JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Моделирование ранних гидротермальных дымоходов Земли в среде теплового градиента

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

Summary

Целью этого протокола является формирование смоделированных гидротермальных дымоходов с помощью экспериментов по химическому впрыскиванию в сад и введение теплового градиента через мембрану неорганического осадка с использованием 3D-печатного конденсатора, который может быть воспроизведен в образовательных целях.

Abstract

Глубоководные гидротермальные жерла представляют собой самоорганизующиеся осадки, образующиеся в результате геохимических неравновесий, и были предложены в качестве возможной среды для возникновения жизни. Рост гидротермальных дымоходов в тепловой градиентной среде в ранней системе жерл Земли был успешно смоделирован с использованием различных гидротермальных имитаторов, таких как сульфид натрия, которые были введены в ранний имитатор океана Земли, содержащий растворенный железо. Кроме того, был разработан аппарат для достаточного охлаждения имитатора океана до температуры около 0 °C в конденсаторном сосуде, погруженном в ванну с холодной водой при впрыскивании раствора сульфида при температуре от горячей до комнатной, эффективно создавая искусственную структуру дымохода в среде с градиентом температур в течение нескольких часов. Такие эксперименты с различными химическими и переменными температурными градиентами привели к различным морфологиям в структуре дымохода. Использование имитаторов океанической и гидротермальной жидкости при комнатной температуре привело к созданию вертикальных дымоходов, тогда как сочетание горячей гидротермальной жидкости и имитатора холодного океана препятствовало формированию прочных дымоходных конструкций. Настраиваемый 3D-печатный конденсатор, созданный для этого исследования, действует как реакционный сосуд с рубашкой, который может быть легко изменен и использован различными исследователями. Это позволит тщательно контролировать скорость впрыска и химический состав вентиляционных и океанических имитаторов, что должно помочь точно смоделировать пребиотические реакции в дымоходных системах с тепловыми градиентами, аналогичными таковым в природных системах.

Introduction

Гидротермальные дымоходы представляют собой самоорганизующиеся химические осадок сада, образующиеся в результате геохимических неравновесий в глубоководных жерлах, поскольку нагретая, гидротермально измененная жидкость просачивается в более холодный океан. В раннем земном сценарии было высказано предположение, что дымоходы образовались в древних щелочных жерлах и что транссекционные рН окружающей среды / окислительно-восстановительные / химические градиенты могли управлять реакциями на возникновение метаболизма1,2,3,4,5,6. Гидротермальные жерла также были постулированы для существования на других планетах, включая океанские миры, Европу и Енселад7,8,9,10. Были проведены различные эксперименты для моделирования аспектов предлагаемой пребиотической гидротермальной химии дымохода, включая осаждение каталитических минералов сульфида железа, которые могли бы уменьшить CO211, 12,градиентный органический синтез13,14,15и включение органических веществ в дымоходные структуры16. При создании экспериментальных установок для имитации гидротермальных жерл, будь то на Земле или в других мирах, важно учитывать геохимические градиенты и открытый, далекий от равновесия характер системы для получения реалистичных симуляций.

В дополнение к рН, окислительно-восстановительным и химическим градиентиям, гидротермальные жерла также накладывают тепловой градиент через мембрану дымохода / стенку из-за подачи нагретой вентиляционной жидкости в холодную среду морского дна. Температура холодного морского дна океана может варьироваться в зависимости от глубины, проникновения солнца и солености; средние глубины морского дну океана на местах жерл (в основном на срединно-океанических хребтах) находятся в диапазоне 0-4 °C17. В зависимости от типа вентиляционного отверстия, тепловой градиент между океаном и вентиляционной жидкостью может резко варьироваться – от более мягких градиентов щелочных жерл, таких как Затерянный город18,19 или Страйтанское гидротермальное поле, где вентиляционная жидкость составляет 40-90 ° C20,21,до глубоководных черных курильщиков морского дна, где вентиляционная жидкость может достигать нескольких сотен градусов Цельсия22, 23,24,25. С точки зрения происхождения жизни, моделирование тепловых градиентов в гидротермальных системах имеет важное значение, поскольку они могут влиять на минералогию и химическую реакционную способность дымоходов3,13 и / или могут влиять на обитаемость, поскольку гидротермальные дымоходы содержат микробы, которые поглощают электроны непосредственно с минеральных поверхностей26. В градиенте через стенку дымохода диапазон температурных условий будет присутствовать на небольшом расстоянии, а стенка дымохода будет представлять собой комбинацию минералов и реакций, характерных для всех этих тепловых режимов.

Выращенные в лаборатории гидротермальные дымоходы в тепловых градиентах были смоделированы для изучения воздействия холодного океана и горячей гидротермальной жидкости на эту потенциальную пребиотическую среду. Как правило, поскольку выращивание смоделированных гидротермальных дымоходов методом впрыска с нагретой внутренней частью и холодным внешним видом представляет собой практические проблемы, наиболее доступными экспериментами с дымоходами являются те, которые проводятся при давлении окружающей среды (поэтому не требуют дорогостоящих и сложных реакторов). Предыдущие попытки выращенных в лаборатории дымоходов в тепловом градиенте не смогли произвести как горячую/теплую гидротермальную жидкость, так и холодный океан. В попытке сохранить весь дымоход при высокой температуре в течение длительного времени с образованием реактивных минералов, которые могут управлять органическими реакциями, некоторые исследования нагревали весь эксперимент (океан и гидротермальную жидкость) до ~ 70 ° C с использованием либо нагревательной рубашки, либо горячей ванны13,14. Другой тип эксперимента по формированию осадочных осадков дымохода, в аппарате «топливный элемент», сформировал имитатор стенки дымохода на плоском мембранном шаблоне; эти эксперименты также нагревались навалом путем погружения градиентного аппарата топливных элементов в ванну с горячей водой27,28. Предыдущие исследования сформировали смоделированные гидротермальные дымоходы из горячих гидротермальных жидкостей (нагретых до ~70 °C с использованием различных методов), впрыскиваемых в океан комнатной температуры3,12; однако холодный океан не предпринимались.

Эта работа продвигает методы для пребиотического моделирования роста дымохода в лаборатории4 для создания реалистичного теплового градиента от холодного (0-5 ° C) океана до нагретой гидротермальной жидкости, в которой синтезируются материалы дымохода и проверяются интересующих свойства. На сегодняшний день не было успешно проведено ни одного эксперимента с пребиотическим дымоходом с реалистичным градиентом температуры для щелочных вентиляционных отверстий: с внутренним вентиляционным раствором, удерживаемым при ~ 70 ° C, и внешним океанским раствором, охлажденным до ~ 5 ° C. Кроме того, в нескольких экспериментах с нагретыми дымоходами, которые были проведены, экспериментальная установка сложна и может быть дорогостоящей. Эксперименты в химическом саду имеют большой потенциал для получения информации о процессах, которые могли иметь место в гидротермальных жерлах на ранней Земле. Следовательно, возможность быстро настроить несколько вариантов эксперимента с дымоходом выгодна, как и возможность иметь простой аппарат, который является недорогим, нехрупким, легко модифицируемым и идеальным для студентов для работы. Здесь представлен новый аппарат(рисунок 1),предназначенный для облегчения роста моделируемого гидротермального дымохода при сохранении и мониторинге реалистичного теплового градиента между холодным океаном и нагретым гидротермальным имитатором жидкости. Этот экспериментальный аппарат похож по конструкции на реактор с рубашкой, но представляет собой трехмерный (3D) печатный конденсатор, который может быть легко изготовлен любой исследовательской группой, заинтересованной в проведении подобных экспериментов (см. Дополнительный печатный файл). С использованием этого 3D-печатного конденсатора были проведены эксперименты с тепловым градиентом дымохода для проверки полезности этого аппарата для поддержания надежных температурных градиентов и проверки влияния градиентов температуры на структуру и морфологию дымохода.

Protocol

1. Соображения безопасности Используйте лабораторное защитное снаряжение для индивидуальной защиты, включая нитриловые перчатки, очки для лица, лабораторный халат и правильную обувь (без воздействия кожи). При использовании шприцев и игл будьте осторожны, чтобы не проколоть перчатки или кожу. Проверьте весь аппарат в вытяжном вытяжке на наличие утечек. Проверьте стабильность стеклянных флаконов и конденсатора на подставке перед добавлением какого-либо химического вещества в смесь. Истойте все эксперименты с тепловым градиентом в дыме для сдерживания разливов воды. Используйте весь сульфид натрия (Na2S•9H 2O) в дыме, так как это опасно для здоровья. Держите сульфид натрия в вытяжном капюшоне и поместите весы внутри вытяжного капота для взвешивания количества сульфида. Всегда держите сульфидосодержащие растворы внутри вытяжного капота, когда они выделяют токсичный газH2S, и храните сульфидные жидкости, острые и твердые контейнеры для отходов в вытяжном вытяжке. Не смешивайте отходы сульфидного раствора с другими известными химическими веществами. При использовании реагента Fe(II)Cl2•4H2 O последовательно продуваютN2/Ar,так как он окисляется при воздействии воздуха. Сохраняйте растворы нетоксичными в вытяжном вытяжке, помещая газ N2/Ar в пространство над головой внутри вытяжного вытяжного отруба. Закрепите парапленкой для предотвращения дальнейшего окисления. 2. Настройка для инъекционных экспериментов Зажмите 3D-печатный конденсаторный впрыск на подставке в вытяжной вытяжке, чтобы небольшое отверстие было обращено к нижней части вытяжного капота. Убедитесь, что конденсатор выровнирован внутри зажима. Создайте стеклянные «инъекционные сосуды», отрезав 1 см от дна прозрачного стеклянного флакона с обжимным верхом (тип закрытия обжимного уплотнения 20 мм) с помощью стеклорезного станка, и убедитесь, что сосуд открыт для воздуха снизу вверх. Очистите флаконы в кислотной ванне 1 M HCl на ночь, а затем промойте двойной дистиллированной водой (ddH2O) перед проведением нового эксперимента. Повторно используйте стекло, если не треснуло или не разбилось, затем утилизируйте. Подготовьте флаконы для инъекций(рисунок 1). Соберите следующие материалы: перегородка 20 мм, алюминиевое обжимное уплотнение 20 мм, пластиковый наконечник пипетки 0,5-10 мкл, шприцевая игла 16 Г и обжимной инструмент. Осторожно проколите отверстие в центре резиновой перегородки, а затем извлеките и выбросьте иглу в контейнер для отходов острых отходов. Вставьте наконечник пипетки в отверстие для иглы, в сторону резиновой перегородки, которая будет обращена внутрь обжимной верхней части флакона. Протолкните наконечник пипетки через перегородку так, чтобы она слегка высунулась с другой стороны.ПРИМЕЧАНИЕ: Не проталкивайте весь путь, так как это не даст достаточного зазора для размещения обжимного уплотнения с помощью обжимного инструмента. Поместите обжимной на обжимное уплотнение. Сожмите обжимной и запечатайте перегородку наконечником пипетки на инъекционный сосуд, чтобы сделать его водонепроницаемым. После правильной герметизации протолкните наконечник пипетки через стеклянную банку, чтобы она выступала примерно на 1,0 дюйма из стекла. Поместите прозрачную, гибкую, химически стойкую трубку внутреннего диаметра 1/16 дюйма на наконечник пипетки, чтобы получить водонепроницаемое уплотнение на наконечнике пипетки.ПРИМЕЧАНИЕ: Трубка должна быть достаточно длинной, чтобы достичь шприца 16 G поверх шприцевого насоса, так как шприц будет перекачивать гидротермальную жидкость через эту чистую трубку в имитатор океана. Поместите флаконы с впрыском в 3D-печатный конденсатор в вытяжной капот, протиснувшись трубкой через отверстие конденсатора на дне. Убедитесь, что флакон выступает из небольшого отверстия в конденсаторе.ПРИМЕЧАНИЕ: Если необходимо использовать несколько конденсаторов, можно установить несколько флаконов одновременно и одновременно подавать их отдельными шприцами. Проверьте наличие конечных утечек, вставив шприц 10 мл, заполненный ddH2O и иглой 16 G, в другой конец открытой трубки. Осторожно вставьте иглу 16 г в трубку, чтобы не проколоть трубку. Медленно впрыскивайте ddH2O так, чтобы он двигался вверх по трубке и в дно реакционного сосуда, чтобы убедиться, что шприц/трубка, трубка/наконечник и обжимные уплотнения водонепроницаемы. Плотно закрепите парапленку над отрезанной верхней частью флакона и поместите небольшой кусочек ленты на верхнюю часть парапленки. Пробьете небольшое отверстие через ленту, чтобы O2 мог газицирован при закачке N2/Ar. Установите газовые линии N2/ Ar, каждая из которых будет подаваться в один из флаконов для инъекций с отсечной вершины, чтобы сделать стеклянный флакон безоксичным до того, как будет влит имитатор океана. Разделите подачу газа из источникаN2/Arна несколько трубок, чтобы на каждый инъекционный флакон был один кормN2/Ar(при проведении нескольких экспериментов). Поместите шприц (соединенный сN2/Ar)проколом через ленту, зависшую над океанским раствором во флаконе. Будьте осторожны, чтобы не проникнуть в океанский раствор иглой, чтобы избежать нарушения роста дымохода. 3. Приготовление растворов для химического роста сада Подготовка имитатора океана Подготовьте 100 мл раствора для каждого эксперимента.ПРИМЕЧАНИЕ: В этом примере используйте таблицу 1 для конкретных концентраций в качестве ускоряющих катионов. Создают аноксические растворы, сначала пузыря 100 мл ddH2O с газомN2/Ar в течение ~15 мин на 100 мл в колбе Эрленмейера. Взвесьте и добавьте любой из химических ингредиентов океана, мягко помешивая, чтобы раствориться (не энергично, чтобы не вводить кислород). После растворения реагентов немедленно возобновляют легкое бурление океанического имитатора с газомN2/Arпри подготовке гидротермальных инъекций. Приготовление гидротермального имитатора жидкости (препарат сульфида натрия) Выберите одну из инъекционных концентраций, показанных в таблице 1,и приготовьте 10 мл каждой концентрации. Наполните растворами шприцы по 10 мл. Замените колпачки игл и отложите в сторону.ПРИМЕЧАНИЕ: Всегда держите сульфидсодержащие растворы и шприцы в вытяжном капюшоне. Взвесьте необходимое количество сульфида натрия (Na2S•9H 2O) только в вытяжной вытяжке (50 мл раствора с ddH2O). Наполните трубку центрифуги 50 мл ddH2O. Поместите Na2S•9H2O в трубку центрифуги 50 мл и плотно запечатайте ее в вытяжной вытяжке. Тщательно встряхните трубку в вытяжной капюшон до полного растворения всех частиц сульфида. Держите раствор нетоксичным в вытяжном капюшоне с помощью парапленки, в которую вставлена игла 10 г, вводящаяN2/Ar. 4. Настройка термистора Поместите термистор в устойчивое положение на боковой скамье как можно ближе к вытяжной вытяжке. Вставьте USB-сторону кабеля адаптера RS232 в USB-порт компьютера. Включите питание термистора. Инструкции по настройке кабельных резисторов см. в процедуре термисторов в Дополнительном приложении 2. Включите программное обеспечение термистора на компьютере. Прокрутите вниз до раздела Коммуникационный порт. Выберите первые несколько коммуникационных портов и нажмите кнопку Connect слева для каждого порта, пока термистор не подключится к программному обеспечению.ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение покажет панели конфигурации чтения зеленым цветом. Значок выборки будет продолжать мигать, показывая, что он отбирает текущую температуру через частые промежутки времени. Если ни один из этих сигналов не наблюдается, выберите другие порты связи. Если ни один из портов связи не работает, появляется всплывающее сообщение с сообщением об ошибке связи или Не удается установить связь. Если появляется ошибка связи, закройте программу и перезапустите ее. Повторно проверьте ленточные кабели и убедитесь, что они правильно подключены к контактам на контактах кабеля RS232. После подключения убедитесь, что Output читает 100% в красных полосах. Как только термистор мигает частыми интервальным измерениями, измените интервальное время на 60 с. В поле Параметры контроллера внизу снимите флажок 1 с и измените значение на 60 с. Нажмите на кнопку OK. Рядом с логотипом компании будет овальная кнопка с надписью Auto-scale. Нажмите эту кнопку, чтобы включить автоматическое масштабирование. Обратите внимание на желтую линию, которая покажет показания температуры. Внутри области участка щелкните правой кнопкой мыши, чтобы настроить график по своему вкусу, например, масштабирование осей x и y. Щелкните правой кнопкой мыши в области графика и нажмите на экспорт в Excel перед началом нового чтения каждые 5000 с или 83,33 мин (в зависимости от выбранного интервала записи). Сохраните данные о температуре и времени в электронной таблице, которая была автоматически создана программой. Поместите металлический термомисторный зонд в стеклянный океанский сосуд внутри конденсатора. Убедитесь, что зонд отодвинут в сторону стекла, так как термисторный зонд, висящий в середине стеклянного флакона, прервет рост дымохода. Снова накройте парапленкой. 5. Установка ледяной ванны Возьмите большую пластиковую кастрюлю и ведро среднего размера. Наполните ведро водой до половины пути. Поместите ведро внутрь кастрюли и поместите лед в воду почти до полного наполнения. Поместите два пластиковых отсечных шланга на оба конца водяного насоса(дополнительное добавление 3, рисунок 1). Обратите внимание, что вертикальное отверстие насоса – это место, где будет заливаться вода, чтобы начать грунтовку, а горизонтальное отверстие – это место, где выбрасывается вода. Подключите насос к розетке, но оставьте электрические разъемы открытыми, так как они будут питать насос при подключении. Подключите горизонтальный пластиковый шланг(Дополнительное приложение 3, рисунок 2)к более высокому порту конденсатора, обращенному вправо, гарантируя, что шланг достаточно длинный, чтобы добраться до ведра со льдом. Поместите еще один отсечковый пластиковый шланг в левое (нижнее) отверстие конденсатора, гарантируя, что этот шланг также достаточно длинный, чтобы достичь ледяной водяной бани. Поместите этот шланг над ведром ледяной воды, в которое вода будет выбрасываться из конденсатора. Налейте холодную воду через шланг, соединенный с вертикальным отверстием насоса. Когда насос наполняется водой, доходящей до порта конденсатора, погрузите шланг в ледяную водяную баню и сразу же подключите электрические разъемы.ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого может потребоваться два человека. Загрунтуйте насос, чтобы начать течь воду через конденсатор, наполните ведро льдом и поместите термометр в ведро, чтобы проверить температуру.ПРИМЕЧАНИЕ: Температура воды должна достигать ~0 °C. Контрольное испытание приведено в дополнительном приложении 1, рисунок 2. Продолжайте добавлять больше льда, чтобы поддерживать воду при холодной температуре, удаляя при этом часть более теплой воды. 6. Подготовка к инъекциям Поднесите шприцы ddH2O (секция 2.3) рядом со шприцами для инъекции гидротермальной жидкости. Осторожно соскользните пластиковую инъекционную трубку с иглы шприца ddH2O и немедленно перенесите ее непосредственно на одну из основных игл шприца для инъекций.ПРИМЕЧАНИЕ: Не прокалывайте стенку трубки. Подключите нагревательную прокладку, чтобы нагреть гидротермальный имитатор до 70-80 °C.  (Предупреждение: более высокие температуры могут деформировать или повредить пластиковый шприц.) Оберните прокладку вокруг сульфидного шприца и плотно прикрутите два металлических зажима вокруг прокладки(Дополнительное приложение 3, рисунок 3). Как только зажимы будут закреплены на месте, поместите их на шприцевой насос и плотно закрепите насос (зависит от выбранного шприцевого насоса). Установите температуру на блоке управления на ~70 °C, нажав клавишу со стрелкой вверх (Дополнительное приложение 3, рисунок 5). Нажмите set/start. После того, как нагретый шприц (шприцы) будет зафиксирован на месте на шприцевом насосе, установите шприцевой насос на впрыск со скоростью 1-2 мл / ч. Убедитесь, что океанические растворы полностью растворились. Если мутно, перемешайте до полного растворения. Титруйте имитатор океана до рН 5,5, чтобы имитировать кислотность океана Хадея30,31. Используйте 10 M HCl и медленно добавляйте капли (под подачу N2/Ar) до тех пор, пока рН-метр не считывает стабильные 5,5. Если он превышает 5,5, используйте NaOH, чтобы вернуть pH к более базовым уровням, используя тот же метод медленных капель. Залейте один или два океанских раствора в сборные дымоходы. Налейте один океанский раствор в стеклянный флакон внутри конденсатора, а другой в сосуд комнатной температуры без конденсатора (если проводите два эксперимента)(рисунок 6).ПРИМЕЧАНИЕ: Не перемещайте температурный зонд. Запечатайте верхнюю часть стеклянных флаконов парапленкой. Замените N2/Ar на верхнюю часть пространства над головой имитатора океана, заботясь о том, чтобы не ввести иглу в имитатор океана. Запрограммировать шприцевой насос на впрыск со скоростью 1-2 мл/ч (откалибруйте размер используемого шприца в зависимости от типа шприцевого насоса), но не нажимайте кнопку Пуск. Чтобы предотвратить тепловые потери по всей длине трубки, быстро впрыскивайте горячую жидкость, чтобы немедленно связаться с океанским резервуаром. Затем дайте инъекции запустить со скоростью 1-2 мл/ч в холодный океан. (См. температурное испытание шприца в дополнительном добавлении 1). Используйте отработанные мувы, чтобы поймать любые капли. Запустите инъекцию и начните записывать температуру океана на термистор. 7. Мониторинг температуры и эксперимент ПРИМЕЧАНИЕ: Как только вода циркулирует через конденсатор, термостольный температурный зонд начнет отображать падение температуры в океане. Цель состоит в том, чтобы температура достигала около 0 ° C. Точные настройки температурного (теплового) градиента см. в таблице 2. Сохраните все данные о температуре, щелкнув правой кнопкой мыши на области участка, и сохраните как . CSV-файл.ПРИМЕЧАНИЕ: Программа будет записывать данные о температуре до 5000 с, а затем начинать все сначала. Продолжайте добавлять лед в ведро, чтобы поддерживать температуру, близкую к замерзанию, пока дымоход в основном не разовьется, или, по крайней мере, пока шприц не будет почти пуст. Контролируйте также дымоход комнатной температуры. Часто фотографируйте рост дымохода для обоих дымоходов. Как только дымоход будет завершен, поместите небольшую линейку рядом с обоими дымоходами, а затем сделайте и сохраните снимки.ПРИМЕЧАНИЕ: Весь процесс должен выполняться в течение ~ 6 ч. 8. Завершение эксперимента Остановите шприцевой насос, затем прекратите запись температуры на термисторе и сохраните данные в электронной таблице. Выключите поток N2/Arи удалите линии и парапленку из сосудов для инъекций. При необходимости отбирают пробы океанического раствора или осадка для дальнейшего анализа. Чтобы аккуратно удалить резервуарный раствор, не нарушая осадка, используйте пипетку объемом 25 мл, чтобы аккуратно удалить несколько аликвот резервуарного раствора и выбросить раствор в мусорный бак. Осторожно слейте флакон внутри конденсатора в отработанный мукер. Снимите трубку со шприца и дайте океанического раствора стекать в замок в вытяжном вытяжке. Проделайте то же самое для флакона без конденсатора. Снимите сосуды, по одному, с зажима и используйте ddH2O, чтобы промыть кусочки осадка в отработанник. Снимите трубку и шприцы со шприцевого насоса. Опорожняйте шприцы и любую дополнительную инъекционную жидкость в контейнер для переноса отходов и утилизируйте шприцы в контейнере для сульфидных острых острий, хранящегося в вытяжном вытяжке. Извлеките трубку из флакона эксперимента и утилизируйте ее в мешок для твердых отходов. Откруткивая уплотнение и утилизируйте перегородку, уплотнение и наконечник пипетки. Промойте флакон со стеклянным экспериментом и замочите его на ночь в кислотной ванне 1 M HCl.ПРИМЕЧАНИЕ: Стеклянная посуда, которая была в контакте с сульфидом натрия, будет выделять токсичный газ H2S при помещении в кислоту. Следовательно, держите все кислотные ванны внутри вытяжного капота.

Representative Results

Как и в предыдущих исследованиях1,2,13,29; Как только гидротермальный имитатор жидкости достиг океанского флакона, начала формироваться минеральная структура осадка, которая становилась все толще и выше в течение всей инъекции. Дымоходы сульфида железа представляли излагаемые структуры, которые были не очень прочными и легко дезагрегировались, если океанский флакон или инъекция были физически нарушены. Это согласуется с результатами предыдущих исследований3. Химическая концентрация сульфидного раствора также сыграла жизненно важную роль в морфологии сульфидных дымоходов. Более концентрированные растворы сульфида позволяли иметь более высокие и прочные минеральные осадки, как показано на рисунке 5,тогда как более низкие концентрации сульфидных растворов производили слабые дымоходные структуры. В некоторых случаях не образовывалась структура, создавался только жидкий сульфидно-минеральный «суп», который со временем оседал в видеосадка (рисунок 3D). Это происходило как в условиях теплового, так и в нетеплового градиента. В экспериментах с тепловым градиентом дымохода с сульфидом железа твердые дымоходные конструкции обычно не объединялися так же хорошо, как при комнатной температуре. На рисунке 3E-H показана морфология дымохода сульфида железа, выращенного между холодным океаном и гидротермальной жидкостью комнатной температуры. Дымоходы в температурном градиенте были струноподобными и разреженными по своей природе, тогда как результаты нетеплового градиента(рисунок 3A-D)показывают более полупостоянные структуры. То же самое было верно, когда гидротермальная жидкость нагревалась(рисунок 4). Исключение составляли более высокие концентрации сульфидов и железа(рисунок 5),где между гидротермальным раствором комнатной температуры и имитатором холодного океана образовался твердый дымоход сульфида железа. Также было проверено влияние теплового градиента на рост дымоходов гидроксида железа. Результаты показали закономерности, которые были похожи на модели дымохода сульфида железа: в то время как эксперимент с гидроксидом железа комнатной температуры привел к более прочному осадку дымохода, эксперимент с тепловым градиентом между теплой гидротермальной жидкостью и холодным океаном привел к меньшему холму дымоходного материала, который не слился вертикально(рисунок 6). В отличие от высоких вертикальных структур дымоходов гидроксида железа, наблюдаемых в предыдущей работе (в экспериментах с комнатной температурой)29,наш эксперимент с тепловым градиентом показал другую морфологию. Рисунок 1:Тепловой градиент дымоходный аппарат. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.  Рисунок 2:3D-печатный конденсатор. (A) Схема 3D-печатного конденсатора, показывающего размеры конденсатора. (B)Размещение стеклянного океанского судна внутри конденсатора для охлаждения имитатора океана. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 3:Различные тепловые и нетепловые градиентные дымоходы. (A-D) Эксперимент по управлению нетепловым градиентом от гидротермальной жидкости комнатной температуры (HTF) до симулятор океана комнатной температуры. (A)10 мМ Na2S•9H2O HTF и 20mM FeCl2·4H2O имитатор океана. (B)20 мМ Na2S•9H2O HTF и 10 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана. (C)20 мМ Na2S•9H2O HTF и 20mM FeCl2·4H2O имитатор океана. (D)20 мМ Na2S•9H2O HTF и 20mM FeCl2·4H2O имитатор океана. (E-H) Эксперимент с тепловым градиентом дымохода от симулята HTF комнатной температуры до резервуара холодного океана (~5-10 °C). (E)20 мМ Na2S•9H2O HTF и 10 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана. (F)10 мМ Na2S•9H2O HTF и 20 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана. (G) 20 мМ Na2S•9H2O HTF и 10 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана. (H)10 мМ Na2S•9H2O HTF и 20 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 4:Эксперимент с тепловым градиентом. Эксперимент проводили с теплым (~35-40 °C) 20 мМ Na2S•9H2O раствором, вводимым в холодный (~5-10 °C) 20 мМ FeCl2·4H2O имитатор океана, производя небольшие дымоходные нити. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 5:Влияние концентрации имитатора океана на дымоходы. Более высокие концентрации (~50 мМ Na2S•9H2O, 10 мМ FeCl2·4H2O и 200 мМ NaCl) неоксовых имитаторов океана производили более структурно прочные и более высокие дымоходы. Раствор сульфида комнатной температуры вводили в имитатор океана при температуре 2-10 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 6:Одновременный рост тепловых и нетепловых градиентных дымоходов. (A) 100 мМ FeCl2·4H2O + 100 мМ FeCl3·6H2O океанический раствор с 200 мМ Гидротермальной жидкости NaOH (HTF) имитатор жидкости при комнатной температуре. (B) Эксперимент с тепловым градиентом с теми же концентрациями с теплым HTF при ~35-50 °C в имитатор холодного океана при ~5-10 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Химия гидротермальной жидкости (инъекция) Химия океана (водохранилище) 50 мМ Na2S 10 мМ FeCl2·4H2O + 200 мМ NaCl или NaHCO3 20 мМ Na2S 10 мМ FeCl2·4H2O + 200 мМ NaCl или NaHCO3 10 мМ Na2С 20 мМ FeCl2·4H2O + 200 мМ NaCl или NaHCO3 200 мМ NaOH 100 мМ FeCl2·4H2O + 100 мM FeCl3·6H2O Таблица 1: Матрица концентраций длясмоделированных растворов океанической и гидротермальной жидкости. HTF °C Имитаторы океана температура °C ~23 ~23 5-10 ~35-50 ~23 5-10 Таблица 2: Экспериментальная матрица теплового градиента. Температура гидротермальной жидкости (HTF) относится к температуре жидкости в шприце; фактическая температура на входе в океанский флакон была на 20-35 градусов ниже, чем температура внутри шприца (~70 °C) (см. Дополнительное приложение 1, рисунок 3,и рисунок 4). Дополнительный файл для печати. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.  Дополнительное добавление 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.  Дополнительное добавление 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.  Дополнительное добавление 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. 

Discussion

Влияние тепловых градиентов на смоделированный рост дымохода:Этот экспериментальный аппарат дал несколько вариаций в морфологии дымохода, которые были обусловлены несколькими экспериментальными параметрами. Дымоходы из сульфида железа и гидроксида железа образовывали высокие вертикальные структуры при комнатной температуре, но образовывали более разреженные, тягучие осадки или плоские насыпи в экспериментах с тепловым градиентом. Это соответствовало выводам Herschy et al., где тонкие, нестоячие осадки дымохода образовывались из гидротермальной жидкости, нагретой до 70-80 °C и вводились в имитатор океана комнатной температуры33. Существуют различные возможные объяснения этому: конвективная теплопередача может вызвать более естественные плавучие силы (наряду с принудительной перекачкой впрыска), чтобы заставить осадок быстро течь к вершине океанского судна по мере его формирования. В качестве альтернативы, нагревание шприцевой жидкости делает гидротермальный имитатор менее плотным и, следовательно, более склонным к вертикальному подъему, чем к стабилизации поверх точки впрыска. Возможно, что этот эффект может быть смягчен путем изменения скорости инъекции шприца на более медленные скорости, чтобы обеспечить рост более стабильной структуры. Уайт и др. исследовали рост дымохода сульфида железа с гидротермальным имитатором, вводимым с чрезвычайно медленной скоростью (0,08 мл / ч), и хотя дымоходу потребовалось несколько дней, чтобы слиться, он был структурно стабильным13. Поскольку Herschy et al. использовали перистальтические насосы со скоростью впрыска 10-120 мл / ч, что на несколько порядков быстрее, чем скорости, используемые в наших экспериментах с тепловым градиентом, неудивительно, что они также производили струнные дымоходные конструкции33.

Более высокие концентрации осажденных реагентов в океане и вентиляционных растворах также могут привести к более прочным дымоходам в тепловых градиентах. Более высокие химические концентрации осажденных ионов (сульфида или гидроксида) в гидротермальной жидкости или имитаторе океана могут привести к увеличению общей массы осадка, создавая тем самым более прочную структуру. Поскольку Herschy et al. и White et al. использовали более низкие концентрации сульфида в гидротермальной жидкости (10 мМ), их структуры были меньше, чем те, которые были получены в этой работе с использованием более высоких (20-50 мМ) концентраций сульфидов. Кроме того, некоторые исследования роста дымохода сульфида железа также включали кремнезем в гидротермальную жидкость вместе с сульфидом натрия, который может помочь в производстве более прочных дымоходов3,13,33. Структуры химического сада кремнезема также использовались для моделирования аспектов роста гидротермального дымохода34,и они, как правило, производят очень прочные структуры, которые могут быть удалены из трубки / флакона для физического анализа. Однако влияние температурных градиентов на структуры впрыска кремнезема неизвестно и будет областью дальнейшего изучения.

Соображения для будущих экспериментов по моделированию дымоходов:3D-печатный конденсатор, созданный в этом исследовании для охлаждения океанского судна, действовал как реакционный сосуд с рубашкой, но с некоторыми практическими улучшениями: 1) открытый верх позволял отбирать пробы дымохода и поддерживать неококсическое пространство над океаном; 2) 3D-печатная деталь, придавее легкую воспроизводимость; 3) поскольку конструкции могут быть отредактированы в цифровом виде, аппарат может быть быстро модифицирован и перепечатал при желании; и 4) использование недорогих материалов сделало каждый конденсатор более рентайственным, чем фактические реакционные сосуды со стеклянной оболочкой. Эти 3D-печатные конденсаторы представляют собой гибкий и легко используемый экспериментальный аппарат, который может быть полезным способом стандартизации платформ для имитации экспериментов с гидротермальным дымоходом в различных исследовательских группах, что позволяет лучше сравнивать образцы и данные. Файлы конденсатора могут быть отправлены коллегам для самостоятельной печати в их образовательных или научных целях (см. Файл дополнительной 3D-печати конденсатора, используемого в этой работе). Эта недорогая установка также может быть использована в качестве лабораторного эксперимента для студентов для химических садов или хемобионики29,35.

В заключение, эта работа описывает новый экспериментальный аппарат, использующий 3D-печать для облегчения роста смоделированных гидротермальных дымоходов в средах с градиентом температуры. 3D-печатный конденсатор способен охлаждать имитатор океана до почти низких температур, подобных морской воде вблизи гидротермальных систем морского дна. Между тем, нагретый шприц использовался для имитации высокотемпературной гидротермальной жидкости, впрыскивающейся в этот холодный океан. На морфологию и структуру дымоходов сульфида железа и гидроксида железа влиял тепловой градиент: когда и океан, и гидротермальные имитаторы жидкости находились при комнатной температуре, дымоходы образовывали вертикально ориентированные структуры, но когда гидротермальная жидкость нагревалась и океан охлаждался, образование прочных дымоходных структур тормозилось. Для точного моделирования пребиотических реакций в таких дымоходных системах с тепловыми градиентами, аналогичными градиентам природных систем, необходимо будет тщательно контролировать такие параметры, как скорость впрыска и химический состав как вентиляционных, так и океанических симулянтов. Изготовленный на заказ и недорогой 3D-печатный конденсатор, созданный для этого исследования, похож по функциям на реакционный сосуд с рубашкой и может быть легко модифицирован и распространен в электронном виде различным исследовательским и образовательным группам для использования во многих типах хемобионных экспериментов.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было проведено в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института по контракту с НАСА при поддержке Института астробиологии НАСА Icy Worlds. Д-р Габриэль Леблан был частично поддержан грантом на начало исследований (2017-34) в рамках Соглашения о сотрудничестве NASA EPSCoR в Оклахоме (NNX15AK42A). Мы хотели бы поблагодарить Хизер Уайтхед за помощь в первоначальном дизайне 3D-печатного конденсатора, Калинда Карпентера за помощь в 3D-печати, Джона-Пола Джонса за полезное обсуждение конденсаторных сосудов, Лауру Родригес за помощь в анализе температурных данных и Эрику Флорес с лабораторной помощью. Copyright 2020 Калифорнийский технологический институт.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sojo, V., Herschy, B., Whicher, A., Camprubi, E., Lane, N. The origin of life in alkaline hydrothermal vents. Astrobiology. 16 (2), 181-197 (2016).
  2. Barge, L. M., et al. From chemical gardens to fuel cells: Generation of electrical potential and current across self-assembling iron mineral membranes. Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8184-8187 (2015).
  3. Mielke, R. E., et al. Iron-sulfide-bearing chimneys as potential catalytic energy traps at life’s emergence. Astrobiology. 11 (10), 933-950 (2011).
  4. Russell, M. J., et al. The drive to life on wet and icy worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
  5. Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. Journal of the Geological Society, London. 154 (3), 377-402 (1997).
  6. Russell, M. J., Hall, A. J., Kesler, S. E., Ohmoto, H. The onset and early evolution of life. Evolution of Early Earth’s Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere-Constraints from Ore Deposits, Geological Society of America. 198, 1-32 (2006).
  7. Hsu, H. W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
  8. Vance, S., et al. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7 (6), 987-1005 (2007).
  9. Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Sainz-Díaz, C. I. Carbonate-hydroxide chemical-garden tubes in the soda ocean of Enceladus: abiotic membranes and microtubular forms of calcium carbonate. Icarus. 319, 337-348 (2019).
  10. Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa. Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).
  11. Yamaguchi, A., et al. Electrochemical CO2 reduction by Ni-containing iron sulfides: How is CO2 electrochemically reduced at bisulfide-bearing deep-sea hydrothermal precipitates. Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).
  12. Roldan, A., et al. Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions. Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).
  13. White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life. Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).
  14. Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).
  15. Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life. Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).
  16. McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. Peptide and RNA contributions to iron–sulphur chemical gardens as life’s first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensers. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).
  17. Cutler, K. B., et al. Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period. Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).
  18. Kelley, D. S., et al. An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30 N. Nature. 412 (6843), 145-149 (2001).
  19. Kelley, D. S., et al. A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field. Science. 307 (5714), 1428-1434 (2005).
  20. Price, R., et al. Alkaline vents and steep Na+ gradients from ridge-flank basalts-Implications for the origin and evolution of life. Geology. 45 (12), 1135-1138 (2017).
  21. Proskurowski, G., et al. Abiogenic hydrocarbon production at Lost City hydrothermal field. Science. 319 (5863), 604-607 (2008).
  22. Francheteau, J., et al. Massive deep-sea sulphide ore deposits discovered on the East Pacific Rise. Nature. 277 (5697), 523-528 (1979).
  23. Spiess, F. N., et al. East Pacific Rise: hot springs and geophysical experiments. Science. 207 (4438), 1421-1433 (1980).
  24. Hekinian, R., Fevrier, M., Bischoff, J. L., Picot, P., Shanks, W. C. Sulfide deposits from the East Pacific Rise near 21 N. Science. 207 (4438), 1433-1444 (1980).
  25. Haymon, R. M. Growth history of hydrothermal black smoker chimneys. Nature. 301 (5902), 695-698 (1983).
  26. Ishii, T., Kawaichi, S., Nakagawa, H., Hashimoto, K., Nakamura, R. From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe (II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources. Frontiers in Microbiology. 6, 994 (2015).
  27. Barge, L. M., et al. Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates. Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).
  28. Barge, L. M., White, L. M. Experimentally testing hydrothermal vent origin of life on Enceladus and other icy/ocean worlds. Astrobiology. 17 (9), 820-833 (2017).
  29. Barge, L. M., et al. Chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems. Journal of Visualized Experiments. 105, e53015 (2015).
  30. Morse, J. W., Mackenzie, F. T. Hadean ocean carbonate geochemistry. Aquatic Geochemistry. 4 (3-4), 301-319 (1998).
  31. Russell, M. J., Arndt, N. T. Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean. Biogeosciences. 2 (1), 97-111 (2005).
  32. Price, R. E., Giovannelli, D. A Review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents. Reference Module in Earth Systems and Environmental Science. , (2017).
  33. Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. Journal of Molecular Evolution. 79 (5-6), 213-227 (2014).
  34. Barge, L. M., et al. Characterization of iron-phosphate-silicate chemical garden structures. Langmuir. 28 (8), 3714-3721 (2012).
  35. Barge, L. M., et al. From chemical gardens to chemobrionics. Chemical Reviews. 115 (16), 8652-8703 (2015).

Tags

3D PrintingThermal GradientHydrothermal ChimneysExperimental MethodsTemperature ControlData CollectionEuropaEnceladusThermistorRS-232 AdapterData LoggingExperimental SetupTemperature Monitoring

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image