Химические сады в Проточный Реакторы, имитирующее естественное гидротермальных систем
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
"Химические сады» являются самоорганизующиеся неорганические осадки, разработанные где две жидкости контрастных химических взаимодействуют 1,2. Эти самоорганизующиеся структуры неорганических были предметом научного интереса для более века отчасти из-за их внешнего вида биомиметического, и многие экспериментальные и теоретические исследования были преследовали, чтобы понять различные сложные аспекты и возможные функции химических систем сад 3. Природные примеры химических садов включают минеральные "дымохода" осадки, которые растут вокруг гидротермальных источников и просачивается, и было доказано, что они могут предоставить правдоподобные условия для жизни, чтобы выйти 4. Чтобы вырастить химический сад, имитирующий естественный вентиляционную трубу гидротермальной, решение резервуар должен представлять собой имитацию состав океана и инъекционный раствор должен представлять гидротерм, которая кормит в океан. Универсальность этого типа ое эксперимент с разными системами реакции позволяет для моделирования практически любой предлагаемой химии жидкости океан / гидротермальной среде, в том числе на ранней Земле или в других мирах. На ранней Земле, океаны бы бескислородных, кислой (рН 5-6), и было бы содержащую растворенный атмосферный CO 2 и Fe 2+, а также Fe III, Ni 2+, Mn 2+, 3- НЕТ и НЕТ 2. Химические реакции между этой морской и океанической коры ультраосновного произвел бы щелочной гидротермальной жидкости, содержащей водород и метан, а в некоторых случаях сульфида (HS -) 4-8. Дымоходы, образующиеся в начале сред щелочного вентиляционных Землей, могут, таким образом, содержится черных / оксигидроксиды трехвалентного железа и железа / никеля сульфиды и было предложено, что эти минералы, возможно, служил конкретные каталитические и прото-ферментативный функции к освоения геохимических окислительно-восстановительные / градиентов рН ездить появление Metaboliсм 5. Точно так же, на другие миры, такие как, что, возможно, пройдет (или, возможно, размещены) вода / рок интерфейсы – например, в начале Марса, спутника Юпитера Европы, или луны Сатурна Энцелада – не исключено, что вода / порода химия может генерировать щелочные вентиляционные среды способны на вождение пребиотическое химию или даже предоставления жилые ниши для сохранившихся жизни 5,9-11.
Классический эксперимент химического сад включает в себя затравочного кристалла соли металла, например, железа тетрагидрат хлорида FeCl 2 • 4H 2 O, погруженный в раствор, содержащий реактивные анионы, например, силикат натрия или "жидкое стекло". Соль металла растворяется, создавая кислого раствора, содержавшего Fe 2+, который взаимодействует с дополнительной щелочном растворе (содержащий силикат анионы и ОН -) и неорганический мембраны осадок. Мембранные набухает под осмотического давления, вспышки, а затем вновь выпадает в осадокт новый интерфейс жидкости. Этот процесс повторяется до тех пор, пока кристаллы растворяются, в результате чего вертикально ориентированной, самоорганизующейся структуры осадка со сложной морфологией на обоих макро и микро масштабах. Этот процесс приводит к осадков дальнейшего разделения химически Контрастные решения по всей неорганических химических садовой мембраны и разности заряженных частиц через мембрану приводит к мембранного потенциала 12-14. Химическая садовые конструкции сложны, показывая градиенты состава из салона, чтобы снаружи 13,15-19, а стенки структуры поддерживать разделение между контрастными решений в течение длительных периодов, оставаясь несколько проницаемой для ионов. В дополнение к идеальным эксперимент для образовательных целей (как они просты, чтобы сделать для классных демонстраций, и может обучать студентов о химических реакций и самоорганизации), химические сады имеют научное значение как представлений самоуправления АССАМБЛЕЯLY в динамических, далеко от равновесия системах, включая методы, которые могут привести к производству интересных и полезных материалов 20,21.
Химические сады в лаборатории также могут быть выращены с помощью методов инжекции, в котором раствор, содержащий один ион осаждения медленно вводят во вторую раствора, содержащего совместным осаждением ионов (или ионов). Это приводит к образованию химических структур садовых, аналогичных экспериментов роста кристаллов, за исключением того, что свойства системы и осадок может быть лучше контролируется. Способ инжекции имеет несколько существенных преимуществ. Это позволяет сформировать химическое сад с использованием любой комбинации осаждающих или включены видов, то есть несколько ионов осаждением может быть включена в одном решении, и / или другие без конденсата компоненты могут быть включены в любом растворе поглощать / реагируют с осадком , Мембранный потенциал генерируется в химическойСистема сад может быть измерена в эксперименте впрыска, если электрод включены внутрь структуры, что позволяет электрохимической исследование системы. Инъекции эксперименты дают возможность кормить раствора для инъекций в интерьере химической саду контролируемых сроков, изменяя скорость впрыска или общее вводят объем; поэтому можно подавать через различные решения последовательно и использовать осажденный структуру как ловушка или реактора. В сочетании, эти методы позволяют для лабораторных моделирования сложных процессов, которые могут иметь место в системе естественной химической сада на подводной гидротермальные жерла, в том числе дымохода, образованной из многих одновременных реакций осаждения между океаном и вентиляционные жидкость (например, производство металлов, сульфиды, гидроксиды и / или карбонаты и силикаты). 5,22 Эти методы могут быть применены к любому химическому реакционной системе саду, чтобы обеспечить формирование новых типовматериалов, например, слоистых труб или труб с адсорбированными активных форм 20,23.
Мы здесь подробно пример эксперимент, который включает в себя одновременный рост двух химических садов, Fe 2+ -содержащих структур в бескислородной среде с. В этом эксперименте мы включили следовых количеств полифосфатов и / или аминокислот в исходное инъекционного раствора, чтобы наблюдать за их влияние на структуру. После первоначального формирования химического саду мы тогда переключил инъекционный раствор, чтобы представить сульфид в качестве вторичного осаждающим аниона. Измерения мембранных потенциалов выполнены автоматически в течение всего эксперимента. Этот протокол описывает, как запустить два эксперимента с использованием сразу двойную шприцевой насос; Данные, приведенные требуется несколько прогонов этой процедуры. Относительно высокие дебиты, низкая рН концентрации пластовых и реагентов, используемых в наших экспериментах, предназначен для формирования большой дымоход осаждается на время СКАлесь, пригодные для однодневных лабораторных экспериментов. Тем не менее, жидкость расхода в естественных гидротермальных источников может быть гораздо более диффузный и концентрации реагентов осаждения (например, Fe и S в ранней системы Земля) может быть на порядок ниже 4; Таким образом, структурированные осадки будут формировать более длинные временные рамки и отверстие может быть активным в течение десятков тысяч лет 24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Формирование химической структуры сада с методом впрыска может быть достигнуто путем взаимодействия любых двух растворов, содержащих реакционноспособные ионы, которые производят осадок. Есть много возможных реакционных систем, которые будут производить осадок структуры и найти пра…
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).
