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Environment

Simulación de chimeneas hidrotermales de la Tierra Primitiva en un entorno de gradiente térmico

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

Summary

El objetivo de este protocolo es formar chimeneas hidrotermales simuladas a través de experimentos de inyección química en jardines e introducir un gradiente térmico a través de la membrana de precipitado inorgánico, utilizando un condensador imprimible en 3D que se puede reproducir con fines educativos.

Abstract

Los respiraderos hidrotermales de aguas profundas son precipitados autoorganizados generados a partir de desequilibrios geoquímicos y se han propuesto como un posible escenario para el surgimiento de la vida. El crecimiento de chimeneas hidrotermales en un entorno de gradiente térmico dentro de un sistema de ventilación de la Tierra primitiva se simuló con éxito mediante el uso de diferentes simulantes hidrotermales, como el sulfuro de sodio, que se inyectaron en un simulante oceánico de la Tierra primitiva que contenía hierro ferroso disuelto. Además, se desarrolló un aparato para enfriar suficientemente el simulante oceánico a cerca de 0 ° C en un recipiente condensador sumergido en un baño de agua fría mientras se inyectaba una solución de sulfuro a temperatura ambiente caliente, creando efectivamente una estructura de chimenea artificial en un entorno de gradiente de temperatura durante un período de unas pocas horas. Tales experimentos con diferentes químicas y gradientes de temperatura variables dieron como resultado una variedad de morfologías en la estructura de la chimenea. El uso de simulantes de fluidos oceánicos e hidrotermales a temperatura ambiente dio lugar a chimeneas verticales, mientras que la combinación de un fluido hidrotermal caliente y un simulante oceánico frío inhibió la formación de estructuras de chimenea robustas. El condensador impreso en 3D personalizable creado para este estudio actúa como un recipiente de reacción encamisado que puede ser fácilmente modificado y utilizado por diferentes investigadores. Permitirá el control cuidadoso de la velocidad de inyección y la composición química de los simulantes de ventilación y océano, lo que debería ayudar a simular con precisión las reacciones prebióticas en sistemas de chimeneas con gradientes térmicos similares a los de los sistemas naturales.

Introduction

Las chimeneas hidrotermales son precipitados de jardín químicos autoorganizados generados a partir de desequilibrios geoquímicos dentro de ambientes de ventilación de aguas profundas a medida que el fluido calentado e hidrotérmico alterado se filtra en un océano más frío. En un escenario temprano de la Tierra, se ha propuesto que las chimeneas se formaron en antiguos respiraderos alcalinos, y que la transectación de gradientes ambientales de pH / redox / químicos podría haber impulsado reacciones hacia la aparición del metabolismo1,2,3,4,5,6. También se ha postulado que existen respiraderos hidrotermales en otros planetas, incluidos los mundos oceánicos, Europa yEncelado 7,8,9,10. Se han realizado varios experimentos para simular aspectos de la química de la chimenea hidrotermal prebiótica propuesta, incluida la precipitación de minerales catalíticos de sulfuro de hierro que podrían reducir el CO211,12, la síntesis orgánica impulsada por gradiente13,14,15y la incorporación de compuestos orgánicos en las estructuras de la chimenea16. Al crear configuraciones experimentales para imitar los respiraderos hidrotermales, ya sea en la Tierra o en otros mundos, es esencial considerar los gradientes geoquímicos y la naturaleza abierta y lejos del equilibrio del sistema para producir simulaciones realistas.

Además de los gradientes de pH, redox y químicos, los respiraderos hidrotermales también imponen un gradiente térmico a través de la membrana / pared de la chimenea debido a la alimentación del fluido de ventilación calentado en un entorno de fondo marino frío. Las temperaturas oceánicas del fondo marino frío pueden variar en función de la profundidad, la penetración solar y la salinidad; Las profundidades oceánicas promedio del fondo marino en los sitios de ventilación (principalmente en las dorsales oceánicas medias) están en el rango de 0-4 ° C17. Dependiendo del tipo de respiradero, el gradiente térmico entre el océano y el fluido de ventilación puede variar dramáticamente, desde los gradientes más suaves de los respiraderos alcalinos, como Lost City18,19 o el Campo Hidrotermal de Strytan donde el fluido de ventilación es de 40-90 ° C20,21,hasta los fumadores negros del fondo marino profundo donde el fluido de ventilación puede alcanzar varios cientos de grados Celsius22, 23,24,25. Desde una perspectiva de origen de la vida, la simulación de gradientes térmicos en sistemas hidrotermales es significativa, ya que podrían afectar la mineralogía y la reactividad química de los precipitados de chimenea3,13 y / o podrían afectar la habitabilidad ya que las chimeneas hidrotermales albergan microbios que toman electrones directamente de las superficies minerales26. En un gradiente a través de la pared de la chimenea, un rango de condiciones de temperatura estaría presente en una distancia corta, y la pared de la chimenea representaría una combinación de minerales y reacciones características de todos estos regímenes térmicos.

Se simularon chimeneas hidrotermales cultivadas en laboratorio en gradientes térmicos para explorar los efectos del océano frío y el fluido hidrotermal caliente en este entorno prebiótico potencial. En general, debido a que el cultivo de chimeneas hidrotermales simuladas a través de un método de inyección con un interior calentado y un exterior frío presenta desafíos prácticos, los experimentos de chimenea más accesibles son los realizados a presión ambiental (por lo tanto, no requieren reactores costosos y complicados). Los intentos anteriores de chimeneas cultivadas en laboratorio en un gradiente térmico no han podido producir tanto un fluido hidrotermal caliente / cálido como un océano frío. En un esfuerzo por mantener toda la chimenea a alta temperatura durante largos períodos para formar minerales reactivos que puedan impulsar reacciones orgánicas, algunos estudios calentaron todo el experimento (fluido oceánico e hidrotermal) a ~ 70 ° C utilizando una camisa calefactora o un baño caliente13,14. Otro tipo de experimento de formación de precipitados de chimenea, en un aparato de “celda de combustible”, formó el simulante de pared de chimenea en una plantilla de membrana plana; estos experimentos también se han calentado a granel sumergiendo el aparato de gradiente de pila de combustible en un baño de agua caliente27,28. Estudios previos han formado chimeneas hidrotermales simuladas a partir de fluidos hidrotermales calientes (calentados a ~ 70 ° C utilizando varios métodos) inyectados en un océano a temperatura ambiente3,12; sin embargo, no se ha intentado un océano frío.

Este trabajo avanza métodos para simulaciones de laboratorio de crecimiento de chimeneas prebióticas4 para crear un gradiente térmico realista desde un océano frío (0-5 ° C) hasta un fluido hidrotermal calentado en el que sintetizar materiales de chimenea y probar propiedades de interés. Hasta la fecha, no ha habido experimentos de chimenea prebiótica realizados con éxito con un gradiente de temperatura realista para respiraderos alcalinos: con la solución de ventilación interior mantenida a ~ 70 ° C y la solución oceánica exterior enfriada a ~ 5 ° C. Además, en los pocos experimentos de chimeneas calentadas que se han realizado, la configuración experimental es compleja y puede ser costosa. Los experimentos químicos de jardín tienen un gran potencial para producir información sobre los procesos que pueden haber tenido lugar en los respiraderos hidrotermales en la Tierra primitiva. Por lo tanto, la capacidad de configurar rápidamente múltiples variaciones de un experimento de chimenea es ventajosa, al igual que la capacidad de tener un aparato simple que sea económico, no frágil, fácilmente modificativo e ideal para que los estudiantes trabajen con él. Aquí se presenta un nuevo aparato(Figura 1)diseñado para facilitar el crecimiento de una chimenea hidrotermal simulada mientras se mantiene y monitorea un gradiente térmico realista entre el océano frío y el simulante de fluido hidrotermal calentado. Este aparato experimental es similar en diseño a un reactor de camisa, pero es un condensador impreso tridimensional (3D) que puede ser producido fácilmente por cualquier grupo de investigación interesado en realizar experimentos similares (ver Archivo imprimible suplementario). Utilizando este condensador impreso en 3D, se realizaron experimentos de chimenea de gradiente térmico para probar la utilidad de este aparato para mantener gradientes de temperatura robustos y para probar los efectos de los gradientes de temperatura en la estructura y morfología de la chimenea.

Protocol

1. Consideraciones de seguridad Use equipo de protección de laboratorio para la protección personal, incluidos guantes de nitrilo, gafas faciales, bata de laboratorio y zapatos adecuados (sin piel expuesta). Cuando use jeringas y agujas, tenga cuidado de no perforar los guantes o la piel. Revise todo el aparato en la campana de humos en busca de fugas. Compruebe la estabilidad de los viales de vidrio y el condensador en el soporte antes de agregar cualquier producto químico a la mezcla. Operar todos los experimentos de gradiente térmico en humos para contener derrames de agua. Use todo el sulfuro de sodio (Na2S•9H2O) en los humos, ya que es peligroso para la salud. Mantenga el sulfuro de sodio en la campana de humos y coloque una balanza dentro de la campana de humos para pesar la cantidad de sulfuro. Siempre mantenga las soluciones que contienen sulfuro dentro de la campana de humos a medida que liberan gas tóxico H2S, y mantenga el líquido de sulfuro, los objetos punzantes y los contenedores de desechos sólidos en la campana de humos. No mezcle ningún residuo de solución de sulfuro con otros productos químicos conocidos. Cuando use el reactivo Fe(II)Cl2•4H2O, purgue constantemente con N2/ Ar a medida que se oxida al exponerse al aire. Mantenga las soluciones anóxicas en la campana de humos colocando gasN 2/ Ar en el espacio de la cabeza dentro de la campana de humos. Asegure con parafilm para evitar una mayor oxidación. 2. Configuración para experimentos de inyección Sujete la inyección del condensador impreso en 3D en un soporte en una campana de humos, de modo que el pequeño orificio de babor esté orientado hacia la parte inferior de la campana de humos. Asegúrese de que el condensador esté nivelado dentro de la abrazadera. Cree “recipientes de inyección” de vidrio cortando 1 cm de la parte inferior de una botella de suero de vidrio transparente de 100 ml (tipo de cierre de sello de engarce de 20 mm) con un cortador de vidrio, y asegúrese de que el recipiente esté abierto al aire de abajo hacia arriba. Limpie los viales en un baño de ácido de 1 M HCl durante la noche y luego enjuague con agua de doble destilación (ddH2O) antes de realizar un nuevo experimento. Reutilícelo a menos que esté agrietado o roto, luego deséchelo. Preparar los viales de inyección (Figura 1). Recoja los siguientes materiales: un tabique de 20 mm, un sello de engarce de aluminio de 20 mm, una punta de pipeta de plástico de 0,5-10 μL, una aguja de jeringa de 16 G y una herramienta de crimpadora. Perfore cuidadosamente un orificio en el centro del tabique de goma y luego retire y deseche la aguja en un recipiente de desechos de objetos punzantes. Inserte la punta de la pipeta en el orificio de la aguja, en el lado del tabique de goma que se enfrentará dentro de la parte superior engarzada del vial. Empuje la punta de la pipeta a través del tabique para que asome ligeramente por el otro lado.NOTA: No empuje todo el camino, ya que esto no dará suficiente espacio para colocar el sello de engarce con la herramienta de engarzado. Coloque la crimpadora sobre el sello de engarce. Apriete la crimpadora y selle el tabique con la punta de la pipeta en el recipiente de inyección para que sea estanco. Después de sellar correctamente, empuje la punta de la pipeta a través del frasco de vidrio, de modo que sobresala aproximadamente 1.0 “del vidrio. Coloque un tubo transparente, flexible y resistente a los productos químicos de 1/16” de diámetro interior en la punta de la pipeta para obtener un sello estanco en la punta de la pipeta.NOTA: El tubo debe ser lo suficientemente largo como para alcanzar la jeringa de 16 G en la parte superior de la bomba de la jeringa, ya que la jeringa bombeará el fluido hidrotermal a través de este tubo transparente hacia el simulante oceánico. Coloque los viales de inyección en el condensador impreso en 3D en la campana de humos, serpenteando el tubo a través del orificio de babor del condensador en la parte inferior. Asegúrese de que el vial sobresalta del pequeño orificio de babor en el condensador.NOTA: Si se van a utilizar varios condensadores, se pueden configurar varios viales a la vez y alimentarlos simultáneamente con jeringas separadas. Compruebe si hay fugas finales insertando una jeringa de 10 ml llena de ddH2O y con una aguja de 16 G en el otro extremo del tubo abierto. Inserte cuidadosamente la aguja de 16 G en el tubo para no perforar el tubo. Inyecte lentamente el ddH2O para que se mueva hacia arriba en el tubo y hacia el fondo del recipiente de reacción para asegurarse de que la jeringa / tubo, el tubo / punta y los sellos de engarce sean todos estancos. Asegure la parapelícula firmemente sobre la parte superior de corte del vial y coloque un pequeño trozo de cinta adhesiva en la parte superior de la parapelícula. Perfore un pequeño orificio a través de la cinta para que el O2 pueda gasear a medida que se bombeaN 2/ Ar. Configure líneas de gasN 2/ Ar que alimentarán cada una uno de los viales de inyección desde la parte superior de corte para hacer que el vial de vidrio sea anóxico antes de que se vierta el simulante oceánico. Divida la alimentación de gas de una fuente N2/ Ar en varios tubos, de modo que haya una alimentación N2/ Ar para cada vial de inyección (si realiza múltiples experimentos). Coloque la jeringa (conectada a N2/ Ar) perforando a través de la cinta, flotando sobre la solución oceánica en el vial. Tenga cuidado de no penetrar la solución oceánica con la aguja para evitar la interrupción del crecimiento de la chimenea. 3. Preparación de soluciones para el crecimiento químico del jardín Preparación del simulante oceánico Preparar 100 ml de solución para cada experimento.NOTA: En este ejemplo, utilice la Tabla 1 para concentraciones específicas como los cationes precipitantes. Cree soluciones anóxicas burbujeando primero 100 mL de ddH2O con gasN 2/ Ar durante ~ 15 min por 100 mL en un matraz Erlenmeyer. Pesar y agregar cualquiera de los ingredientes químicos del océano, revolviendo suavemente para disolver (no vigorosamente para no introducir oxígeno). Después de disolver los reactivos, reanude inmediatamente el burbujeo ligero del simulante oceánico con gas N2/ Ar mientras prepara las inyecciones hidrotermales. Preparación de simulante de fluido hidrotermal (preparación de sulfuro de sodio) Elija una de las concentraciones de inyección que se muestran en la Tabla 1y prepare 10 ml de cada concentración. Llene las jeringas de 10 ml con las soluciones. Reemplace las tapas de la aguja y reserve.NOTA: Siempre mantenga las soluciones y jeringas que contienen sulfuro en la campana de humos. Pesar la cantidad requerida de sulfuro de sodio (Na2S•9H2O) solo en la campana extractora de humos (50 ml de solución con ddH2O). Llene un tubo centrífugo de 50 ml con ddH2O. Coloque el Na2S•9H2O en el tubo centrífugo de 50 ml y séllelo herméticamente en la campana extractora de humos. Agite bien el tubo en la campana de humos hasta que todas las partículas de sulfuro se disuelvan por completo. Mantenga la solución anóxico en la campana de humos utilizando parafilm en el que se ha insertado una aguja de 10 G inyectandoN 2/ Ar. 4. Configuración del termistor Coloque el termistor en una posición estable en un banco lateral lo más cerca posible de la campana de humos. Inserte el lado USB de un cable adaptador RS232 en el puerto USB de la computadora. Encienda la alimentación del termistor. Para obtener instrucciones sobre la configuración de resistencias de cable, consulte Procedimiento del termistor en el Apéndice complementario 2. Encienda el software del termistor en la computadora. Desplácese hacia abajo hasta Puerto de comunicaciones. Seleccione los primeros puertos de comunicación y haga clic en el botón Conectar a la izquierda para cada puerto, hasta que el termistor se conecte al software.NOTA: El software mostrará las barras de configuración de lectura en verde. El icono de muestreo seguirá parpadeando, mostrando que está muestreando la temperatura actual a intervalos frecuentes. Si no se observa ninguna de estas señales, elija otros puertos de comunicación. Si ninguno de los puertos de comunicación funciona, se ve un mensaje emergente que indica Error de comunicaciones o No se puede comunicar. Si aparece un error de comunicaciones, cierre el programa y reinicie. Vuelva a comprobar los cables de cinta y asegúrese de que estén conectados correctamente a los pines de los pines de cable RS232. Una vez conectado, asegúrese de que la salida lea al 100% en barras rojas. Una vez que el termistor esté parpadeando mediciones de intervalos frecuentes, cambie el tiempo de intervalo a 60 s. En el cuadro Opciones del controlador, hacia la parte inferior, borra 1 s y cambia a 60 s. Haga clic en el botón Aceptar. Habrá un botón ovalado junto al logotipo de la compañía etiquetado Auto-scale. Haga clic en ese botón para activar la escala automática. Tenga en cuenta la línea amarilla que mostrará la lectura de temperatura. Dentro del área de la gráfica, haga clic con el botón derecho para ajustar la gráfica a su gusto, como escalar los ejes x e y. Haga clic con el botón derecho en el área de la gráfica y haga clic en exportar a Excel antes de que comience una nueva lectura cada 5000 s o 83.33 min (dependiendo del intervalo de grabación elegido). Guarde los datos de temperatura y tiempo en la hoja de cálculo que ha sido creada automáticamente por el programa. Coloque la sonda de termistor de metal en el recipiente oceánico de vidrio dentro del condensador. Asegúrese de que la sonda esté puesta a un lado del vidrio, ya que la sonda del termistor que cuelga en el medio del vial de vidrio interrumpirá el crecimiento de la chimenea. Cubrir de nuevo con parafilm. 5. Configuración del baño de hielo Toma una sartén de plástico más grande y un cubo de tamaño mediano. Llene el cubo con agua hasta la mitad. Coloque el cubo dentro de la sartén y coloque hielo dentro del agua hasta que esté casi lleno. Coloque las dos mangueras de corte de plástico en cada extremo de la bomba de agua(Apéndice suplementario 3, Figura 1). Tenga en cuenta que la abertura vertical de la bomba es donde se verterá el agua para comenzar el cebado, y la abertura horizontal es donde se expulsa el agua. Conecte la bomba a una toma de corriente, pero deje los conectores eléctricos abiertos, ya que alimentarán la bomba cuando esté conectada. Conecte la manguera de plástico horizontal(Apéndice suplementario 3, Figura 2)al puerto superior del condensador, mirando hacia la derecha, asegurándose de que la manguera sea lo suficientemente larga como para llegar al cubo de hielo. Coloque otra manguera de plástico cortada en el puerto del condensador izquierdo (inferior), asegurándose de que esta manguera también sea lo suficientemente larga como para llegar al baño de agua helada. Coloque esta manguera sobre el cubo de agua helada en el que se expulsará el agua del condensador. Vierta agua fría a través de la manguera conectada a la abertura vertical de la bomba. Cuando la bomba esté llena de agua, llegue hasta el puerto del condensador, sumerja la manguera en el baño de agua helada e inmediatamente conecte los conectores eléctricos.NOTA: Esto puede requerir dos personas. Prepara la bomba para que comience a fluir agua a través del condensador, llena el cubo con hielo y coloca un termómetro en el cubo para verificar la temperatura.NOTA: La temperatura del agua debe alcanzar ~ 0 ° C. Ver prueba de control en el Apéndice Suplementario 1 Figura 2. Siga agregando más hielo para mantener el agua a una temperatura fría, mientras elimina parte del agua más caliente. 6. Preparación para inyección Baje las jeringas ddH2O (sección 2.3) junto a las jeringas de inyección de líquido hidrotermal. Deslice cuidadosamente el tubo de inyección de plástico de la aguja de la jeringa ddH2O e inmediatamente transfiéralo directamente a una de las agujas de la jeringa de inyección primaria.NOTA: No perfore la pared del tubo. Enchufe la almohadilla del calentador para calentar el simulante hidrotermal a 70-80 °C.  (Advertencia: las temperaturas más altas pueden deformar o dañar la jeringa de plástico). Envuelva la almohadilla alrededor de la jeringa de sulfuro y atornille firmemente dos abrazaderas de metal alrededor de la almohadilla(Apéndice suplementario 3, Figura 3). Una vez que las abrazaderas estén aseguradas en su lugar, colóquelas en la bomba de la jeringa y asegure la bomba herméticamente (depende de la bomba de la jeringa de elección). Ajuste la temperatura en el cuadro de control a ~ 70 ° C presionando la tecla de flecha hacia arriba (Apéndice suplementario 3, Figura 5). Pulse set/start. Una vez que las jeringas calentadas estén bloqueadas en su lugar en la bomba de la jeringa, configure la bomba de la jeringa para inyectar a 1-2 ml / h. Compruebe que las soluciones oceánicas estén completamente disueltas. Si está turbio, revuelva hasta que se disuelva en su mayor parte. Valore el simulante oceánico a pH 5.5 para simular la acidez del océano Hadeo30,31. Use 10 M HCl y agregue gotas lentamente (debajo de la alimentación N2/ Ar) hasta que el medidor de pH lea un 5.5 estable. Si excede 5.5, use NaOH para llevar el pH a niveles más básicos utilizando el mismo método de gota lenta. Vierta una o dos soluciones oceánicas en los buques de chimenea prefabricados. Vierta una solución oceánica en el vial de vidrio dentro del condensador y la otra en el recipiente a temperatura ambiente sin condensador (si se realizan dos experimentos) (Figura 6).NOTA: No mueva la sonda de temperatura. Selle la parte superior de los viales de vidrio con parafilm. Reemplace la alimentación N2/ Ar en la parte superior del espacio de cabeza del simulante oceánico, teniendo cuidado de no introducir la aguja en el simulante oceánico. Programe la bomba de la jeringa para inyectar a 1-2 ml/h (calibre para el tamaño de la jeringa que se está utilizando, dependiendo del tipo de bomba de la jeringa), pero no presione Start. Para evitar que se produzca una pérdida térmica a través de la longitud del tubo, inyecte el fluido caliente rápidamente para hacer contacto inmediato con el depósito oceánico. Luego, deje que la inyección corra a 1-2 ml / h en el océano frío. (Véase la prueba térmica para la jeringa en el Apéndice complementario 1). Use picos de desecho para atrapar cualquier goteo. Comience la inyección y comience a registrar la temperatura del océano en el termistor. 7. Monitorización de la temperatura y del experimento NOTA: Una vez que el agua está circulando a través del condensador, la sonda de temperatura del termistor comenzará a mostrar la caída de la temperatura dentro del océano. El objetivo es que la temperatura alcance cerca de 0 °C. Consulte la Tabla 2 para conocer los ajustes precisos del gradiente de temperatura (térmico). Guarde todos los datos de temperatura haciendo clic con el botón derecho en el área de la parcela y guárdelo como un archivo . Archivo CSV.NOTA: El programa registrará hasta 5000 s de datos de temperatura y luego comenzará de nuevo. Siga agregando hielo en el cubo para mantener temperaturas cercanas a la congelación, hasta que la chimenea se haya desarrollado en su mayoría, o al menos hasta que la jeringa esté casi vacía. Monitoree también la chimenea a temperatura ambiente. Tome fotografías frecuentes durante todo el crecimiento de la chimenea para ambas chimeneas. Una vez que la chimenea esté completa, coloque una pequeña regla al lado de ambas chimeneas y luego tome y guarde imágenes.NOTA: Todo el proceso debe ejecutarse durante ~ 6 h. 8. Finalización del experimento Detenga la bomba de la jeringa, luego deje de registrar la temperatura en el termistor y guarde los datos en una hoja de cálculo. Apague el flujo N2/ Ar y retire las líneas y la parapelícula de los recipientes de inyección. Si es necesario, muestree la solución oceánica o precipite para un análisis más detallado. Para retirar cuidadosamente la solución del depósito sin perturbar el precipitado, use una pipeta de 25 ml para pipetear cuidadosamente varias alícuotas de la solución del reservorio y deseche la solución en un beaker de desechos. Escurra con cuidado el vial dentro del condensador en un beaker de desechos. Retire el tubo de la jeringa y deje que la solución oceánica drene en el beaker de la campana extractora de humos. Haga lo mismo con el vial sin condensador. Retire los recipientes, uno a la vez, de la abrazadera y use ddH2O para enjuagar los trozos de precipitado en un vaso de precipitados de desecho. Retire el tubo y las jeringas de la bomba de jeringa. Vacíe las jeringas y cualquier líquido de inyección adicional en el beaker de transferencia de desechos, y deseche las jeringas en un recipiente de objetos punzantes de sulfuro que se mantenga en la campana de humos. Retire el tubo del vial del experimento y deséchelo en una bolsa de desechos sólidos. Destamplle el sello y deseche el tabique, el sello y la punta de la pipeta. Enjuague el vial de experimento de vidrio y sumérjalo durante la noche en un baño de ácido de HCl de 1 M.NOTA: La cristalería que ha estado en contacto con el sulfuro de sodio liberará gas tóxico H2S cuando se coloca en ácido. Por lo tanto, mantenga todos los baños de ácido dentro de la campana de humos.

Representative Results

Como en estudios anteriores1,2,13,29; una vez que el simulante de fluido hidrotermal llegó al vial oceánico, comenzó a formarse una estructura de precipitado mineral que se hizo más gruesa y más alta durante la duración de la inyección. Las chimeneas de sulfuro de hierro eran estructuras delicadas que no eran muy robustas y se desagregaban fácilmente si el vial o inyección del océano estaba físicamente perturbado. Esto es consistente con los resultados de estudios previos3. La concentración química de la solución de sulfuro también jugó un papel vital en la morfología de las chimeneas de sulfuro. Las soluciones más concentradas de sulfuro permitieron precipitados minerales más altos y resistentes, como se muestra en la Figura 5,mientras que las concentraciones más bajas de soluciones de sulfuro produjeron estructuras de chimenea débiles. En algunos casos, no se formó ninguna estructura, solo se creó una “sopa” líquida de sulfuro-mineral, que eventualmente se asentaría como un sedimento(Figura 3D). Esto ocurrió tanto en condiciones de gradiente térmico como no térmico. En los experimentos de chimenea de gradiente térmico con sulfuro de hierro, las estructuras sólidas de chimenea generalmente no se unieron tan bien como lo hicieron a temperatura ambiente. La Figura 3E-H muestra la morfología de una chimenea de sulfuro de hierro cultivada entre un océano frío y un fluido hidrotermal a temperatura ambiente. Las chimeneas en el gradiente de temperatura eran de naturaleza fibrosa y tenue, mientras que los resultados de gradiente no térmico(Figura 3A-D)muestran estructuras más semipermanentes. Lo mismo osciló cuando se calentó el fluido hidrotermal(Figura 4). La excepción fue en concentraciones más altas de sulfuro y hierro(Figura 5)donde se formó una chimenea de sulfuro de hierro sólido entre una solución hidrotermal a temperatura ambiente y un simulante oceánico frío. También se probó el efecto de un gradiente térmico en el crecimiento de chimeneas de hidróxido de hierro. Los resultados mostraron patrones que eran similares a los de la chimenea de sulfuro de hierro: mientras que el experimento de hidróxido de hierro a temperatura ambiente resultó en un precipitado de chimenea más robusto, el experimento de gradiente térmico entre el fluido hidrotermal cálido y el océano frío dio como resultado un montículo más pequeño de material de chimenea que no se fusionó verticalmente(Figura 6). En contraste con las altas estructuras verticales de las chimeneas de hidróxido de hierro observadas en trabajos anteriores (en experimentos a temperatura ambiente)29,nuestro experimento de gradiente térmico mostró una morfología diferente. Figura 1: Aparato de chimenea de gradiente térmico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.  Figura 2: Condensador impreso en 3D. (A) Esquema de un condensador impreso en 3D que muestra las dimensiones del condensador. (B) Colocación de un buque oceánico de vidrio dentro del condensador para enfriar el simulante oceánico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Una variedad de chimeneas de gradiente térmico y no térmico. (A-D) Experimento de control de gradiente no térmico desde fluido hidrotermal a temperatura ambiente (HTF) hasta simulante oceánico a temperatura ambiente. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF y 20mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF y 10 mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF y 20mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF y 20mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (E-H) Experimento de chimenea de gradiente térmico desde el simulante HTF a temperatura ambiente hasta un depósito de océano frío (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF y 10 mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF y 20 mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF y 10 mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF y 20 mM FeCl2·4H2O simulante oceánico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Experimento de gradiente térmico. Experimento realizado con solución cálida (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O inyectada en un simulante oceánico frío (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O, produciendo pequeñas hebras de chimenea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: Efecto de la concentración de simulante oceánico en chimeneas. Las concentraciones más altas (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O y 200 mM NaCl) de simulantes oceánicos anóxicos produjeron chimeneas más robustas y más altas estructuralmente. La solución de sulfuro a temperatura ambiente se inyectó en un simulante oceánico de 2-10 °C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Crecimiento simultáneo de chimeneas térmicas y no de gradiente térmico. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O solución oceánica con un simulante de fluido hidrotermal NaOH (HTF) de 200 mM a temperatura ambiente. (B) Experimento de gradiente térmico con las mismas concentraciones con HTF caliente a ~ 35-50 ° C en simulante de océano frío a ~ 5-10 ° C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Química de fluidos hidrotermales (inyección) Química Oceánica (Reservorio) 50 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl o NaHCO3 20 mM Na2S 10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl o NaHCO3 10 mM Na2S 20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl o NaHCO3 200 mM NaOH 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O Tabla 1: Matriz de concentración parasoluciones simuladas de inyección de fluidos oceánicos e hidrotermales. HTF °C Temperaturas del simulante oceánico °C ~23 ~23 5-10 ~35-50 ~23 5-10 Tabla 2: Matriz experimental de gradiente térmico. La temperatura del fluido hidrotermal (HTF) se refiere a la temperatura del fluido en la jeringa; la temperatura real en la entrada al vial oceánico fue entre 20 y 35 grados más baja que la temperatura dentro de la jeringa (~70 °C) (véase el Apéndice Suplementario 1, figura 3y Figura 4). Archivo imprimible complementario. Haga clic aquí para descargar este archivo.  Apéndice complementario 1. Haga clic aquí para descargar este archivo.  Apéndice complementario 2. Haga clic aquí para descargar este archivo.  Apéndice complementario 3. Haga clic aquí para descargar este archivo. 

Discussion

Efecto de los gradientes térmicos en el crecimiento simulado de la chimenea:Este aparato experimental produjo variaciones en las morfologías de la chimenea que se debieron a varios parámetros experimentales. Las chimeneas de sulfuro de hierro e hidróxido de hierro formaron estructuras verticales altas a temperatura ambiente, pero formaron precipitados más tenues y fibrosos o montículos planos en los experimentos de gradiente térmico. Esto fue consistente con los hallazgos de Herschy et al. donde se formaron precipitados de chimenea tenues y no erectos a partir de un fluido hidrotermal calentado a 70-80 ° C e inyectado en el simulante oceánico a temperatura ambiente33. Hay varias explicaciones posibles para esto: la transferencia de calor convectiva puede causar fuerzas de flotación más naturales (junto con el bombeo forzado de la inyección) para hacer que el precipitado fluya rápidamente hacia la parte superior del buque oceánico a medida que se está formando. Alternativamente, calentar el líquido de la jeringa hace que el simulante hidrotermal sea menos denso y, por lo tanto, más propenso a elevarse verticalmente que a estabilizarse en la parte superior del punto de inyección. Es posible que este efecto pueda mitigarse cambiando la tasa de inyección de jeringas a tasas más lentas para permitir el crecimiento de una estructura más estable. White et al. examinaron el crecimiento de la chimenea de sulfuro de hierro con el simulante hidrotermal inyectado a velocidades extremadamente lentas (0,08 ml / h), y aunque la chimenea tardó días en fusionarse, era estructuralmente estable13. Como Herschy et al. utilizaron bombas peristálticas a velocidades de inyección de 10-120 mL / h, que es varios órdenes de magnitud más rápido que las tasas utilizadas en nuestros experimentos de gradiente térmico, no es sorprendente que también produjeran estructuras de chimenea en forma de cuerda33.

Las concentraciones más altas de reactivos precipitantes en el océano y las soluciones de ventilación también pueden producir chimeneas más robustas en gradientes térmicos. Las concentraciones químicas más altas de iones precipitantes (sulfuro o hidróxido) en el fluido hidrotermal o el simulante oceánico pueden conducir a una mayor masa total de precipitados, creando así una estructura más fuerte. Como Herschy et al. y White et al. utilizaron concentraciones más bajas de sulfuro en el líquido hidrotermal (10 mM), sus estructuras eran más pequeñas que las producidas en este trabajo utilizando concentraciones más altas (20-50 mM) de sulfuro. Además, algunos estudios sobre el crecimiento de chimeneas de sulfuro de hierro también han incluido sílice en el fluido hidrotermal junto con el sulfuro de sodio, que puede ayudar a producir chimeneas más robustas3,13,33. Las estructuras de jardín químicas de sílice también se han utilizado para simular aspectos del crecimiento de la chimenea hidrotermal34, y estas tienden a producir estructuras muy robustas que se pueden quitar del tubo / vial para el análisis físico. Sin embargo, los efectos de los gradientes de temperatura en las estructuras de inyección de sílice no se conocen y serán un área de estudio adicional.

Consideraciones para futuros experimentos de simulación de chimeneas:El condensador impreso en 3D creado en este estudio para enfriar el buque oceánico actuó como un buque de reacción encamisado, pero con algunas mejoras prácticas: 1) la parte superior abierta permitió el muestreo de la chimenea y el mantenimiento del espacio anóxico de la cabeza del océano; 2) la pieza impresa en 3D confería una fácil reproducibilidad; 3) como los diseños se pueden editar digitalmente, el aparato se puede modificar y reimpresar rápidamente si se desea; y 4) el uso de materiales baratos hizo que cada condensador fuera más rentable que los recipientes de reacción con camisa de vidrio reales. Estos condensadores impresos en 3D son un aparato experimental flexible y fácilmente compartido que podría ser una forma útil de estandarizar plataformas para experimentos simulados de chimeneas hidrotermales en diferentes grupos de investigación, lo que permite una mejor comparación de muestras y datos. Los archivos del condensador se pueden enviar a los colegas para imprimir por su cuenta para sus fines educativos o científicos (consulte el archivo de impresión 3D suplementario del condensador utilizado en este trabajo). Esta configuración económica también podría usarse como un experimento de laboratorio de pregrado para jardines químicos o quimiobriónicos29,35.

En conclusión, este trabajo describe un novedoso aparato experimental que utiliza la impresión 3D para facilitar el crecimiento de chimeneas hidrotermales simuladas en entornos de gradiente de temperatura. El condensador impreso en 3D es capaz de enfriar el simulante oceánico a temperaturas cercanas a la congelación, similar al agua de mar cerca de los sistemas hidrotermales del fondo marino. Mientras tanto, se utilizó una jeringa calentada para simular el fluido hidrotermal de alta temperatura que se inyecta en este océano frío. Las morfologías y estructuras de las chimeneas de sulfuro de hierro e hidróxido de hierro se vieron afectadas por el gradiente térmico: cuando tanto el océano como los simulantes de fluidos hidrotermales estaban a temperatura ambiente, las chimeneas formaban estructuras orientadas verticalmente, pero cuando el fluido hidrotermal se calentaba y el océano se enfriaba, se inhibía la formación de estructuras de chimenea robustas. Para simular con precisión las reacciones prebióticas en tales sistemas de chimeneas con gradientes térmicos análogos a los de los sistemas naturales, será necesario controlar cuidadosamente parámetros como la velocidad de inyección y la composición química de los simulantes de ventilación y océano. El condensador impreso en 3D personalizado y económico creado para este estudio es similar en función a un recipiente de reacción encamisado y se puede modificar y distribuir fácilmente electrónicamente a varios grupos de investigación y educativos para su uso en muchos tipos de experimentos quimiobriónicos.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto de Tecnología de California, bajo un contrato con la NASA, con el apoyo del Instituto de Astrobiología de la NASA Icy Worlds. El Dr. Gabriel LeBlanc fue apoyado en parte por una Beca de Iniciación a la Investigación (2017-34) a través del Acuerdo cooperativo EPSCoR de la NASA de Oklahoma (NNX15AK42A). Nos gustaría agradecer a Heather Whitehead por su ayuda con el diseño inicial del condensador impreso en 3D, a Kalind Carpenter por su ayuda con la impresión 3D, a John-Paul Jones por su útil discusión sobre los recipientes del condensador, a Laura Rodríguez por su ayuda con el análisis de datos de temperatura y a Erika Flores por la asistencia de laboratorio. Copyright 2020 Instituto de Tecnología de California.

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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