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Environment

Simulation de cheminées hydrothermales de la Terre primitive dans un environnement à gradient thermique

Published: February 27, 2021
doi:
10.3791/61789
, ,
1NASA Jet Propulsion Laboratory,California Institute of Technology, 2The University of Tulsa

Summary

L’objectif de ce protocole est de former des cheminées hydrothermales simulées via des expériences d’injection de jardin chimique et d’introduire un gradient thermique à travers la membrane de précipité inorganique, à l’aide d’un condensateur imprimable en 3D qui peut être reproduit à des fins éducatives.

Abstract

Les cheminées hydrothermales des grands fonds sont des précipités auto-organisés générés par des déséquilibres géochimiques et ont été proposés comme un cadre possible pour l’émergence de la vie. La croissance des cheminées hydrothermales dans un environnement à gradient thermique au sein d’un système d’évent terrestre primitif a été simulée avec succès en utilisant différents simulants hydrothermaux, tels que le sulfure de sodium, qui ont été injectés dans un simulant océanique terrestre précoce contenant du fer ferreux dissous. De plus, un appareil a été développé pour refroidir suffisamment le simulant océanique à près de 0 °C dans un récipient de condenseur immergé dans un bain d’eau froide tout en injectant une solution de sulfure à des températures chaudes à ambiantes, créant ainsi une structure de cheminée artificielle dans un environnement de gradient de température sur une période de quelques heures. De telles expériences avec différentes chimies et gradients de température variables ont abouti à une variété de morphologies dans la structure de la cheminée. L’utilisation de simulants de fluides océaniques et hydrothermaux à température ambiante a entraîné des cheminées verticales, tandis que la combinaison d’un fluide hydrothermal chaud et d’un simulant océanique froid a empêché la formation de structures de cheminée robustes. Le condenseur personnalisable imprimé en 3D créé pour cette étude agit comme un récipient de réaction gainé qui peut être facilement modifié et utilisé par différents chercheurs. Il permettra un contrôle minutieux du taux d’injection et de la composition chimique des simulateurs d’évent et d’océan, ce qui devrait aider à simuler avec précision les réactions prébiotiques dans les systèmes de cheminée avec des gradients thermiques similaires à ceux des systèmes naturels.

Introduction

Les cheminées hydrothermales sont des précipités de jardin chimique auto-organisés générés par des déséquilibres géochimiques dans des environnements d’évents en eau profonde alors que le fluide chauffé et hydrothermiquement modifié s’infiltre dans un océan plus froid. Dans un scénario de la Terre ancienne, il a été proposé que les cheminées se formaient à d’anciens évents alcalins, et que la transectisation de gradients pH ambiants / redox / chimiques aurait pu entraîner des réactions vers l’émergence du métabolisme1,2,3,4,5,6. Des cheminées hydrothermales ont également été postulées pour exister sur d’autres planètes, y compris les mondes océaniques, Europe et Encelade7,8,9,10. Diverses expériences ont été menées pour simuler des aspects de la chimie hydrothermale prébiotique proposée, y compris la précipitation de minéraux catalytiques de sulfure de fer qui pourraient réduire le CO211,12, la synthèse organique basée sur le gradient13,14,15, et l’incorporation de matières organiques dans les structures de cheminée16. En créant des configurations expérimentales pour imiter les cheminées hydrothermales, que ce soit sur Terre ou sur d’autres mondes, il est essentiel de prendre en compte les gradients géochimiques et la nature ouverte et éloignée de l’équilibre du système pour produire des simulations réalistes.

En plus des gradients de pH, d’oxydoréo-redox et de produits chimiques, les évents hydrothermaux imposent également un gradient thermique à travers la membrane / paroi de la cheminée en raison de l’alimentation du liquide d’évent chauffé dans un environnement de fond marin froid. Les températures froides des océans des fonds marins peuvent varier en fonction de la profondeur, de la pénétration solaire et de la salinité; la profondeur moyenne des fonds marins sur les sites d’aération (principalement aux dorsales médio-océaniques) est comprise entre 0 et 4 °C17. Selon le type d’évent, le gradient thermique entre l’océan et le fluide d’évent peut varier considérablement – des gradients plus doux des évents alcalins, tels que Lost City18,19 ou le champ hydrothermal de Strytan où le fluide d’évent est de 40-90 ° C20,21, aux fumeurs noirs des fonds marins profonds où le liquide d’évent peut atteindre plusieurs centaines de degrés Celsius22, 23,24,25. Du point de vue de l’origine de la vie, la simulation des gradients thermiques dans les systèmes hydrothermaux est importante car ils pourraient affecter la minéralogie et la réactivité chimique des précipités de cheminée3,13 et/ou affecter l’habitabilité car les cheminées hydrothermales hébergent des microbes qui prennent des électrons directement à partir de surfaces minérales26. Dans un gradient à travers le mur de la cheminée, une gamme de conditions de température serait présente sur une courte distance, et le mur de la cheminée représenterait une combinaison de minéraux et de réactions caractéristiques de tous ces régimes thermiques.

Des cheminées hydrothermales cultivées en laboratoire dans des gradients thermiques ont été simulées pour explorer les effets de l’océan froid et du fluide hydrothermal chaud sur cet environnement prébiotique potentiel. Généralement, parce que la culture de cheminées hydrothermales simulées via une méthode d’injection avec un intérieur chauffé et un extérieur froid présente des défis pratiques, les expériences de cheminée les plus accessibles sont celles effectuées à pression ambiante (ne nécessitant donc pas de réacteurs coûteux et compliqués). Les tentatives précédentes de cheminées cultivées en laboratoire dans un gradient thermique n’ont pas été en mesure de produire à la fois un fluide hydrothermal chaud / chaud et un océan froid. Dans le but de maintenir toute la cheminée à haute température pendant de longues durées pour former des minéraux réactifs pouvant entraîner des réactions organiques, certaines études ont chauffé l’ensemble de l’expérience (océan et fluide hydrothermal) à ~ 70 ° C en utilisant une veste chauffante ou un bain chaud13,14. Un autre type d’expérience de formation de précipité de cheminée, dans un appareil à « pile à combustible », a formé le simulant de mur de cheminée sur un gabarit de membrane plate; ces expériences ont également été chauffées en vrac en immergeant l’appareil à gradient de pile à combustible dans un bain d’eau chaude27,28. Des études antérieures ont formé des cheminées hydrothermales simulées à partir de fluides hydrothermaux chauds (chauffés à ~70 °C en utilisant diverses méthodes) injectés dans un océan à température ambiante3,12; cependant, un océan froid n’a pas été tenté.

Ce travail fait progresser les méthodes de simulation de laboratoire de croissance de cheminée prébiotique4 pour créer un gradient thermique réaliste d’un océan froid (0-5 ° C) à un fluide hydrothermal chauffé dans lequel synthétiser les matériaux de cheminée et tester les propriétés d’intérêt. À ce jour, aucune expérience de cheminée prébiotique n’a été menée avec succès avec un gradient de température réaliste pour les évents alcalins: avec la solution d’évent intérieur maintenue à ~ 70 ° C et la solution océanique extérieure refroidie à ~ 5 ° C. De plus, dans les quelques expériences de cheminée chauffée qui ont été menées, l’installation expérimentale est complexe et peut être coûteuse. Les expériences de jardins chimiques ont un grand potentiel pour fournir des informations sur les processus qui ont pu avoir lieu dans les cheminées hydrothermales sur la Terre primitive. Par conséquent, la possibilité de mettre en place rapidement plusieurs variantes d’une expérience de cheminée est avantageuse, tout comme la possibilité d’avoir un appareil simple peu coûteux, non fragile, facile à modifier et idéal pour les étudiants. Présenté ici est un nouvel appareil (Figure 1) conçu pour faciliter la croissance d’une cheminée hydrothermale simulée tout en maintenant et en surveillant un gradient thermique réaliste entre l’océan froid et le simulant de fluide hydrothermal chauffé. Cet appareil expérimental est de conception similaire à un réacteur à gaine, mais il s’agit d’un condenseur imprimé en trois dimensions (3D) qui peut être facilement produit par tout groupe de recherche intéressé à mener des expériences similaires (voir Fichier imprimable supplémentaire ). À l’aide de ce condenseur imprimé en 3D, des expériences de cheminée à gradient thermique ont été menées pour tester l’utilité de cet appareil pour maintenir des gradients de température robustes et pour tester les effets des gradients de température sur la structure et la morphologie de la cheminée.

Protocol

1. Considérations relatives à la sécurité Utilisez de l’équipement de protection de laboratoire pour la protection personnelle, y compris des gants en nitrile, des lunettes de protection, des blouses de laboratoire et des chaussures appropriées (pas d’exposition de la peau). Lorsque vous utilisez des seringues et des aiguilles, veillez à ne pas percer les gants ou la peau. Vérifiez l’ensemble de l’appareil dans la hotte pour les fuites. Vérifiez la stabilité des flacons en verre et du condenseur sur le support avant d’ajouter un produit chimique au mélange. Exploiter toutes les expériences de gradient thermique dans les fumées pour contenir les déversements d’eau. Utilisez tout le sulfure de sodium (Na2S•9H2O) dans les fumées car il est dangereux pour la santé. Conservez le sulfure de sodium dans la hotte et placez une balance à l’intérieur de la hotte pour peser la quantité de sulfure. Conservez toujours les solutions contenant du sulfure à l’intérieur de la hotte pendant qu’elles libèrent du gaz H2S toxique et conservez le liquide sulfuré, les objets tranchants et les conteneurs de déchets solides dans la hotte. Ne mélangez pas les déchets de solution sulfuré avec d’autres produits chimiques connus. Lors de l’utilisation du réactif Fe(II)Cl2•4H2O, purger systématiquement avecN2/Ar car il s’oxyde lors de l’exposition à l’air. Gardez les solutions anoxiques dans la hotte en plaçant le gazN2/ Ar dans l’espace de tête à l’intérieur de la hotte. Sécuriser avec un parafilm pour éviter toute oxydation supplémentaire. 2. Configuration pour les expériences d’injection Serrez l’injection de condenseur imprimée en 3D sur un support dans une hotte de fumée, de sorte que le petit trou d’entrei soit orienté vers le bas de la hotte. Assurez-vous que le condenseur est nivellement à l’intérieur de la pince. Créez des « récipients d’injection » en verre en coupant 1 cm du fond d’un flacon de sérum à sertir en verre transparent de 100 mL (type de fermeture à sertir de 20 mm) à l’aide d’un coupe-verre et assurez-vous que le récipient est ouvert à l’air de bas en haut. Nettoyez les flacons dans un bain d’acide HCl de 1 M pendant la nuit, puis rincez à l’eau double distillée (ddH2O) avant de mener une nouvelle expérience. Réexprimez le verre à moins qu’il ne soit fissuré ou cassé, puis jetez-le. Préparer les flacons d’injection (Figure 1). Collectez les matériaux suivants : un septum de 20 mm, un joint de sertissage en aluminium de 20 mm, une pointe de pipette en plastique de 0,5 à 10 μL, une aiguille de seringue de 16 G et un outil de sertissage. Perforez soigneusement un trou au centre du septum en caoutchouc, puis retirez et jetez l’aiguille dans un récipient à déchets tranchants. Insérez la pointe de la pipette dans le trou de l’aiguille, dans le côté du septum en caoutchouc qui fera face à l’intérieur du sommet du sertissage du flacon. Poussez la pointe de la pipette à travers le septum pour qu’elle sorte légèrement de l’autre côté.REMARQUE: Ne poussez pas jusqu’au bout, car cela ne donnera pas assez de dégagement pour placer le joint de sertissage avec l’outil de sertissage. Placez le sertissage sur le sceau de sertissage. Pressez le sertissage et scellez le septum avec l’embout de la pipette sur le récipient d’injection pour le rendre étanche. Après avoir scellé correctement, poussez la pointe de la pipette à travers le bocal en verre, de sorte qu’elle dépasse d’environ 1,0 « du verre. Placez un tube clair, flexible et résistant aux produits chimiques de 1/16 ” de diamètre intérieur sur l’extrémité de la pipette pour obtenir un joint étanche sur l’embout de la pipette.REMARQUE: Le tube doit être assez long pour atteindre la seringue de 16 G sur le dessus de la pompe à seringue, car la seringue pompera le fluide hydrothermal à travers ce tube transparent dans le simulant océanique. Placez les flacons d’injection dans le condenseur imprimé en 3D dans la hotte aspirante, en serpentant le tube à travers le trou de l’aisséro du condenseur sur le fond. Assurez-vous que le flacon dépasse du petit trou d’aiséro du condenseur.REMARQUE: Si plusieurs condenseurs doivent être utilisés, plusieurs flacons peuvent être installés à la fois et alimentés simultanément par des seringues séparées. Vérifiez s’il n’y a pas de fuite finale en insérant une seringue de 10 mL remplie de ddH2O et d’une aiguille de 16 G à l’autre extrémité du tube ouvert. Insérez soigneusement l’aiguille de 16 G dans le tube afin de ne pas percer le tube. Injectez lentement le ddH2O afin qu’il se déplace vers le haut du tube et dans le fond du récipient de réaction pour s’assurer que la seringue / tube, le tube / pointe et les joints de sertissage sont tous étanches. Fixez fermement le parafilm sur le dessus coupé du flacon et placez un petit morceau de ruban adhésif sur le dessus du parafilm. Percez un petit trou à travers le ruban adhésif afin que l’O2 puisse s’en sortir lorsque N2/ Ar est pompé. Installezdes conduitesde gaz N 2 / Ar qui alimenteront chacune l’un des flacons d’injection à partir du sommet de la coupure pour rendre le flacon en verre anoxique avant que le simulant océanique ne soit versé. Divisez l’alimentation en gaz d’une source N2/ Ar en plusieurs tubes, de sorte qu’il y ait une alimentation N2/ Ar pour chaque flacon d’injection (si vous menez plusieurs expériences). Placez la seringue (connectée à N2/ Ar) en perforant à travers le ruban, en planant au-dessus de la solution océanique dans le flacon. Veillez à ne pas pénétrer dans la solution océanique avec l’aiguille pour éviter toute perturbation de la croissance de la cheminée. 3. Préparation de solutions pour la croissance chimique du jardin Préparation du simulant d’océan Préparer 100 mL de solution pour chaque expérience.REMARQUE : Dans cet exemple, utilisez le tableau 1 pour des concentrations spécifiques comme cations précipitants. Créer des solutions anoxiques en faisant d’abord bouillonner 100 mL de ddH2O avec du gazN2/Ar pendant environ 15 min pour 100 mL dans une fiole d’Erlenmeyer. Peser et ajouter l’un des ingrédients de la chimie de l’océan, en remuant doucement pour dissoudre (pas vigoureusement afin de ne pas introduire d’oxygène). Après avoir dissous les réactifs, reprendre immédiatement le léger bouillonnement du simulant océanique avec le gazN2/Ar lors de la préparation des injections hydrothermales. Préparation d’un simulant de fluide hydrothermal (préparation de sulfure de sodium) Choisissez l’une des concentrations d’injection indiquées dans le tableau 1et préparez 10 mL de chaque concentration. Remplissez les seringues de 10 mL avec les solutions. Remplacez les bouchons d’aiguille et réservez.REMARQUE: Conservez toujours les solutions contenant du sulfure et les seringues dans la hotte. Peser la quantité requise de sulfure de sodium (Na2S•9H2O) dans la hotte uniquement (50 mL de solution avec ddH2O). Remplissez un tube de centrifugeuse de 50 mL avec ddH2O. Placez le Na2S•9H2O dans le tube de centrifugation de 50 mL et scellez-le hermétiquement dans la hotte. Secouez soigneusement le tube dans la hotte jusqu’à ce que toutes les particules de sulfure soient complètement dissoutes. Conserver la solution anoxique dans la hotte à l’aide d’un parafilm dans lequel une aiguille de 10 G injectantN2/Ar a été insérée. 4. Mise en place de la thermistance Placez la thermistance dans une position stable sur un banc latéral aussi près que possible de la hotte. Insérez le côté USB d’un câble adaptateur RS232 dans le port USB de l’ordinateur. Allumez l’alimentation de la thermistance. Pour obtenir des instructions sur la mise en place des résistances à câble, voir la procédure relative aux thermistances à l’appendice supplémentaire 2. Allumez le logiciel de thermistance sur l’ordinateur. Faites défiler jusqu’à Ports de communication. Sélectionnez les premiers ports de communication et cliquez sur le bouton Connecter à gauche pour chaque port, jusqu’à ce que la thermistance se connecte au logiciel.REMARQUE: Le logiciel affichera les barres de configuration de lecture en vert. L’icône d’échantillonnage continuera à clignoter, montrant qu’elle échantillonne la température actuelle à intervalles fréquents. Si aucun de ces signaux n’est observé, choisissez d’autres ports de communication. Si aucun des ports de communication ne fonctionne, un message contextuel s’affiche, indiquant Erreur de communication ou Impossible de communiquer. Si une erreur de communication apparaît, fermez le programme et redémarrez. Vérifiez à nouveau les câbles ruban et assurez-vous qu’ils sont correctement connectés aux broches des broches des câbles RS232. Une fois connecté, assurez-vous que Output lit 100% dans les barres rouges. Une fois que la thermistance clignote des mesures d’intervalles fréquentes, modifiez le temps d’intervalle à 60 s. Dans la zone Options du contrôleur, vers le bas, effacez 1 s et passez à 60 s. Cliquez sur le bouton OK. Il y aura un bouton ovale à côté du logo de l’entreprise intitulé Auto-scale. Cliquez sur ce bouton pour activer la mise à l’échelle automatique. Notez la ligne jaune qui affichera la lecture de la température. À l’intérieur de la zone de tracé, cliquez avec le bouton droit de la souris pour ajuster le tracé à votre guise, par exemple en mettant à l’échelle les axes x et y. Faites un clic droit dans la zone du tracé, puis cliquez sur exporter vers Excel avant qu’une nouvelle lecture ne commence toutes les 5000 s ou 83,33 min (selon l’intervalle d’enregistrement choisi). Enregistrez les données de température et de temps dans la feuille de calcul créée automatiquement par le programme. Placez la sonde à thermistance métallique dans le vaisseau océanique en verre à l’intérieur du condenseur. Assurez-vous que la sonde est mise sur le côté du verre car la sonde de thermistance suspendue au milieu du flacon de verre interrompra la croissance de la cheminée. Couvrir à nouveau avec un parafilm. 5. Mise en place du bain de glace Prenez une casserole en plastique plus grande et un seau de taille moyenne. Remplissez le seau d’eau jusqu’à mi-chemin. Placez le seau à l’intérieur de la casserole et placez la glace à l’intérieur de l’eau jusqu’à ce qu’elle soit presque pleine. Placez les deux tuyaux de coupure en plastique sur chaque extrémité de la pompe à eau(annexe supplémentaire 3, figure 1). Notez que l’ouverture verticale de la pompe est l’endroit où l’eau sera versée pour commencer l’amorçage, et l’ouverture horizontale est l’endroit où l’eau est éjectée. Branchez la pompe à une prise de courant, mais laissez les connecteurs électriques ouverts car ils alimenteront la pompe lorsqu’ils seront connectés. Raccordez le tuyau horizontal en plastique(annexe supplémentaire 3, figure 2)à l’orifice supérieur du condenseur, face à la droite, en veillant à ce que le tuyau soit suffisamment long pour atteindre le seau à glace. Placez un autre tuyau en plastique coupé à l’orifice gauche (inférieur) du condenseur, en vous assurant que ce tuyau est également assez long pour atteindre le bain-marie. Placez ce tuyau sur le seau d’eau glacée dans lequel l’eau sera éjectée du condenseur. Versez de l’eau froide à travers le tuyau relié à l’ouverture verticale de la pompe. Lorsque la pompe est pleine d’eau, atteignez jusqu’à l’orifice du condenseur, immergez le tuyau dans le bain-marie et connectez immédiatement les connecteurs électriques.REMARQUE: Cela peut nécessiter deux personnes. Amorcez la pompe pour qu’elle commence à faire couler de l’eau dans le condenseur, remplissez le seau de glace et placez un thermomètre dans le seau pour vérifier la température.REMARQUE: La température de l’eau devrait atteindre ~ 0 ° C. Voir l’essai de contrôle à l’appendice supplémentaire 1, figure 2. Continuez à ajouter plus de glace pour maintenir l’eau à une température froide, tout en enlevant une partie de l’eau plus chaude. 6. Préparation à l’injection Amenez les seringues ddH2O (section 2.3) à côté des seringues d’injection de liquide hydrothermal. Faites glisser délicatement le tuyau d’injection en plastique de l’aiguille de la seringue ddH2O et transférez-le immédiatement directement sur l’une des aiguilles de la seringue d’injection primaire.REMARQUE: Ne perforez pas la paroi du tube. Branchez le coussin chauffant pour chauffer le simulant hydrothermal à 70-80 °C.  (Attention : des températures plus élevées peuvent déformer ou endommager la seringue en plastique.) Enroulez le tampon autour de la seringue sulfuré et vissez fermement deux pinces métalliques autour du tampon(annexe supplémentaire 3, figure 3). Une fois les pinces fixées en place, placez-les sur la pompe à seringue et fixez bien la pompe (cela dépend de la pompe à seringue de votre choix). Réglez la température du boîtier de commande sur ~70 °C en appuyant sur la touche fléchée vers le haut(annexe supplémentaire 3, figure 5). Appuyez sur set/start. Une fois que la ou les seringues chauffées sont verrouillées sur la pompe à seringue, réglez la pompe à seringue pour qu’elle s’injecte à 1-2 mL/h. Vérifiez que les solutions océaniques sont complètement dissoutes. S’il fait nuageux, remuer jusqu’à ce qu’il soit presque dissous. Titrer le simulant de l’océan à un pH de 5,5 pour simuler l’acidité de l’océan Hadéen30,31. Utilisez 10 M HCl et ajoutez des gouttelettes lentement (sous l’alimentation N2/ Ar) jusqu’à ce que le pH-mètre indique un 5,5 stable. S’il dépasse 5,5, utilisez NaOH pour ramener le pH à des niveaux plus basiques en utilisant la même méthode de gouttelettes lentes. Versez une ou deux solutions océaniques dans les cheminées préfabriquées. Verser une solution océanique dans le flacon de verre à l’intérieur du condenseur et l’autre dans le récipient à température ambiante sans condenseur (si vous effectuez deux expériences) (Figure 6).REMARQUE: Ne déplacez pas la sonde de température. Scellez le dessus des flacons en verre avec du parafilm. Remplacez l’alimentation N2/ Ar au sommet de l’espace de tête du simulant océanique, en prenant soin de ne pas introduire l’aiguille dans le simulant océanique. Programmez la pompe à seringue pour qu’elle s’injecte à 1-2 mL/h (calibrez en fonction de la taille de la seringue utilisée, selon le type de pompe à seringue), mais n’appuyez pas sur Démarrer. Pour éviter toute perte thermique à travers la longueur du tube, injectez rapidement le fluide chaud pour entrer en contact immédiat avec le réservoir océanique. Ensuite, laissez l’injection couler à 1-2 ml / h dans l’océan froid. (Voir l’essai thermique de la seringue à l’annexe supplémentaire 1). Utilisez des béchers à déchets pour attraper les gouttes. Commencez l’injection et commencez à enregistrer la température de l’océan sur la thermistance. 7. Surveillance de la température et de l’expérience REMARQUE: Une fois que l’eau circule dans le condenseur, la sonde de température de la thermistance commencera à afficher la chute de température dans l’océan. L’objectif est que la température atteigne près de 0 °C. Voir le tableau 2 pour les réglages précis du gradient de température (thermique). Enregistrez toutes les données de température en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la zone du tracé et enregistrez-les en tant que fichier . Fichier CSV.REMARQUE: Le programme enregistrera jusqu’à 5000 s de données de température, puis recommencera. Continuez à ajouter de la glace dans le seau pour maintenir des températures proches du point de congélation, jusqu’à ce que la cheminée se soit principalement développée, ou du moins jusqu’à ce que la seringue soit presque vide. Surveillez également la cheminée à température ambiante. Prenez des photos fréquentes tout au long de la croissance de la cheminée pour les deux cheminées. Une fois la cheminée terminée, placez une petite règle à côté des deux cheminées, puis prenez et enregistrez des images.REMARQUE: L’ensemble du processus devrait fonctionner pendant ~ 6 h. 8. Mettre fin à l’expérience Arrêtez la pompe à seringue, puis arrêtez d’enregistrer la température sur la thermistance et enregistrez les données dans une feuille de calcul. Éteignez le flux N2/Ar et retirez les conduites et le parafilm des récipients d’injection. Si nécessaire, échantillonnez la solution océanique ou précipitez-la pour une analyse plus approfondie. Pour retirer soigneusement la solution du réservoir sans perturber le précipité, utilisez une pipette de 25 mL pour pipeter soigneusement plusieurs aliquotes de la solution du réservoir et jetez la solution dans un bécher à déchets. Égoutter soigneusement le flacon à l’intérieur du condenseur dans un bécher à déchets. Retirez le tube de la seringue et laissez la solution océanique s’écouler dans le bécher de la hotte aspirante. Faites de même pour le flacon sans condenseur. Retirez les récipients, un à la fois, de la pince et utilisez ddH2O pour rincer les morceaux de précipité dans un bécher à déchets. Retirez le tube et les seringues de la pompe à seringues. Videz les seringues et tout liquide d’injection supplémentaire dans le bécher de transfert des déchets et jetez les seringues dans un récipient à tranchant sulfuré conservé dans la hotte aspirante. Retirez le tube du flacon expérimental et jetez-le dans un sac à déchets solides. Détâcez le joint et jetez le septum, le joint et la pointe de la pipette. Rincez le flacon d’expérience en verre et faites-le tremper toute la nuit dans un bain d’acide HCl de 1 M.REMARQUE: La verrerie qui a été en contact avec du sulfure de sodium libérera du gaz H2S toxique lorsqu’elle est placée dans de l’acide. Par conséquent, gardez tous les bains d’acide à l’intérieur de la hotte.

Representative Results

Comme dans les études précédentes1,2,13,29; une fois que le simulant de fluide hydrothermal a atteint le flacon océanique, une structure de précipité minéral a commencé à se former qui est devenue plus épaisse et plus haute pendant la durée de l’injection. Les cheminées en sulfure de fer étaient des structures délicates qui n’étaient pas très robustes et qui étaient facilement désagrégées si le flacon ou l’injection océanique était physiquement perturbé. Ceci est cohérent avec les résultats des études précédentes3. La concentration chimique de la solution sulfuré a également joué un rôle essentiel dans la morphologie des cheminées sulfurés. Des solutions plus concentrées de sulfure ont permis d’obtenir des précipités minéraux plus hauts et plus robustes, comme le montre la figure 5,tandis que des concentrations plus faibles de solutions sulfurées produisaient de faibles structures de cheminée. Dans certains cas, aucune structure n’a été formée, seule une « soupe » sulfurée-minéral liquide a été créée, qui finirait par se déposer sous forme de sédiment(figure 3D). Cela s’est produit dans des conditions de gradient thermique et non thermique. Dans les expériences de cheminée à gradient thermique avec du sulfure de fer, les structures de cheminée solides ne fusionnant généralement pas aussi bien qu’à température ambiante. La figure 3E-H montre la morphologie d’une cheminée de sulfure de fer cultivée entre un océan froid et un fluide hydrothermal à température ambiante. Les cheminées dans le gradient de température étaient enfilées et de nature ténue, tandis que les résultats du gradient non thermique(Figure 3A-D)montrent des structures plus semi-permanentes. Il en allait de même lorsque le fluide hydrothermal était chauffé (Figure 4). L’exception était à des concentrations plus élevées de sulfure et de fer (figure 5) où une cheminée de sulfure de fer solide s’est formée entre une solution hydrothermale à température ambiante et un simulant d’océan froid. L’effet d’un gradient thermique sur la croissance des cheminées d’hydroxyde de fer a également été testé. Les résultats ont montré des modèles similaires à ceux de la cheminée de sulfure de fer: alors que l’expérience de l’hydroxyde de fer à température ambiante a abouti à un précipité de cheminée plus robuste, l’expérience de gradient thermique entre le fluide hydrothermal chaud et l’océan froid a abouti à un plus petit monticule de matériau de cheminée qui n’a pas fusionné verticalement (Figure 6). Contrairement aux hautes structures verticales des cheminées d’hydroxyde de fer observées dans des travaux antérieurs (dans des expériences à température ambiante)29, notre expérience de gradient thermique a montré une morphologie différente. Figure 1: Appareil de cheminée à gradient thermique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.  Figure 2: Condenseur imprimé en 3D. (A) Schéma d’un condenseur imprimé en 3D montrant les dimensions du condenseur. (B) Placement d’un navire océanique en verre à l’intérieur du condenseur pour refroidir le simulant océanique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 3: Une variété de cheminées à gradient thermique et non thermique. (A-D) Expérience de contrôle du gradient non thermique du fluide hydrothermal à température ambiante (HTF) au simulant océanique à température ambiante. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF et 20mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF et 10 mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF et 20mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF et 20mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (E-H) Expérience de cheminée à gradient thermique du simulant HTF à température ambiante à un réservoir océanique froid (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF et 10 mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF et 20 mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF et 10 mM FeCl2·4H2O simulant océanique. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF et 20 mM FeCl2·4H2O simulant océanique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4: Expérience de gradient thermique. Expérience réalisée avec une solution chaude (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O injectée dans un simulant océanique froid (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O, produisant de petits brins de cheminée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 5: Effet de la concentration du simulant océanique sur les cheminées. Des concentrations plus élevées (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O et 200 mM NaCl) de simulants anoxiques de l’océan ont produit des cheminées plus robustes et plus hautes sur le plan structurel. Une solution de sulfure à température ambiante a été injectée dans un simulant océanique de 2 à 10 °C. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 6: Croissance simultanée des cheminées à gradient thermique et non thermique. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O solution océanique avec un fluide hydrothermal 200 mM NaOH (HTF) simulant à température ambiante. (B) Expérience de gradient thermique avec les mêmes concentrations avec du HTF chaud à ~35-50 °C dans un simulant d’océan froid à ~5-10 °C. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Chimie des fluides hydrothermaux (injection) Chimie des océans (réservoir) 50 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl ou NaHCO3 20 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl ou NaHCO3 10 mM Na2S 20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl ou NaHCO3 200 mM NaOH 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O Tableau 1: Matrice de concentration pour lessolutionssimulées d’injection de fluides océaniques et hydrothermaux. HTF °C Températures simulantes océaniques °C ~23 ~23 5-10 ~35-50 ~23 5-10 Tableau 2 : Matrice expérimentale à gradient thermique. La température du fluide hydrothermal (HTF) fait référence à la température du fluide dans la seringue; la température réelle à l’entrée du flacon océanique était inférieure de 20 à 35 degrés à la température à l’intérieur de la seringue (~70 °C) (voir l’appendice supplémentaire 1, la figure 3et la figure 4). Fichier imprimable supplémentaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.  Annexe supplémentaire 1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.  Annexe supplémentaire 2. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.  Annexe supplémentaire 3. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. 

Discussion

Effet des gradients thermiques sur la croissance simulée des cheminées: Cet appareil expérimental a produit plusieurs variations dans les morphologies des cheminées qui étaient dues à plusieurs paramètres expérimentaux. Les cheminées de sulfure de fer et d’hydroxyde de fer formaient de hautes structures verticales à température ambiante, mais formaient des précipités plus ténus et filandreux ou des monticules plats dans les expériences de gradient thermique. Ceci était cohérent avec les résultats de Herschy et al. où des précipités de cheminée non érigés ont été formés à partir d’un fluide hydrothermal chauffé à 70-80 ° C et injectés dans le simulant océanique à température ambiante33. Il y a plusieurs explications possibles à cela: le transfert de chaleur par convection peut provoquer des forces de flottabilité plus naturelles (ainsi que le pompage forcé de l’injection) pour que le précipité s’écoule rapidement vers le sommet du navire océanique au fur et à mesure de sa formation. Alternativement, le chauffage du fluide de la seringue rend le simulant hydrothermal moins dense et donc plus enclin à s’élever verticalement qu’à se stabiliser au-dessus du point d’injection. Il est possible que cet effet puisse être atténué en modifiant le taux d’injection de la seringue à des taux plus lents pour permettre la croissance d’une structure plus stable. White et al. ont examiné la croissance de la cheminée de sulfure de fer avec le simulant hydrothermal injecté à des vitesses extrêmement lentes (0,08 mL / h), et bien que la cheminée ait mis des jours à fusionner, elle était structurellement stable13. Comme Herschy et al. ont utilisé des pompes péristaltiques à des taux d’injection de 10-120 mL / h, ce qui est plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les taux utilisés dans nos expériences de gradient thermique, il n’est pas surprenant qu’ils aient également produit des structures de cheminée en forme de ficelle33.

Des concentrations plus élevées de réactifs précipitants dans l’océan et de solutions d’évent peuvent également produire des cheminées plus robustes dans les gradients thermiques. Des concentrations chimiques plus élevées d’ions précipitants (sulfure ou hydroxyde) dans le fluide hydrothermal ou le simulant océanique peuvent entraîner une masse globale de précipité plus élevée, créant ainsi une structure plus forte. Comme Herschy et al. et White et al. utilisaient des concentrations plus faibles de sulfure dans le fluide hydrothermal (10 mM), leurs structures étaient plus petites que celles produites dans ce travail en utilisant des concentrations de sulfure plus élevées (20-50 mM). En outre, certaines études sur la croissance des cheminées de sulfure de fer ont également inclus de la silice dans le fluide hydrothermal avec le sulfure de sodium, ce qui peut aider à produire des cheminées plus robustes3,13,33. Les structures de jardin chimique en silice ont également été utilisées pour simuler des aspects de la croissance de la cheminée hydrothermale34, et celles-ci ont tendance à produire des structures très robustes qui peuvent être retirées du tube / flacon pour une analyse physique. Cependant, les effets des gradients de température sur les structures d’injection de silice ne sont pas connus et feront l’objet d’études plus approfondies.

Considérations pour les futures expériences de simulation de cheminée: Le condenseur imprimé en 3D créé dans cette étude pour refroidir le navire océanique a agi comme un navire de réaction gainé, mais avec quelques améliorations pratiques: 1) le toit ouvert a permis l’échantillonnage de la cheminée et le maintien de l’espace de tête anoxique de l’océan; 2) la partie imprimée en 3D conférait une reproductibilité facile; 3) comme les dessins peuvent être édités numériquement, l’appareil peut être rapidement modifié et réimprimé si vous le souhaitez; et 4) l’utilisation de matériaux peu coûteux a rendu chaque condenseur plus rentable que les récipients de réaction à enveloppe de verre. Ces condensateurs imprimés en 3D sont un appareil expérimental flexible et facile à partager qui pourrait être un moyen utile de normaliser les plates-formes pour des expériences simulées de cheminée hydrothermale dans différents groupes de recherche, permettant une meilleure comparaison des échantillons et des données. Les fichiers du condenseur peuvent être envoyés à des collègues pour qu’ils les impriment eux-mêmes à des fins éducatives ou scientifiques (voir Fichier d’impression 3D supplémentaire du condenseur utilisé dans ce travail). Cette configuration peu coûteuse pourrait également être utilisée comme expérience de laboratoire de premier cycle pour les jardins chimiques ou la chimiobrionique29,35.

En conclusion, ce travail décrit un nouvel appareil expérimental utilisant l’impression 3D pour faciliter la croissance de cheminées hydrothermales simulées dans des environnements à gradient de température. Le condenseur imprimé en 3D est capable de refroidir le simulant océanique à des températures proches du point de congélation, similaires à l’eau de mer près des systèmes hydrothermaux du fond marin. Pendant ce temps, une seringue chauffée a été utilisée pour simuler le fluide hydrothermal à haute température injectant dans cet océan froid. Les morphologies et les structures des cheminées de sulfure de fer et d’hydroxyde de fer ont été affectées par le gradient thermique: lorsque l’océan et les simulants de fluide hydrothermal étaient à température ambiante, les cheminées formaient des structures orientées verticalement, mais lorsque le fluide hydrothermal était chauffé et que l’océan était refroidi, la formation de structures de cheminée robustes était inhibée. Pour simuler avec précision les réactions prébiotiques dans de tels systèmes de cheminée avec des gradients thermiques analogues à ceux des systèmes naturels, il sera nécessaire de contrôler soigneusement des paramètres tels que le taux d’injection et la composition chimique des simulateurs d’évent et d’océan. Le condenseur imprimé en 3D personnalisé et peu coûteux créé pour cette étude a une fonction similaire à celle d’un récipient de réaction gainé et peut être facilement modifié et distribué électroniquement à divers groupes de recherche et d’éducation pour une utilisation dans de nombreux types d’expériences chimiobrioniques.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette recherche a été réalisée au Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, dans le cadre d’un contrat avec la NASA, soutenu par l’Institut d’astrobiologie de la NASA Icy Worlds. Le Dr Gabriel LeBlanc a été soutenu en partie par une subvention d’initiation à la recherche (2017-34) dans le cadre de l’accord de coopération EPSCoR de la NASA de l’Oklahoma (NNX15AK42A). Nous tenons à remercier Heather Whitehead pour son aide dans la conception initiale du condenseur imprimé en 3D, Kalind Carpenter pour son aide à l’impression 3D, John-Paul Jones pour sa discussion utile sur les récipients de condenseur, Laura Rodriguez pour son aide à l’analyse des données de température et Erika Flores pour son aide en laboratoire. Droits d’auteur 2020 California Institute of Technology.

Materials

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
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References

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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).
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