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Simulação das primeiras chaminés hidrotérmicas da Terra em um ambiente de gradiente térmico

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

Summary

O objetivo deste protocolo é formar chaminés hidrotérmicas simuladas através de experimentos de injeção química de jardim e introduzir um gradiente térmico através da membrana precipitada inorgânica, usando um condensador imprimível 3D que pode ser reproduzido para fins educacionais.

Abstract

As aberturas hidrotermais do mar profundo são precipitados auto-organizados gerados a partir de disequilibria geoquímica e têm sido propostos como um possível cenário para o surgimento da vida. O crescimento de chaminés hidrotermais em um ambiente de gradiente térmico dentro de um sistema de ventilação terrestre inicial foi simulado com sucesso usando diferentes simuladores hidrotérmicos, como sulfeto de sódio, que foram injetados em um simulador de oceano terrestre contendo ferroso dissolvido. Além disso, um aparelho foi desenvolvido para resfriar suficientemente o simulador do oceano a quase 0 °C em um recipiente condensador imerso em um banho de água fria enquanto injetava uma solução de sulfeto a temperaturas quentes a ambientes, criando efetivamente uma estrutura artificial de chaminés em um ambiente gradiente de temperatura durante um período de algumas horas. Tais experimentos com diferentes químicas e gradientes de temperatura variável resultaram em uma variedade de morfologias na estrutura da chaminé. O uso de simuladores de fluidos oceânicos e hidrotérmicos à temperatura ambiente resultou em chaminés verticais, enquanto a combinação de um fluido hidrotérmico quente e simulador do oceano frio inibiu a formação de estruturas robustas de chaminés. O condensador impresso 3D personalizável criado para este estudo atua como um vaso de reação em jaqueta que pode ser facilmente modificado e usado por diferentes pesquisadores. Permitirá o controle cuidadoso da taxa de injeção e composição química de simuladores de ventilação e oceano, o que deve ajudar a simular com precisão reações prebióticas em sistemas de chaminés com gradientes térmicos semelhantes aos dos sistemas naturais.

Introduction

Chaminés hidrotérmicas são precipitados de jardim químico auto-organizado gerados a partir de desequilibria geoquímica em ambientes de ventilação em alto mar, à medida que o fluido aquecido e hidrotermicamente alterado se infiltra em um oceano mais frio. Em um cenário inicial da Terra, foi proposto que as chaminés formadas em antigas aberturas alcalinas, e que a transecção de pH/redox/gradientes químicos poderia ter impulsionado reações para o surgimento do metabolismo1,2,3,4,5,6. As aberturas hidrotermais também foram postuladas para existir em outros planetas, incluindo os mundos oceânicos, Europa e Encélado7,8,9,10. Vários experimentos foram realizados para simular aspectos da química da chaminé hidrotermal pré-biótica, incluindo a precipitação de minerais de sulfeto de ferro catallítico que poderiam reduzir o CO211,12, síntese orgânica orientada por gradiente13,14,15, e incorporação de orgânicos em estruturas de chaminés16. Ao criar configurações experimentais para imitar aberturas hidrotermais, seja na Terra ou em outros mundos, é essencial considerar os gradientes geoquímicos e a natureza aberta e longe do equilíbrio do sistema para produzir simulações realistas.

Além do pH, redox e gradientes químicos, as aberturas hidrotermais também impõem um gradiente térmico através da membrana/parede da chaminé devido à alimentação do fluido de ventilação aquecida em um ambiente frio do fundo do mar. As temperaturas frias do fundo do mar podem variar em função da profundidade, penetração solar e salinidade; as profundidades médias do fundo do mar nos locais de ventilação (principalmente em cumes do meio do oceano) estão na faixa de 0-4 °C17. Dependendo do tipo de ventilação, o gradiente térmico entre o oceano e o fluido de ventilação pode variar drasticamente dos gradientes mais suaves das aberturas alcalinas, como a Cidade Perdida18,19 ou o Campo Hidrotérmico de Strytan, onde o fluido de ventilação é de 40-90 °C20,21, até os fumantes negros do fundo do mar onde o fluido de ventilação pode atingir várias centenas de graus Celsius22, 23,24,25. Do ponto de vista da origem da vida, a simulação de gradientes térmicos em sistemas hidrotérmicos é significativa, pois podem afetar a mineração e a reatividade química das chaminés precipitados3,13 e/ou podem afetar a habitabilidade, pois as chaminés hidrotérmicas hospedam micróbios que tomam elétrons diretamente das superfícies minerais26. Em um gradiente através da parede da chaminé, uma série de condições de temperatura estaria presente a uma curta distância, e a parede da chaminé representaria uma combinação de minerais e reações características de todos esses regimes térmicos.

Chaminés hidrotérmicas cultivadas em laboratório em gradientes térmicos foram simuladas para explorar os efeitos do oceano frio e do fluido hidrotérmico quente neste potencial ambiente pré-biótico. Geralmente, como o cultivo de chaminés hidrotérmicas simuladas através de um método de injeção com um interior aquecido e exterior frio apresenta desafios práticos, os experimentos de chaminé mais acessíveis são aqueles feitos sob pressão ambiente (portanto, não requerendo reatores caros e complicados). Tentativas anteriores de chaminés cultivadas em laboratório em um gradiente térmico não foram capazes de produzir um fluido hidrotérmico quente/quente e um oceano frio. Em um esforço para manter toda a chaminé em alta temperatura por longas durações para formar minerais reativos que possam impulsionar reações orgânicas, alguns estudos aqueceram todo o experimento (fluido oceano e hidrotérmico) a ~70 °C usando uma jaqueta de aquecimento ou um banho quente13,14. Outro tipo de experimento de formação precipitada da chaminé, em um aparelho de “célula de combustível”, formou o simulador de parede da chaminé em um modelo de membrana plana; esses experimentos também foram aquecidos a granel, submergindo o aparelho gradiente da célula de combustível em um banho de água quente27,28. Estudos anteriores formaram chaminés hidrotérmicas simuladas a partir de fluidos hidrotérmicos quentes (aquecidos a ~70 °C usando vários métodos) injetados em um oceano de temperatura ambiente3,12; no entanto, um oceano frio não foi tentado.

Este trabalho avança métodos para simulações de laboratório de crescimento de chaminés pré-bióticas4 para criar um gradiente térmico realista de um oceano frio (0-5 °C) para um fluido hidrotérmico aquecido no qual sintetizar materiais de chaminés e testar propriedades de interesse. Até o momento, não houve experimentos pré-bióticos de chaminés com sucesso conduzidos com um gradiente de temperatura realista para aberturas alcalinas: com a solução de ventilação interior mantida a ~70 °C e a solução externa do oceano refrigerada a ~5 °C. Além disso, nos poucos experimentos aquecidos de chaminés que foram realizados, a configuração experimental é complexa e pode ser cara. Experimentos de jardim químico têm grande potencial para produzir insights sobre os processos que podem ter ocorrido em aberturas hidrotermais no início da Terra. Assim, a capacidade de configurar rapidamente múltiplas variações de um experimento de chaminé é vantajosa, assim como a capacidade de ter um aparelho simples que seja barato, não frágil, facilmente modificado e ideal para os alunos trabalharem. Apresentado aqui é um novo aparelho (Figura 1) projetado para facilitar o crescimento de uma chaminé hidrotérmica simulada, mantendo e monitorando um gradiente térmico realista entre o oceano frio e simulante de fluido hidrotérmico aquecido. Este aparelho experimental é semelhante em design a um reator de jaqueta, mas é um condensador tridimensional (3D) impresso que pode ser facilmente produzido por qualquer grupo de pesquisa interessado em realizar experimentos semelhantes (ver arquivo imprimível suplementar). Utilizando este condensador impresso em 3D, foram realizados experimentos de chaminés de gradiente térmico para testar a utilidade deste aparelho para a manutenção de gradientes de temperatura robustos e para testar os efeitos dos gradientes de temperatura na estrutura da chaminé e na morfologia.

Protocol

1. Considerações de segurança Use equipamentos de proteção de laboratório para proteção individual, incluindo luvas de nitrito, óculos faciais, jaleco e sapatos adequados (sem pele exposta). Ao usar seringas e agulhas, tenha cuidado para não perfurar luvas ou pele. Verifique se há vazamentos em todo o aparelho do capô da fumaça. Verifique a estabilidade dos frascos de vidro e do condensador no suporte antes de adicionar qualquer produto químico à mistura. Opere todos os experimentos de gradiente térmico na fumaça para conter derramamentos de água. Use todo sulfeto de sódio (Na2S•9H2O) em fumaça, pois é perigoso para a saúde. Mantenha sulfeto de sódio no capô da fumaça e coloque um equilíbrio dentro do capô de fumaça para pesar a quantidade de sulfeto. Mantenha sempre soluções contendo sulfeto dentro do capô de fumaça enquanto liberam gás tóxico H2S, e mantenha líquido de sulfeto, afiadas e recipientes de resíduos sólidos no capô da fumaça. Não misture resíduos de solução de sulfeto com outros produtos químicos conhecidos. Ao usar o reagente Fe(II)Cl2•4H2O, purga consistentemente com N2/Ar à medida que oxida após a exposição ao ar. Mantenha soluções anoxiic no capô da fumaça colocando gás N2/Ar no espaço da cabeça dentro do capô da fumaça. Proteja com parafilm para evitar maiores oxidações. 2. Configuração para experimentos de injeção Aperte a injeção de condensador impresso em 3D em um suporte em um capô de fumaça, de modo que o pequeno orifício da porta esteja voltado para a parte inferior do capô da fumaça. Certifique-se de que o condensador está nivelado dentro do grampo. Crie “vasos de injeção” de vidro cortando 1 cm da parte inferior de um vidro transparente de 100 mL, garrafa de soro de 20 mm (tipo de fechamento de vedação de 20 mm) usando um cortador de vidro e certifique-se de que o vaso está aberto ao ar de baixo para cima. Limpe os frascos em um banho de ácido de 1 M HCl durante a noite e enxágue com água duplamente destilada (ddH2O) antes de realizar um novo experimento. Reumitar vidro a menos que rachado ou quebrado, em seguida, descarte. Prepare os frascos de injeção(Figura 1). Recolher os seguintes materiais: um septo de 20 mm, um selo de alumínio de 20 mm, uma ponta de pipeta de plástico de 0,5-10 μL, uma agulha de seringa de 16 G e uma ferramenta de crimper. Puna cuidadosamente um orifício no centro do septo de borracha e, em seguida, remova e descarte a agulha em um recipiente de resíduos afiados. Insira a ponta da pipeta no orifício da agulha, na lateral do septo de borracha que ficará de frente para dentro da parte superior do frasco. Empurre a ponta da pipeta através do septo para que ela se esvaa ligeiramente do outro lado.NOTA: Não empurre todo o caminho, pois isso não dará autorização suficiente para colocar o selo de friso com a ferramenta crimper. Coloque o crimper no selo de amasso. Aperte o crimper e sele o septo com a ponta da pipeta no vaso de injeção para torná-lo impermeável. Depois de selar corretamente, empurre a ponta da pipeta através do frasco de vidro, de modo que ele se projete cerca de 1,0″ do vidro. Coloque um tubo claro, flexível e resistente a químicos de 1/16″ de diâmetro interno na ponta da pipeta para obter uma vedação impermeável na ponta da pipeta.NOTA: O tubo deve ser longo o suficiente para atingir a seringa de 16 G em cima da bomba de seringa, pois a seringa bombeará o fluido hidrotérmico através deste tubo claro para dentro do simulador do oceano. Coloque os frascos de injeção no condensador impresso em 3D no capô da fumaça, cortando a tubulação através do orifício da porta do condensador na parte inferior. Certifique-se de que o frasco se projeta a partir do pequeno orifício da porta no condensador.NOTA: Se vários condensadores forem usados, vários frascos podem ser configurados ao mesmo tempo e alimentados simultaneamente por seringas separadas. Verifique se há vazamentos finais inserindo uma seringa de 10 mL cheia de ddH2O e com uma agulha de 16 G na outra extremidade da tubulação aberta. Insira cuidadosamente a agulha de 16 G na tubulação para não perfurar o tubo. Injete lentamente o ddH2O para que ele se mova para cima da tubulação e para o fundo do vaso de reação para garantir que as vedações de seringa/tubo, tubo/ponta e frisos sejam todas impermeáveis. Fixar o parafilm firmemente sobre a parte superior do frasco de corte, e colocar um pequeno pedaço de fita no topo do parafilm. Faça um pequeno buraco na fita para que o O2 possa abastecer enquanto o N2/Ar é bombeado. Configure linhas de gás N2/Ar que se alimentarão em um dos frascos de injeção da parte superior de corte para fazer o frasco de vidro anoxic antes que o simulador do oceano seja derramado. Divida a alimentação de gás de uma fonte N2/Ar em vários tubos, de modo que haja uma ração N2/Ar para cada frasco de injeção (se realizando múltiplos experimentos). Coloque a seringa (conectada à N2/Ar) perfurando através da fita, pairando sobre a solução oceânica no frasco. Tenha cuidado para não penetrar na solução oceânica com a agulha para evitar a interrupção do crescimento da chaminé. 3. Elaboração de soluções para o crescimento do jardim químico Preparando o simulador do oceano Prepare 100 mL de solução para cada experimento.NOTA: Neste exemplo, utilize a Tabela 1 para concentrações específicas como as frases precipitando. Crie soluções anoxicas pela primeira vez borbulhando 100 mL de ddH2O com gás N2/Ar por ~15 min por 100 mL em um frasco Erlenmeyer. Pesar e adicionar qualquer um dos ingredientes de química do oceano, mexendo suavemente para dissolver (não vigorosamente para não introduzir oxigênio). Depois de dissolver os reagentes, retome imediatamente a luz borbulhando do simulador do oceano com gás N2/Ar enquanto prepara as injeções hidrotérmicas. Preparação do simulador de fluido hidrotérmico (preparação de sulfeto de sódio) Escolha uma das concentrações de injeção mostradas na Tabela 1e prepare 10 mL de cada concentração. Encha 10 mL de seringas com as soluções. Substitua as tampas da agulha e reserve.NOTA: Mantenha sempre soluções e seringas contendo sulfeto no capô da fumaça. Pesar a quantidade necessária de sulfeto de sódio (Na2S•9H2O) apenas no capô da fumaça (50 mL de solução com ddH2O). Encha um tubo de centrífuga de 50 mL com ddH2O. Coloque o Na2S•9H2O no tubo centrífuga de 50 mL e sele-o firmemente no capô da fumaça. Agite o tubo completamente na capa de fumaça até que todas as partículas de sulfeto estejam totalmente dissolvidas. Mantenha a solução anoxic no capô da fumaça usando parafilme no qual uma agulha de 10 G injetando N2/Arfoi inserida. 4. Configuração do ormistor Coloque o ormistor em uma posição estável em um banco lateral o mais próximo possível do capô da fumaça. Insira a lateral USB de um cabo adaptador RS232 na porta USB do computador. Ligue a energia para o ormistor. Para obter instruções sobre a configuração de resistores de cabos, consulte o procedimento Dermistor no Apêndice Suplementar 2. Ligue o software do ormistor no computador. Role até a porta de comunicações. Selecione as primeiras portas de comunicação e clique no botão Conectar à esquerda para cada porta, até que o conector se conecte ao software.NOTA: O software mostrará as barras de configuração de leitura em verde. O ícone de amostragem continuará piscando, mostrando que está amostrando a temperatura atual em intervalos frequentes. Se nenhum desses sinais for observado, escolha outras portas de comunicação. Se nenhuma das portas de comunicação funcionar, uma mensagem pop-up será vista, indicando erro de comunicação ou incapaz de se comunicar. Se o erro de comunicação aparecer, feche o programa e reinicie. Verifique novamente os cabos de fita e certifique-se de que estão conectados corretamente aos pinos nos pinos do cabo RS232. Uma vez conectado, certifique-se de que a saída esteja 100% em barras vermelhas. Uma vez que o ormistor esteja piscando medições frequentes de intervalo, altere o tempo de intervalo para 60 s. Na caixa Opções do Controlador, em direção à parte inferior, limpe 1 s e mude para 60 s. Clique no botão OK. Haverá um botão oval ao lado do logotipo da empresa com a etiqueta Auto-escala. Clique nesse botão para ativar em escala automática. Note a linha amarela que mostrará a leitura da temperatura. Dentro da área do enredo, clique com o botão direito do mouse para ajustar o enredo ao seu gosto, como dimensionar os eixos x e y. Clique com o botão direito do mouse na área do enredo e clique em exportar para Excel antes que uma nova leitura comece a cada 5000 s ou 83,33 min (dependendo do intervalo de gravação escolhido). Salve os dados de temperatura e tempo na planilha que foi criada automaticamente pelo programa. Coloque a sonda do ormistor metálico no vaso oceânico de vidro dentro do condensador. Certifique-se de que a sonda está desligada para o lado do vidro, pois a sonda do setor de remistor pendurada no meio do frasco de vidro interromperá o crescimento da chaminé. Cubra novamente com parafilm. 5. Configurar o banho de gelo Pegue uma panela de plástico maior e um balde de tamanho médio. Encha o balde com água até a metade do caminho. Coloque o balde dentro da panela e coloque gelo dentro da água até quase cheio. Coloque as duas mangueiras de corte de plástico em cada extremidade da bomba de água (Apêndice Suplementar 3, Figura 1). Observe que a abertura vertical da bomba é onde a água será derramada para começar a escorrizar, e a abertura horizontal é onde a água é ejetada. Conecte a bomba a uma tomada, mas deixe os conectores elétricos abertos, pois eles ligarão a bomba quando conectados. Conecte a mangueira de plástico horizontal (Apêndice Suplementar 3, Figura 2) à porta condensadora superior, de frente para a direita, garantindo que a mangueira seja longa o suficiente para alcançar o balde de gelo. Coloque outra mangueira de plástico cortada na porta do condensador esquerdo (inferior), garantindo que esta mangueira também seja longa o suficiente para chegar ao banho de água gelada. Posicione esta mangueira sobre o balde de água gelada em que a água será ejetada do condensador. Despeje água fria através da mangueira conectada à abertura vertical da bomba. Quando a bomba estiver cheia de água, chegando até a porta do condensador, mergulhe a mangueira no banho de água gelada e conecte imediatamente os conectores elétricos.NOTA: Isso pode exigir duas pessoas. Prime a bomba para começar a fluir água através do condensador, encher o balde com gelo, e colocar um termômetro no balde para verificar a temperatura.NOTA: A temperatura da água deve atingir ~0 °C. Consulte o teste de controle no Apêndice Suplementar 1 Figura 2. Continue adicionando mais gelo para manter a água a uma temperatura fria, enquanto remove um pouco da água mais quente. 6. Preparação para injeção Leve as seringas ddH2O (seção 2.3) para baixo ao lado das seringas de injeção de fluido hidrotérmico. Deslize cuidadosamente a tubulação de injeção plástica da agulha de seringa ddH2O e transfira-a imediatamente diretamente para uma das agulhas de seringa de injeção primária.NOTA: Não perfure a parede do tubo. Conecte a almofada do aquecedor para aquecer o simulador hidrotérmico a 70-80 °C.  (Atenção: temperaturas mais altas podem deformar ou danificar a seringa plástica.) Enrole a almofada ao redor da seringa de sulfeto e enrosque firmemente em dois grampos metálicos ao redor da almofada(Apêndice Suplementar 3, Figura 3). Uma vez que os grampos estejam fixados no lugar, coloque-os na bomba de seringa e fixe a bomba firmemente (depende da bomba de seringa escolhida). Coloque a temperatura na caixa de controle para ~70 °C pressionando a tecla de seta para cima (Apêndice suplementar 3, Figura 5). Pressione set/start. Uma vez que as seringas aquecidas estejam bloqueadas no lugar na bomba de seringa, ajuste a bomba de seringa para injetar a 1-2 mL/h. Verifique se as soluções oceânicas estão totalmente dissolvidas. Se nublado, mexa até dissolver a maior parte. Titule o simulador do oceano ao pH 5.5 para simular acidez do oceanohadeano 30,31. Use 10 M HCl e adicione gotículas lentamente (sob a alimentação N2/Ar) até que o medidor de pH leia um estável 5.5. Se exceder 5,5, use o NaOH para trazer o pH de volta a níveis mais básicos usando o mesmo método de gotícula lenta. Despeje uma ou duas soluções oceânicas nos navios pré-fabricados da chaminé. Despeje uma solução oceânica no frasco de vidro dentro do condensador e a outra no vaso de temperatura ambiente sem condensador (se realizando dois experimentos)(Figura 6).NOTA: Não mova a sonda de temperatura. Sele a parte superior dos frascos de vidro com parafilm. Substitua a alimentação N2/Ar até o topo do espaço de cabeça do simulador do oceano, tomando cuidado para não introduzir a agulha no simulador do oceano. Programe a bomba de seringa para injetar a 1-2 mL/h (calibrar para o tamanho da seringa que está sendo usada, dependendo do tipo de bomba de seringa), mas não pressione Start. Para evitar que a perda térmica ocorra através do comprimento da tubulação, injete rapidamente o fluido quente para fazer contato imediato com o reservatório do oceano. Então, deixe a injeção funcionar a 1-2 ml/h no oceano frio. (Consulte o teste térmico para seringa no Apêndice Suplementar 1). Use béquers para pegar gotejamentos. Inicie a injeção e comece a registrar a temperatura do oceano no ormistor. 7. Monitorando a temperatura e o experimento NOTA: Uma vez que a água esteja circulando pelo condensador, a sonda de temperatura do ormistor começará a exibir a queda da temperatura dentro do oceano. O objetivo é que a temperatura chegue perto de 0 °C. Consulte a Tabela 2 para obter as configurações precisas do gradiente de temperatura (térmica). Salve todos os dados de temperatura clicando com o botão direito do mouse na área do enredo e salve como um . Arquivo CSV.NOTA: O programa registrará até 5000 dados de temperatura e depois começará de novo. Continue adicionando gelo no balde para manter temperaturas quase congelantes, até que a chaminé tenha se desenvolvido principalmente, ou pelo menos até que a seringa esteja quase vazia. Monitore a chaminé de temperatura ambiente também. Tire fotos frequentes ao longo do crescimento das chaminés para ambas as chaminés. Uma vez que a chaminé esteja completa, coloque uma pequena régua ao lado de ambas as chaminés, e então pegue e salve imagens.NOTA: Todo o processo deve ser executado por ~ 6 h. 8. Terminando o experimento Pare a bomba de seringa e pare de registrar a temperatura no ormistor e salve os dados em uma planilha. Desligue o fluxo N2/Ar e remova as linhas e o parafilm dos vasos de injeção. Se necessário, prove a solução oceânica ou precipitar para análise posterior. Para remover cuidadosamente a solução do reservatório sem perturbar o precipitado, use uma pipeta de 25 mL para pipeta cuidadosamente fora de várias alíquotas da solução do reservatório, e descarte a solução em um béquer de resíduos. Drene cuidadosamente o frasco dentro do condensador em um béquer. Remova o tubo da seringa e deixe a solução oceânica drenar para dentro do béquer no capô da fumaça. Faça o mesmo pelo frasco sem condensador. Remova os vasos, um de cada vez, do grampo, e use ddH2O para enxaguar os pedaços de precipitado em um béquer de resíduo. Retire o tubo e as seringas da bomba de seringa. Esvazie as seringas e qualquer fluido de injeção extra no béquer de transferência de resíduos, e descarte as seringas em um recipiente de sulfeto afiado mantido no capô da fumaça. Remova a tubulação do frasco experimento e descarte-o em um saco de resíduos sólidos. Desapre o selo e descarte o septo, o selo e a ponta da pipeta. Enxágüe o frasco de experimento de vidro, e mergulhe-o durante a noite em um banho de ácido de 1 M HCl.NOTA: Os vidros que estiveram em contato com o sulfeto de sódio liberarão gás H2S tóxico quando colocado em ácido. Por isso, mantenha todos os banhos de ácido dentro do capô da fumaça.

Representative Results

Como nos estudos anteriores1,2,13,29; Uma vez que o simulador de fluido hidrotérmico chegou ao frasco do oceano, uma estrutura precipitada mineral começou a se formar que ficou cada vez mais espessa durante a injeção. As chaminés de sulfeto de ferro eram estruturas delicadas que não eram muito robustas e eram facilmente desagregadas se o frasco do oceano ou injeção fosse fisicamente perturbado. Isso é consistente com os resultados de estudos anteriores3. A concentração química da solução de sulfeto também desempenhou um papel vital na morfologia das chaminés de sulfeto. Soluções mais concentradas de sulfeto permitiram precipitações minerais mais altas e resistentes, como mostra a Figura 5, enquanto as concentrações mais baixas de soluções de sulfeto produziram estruturas fracas de chaminés. Em alguns casos, nenhuma estrutura foi formada, apenas uma “sopa” líquido de sulfeto-mineral foi criada, que acabaria por se estabelecer como um sedimento(Figura 3D). Isso ocorreu em condições de gradiente térmico e não térmico. Em experimentos de chaminé de gradiente térmico com sulfeto de ferro, estruturas de chaminés sólidas geralmente não se fundiram tão bem quanto à temperatura ambiente. Figura 3E-H mostra a morfologia de uma chaminé de sulfeto de ferro cultivada entre um oceano frio e fluido hidrotérmico de temperatura ambiente. As chaminés no gradiente de temperatura eram semelhantes a cordas e tênues na natureza, enquanto os resultados de gradiente não térmico(Figura 3A-D) mostram estruturas mais semi-permanentes. O mesmo aconteceu quando o fluido hidrotérmico foi aquecido(Figura 4). A exceção foi em concentrações mais altas de sulfeto e ferro(Figura 5),onde uma chaminé de sulfeto de ferro sólido foi formada entre uma solução hidrotérmica de temperatura ambiente e simulador de oceano frio. O efeito de um gradiente térmico sobre o crescimento das chaminés de hidróxido de ferro também foi testado. Os resultados mostraram padrões semelhantes aos da chaminé de sulfeto de ferro: enquanto o experimento de hidróxido de ferro em temperatura ambiente resultou em um precipitado de chaminé mais robusto, o experimento de gradiente térmico entre o fluido hidrotérmico quente e o oceano frio resultou em um monte menor de material de chaminé que não se fundiu verticalmente(Figura 6). Em contraste com as estruturas altas e retos das chaminés de hidróxido de ferro observadas em trabalhos anteriores (em experimentos de temperatura ambiente)29, nosso experimento de gradiente térmico mostrou uma morfologia diferente. Figura 1: Aparelho de chaminé de gradiente térmico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.  Figura 2: Condensador impresso em 3D. (A) Esquema de um condensador impresso em 3D mostrando dimensões condensadoras. (B) Colocação de um navio oceânico de vidro dentro do condensador para resfriar o simulador do oceano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: Uma variedade de chaminés de gradiente térmico e não térmico. (A-D) Experimento de controle de gradiente não térmico do fluido hidrotérmico de temperatura ambiente (HTF) ao simulador de oceano à temperatura ambiente. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF e 20mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF e 10 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF e 20mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF e 20mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (E-H) Experimento de chaminé de gradiente térmico de simulador de HTF de temperatura ambiente a um reservatório de oceano frio (~5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF e 10 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF e 20 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF e 10 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF e 20 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: Experimento de gradiente térmico. Experimento realizado com quente (~35-40 °C) 20 mM Nasolução 2S•9H2O injetado em uma solução fria (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O simulador do oceano, produzindo pequenos fios de chaminé. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: Efeito da concentração do simulador oceânico nas chaminés. Concentrações mais altas (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O e 200 mM NaCl) de simuladores oceânicos anoxicos produzidos chaminés mais robustas e mais altas. A solução de sulfeto de temperatura ambiente foi injetada em simulado oceânico de 2-10 °C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6: Crescimento simultâneo de chaminés de gradiente térmico e não térmico. (A)100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O solução oceânica com um simulador de fluido hidrotermal de 200 mM NaOH (HTF) à temperatura ambiente. (B) Experimento de gradiente térmico com as mesmas concentrações com HTF quente a ~35-50 °C em simulador de oceano frio a ~5-10 °C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Química de fluidos hidrotérmicos (injeção) Química oceânica (reservatório) 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 Tabela 1: Matriz de concentração parasoluções simuladas de injeção de fluidos oceânicos e hidrotérmicos. HTF °C Temperaturas simulantes do oceano °C ~23 ~23 5-10 ~35-50 ~23 5-10 Tabela 2: Matriz experimental de gradiente térmico. A temperatura do fluido hidrotérmico (HTF) refere-se à temperatura do fluido na seringa; a temperatura real na entrada para o frasco do oceano foi entre 20 e 35 graus abaixo da temperatura dentro da seringa (~70 °C) (ver Apêndice Suplementar 1, Figura 3e Figura 4). Arquivo imprimível suplementar. Clique aqui para baixar este arquivo.  Apêndice suplementar 1. Clique aqui para baixar este arquivo.  Apêndice suplementar 2. Clique aqui para baixar este arquivo.  Apêndice suplementar 3. Clique aqui para baixar este arquivo. 

Discussion

Efeito de gradientes térmicos no crescimento simulado da chaminé: Este aparelho experimental produziu várias variações nas morfologias das chaminés que foram devido a vários parâmetros experimentais. Chaminés de sulfeto de ferro e hidróxido de ferro formaram estruturas altas e retos à temperatura ambiente, mas formaram precipitados mais tênues, stringy ou montes planos nos experimentos de gradiente térmico. Isso foi consistente com os achados de Herschy et al. onde precipitados de chaminés wispy, não eretos foram formados a partir de um fluido hidrotérmico aquecido a 70-80 °C e injetado no simulador de oceano à temperatura ambiente33. Existem várias explicações possíveis para isso: a transferência de calor convectivo pode causar forças flutuantes mais naturais (juntamente com o bombeamento forçado da injeção) para fazer o precipitado fluir rapidamente em direção ao topo do navio oceânico à medida que ele está se formando. Alternativamente, o aquecimento do fluido de seringa torna o simulador hidrotérmico menos denso e, portanto, mais propenso a subir verticalmente do que estabilizar em cima do ponto de injeção. É possível que esse efeito possa ser mitigado alterando a taxa de injeção de seringa para taxas mais lentas para permitir o crescimento de uma estrutura mais estável. White et al. examinaram o crescimento da chaminé de sulfeto de ferro com o simulador hidrotérmico injetado a taxas extremamente lentas (0,08 mL/h), e embora a chaminé tenha demorado dias para se fundir, ficou estruturalmente estável13. Como Herschy et al. usaram bombas peristálticas a taxas de injeção de 10-120 mL/h, que são várias ordens de magnitude mais rápidas do que as taxas utilizadas em nossos experimentos de gradiente térmico, não é de surpreender que eles também produziram estruturas de chaminé semelhantes a cordas33.

Maiores concentrações de reagentes precipitados no oceano e soluções de ventilação também podem produzir chaminés mais robustas em gradientes térmicos. Maiores concentrações químicas de íons precipitantes (sulfeto ou hidróxido) no fluido hidrotérmico ou simulador do oceano podem levar a uma massa precipitada global mais alta, criando assim uma estrutura mais forte. Como Herschy et al. e White et al. utilizaram concentrações mais baixas de sulfeto no fluido hidrotérmico (10 mM), suas estruturas eram menores do que as produzidas neste trabalho usando concentrações de sulfetos maiores (20-50 mM). Além disso, alguns estudos sobre o crescimento da chaminé de sulfeto de ferro também incluíram sílica no fluido hidrotérmico, juntamente com o sulfeto de sódio, que pode ajudar a produzir chaminés mais robustas3,13,33. Estruturas de jardim químico de sílica também têm sido utilizadas para simular aspectos do crescimento da chaminé hidrotérmica34, e estes tendem a produzir estruturas muito robustas que podem ser removidas do tubo/frasco para análise física. No entanto, os efeitos dos gradientes de temperatura nas estruturas de injeção de sílica não são conhecidos e serão uma área de estudo mais aprofundado.

Considerações para futuros experimentos de simulação de chaminés: O condensador impresso em 3D criado neste estudo para resfriar o navio oceânico agiu como um navio de reação com jaqueta, mas com algumas melhorias práticas: 1) o topo aberto permitiu a amostragem da chaminé e a manutenção do espaço para o oceano anoxic; 2) a peça impressa em 3D conferiu fácil reprodutibilidade; 3) como os desenhos podem ser editados digitalmente, o aparelho pode ser rapidamente modificado e re-impresso se desejar; e 4) o uso de materiais baratos tornou cada condensador mais econômico do que os vasos de reação com jaqueta de vidro real. Estes condensadores impressos em 3D são um aparelho experimental flexível e facilmente compartilhado que poderia ser uma maneira útil de padronizar plataformas para experimentos simulados de chaminé hidrotérmicas em diferentes grupos de pesquisa, permitindo uma melhor comparação de amostras e dados. Os arquivos do condensador podem ser enviados aos colegas para imprimir por conta própria para seus fins educacionais ou científicos (ver arquivo de impressão 3D suplementar do condensador usado neste trabalho). Esta configuração barata também poderia ser usada como um experimento de laboratório de graduação para jardins químicos ou quimiobriônica29,35.

Em conclusão, este trabalho descreve um novo aparelho experimental usando impressão 3D para facilitar o crescimento de chaminés hidrotérmicas simuladas em ambientes gradientes de temperatura. O condensador impresso em 3D é capaz de resfriar o simulador do oceano a temperaturas quase congelantes, semelhante à água do mar perto de sistemas hidrotérmicos do fundo do mar. Enquanto isso, uma seringa aquecida foi usada para simular o fluido hidrotérmico de alta temperatura injetando neste oceano frio. As morfologias e estruturas de sulfeto de ferro e chaminés de hidróxido de ferro foram afetadas pelo gradiente térmico: quando tanto o oceano quanto os simuladores de fluido hidrotérmico estavam à temperatura ambiente, as chaminés formavam estruturas verticalmente orientadas, mas quando o fluido hidrotérmico era aquecido e o oceano era resfriado, a formação de estruturas robustas de chaminés era inibida. Para simular com precisão reações prebióticas em tais sistemas de chaminés com gradientes térmicos análogos aos de sistemas naturais, será necessário controlar cuidadosamente parâmetros como taxa de injeção e composição química de simuladores de ventilação e oceano. O condensador impresso 3D personalizado e barato criado para este estudo é semelhante em função de um vaso de reação jaquetado e pode ser facilmente modificado e distribuído eletronicamente para vários grupos de pesquisa e educação para uso em muitos tipos de experimentos quimibriônicos.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta pesquisa foi realizada no Laboratório de Propulsão a Jato, Instituto de Tecnologia da Califórnia, sob um contrato com a NASA, apoiado pelo Instituto de Astrobiologia da NASA Icy Worlds. O Dr. Gabriel LeBlanc foi apoiado em parte por uma Bolsa de Iniciação de Pesquisa (2017-34) através do Acordo de Cooperação EPSCoR da NASA de Oklahoma (NNX15AK42A). Gostaríamos de agradecer a Heather Whitehead pela ajuda com o design inicial do condensador impresso em 3D, Kalind Carpenter pela ajuda com a impressão 3D, John-Paul Jones pela discussão útil sobre vasos condensadores, Laura Rodriguez para ajudar na análise de dados de temperatura, e Erika Flores com assistência laboratorial. Copyright 2020 Instituto de Tecnologia da Califórnia.

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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