vatten genom kondensorn, fyll hinken med is och placera en termometer i hinken för att kontrollera temperaturen.
    OBS: Vattentemperaturen bör nå ~0 °C. Se kontrollprovning i tillägg tillägg 1 Figur 2.
  8. Fortsätt att tillsätta mer is för att hålla vattnet vid en kall temperatur, samtidigt som du tar bort en del av det varmare vattnet.

6. Prepping för injektion

  1. Ta ner ddH2O-sprutorna (avsnitt 2.3) bredvid sprutarna för hydrotermisk vätskeinjektion. Skjut försiktigt bort plastinjektionsslangen från ddH2O-sprutnålen och överför den omedelbart direkt till en av de primära injektionssprutans nålar.
    OBS: Punktera inte slangens vägg.
  2. Anslut värmedynan för att värma hydrotermisk simulator till 70-80 °C.  (Varning: högre temperaturer kan varpa eller skada plastsprutan.)
  3. Linda dynan runt sulfadsprutan och skruva fast två metallklämmor runt dynan(tillägg 3, figur 3).
  4. När klämmorna är säkrade på plats, placera dem på sprutpumpen och säkra pumpen ordentligt (beror på vilken sprutpump som du väljer).
  5. Ställ in temperaturen på kontrollboxen på ~70 °C genom att trycka på uppiltangenten (tilläggstillägg 3, figur 5). Tryck på set/start.
  6. När den uppvärmda sprutan/sprutan är låst på plats på sprutpumpen ställer du in sprutpumpen så att den injiceras på 1-2 ml/h.
  7. Kontrollera att havslösningarna är helt upplösta. Om det är molnigt, rör om tills det mestadels är upplöst.
  8. Titrera havssimulatorn till pH 5,5 för att simulera Hadeanhavssyra 30,31. Använd 10 M HCl och tillsätt droppar långsamt (under N2/Ar-matningen) tills pH-mätaren avläser en stabil 5,5. Om det överstiger 5,5, använd NaOH för att få pH tillbaka till mer grundläggande nivåer med samma långsamma droppmetod.
  9. Häll en eller två havslösningar i de prefabricerade skorstenskärlen. Häll den ena havslösningen i glasflaskan i kondensorn och den andra i rumstemperaturkärlet utan kondensor (om två experiment)(figur 6) (figur 6).
    OBS: Flytta inte temperatursonden.
  10. Försegla toppen av glasflaskorna med parafilm. Byt ut N2/Ar-matningen till toppen av havssimulatorns huvudutrymme, var försiktig så att du inte introducerar nålen i havssimulatorn.
  11. Programmera sprutpumpen att injicera vid 1-2 ml/h (kalibrera för storleken på sprutan som används, beroende på typ av sprutpump), men tryck inte på Start.
  12. För att förhindra att termisk förlust uppstår genom slangens längd injicerar du snabbt den heta vätskan för att få omedelbar kontakt med havsreservoaren. Låt sedan injektionen löpa vid 1- 2 ml/h i det kalla havet. (Se termiskt test för spruta i tillägg 1). Använd avfallsbägare för att fånga droppar.
  13. Starta injektionen och börja registrera havstemperaturen på thermistor.

7. Övervakning av temperaturen och experimentet

OBS: När vattnet cirkulerar genom kondensorn börjar temperatursonden för thermistor att börja visa temperaturfallet i havet. Målet är att temperaturen ska nå nära 0 °C. Se tabell 2 för exakta temperaturgradientinställningar (termiska).

  1. Spara alla temperaturdata genom att högerklicka på ritytan och spara som en . CSV-fil.
    OBS: Programmet registrerar upp till 5000 s temperaturdata och börjar sedan om.
  2. Fortsätt att tillsätta is i hinken för att bibehålla nästan frysande temperaturer, tills skorstenen mestadels har utvecklats, eller åtminstone tills sprutan är nästan tom.
  3. Övervaka även skorstenen i rumstemperatur. Ta frekventa fotografier i hela skorstenstillväxten för båda skorstenarna.
  4. När skorstenen är klar placerar du en liten linjal bredvid båda skorstenarna och tar och sparar sedan bilder.
    OBS: Hela processen ska pågå i ~ 6 h.

8. Avsluta experimentet

  1. Stoppa sprutpumpen, sluta sedan registrera temperaturen på thermistor och spara data i ett kalkylblad.
  2. Stäng av N2/Ar-flödet och ta bort linjerna och parafilmen från injektionskärlen.
  3. Om det behövs, prova havslösningen eller fäll ut för vidare analys. För att försiktigt ta bort reservoarlösningen utan att störa fällningen, använd en 25 ml pipett för att försiktigt pipettera bort flera alikvoter i reservoarlösningen och kassera lösningen i en avfallsbehållare.
  4. Töm försiktigt injektionsflaskan i kondensorn i en avfallsbiaker. Ta bort slangen från sprutan och låt havslösningen rinna ut i bägaren i rökhuven. Gör samma sak för injektionsflaskan utan kondensor.
  5. Ta bort kärlen, en i taget, från klämman och använd ddH2O för att skölja ut fällorna i en spillkägare.
  6. Ta bort slangarna och sprutorna från sprutpumpen. Töm sprutorna och eventuell extra injektionsvätska i spillbehållaren och kasta sprutorna i en behållare med sulfatsprutor som förvaras i rökhuven.
  7. Ta bort slangen från experimentflaskan och kassera den i en fast avfallspåse. Koppla bort tätningen och kassera septum-, tätnings- och pipettspetsen.
  8. Skölj ut glasexperimentflaskan och blötlägg den över natten i ett 1 M HCl syrabad.
    OBS: Glas som har varit i kontakt med natriumsulfid frigör giftig H2S-gas när den placeras i syra. Förvara därför alla syrabad inuti rökhuven.

Representative Results

Som i tidigare studier1,2,13,29; När hydrotermisk vätska simulant nådde havsflaskan, började en mineral fällning struktur bildas som växte tjockare och högre under injektionen. Järnsulfidskorstenarna var känsliga strukturer som inte var särskilt robusta och var lätt uppdelade om havsflaskan eller injektionen stördes fysiskt. Detta överensstämmer med resultaten från tidigare studier3. Den kemiska koncentrationen av sulfadlösningen spelade också en viktig roll i sulfidskorstenarnas morfologi. Mer koncentrerade lösningar av sulfad möjlige sig för högre och kraftigare mineralutfällningar, vilket visas i figur 5, medan lägre koncentrationer av sulfadlösningar gav svaga skorstensstrukturer. I vissa fall bildades ingen struktur, bara en flytande sulfid-mineral "soppa" skapades, som så småningom skulle bosätta sig som ett sediment (Figur 3D). Detta inträffade under både termiska och icke-termiska gradientförhållanden.

I termisk gradient skorsten experiment med järn sulfid, fasta skorsten strukturer i allmänhet inte sammansföras så bra som de gjorde vid rumstemperatur. Figur 3E-H visar morfologin hos en järnsulfidskorsten som odlas mellan ett kallt hav och hydrotermisk vätska i rumstemperatur. Skorstenarna i temperaturgradienten var strängliknande och svaga till sin natur, medan icke-termiska gradientresultat (figur 3A-D) visar mer halvperpersonliga strukturer. Detsamma gällde när vattenvätskan värmdes upp (figur 4). Undantaget var vid högre sulfad- och järnkoncentrationer (figur 5) där en skorsten av massivt järnsulfid bildades mellan en hydrotermisk lösning i rumstemperatur och kall havssimulator.

Effekten av en termisk lutning på tillväxten av järnhydroxidskorstenar testades också. Resultaten visade mönster som liknade järnsulfidskorstenen: medan experimentet med järnhydroxid i rumstemperatur resulterade i en mer robust skorstensutfällning, resulterade termisk lutningsexperiment mellan den varma hydrotermiska vätskan och det kalla havet i en mindre hög med skorstensmaterial som inte sammanfördes vertikalt (figur 6). I motsats till de höga upprättstående strukturerna av järnhydroxidskorstenar som observerats i tidigare arbete (i rumstemperaturexperiment)29, visade vårt termiska gradientexperiment en annan morfologi.

Figure 1
Figur 1:Termisk lutningsskorstensapparatur. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren. 

Figure 2
Figur 2:3D-utskriven kondensor. (A) Schematisk för en 3D-utskriven kondensor som visar kondensordimensioner. B)Placering av ett havskärl i glas inuti kondensorn för att kyla havssimulatorn. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3:En mängd termiska ochicke-termiska lutningskorstenar. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF och 20mM FeCl2·4H2O ocean simulant. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF och 10 mM FeCl2·4H2O oceansimulator. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF och 20mM FeCl2·4H2O ocean simulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF och 20mM FeCl2·4H2O ocean simulant. (E-H) Termisk gradientskorstensexperiment från HTF-simulator i rumstemperatur till en kall havsreservoar (~5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF och 10 mM FeCl2·4H2O ocean simulant. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF och 20 mM FeCl2·4H2O oceansimulator. g) 20 mM Na2S•9H2O HTF och 10 mM FeCl2·4H2O oceansimulator. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF och 20 mM FeCl2·4H2O oceansimulator. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 4
Figur 4:Termiskt gradientexperiment. Experiment utfört med varm (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O lösning injiceras i en kall (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O havssimulator, producerar små skorstenssträngar. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 5
Figur 5: Effekten av koncentrationen av havssimulator på skorstenar. Högre koncentrationer (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O och 200 mM NaCl) av anoxiska havssimulatorer producerade mer strukturellt robusta, högre skorstenar. Rum-temperatur sulfid lösning injicerades i 2-10 °C havssimulator. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 6
Figur 6:Samtidig tillväxt av termiska ochicke-termiska lutningskorstenar. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O havslösning med en 200 mM NaOH hydrotermisk vätska (HTF) vätskesimulator vid rumstemperatur. (B) Termiskt gradientexperiment med samma koncentrationer med varm HTF vid ~35-50 °C i kall havssimulator vid ~5-10 °C. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Hydrotermisk vätskekemi (injektion) Havskemi (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: Koncentrationsmatris för both simulerade lösningar för havs- och hydrotermisk vätskeinjektion.

HTF °C Ocean Simulant Temperaturer °C
~23 ~23 5-10
~35-50 ~23 5-10

Tabell 2: Experimentell matris för termisk gradient. Hydrotermisk vätska (HTF) temperatur avser temperaturen på vätskan i sprutan; Den faktiska temperaturen vid inloppet till havsflaskan var mellan 20 och 35 grader lägre än temperaturen i sprutan (~70 °C) (se tilläggstillägg 1, figur 3och figur 4).

Kompletterande utskrivbar fil. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Tilläggstillägg 1. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Tilläggstillägg 2. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Tilläggstillägg 3. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Discussion

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.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

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.

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

Miljövetenskap nummer 168
Simulering av tidiga jordhydrotermiska skorstenar i en termisk gradientmiljö
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