Jardins chimiques accréditives Réacteurs simulation des systèmes hydrothermaux naturels
Summary
We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.
Abstract
Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive “hydrothermal” injections.
Introduction
«Jardins chimiques" sont précipités inorganiques auto-assemblage développés où les deux fluides de chimies contrastées interagissent 1,2. Ces structures inorganiques auto-assemblage ont fait l'objet d'un intérêt scientifique depuis plus d'un siècle, en partie en raison de leur apparence biomimétique, et de nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour comprendre les divers aspects complexes et les fonctions possibles des systèmes de jardin chimiques 3. Exemples des jardins naturels et chimiques comprennent minérales "cheminée" précipités qui poussent autour de sources hydrothermales et des suintements, et il a été soutenu que ceux-ci pourraient fournir des environnements plausibles pour la vie d'émerger 4. Pour pousser un jardin chimique simulant un évent cheminée hydrothermale naturel, une solution de réservoir devrait représenter une composition de l'océan simulé et une solution d'injection devrait représenter le fluide hydrothermal qui se jette dans l'océan. La polyvalence de ce type of expérience pour les systèmes de réaction différentes permet à la simulation de presque toute la chimie de l'océan fluide / hydrothermale proposé, y compris les environnements sur la Terre primitive ou sur d'autres mondes. Sur la Terre primitive, les océans auraient été anoxique, acide (pH 5-6), et aurait contenu dissous CO 2 atmosphérique et Fe 2+, ainsi que Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- et NO 2. Les réactions chimiques entre l'eau de mer et ce la croûte océanique ultramafique auraient produit un fluide hydrothermique alcaline contenant de l'hydrogène et du méthane, et dans certains cas, le sulfure de (HS -) 8.4. Les cheminées formé au début de la Terre environnements alcaline de ventilation auraient donc pu contenue oxyhydroxydes ferriques / ferreux et des sulfures de fer / nickel, et il a été proposé que ces minéraux auraient pu servir certaines fonctions catalytiques et proto-enzymatique vers exploiter géochimiques redox / gradients de pH de conduire l'émergence de Metabolism 5. De même, sur d'autres mondes comme celle peuvent accueillir (ou peut-être hébergées) / interfaces rocheuses d'eau – tels que début Mars, la lune de Jupiter Europa ou la lune de Saturne Enceladus – il est possible que la chimie de l'eau / rock pourrait générer des environnements alcalins de ventilation capable de conduite chimie prébiotique ou même fournir des niches habitables de la vie existant 5,9-11.
L'expérience de jardin chimique classique implique un germe cristallin d'un sel de métal, par exemple de tétrahydrate de chlorure ferreux FeCl 2 • 4H 2 O, immergé dans une solution contenant des anions réactifs, par exemple des silicates de sodium ou de "verre soluble". Les dissout de sels métalliques, en créant une solution acide contenant Fe 2+ qui assure l'interface avec la solution plus alcaline (contenant des anions silicates et OH -) et une membrane inorganique précipité est formé. Les houles de membrane sous pression osmotique, des éclats, puis re-précipite unet la nouvelle interface fluide. Ce processus se répète jusqu'à ce que les cristaux sont dissous, résultant en une orientation verticale, la structure de précipité auto-organisée avec la morphologie complexe aux échelles macro et micro. Ce processus de précipitation des résultats dans la séparation continue de solutions chimiquement contrastés à travers la membrane de jardin chimique inorganique, et la différence des espèces chargées à travers la membrane produit une membrane de 12 à 14 potentiel. Les structures de jardin chimique sont complexes, présentant des gradients de composition de l'intérieur vers l'extérieur 13,15-19, et les murs de la structure de maintenir la séparation entre les solutions contrastées pendant de longues périodes tout en restant quelque peu perméable aux ions. En plus d'être une expérience idéale à des fins éducatives (comme ils sont simples à réaliser pour des démonstrations en salle de classe, et peuvent éduquer les élèves sur les réactions chimiques et auto-organisation), les jardins chimiques ont une signification scientifique comme des représentations de l'auto-assembLy dans les systèmes dynamiques, loin-de-équilibre, impliquant des méthodes qui peuvent conduire à la production de matériaux intéressants et utiles 20,21.
Jardins chimiques dans le laboratoire peuvent aussi être cultivées par des méthodes d'injection, dans lequel la solution contenant un ion précipitant est lentement injecté dans la seconde solution contenant l'ion de coprécipitation (ou ions). Cela se traduit par la formation de structures chimiques de jardin semblables à celles des expériences de croissance cristalline, à l'exception que les propriétés du système et le précipité peuvent être mieux contrôlées. Le procédé d'injection présente plusieurs avantages significatifs. Elle permet de former un jardin chimique en utilisant une combinaison quelconque des espèces de précipitation ou intégrés, à savoir, des ions précipitants multiples peuvent être incorporés dans une solution, et / ou d'autres composants non-précipitation peut être inclus dans une ou l'autre solution pour adsorber et / ou réagissent avec le précipité . Le potentiel de la membrane produite dans un produit chimiqueSystème de jardin peut être mesurée dans un essai d'injection si une électrode est incorporée à l'intérieur de la structure, permettant ainsi l'étude du système électrochimique. Des expériences d'injection offrent la possibilité d'alimenter la solution d'injection à l'intérieur du jardin d'chimique pour des délais contrôlées en faisant varier la vitesse d'injection ou le volume total injecté; il est donc possible d'alimenter grâce à des solutions différentes séquentiellement et utiliser la structure précipité comme un piège ou un réacteur. Ensemble, ces techniques permettent des simulations en laboratoire des processus complexes qui ont pu se produire dans un système de jardin chimique naturel à un évent sous-marin hydrothermale, y compris une cheminée formée à partir de nombreuses réactions de précipitation simultanée entre l'océan et les conduits de fluide (par exemple, la production de sulfures métalliques, des hydroxydes et / ou des carbonates et des silicates) 5,22. Ces techniques peuvent également être appliquées à n'importe quel système de réaction chimique de jardin pour permettre la formation de nouveaux typesdes matériaux, par exemple, des tubes ou des tubes en couches avec des espèces réactives adsorbées 20,23.
Nous détaillons ici un exemple de l'expérience de ce que comprend la croissance simultanée de deux jardins chimiques, contenant Fe 2+ structures dans un environnement anoxique. Dans cette expérience, nous avons incorporé des traces de polyphosphates et / ou des acides aminés dans la solution d'injection initiale d'observer leur effet sur la structure. Après la formation initiale du jardin chimique puis nous sommes passés de la solution injectable de sulfure d'introduire comme un anion précipitant secondaire. Les mesures des potentiels de membrane ont été faites automatiquement tout au long de l'expérience. Ce protocole décrit comment exécuter deux expériences à la fois en utilisant une pompe à double seringue; Les données présentées tenus plusieurs exécutions de cette procédure. Les débits relativement élevés, une faible pH des concentrations de réservoir et réactifs utilisés dans les expériences sont conçues pour former des précipités grande cheminée sur sc tempsAles appropriés pour des expériences de laboratoire d'une journée. Toutefois, les taux d'écoulement du fluide à sources hydrothermales naturelles peuvent être beaucoup plus diffus et les concentrations de réactifs de précipitation (par exemple, Fe et S dans un système de la Terre au début) pourrait être un ordre de grandeur inférieur 4; Ainsi, précipités structurés seraient forment sur de longues échelles de temps et de l'évent pourraient être actif pour des dizaines de milliers d'années 24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
La formation d'une structure chimique de jardin par procédé d'injection peut être réalisée par l'interface des deux solutions contenant des ions réactifs qui produisent un précipité. Il existe de nombreux systèmes de réaction possibles qui produiront des structures de précipité et de trouver la bonne recette et les concentrations d'ions réactifs pour faire croître une structure désirée est une question d'essais et d'erreurs. Le débit de la solution d'injection de flux est con…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration. We acknowledge the support by the NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. is supported by the NAI through the NASA Postdoctoral Program, administered by Oak Ridge Associated Universities through a contract with NASA. J.E.N. was supported through a US Department of Education PR/Award #: P031C110019 administered through Citrus College. We acknowledge useful discussions with members of the NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group and the Blue Marble Space Institute of Science.
Materials
| Syringe Pump | Fisher | 14-831-3 | Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments |
| Ferrous chloride tetrahydrate | Fisher | I90500 | Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified) |
| Ferric chloride hexahydrate | Fisher | I88-100 | Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS) |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous) |
| Sodium sulfide nonahydrate | Fisher | S425212 | Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood. |
| Potassium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | 322431 | 97%, http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en®ion=US |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en®ion=US |
| Syringes (10cc) | Fisher | 14-823-16E | BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) |
| Syringe needles (16 gauge) | Fisher | 14-826-18B | BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38mm) |
| Tubing | Cole Parmer | EW-06407-71 | Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16"ID X 1/8"OD |
| Aluminum seals | Fisher | 0337523C | Thermo Scientific™ National™ Headspace 20mm Crimp Seals |
| Gray butyl stoppers | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ National™ 20mm Septa for Headspace Vials |
| Serum bottles | Sigma-Aldrich | 33110-U | Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off. |
| Pipette tips | VWR | 53511-682 | pipette tips 0.5-10 microliters |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
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