ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など
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
「化学の庭園」は対照的な化学の二つの流体1,2を相互に作用開発した自己組織化無機沈殿物があります。これらの自己集合無機構造が部分的に彼らのバイオミメティック外観世紀以上のための科学的関心の対象とされてきた、多くの実験的および理論的研究は、化学ガーデンシステム3の様々な複雑な側面と可能な機能を理解するために追求されました。化学庭園の自然な例は、水熱スプリングとSEEPSの周りに成長ミネラル"煙突"析出物が挙げられ、これらは4をemergeする生活のためのもっともらしい環境を提供することができると主張されてきました。自然の熱水噴出孔の煙突をシミュレートする化学庭を成長させるために、リザーバー溶液は、シミュレートされた海の組成と海にフィード水熱流体を表すべきで注射液を表している必要があります。このO型の汎用性異なる反応系にF実験は、初期地球上または他の世界の環境を含む、ほぼすべての提案海/熱水化学のシミュレーションを可能にします。初期地球上では、海洋は無酸素、酸性（pHは5-6）であったであろう、とだけでなく、鉄III、ニッケル2+、Mnの2+、NO 3 -を溶解大気中のCO 2とFe 2+を含有していただろう、およびNO 2 – 。この海水と超苦海洋地殻の間の化学反応は、水素とメタンを含むアルカリ水熱流体を生成し、場合によって硫化（HS – ）でただろう4-8。初期地球で形成された煙突はアルカリベント環境は、このように、第二鉄/鉄オキシ水酸化鉄/ニッケル硫化物が含まれている可能性があり、それはこれらの鉱物が駆動する地球化学的酸化還元/ pH勾配を利用するに向かって、特定の触媒とプロト酵素機能を果たしている可能性があることが提案されていますmetaboliの出現SM 5。同様に、そのような他の世界がホストすることができる上（またはホストされている場合があります）水/岩石インターフェース – それは水/岩化学組成が可能なのアルカリベント環境を生成することが可能である – このような初期の火星、木星の月のヨーロッパ、または土星の月エンケラドスなどプレバイオティクスの化学反応を駆動、あるいは現存する生命5,9-11のための居住ニッチを提供します。
古典的な化学庭実験は、金属塩の種結晶は、反応性陰イオンを含有する溶液中に浸漬、例えば塩化第一鉄四水和物のFeCl 2•4H 2 O、 例えば 、ケイ酸ナトリウムまたは「水ガラス」を包含する。よりアルカリ性溶液とのインタフェースのFe 2+を含む酸性溶液を生成する金属塩の溶解は、（ケイ酸アニオンを含有するOH – ）と無機膜の沈殿物が形成されています。浸透圧の下で膜が膨潤し、バーストは、その後、再沈殿新しい流体界面をtは。結晶が溶解するまで、このプロセスは、両方のマクロおよびミクロスケールで複雑な形態を有する垂直に配向し、自己組織沈殿物構造を生じる、繰り返します。無機化学の庭の膜を横切って化学的に対照的な解決策の継続的な分離、および膜を横切る荷電種の違いでこの沈殿プロセスの結果は、12〜14、膜電位をもたらします。化学庭の構造は、外部13,15-19に内部から組成勾配を示す、複雑であり、イオンに幾分透過性を維持しながら構造の壁は長時間対照的なソリューション間の分離を維持します。 （彼らは教室のデモンストレーションのために作ることが簡単であり、化学反応や自己組織化について学生を教育することができますように）教育目的のための理想的な実験であることに加えて、化学的な庭園は、自己assembの表現としての科学的な意義を持っていますLYは、ダイナミック、遠から平衡システムでは、興味深く、有用な材料20,21の産生をもたらすことができる方法を含みます。
実験室での化学庭園はまた、1種の沈殿イオンを含む溶液をゆっくりと共沈イオン（またはイオン）を含む第二の溶液中に注入され、注入法によって成長させることができます。これは、システムの性質と沈殿物がより良好に制御することができることを除いて、結晶成長実験と同様の化学庭構造の形成をもたらします。注入法は、いくつかの重要な利点を有します。これは、一つの沈殿または組み込ま種の任意の組み合わせを用いて化学庭を形成することができ、すなわち、複数の沈殿イオンが一つの解決策に組み込むことができ、および/ または他の非沈殿成分が/吸着するか、溶液中に含めることができるが、沈殿物と反応。化学的に生成された膜電位電極は、構造体の内部に組み込まれている場合庭システムは、このように、システムの電気化学的研究を可能にする、注入実験で測定することができます。注入実験は、噴射率や総注入量を変えることによって制御された時間枠のための化学園の内部に注射液を供給するための能力を提供します。それは、異なる溶液を順次介して供給し、トラップまたは反応器として沈殿した構造体を使用することが可能です。組み合わせることで、これらの技術は、海との間には多くの同時沈殿反応から形成され、金属硫化物を生成する流体（ 例えば、通気煙突を含む、海底熱水噴出孔での自然な化学物質の庭のシステムで発生している可能性が複雑なプロセスの実験室シミュレーション、水酸化物を可能に、および/ または炭酸塩およびケイ酸塩）5,22。これらの技術はまた、新しいタイプの形成を可能にするために、任意の化学庭の反応系に適用することができ吸着反応種20,23を有する材料、 例えば、層状のチューブまたはチューブの。
ここでは私たちの詳細無酸素環境での構造を含有する2つの化学庭園、鉄2+の同時成長を含んでいる実験例。この実験では、構造体への影響を観察するために最初の注射溶液にポリリン酸および/またはアミノ酸の微量を組み込みました。化学庭の初期形成した後、私たちは、二次沈殿アニオンとして硫化物を導入するために注射液を切り替えます。膜電位の測定は、実験を通して自動的に行われました。このプロトコルは、一度、デュアルシリンジポンプを用いて2つの実験を実行する方法について説明します。データは、この手順に必要な複数の実行を示します。比較的高い流量、我々の実験で用いられるリザーバと反応物質濃度の低いpHは大きな煙突を形成するように設計されている時間の皮下に析出1日の実験室での実験に適したエール。しかし、天然の水スプリングにおける流体の流量はより拡散することができ、（初期の地球システムにおいて、例えば、FeおよびS）の反応物を沈殿させるの濃度は、より低い大きさ4の順であってもよいです。このように、構造化された析出物は、より長い時間スケールの上に形成することになるとベントは数十年24,25の数千のためにアクティブである可能性があります。
Protocol
Representative Results
Discussion
注入法による化学ガーデン構造の形成は、沈殿物を生成する反応性イオンを含有する任意の二つの溶液をインターフェースすることによって達成することができます。沈殿物の構造を生成し、所望の構造を成長させる反応性イオン及び濃度の右のレシピが試行錯誤の問題で見つけるだろう多くの可能な反応系があります。注射液の流量は、プログラム可能なシリンジポンプによって制御され?…
Divulgations
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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