כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה
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
"גנים כימיים" הם משקעים אורגניים הרכבה עצמית המפותחים שבו שני נוזלים של chemistries מנוגד האינטראקציה 1,2. מבנים אורגניים הרכבה העצמית אלה היו הנושא של עניין מדעי במשך יותר ממאה בחלקו בשל המראה שלהם biomimetic, ורבים מחקרים ניסיוניים ותיאורטי כבר רדפו להבין את ההיבטים השונים מורכבים ופונקציות אפשריות של מערכות גן כימיות 3. דוגמאות טבעיות של גנים כימיים כוללות משקעים "ארובה" מינרלים שגדלים סביב מעיינות הידרותרמיות ומחלחל, וזה כבר טען כי אלה יכולים לספק סביבות מתקבלות על הדעת לחיים לצאת 4. לגדול גן כימי מדמה ארובת אוורור הידרותרמיות טבעי, פתרון מאגר צריך לייצג הרכב אוקיינוס מדומה ופתרון הזרקה צריך לייצג את הנוזל הידרותרמיות שמזין לתוך האוקיינוס. הרבגוניות של o סוג זהניסוי F למערכות תגובה שונות מאפשר סימולציה של כמעט כל כימיה מוצעת אוקיינוס / הידרותרמיות נוזל, כוללים סביבות על כדור הארץ הקדום או בעולמות אחרים. על כדור הארץ הקדום, האוקיינוסים היו anoxic, חומצי (pH 5-6), והיה הכילו מומסים CO 2 באטמוספרה ופה 2 +, כמו גם פה III, Ni 2 +, Mn 2 +, NO 3 , ולא 2. תגובות כימיות בין מי ים ואת קרום אוקיינוס ultramafic היו מיוצרות נוזל הידרותרמיות בסיסי המכיל מימן ומתאן, ובחלק ממקרים גופרתי (HS -) 4-8. הארובות נוצרו בסביבות פורקן בסיסי מוקדמות כדור הארץ ובכך יכולות היו כלולים oxyhydroxides ברזל / ברזל וסולפידים הברזל / ניקל, וזה כבר הציע שמינרלים אלה שאולי שימשו פונקציות קטליטי ופרוטו-האנזימטית מסוימות כלפי רתימת חיזור / הדרגתיים pH גיאוכימיים לנהוג הופעתה של metaboliמ"ר 5. מים / ממשקים כמו כן, על עולמות אחרים, כגון שעלולים לארח (או אולי אירחו) רוק – כגון תחילת מארס, אירופה הירח של צדק, או הירח של שבתאי אנסלדוס – זה אפשרי, כי כימיה מים / רוק יכולה ליצור סביבות פורקן בסיסיות מסוגלים נהיגה כימיה prebiotic או אפילו מתן נישות למגורים לכל חיים קיימים 5,9-11.
ניסוי הגן כימי הקלאסי כרוך גביש זרע של מלח מתכת, למשל tetrahydrate כלוריד ברזל FeCl 2 • 4H 2 O, שקוע בתמיסה המכילה אניוני תגובה, למשל סיליקט נתרן או "כוס מים". המסת מלח מתכת, יצירת תמיסה חומצית מכילה פה 2 + ממשקים עם הפתרון בסיסי יותר (המכילה אניוני סיליקט וOH -) ומשקע קרום אורגני נוצר. מתנפח הקרום תחת לחץ האוסמוטי, התפרצויות, אז מחדש משקעיםt ממשק הנוזל החדש. תהליך זה חוזר עד הגבישים מתמוססים, וכתוצאה מכך בכיוון אנכי, מבנה משקע עצמי מאורגן עם מורפולוגיה מורכבת בשני סולמות מאקרו ומיקרו. תוצאות תהליך זה ממטרים בהפרדה המשיכה פתרונות כימיים מנוגדים על פני קרום הגן כימי אורגני, וההבדל של מין טעון על פני הקרום מניבה קרום פוטנציאל 12-14. מבני גן כימי מורכבים, מציגים הדרגתיים הלחנה מפנים לחיצוני 13,15-19, והקירות של המבנה לשמור על הפרדה בין פתרונות המנוגדים לתקופות ארוכות בזמן שנותרו מעט חדיר ליונים. בנוסף להיותו ניסוי אידיאלי למטרות חינוכיות (כפי שהם פשוט להפוך להפגנות בכיתה, והוא יכול לחנך את התלמידים על תגובות כימיות וארגון עצמי), יש לי גנים כימיים כייצוגים של assemb עצמי משמעות מדעיתly במערכות דינמיות, רחוק משיווי המשקל, הכולל שיטות שיכולים להוביל לייצור של חומרים מעניינים ושימושיים 20,21.
גנים כימיים במעבדה גם ניתן לגדל באמצעות שיטות הזרקה, שבו התמיסה המכילה יונים מזרזים אחד מוזרקת באיטיות לתוך הפתרון השני המכיל את היון מזרז-שיתוף (או יונים). התוצאה היא ההיווצרות של מבני גן כימיים דומים לאלה של ניסויי צמיחת גביש, פרט לכך שהמאפיינים של המערכת והמשקע יכולים להיות נשלטו טובים יותר. יש שיטת ההזרקה כמה יתרונות משמעותיים. היא מאפשרת אחד כדי ליצור גן כימי באמצעות כל שילוב של מינים מזרזים או התאגדו; כלומר, יכולים להיות משולבים יונים מזרזים מרובים לתוך פתרון אחד, ו / או ניתן לכלול רכיבי מזרז לא-באו פתרון ללספוג / להגיב עם המשקע . פוטנציאל הקרום שנוצר בחומר כימימערכת גן ניתן למדוד בניסוי הזרקה אם האלקטרודה משולבת לתוך הפנים של המבנה, ובכך לאפשר מחקר אלקטרוכימי של המערכת. ניסויי הזרקה מציעים את היכולת להאכיל את פתרון ההזרקה לתוך הפנים של הגן הכימי למסגרות זמן שונים הנשלטות על ידי קצב ההזרקה או נפח מוזרק כולל; לכן ניתן להאכיל ברצף פתרונות שונים ולהשתמש במבנה זירז כמלכודת או כור. בשילוב, טכניקות אלו מאפשרים לסימולציות במעבדה של התהליכים המורכבים שיכולים היה להתרחש במערכת גן כימית טבעית בפורקן הידרותרמיות צוללת, כולל ארובה שנוצרה מהרבה תגובות משקעים בו זמנית בין האוקיינוס ולפרוק נוזל (למשל, סולפידים מתכת ייצור, hydroxides , ו / או פחמתי וסיליקטים) 5,22. יכולות להיות מיושמות גם בטכניקות אלה לכל מערכת תגובת גן כימית כדי לאפשר היווצרות של סוגים חדשיםשל חומרים, למשל, צינורות או צינורות שכבתיים עם מינים תגובתי adsorbed 20,23.
אנחנו נפרט כאן ניסוי דוגמא הכולל צמיחה בו זמנית של שני גנים כימיים, Fe 2 + המכילים מבנים בסביבת anoxic. בניסוי זה אנו משולבים כמויות זעירות של polyphosphates ו / או חומצות אמינו לפתרון ההזרקה הראשונית להתבונן השפיעו על המבנה. לאחר היווצרות ראשונית של הגן הכימי שלאחר מכן החליפו את פתרון ההזרקה להציג גופרתי כאניון מזרז משנית. מדידות של פוטנציאל קרום נעשו באופן אוטומטי בכל הניסוי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להפעיל שני ניסויים בשימוש במשאבת מזרק כפול פעם אחת; הנתונים שמוצגים נדרשו ריצות מרובות של הליך זה. ספיקות גבוהות יחסית, pH הנמוך של ריכוזי המאגר ומגיב מועסקים בניסויים שלנו נועדו ליצור ארובה גדולה משקעים בsc הזמןAles המתאים לניסויי מעבדה של יום אחד. עם זאת, שיעורי זרימת נוזל במעיינות הידרותרמיות טבעיות יכולים להיות הרבה יותר מפוזר והריכוזים של מגיבים מזרזים (למשל, פה ו- S במערכת כדור הארץ מוקדמת) יכולים להיות בסדר גודל נמוך 4; כך, משקעים מובנים יהוו על לוחות זמנים ארוכים יותר והאוורור יכול להיות פעיל במשך עשרות אלפי שנים 24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההיווצרות של מבנה גן כימי באמצעות שיטת הזרקה יכולה להתבצע על ידי ממשק כל שני פתרונות המכילים יונים תגובתי המייצרים משקע. ישנן מערכות תגובה אפשריות רבות שיפיקו מבני משקע ולמצוא את המתכון הנכון של יונים וריכוזי תגובה לגדול מבנה רצוי הוא עניין של ניסוי וטעייה. קצב הזרי?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- Leduc, S. . The Mechanism of Life. , (1911).
- Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
- Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
- Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
- Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
- Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
- Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
- Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
- Hsu, H. -. W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
- Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
- Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
- Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
- Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
- Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
- Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
- Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
- Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
- Long, D. -. L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
- Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
- Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
- Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
- Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
- Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
- Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
- 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 condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
- Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
- Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
- Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
- Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates?. Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
- Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
- Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature – Their Characterization, Modification and Application. , (2012).
- van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , 115-144 (1984).
- Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).
