Jardines químicos como flujo continuo Reactores simulación de sistemas hidrotermales Naturales
Summary
We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.
Abstract
Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive “hydrothermal” injections.
Introduction
"Jardines químicos" son precipitados inorgánicos autoensamblables desarrollados donde dos fluidos de químicas contrastantes interactúan 1,2. Estas estructuras inorgánicas de autoensamblaje han sido objeto de interés científico durante más de un siglo, en parte debido a su apariencia biomimético, y se han interpuesto numerosos estudios experimentales y teóricos para entender los diversos aspectos complejos y las posibles funciones de los sistemas jardín químicos 3. Ejemplos naturales de jardines químicos incluyen minerales "chimenea" precipitados que crecen alrededor de manantiales hidrotermales y filtraciones, y se ha argumentado que estos podrían proporcionar entornos plausibles para la vida emerja 4. Para cultivar un jardín química simulando un respiradero hidrotermal chimenea natural, una solución de reserva debe representar una composición océano simulado y una solución de inyección debe representar el fluido hidrotermal que alimenta en el océano. La versatilidad de este tipo of experimento para diferentes sistemas de reacción permite la simulación de casi cualquier química de los fluidos del océano / hidrotermal propuesto, incluyendo ambientes en la Tierra primitiva o en otros mundos. En la Tierra primitiva, los océanos habrían estado anóxico, ácido (pH 5-6), y habría contenido disuelto CO 2 atmosférico y Fe 2+, así como Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- y NO 2. Las reacciones químicas entre este agua de mar y la corteza oceánica ultramafic habrían producido un fluido hidrotermal alcalina que contiene hidrógeno y metano, y en algunos casos sulfuro (HS -) 4-8. Las chimeneas formadas en ambientes de ventilación alcalina tempranas de la Tierra por lo tanto podrían haber contenido oxihidróxidos férricos / ferrosos y sulfuros de hierro / níquel, y se ha propuesto que estos minerales podrían haber servido particulares funciones catalíticas y proto-enzimática hacia el aprovechamiento geoquímicos redox / gradientes de pH para conducir la aparición de Metabolism 5. Del mismo modo, en otros mundos como el que pueden albergar (o puede haber alojados) de agua / interfaces de roca – como Marte primitivo, la luna de Júpiter, Europa, o la luna de Saturno Encelado – es posible que la química del agua / roca podría generar entornos de ventilación alcalinos capaces de conducción química prebiótica o incluso proporcionar nichos habitables para la vida existente 5,9-11.
El clásico experimento jardín química implica un cristal de siembra de una sal de metal, por ejemplo, tetrahidrato de cloruro ferroso FeCl 2 • 4H 2 O, sumergido en una solución que contiene aniones reactivo, por ejemplo silicato de sodio o "vidrio soluble". La sal se disuelve de metal, creando una solución ácida que contiene Fe2 + que interactúa con la solución más alcalina (que contiene aniones de silicato y OH -) y se forma un precipitado membrana inorgánica. Las olas de membrana bajo presión osmótica, ráfagas, luego re-precipita unt la nueva interfaz de fluido. Este proceso se repite hasta que se disuelven los cristales, lo que resulta en una orientación vertical, la estructura precipitado auto-organizada con una morfología compleja en ambas escalas macro y micro. Este proceso de precipitación resultados en la separación continua de soluciones químicamente contrastantes través de la membrana jardín química inorgánica, y la diferencia de especies cargadas a través de la membrana produce un potencial de membrana 12-14. Estructuras de jardín Química son complejas, exhibiendo gradientes de composición desde el interior al exterior 13,15-19, y las paredes de la estructura mantener la separación entre las soluciones contrastadas por períodos largos sin dejar de ser un poco permeable a los iones. Además de ser un experimento ideal para fines educativos (ya que son fáciles de hacer para demostraciones en el aula, y pueden educar a los estudiantes acerca de las reacciones químicas y la auto-organización), jardines químicos tienen importancia científica como representaciones de la auto-assembly en dinámicos sistemas, lejos del equilibrio, que involucra métodos que pueden conducir a la producción de materiales interesantes y útiles 20,21.
Jardines química en el laboratorio también pueden ser cultivadas a través de métodos de inyección, en el que la solución que contiene un ion precipitando se inyecta lentamente en la segunda solución que contiene el ion (o iones) co-precipitación. Esto resulta en la formación de estructuras de jardín químicas similares a las de los experimentos de crecimiento de cristales, excepto que las propiedades del sistema y el precipitado se pueden controlar mejor. El método de inyección tiene varias ventajas significativas. Le permite a uno para formar un jardín química usando cualquier combinación de precipitantes o incorporados especies, es decir, múltiples iones precipitantes se pueden incorporar en una solución, y / o otros componentes no precipitante puede ser incluido en cualquiera de las soluciones para adsorber / reaccionan con el precipitado . El potencial de membrana generado en un producto químicosistema de jardín se puede medir en un experimento inyección si un electrodo se incorpora en el interior de la estructura, permitiendo así estudio electroquímico del sistema. Experimentos de inyección ofrecen la posibilidad de alimentar la solución de inyección en el interior del jardín química para marcos de tiempo controlados mediante la variación de la velocidad de inyección o el volumen total inyectado; por lo tanto es posible alimentar a través de diferentes soluciones de forma secuencial y utilizar la estructura de precipitado como una trampa o reactor. Combinadas, estas técnicas permiten simulaciones de laboratorio de los complejos procesos que podrían haber ocurrido en un sistema de jardín químico natural en un respiradero hidrotermal submarina, incluyendo una chimenea formado de muchas reacciones de precipitación simultáneas entre el océano y la ventilación de fluido (por ejemplo, la producción de sulfuros, hidróxidos , y / o carbonatos y silicatos) 5,22. Estas técnicas también se pueden aplicar a cualquier sistema de reacción jardín química para permitir la formación de nuevos tiposde materiales, por ejemplo, tubos de capas o tubos con especies reactivas adsorbidos 20,23.
Detallamos aquí un experimento de ejemplo que incluye el crecimiento simultáneo de dos jardines químicos, Fe 2 + que contienen estructuras en un ambiente anóxico. En este experimento se incorporaron cantidades traza de polifosfatos y / o aminoácidos en la solución inicial de inyección para observar su efecto sobre la estructura. Después de la formación inicial del jardín química que luego cambiamos la solución de inyección para introducir el sulfuro como un anión precipitante secundaria. Las mediciones de los potenciales de membrana se realizan automáticamente durante todo el experimento. Este protocolo describe cómo ejecutar dos experimentos a la vez utilizando una bomba de jeringa dual; Los datos mostrados requieren múltiples carreras de este procedimiento. Las tasas relativamente altas de flujo, pH bajo de las concentraciones del yacimiento y reactivos empleados en nuestros experimentos están diseñados para formar precipitados gran chimenea en tiempo sccervezas adecuados para experimentos de laboratorio de un día. Sin embargo, las tasas de flujo de fluido en fuentes hidrotermales naturales pueden ser mucho más difusa y las concentraciones de reactivos precipitantes (por ejemplo, Fe y S en un sistema de la Tierra temprana) podrían ser un orden de magnitud inferior 4; por lo tanto, precipitados estructurados se forman en escalas de tiempo más largos y la rejilla de ventilación podrían estar activos durante decenas de miles de años 24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
La formación de una estructura química a través de jardín método de inyección se puede lograr mediante la interconexión dos soluciones que contienen iones reactivos que producen un precipitado. Hay muchos sistemas de reacción posibles que producirán estructuras precipitado y encontrar la receta adecuada de iones reactivos y concentraciones para hacer crecer una estructura deseada es una cuestión de prueba y error. El caudal de la solución de inyección se controla mediante una bomba de jeringa programable y e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration. We acknowledge the support by the NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. is supported by the NAI through the NASA Postdoctoral Program, administered by Oak Ridge Associated Universities through a contract with NASA. J.E.N. was supported through a US Department of Education PR/Award #: P031C110019 administered through Citrus College. We acknowledge useful discussions with members of the NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group and the Blue Marble Space Institute of Science.
Materials
| Syringe Pump | Fisher | 14-831-3 | Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments |
| Ferrous chloride tetrahydrate | Fisher | I90500 | Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified) |
| Ferric chloride hexahydrate | Fisher | I88-100 | Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS) |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous) |
| Sodium sulfide nonahydrate | Fisher | S425212 | Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20C. 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. |
| Potassium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | 322431 | 97%, http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en®ion=US |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en®ion=US |
| Syringes (10cc) | Fisher | 14-823-16E | BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) |
| Syringe needles (16 gauge) | Fisher | 14-826-18B | BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38mm) |
| Tubing | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16"ID X 1/8"OD |
| Aluminum seals | Fisher | 0337523C | Thermo Scientific™ National™ Headspace 20mm Crimp Seals |
| Gray butyl stoppers | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ National™ 20mm Septa for Headspace Vials |
| Serum bottles | Sigma-Aldrich | 33110-U | Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off. |
| Pipette tips | VWR | 53511-682 | pipette tips 0.5-10 microliters |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
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