Kimyasal Bahçeleri olarak Reaktörler Taklit Doğal Hidrotermal Sistemler Akış
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
"Kimyasal bahçeleri" zıt kimyaları iki sıvıları 1,2 etkileşime geliştirilen kendinden montaj inorganik çökeltiler vardır. Bunlar kendinden montaj inorganik yapılar kısmen kendi biomimetic görünümü üzerinde bir yüzyıl bilimsel ilgi konusu olmuştur ve birçok deneysel ve teorik çalışmalar, kimyasal bahçe sistemlerinin 3 farklı kompleks yönlerini ve olası fonksiyonları anlamak için takip edilmiştir. Kimyasal bahçelerin doğal örnekleri hidrotermal yaylar ve sızıntıları etrafında büyümeye mineral "baca" çökeltiler içerir ve bu hayat 4 ortaya çıkması için makul ortamlar sağlayabilir iddia edilmiştir. Doğal hidrotermal havalandırma baca taklit kimyasal bahçe büyümeye, bir rezervuar çözüm simüle okyanus kompozisyon ve okyanus içine beslemeleri hidrotermal sıvıyı temsil etmelidir enjeksiyon çözümü temsil etmelidir. Bu tip o çok yönlülüğüFarklı reaksiyon sistemlerinin f deneyi erken Dünya'da ya da diğer dünyalara ortamlarda dahil olmak üzere hemen her önerilen okyanus / hidrotermal akışkan kimyası, simülasyonu için izin verir. Erken On Earth, okyanuslar oksijensiz, asidik (pH 5-6) olurdu, ve NO 3- atmosferik CO2 ve Fe 2+ yanı sıra Fe III, Ni 2+ olarak Mn 2+, çözünmüş içeriyordu olurdu ve NO 2. Bu deniz suyu ve ultramafik okyanus kabuğunun arasında kimyasal reaksiyonlar hidrojen ve metan içeren alkali hidrotermal akışkanın üretilen ve olurdu bazı durumlarda sülfit (HS -) 4-8. Erken Dünya alkali havalandırma ortamlarda oluşan bacaların böylece demir / demir oksihidroksitler ve demir / nikel sülfit içeren olabilirdi ve bu mineraller jeokimyasal redoks / pH gradyanları sokmak sürücü doğru özellikle katalitik ve proto-enzimatik fonksiyonlar hizmet etmiş olabileceğini öne sürülmektedir Metaboli ortaya çıkmasısm 5. Aynı şekilde, bu kadar başka dünyalar barındırabilir (veya barındırılan olabilir) su / kayaç arayüzleri – su / kayaç kimyası yetenekli alkalin havalandırma ortamlarını yaratacaktır mümkündür – örneğin erken Mars, Jüpiter'in uydusu Europa, ya da Satürn'ün uydusu Enceladus olarak Prebiyotik kimya sürüş, hatta kaybolmamış yaşam 5,9-11 için yaşanabilir nişler sağlar.
Klasik kimyasal bahçe deney reaktif anyonlar, örneğin, sodyum silikat, veya "su camı" ihtiva eden bir çözelti içine batırılmış bir metal tuzunun bir tohum kristali, örneğin demir klorid tetrahidrat • 4H 2 O FeCl 2 kapsar. Daha fazla alkali çözelti ile ara yüzleme yapan Fe 2+ ihtiva eden bir asidik çözelti oluşturma metal tuzu çözünür, (silikat anyonları içeren ve OH -) ve bir inorganik membran çökelti oluşur. Ozmotik basınç altında zar şişer, patlamaları, daha sonra yeniden çöker birYeni sıvı arayüzü t. Kristaller Makro ve Mikro ölçekte, karmaşık morfolojiye sahip, dikey olarak yönlendirilmiş, kendi kendini organize çökelti yapı elde çözündürülür kadar bu işlem tekrar eder. Inorganik kimyasal bahçe zarından kimyasal zıt çözümlerin sürekli ayrılması ve zarından yüklü türlerin fark bu yağış süreç sonuçları 12-14 potansiyel bir zar verir. Kimyasal bahçe yapıları dış 13,15-19 kadar iç kısmından kompozisyon degradeler sergileyen karmaşıktır ve iyonlar biraz geçirgen kalırken yapının duvarları uzun süre zıt çözümleri arasındaki mesafeyi korumak. (Onlar sınıf gösteriler yapmak için basit ve kimyasal reaksiyonlar ve kendini organizasyon hakkında öğrencileri gibi) eğitim amaçlı ideal bir deney olmasının yanı sıra, kimyasal bahçeleri kendini assemb temsilleri gibi bilimsel öneme sahiply dinamik far-from-denge sistemlerinde, ilginç ve kullanışlı malzemelerden 20,21 üretimine yol açabilir yöntemleri içeren.
Laboratuarda kimyasal bahçeleri de burada bir çökeltme iyonu ihtiva eden çözelti, yavaş yavaş, birlikte-çökeltme iyon (veya iyonları) içeren ikinci bir çözelti içine enjekte edilir, püskürtme yöntemleri ile yetiştirilebilir. Bu sistemin özellikleri ve çökelti daha iyi kontrol edilebilir olması dışında, kristal büyüme deneylerinde benzer kimyasal bahçe yapılarının oluşumu ile sonuçlanır. Enjeksiyon yöntemi çeşitli önemli avantajlara sahiptir. Bu bir çökeltme ya dahil türlerin herhangi bir kombinasyonu kullanılarak kimyasal bir bahçe oluşturmasına olanak veren, yani, birden fazla çökeltme iyonları, bir çözelti içine dahil edilebilir, ve / veya diğer non-çökeltme bileşenler / çökelti ile reaksiyona emmek için çözelti ya içerilebilir . Bir kimyasal üretilir membran potansiyeliBir elektrot, böylece sistemin elektrokimyasal çalışma sağlayan yapının iç kısmına dahil edildiği takdirde, bahçe sistem, bir enjeksiyon deneyde ölçülebilir. Enjeksiyon deneyleri enjeksiyon hızının veya toplam enjekte hacmi değiştirilerek kontrol zaman dilimlerinde kimyasal bahçe içine enjeksiyon solüsyonu besleme olanağı sunmak; farklı çözümler sırayla aracılığıyla yem ve tuzak veya reaktör olarak çöktürülmüş yapısını kullanmak mümkündür. Kombine, bu teknikler okyanus arasında birçok eşzamanlı çökelme reaksiyonları oluşan bir baca da dahil olmak üzere bir denizaltı hidrotermal delik doğal bir kimyasal bahçe sisteminde meydana gelmiş olabilir karmaşık süreçlerin laboratuvar simülasyonları, izin ve (örneğin, üreten metal sülfürler, hidroksitler sıvıyı tahliye ve / veya karbonatlar ve silikatlar) 5,22. Bu teknikler ayrıca yeni tip oluşumuna imkan vermek için herhangi bir kimyasal bir bahçe reaksiyon sistemine uygulanabilirmalzemeler, mesela, adsorbe reaktif türleri 20,23 katmanlı tüpler veya borular.
Biz burada detay bir oksijensiz ortamda yapıları ihtiva-eden iki kimyasal bahçeleri, Fe 2+ eşzamanlı büyümesini içeren bir örnek deney. Bu deneyde yapı üzerindeki etkisini incelemek için, ilk enjeksiyon solüsyonu halinde, polifosfatlar ve / veya amino asitlerin eser miktarda dahil. Kimyasal bahçe ilk oluşumu sonra biz sonra ikincil çökeltme anyon olarak sülfür tanıtmak için enjeksiyon çözüm geçti. Membran potansiyelleri Ölçümler Deney boyunca otomatik olarak yapılmıştır. Bu protokol bir kez çift şırınga pompası kullanılarak iki deneyler çalıştırmak açıklamaktadır; veri bu işlemin birden fazla çalışır gerekli gösterilmiştir. Nispeten yüksek akış oranları, deneylerde kullanılan rezervuar ve tepken konsantrasyonlarının düşük pH büyük baca oluşturmak için tasarlanmış zaman sc üzerinde çökeltileriBir günlük laboratuar deneyleri için uygun ales. Bununla birlikte, doğal hidrotermal yaylar sıvı akış hızları çok daha yaygın olabilir ve (erken Dünya sistemi, örneğin, Fe ve S) reaktifler presipite konsantrasyonları düşük büyüklüğü 4 bir düzen olabilir; Böylece, yapılandırılmış çökeltiler uzun zaman çizelgelerine üzerine kuracaktı ve havalandırma onlarca yıl 24,25 binlerce aktif olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Enjeksiyon yolu ile kimyasal bir bahçe yapısının oluşturulması, bir çökelti oluşturmak reaktif iyonları ihtiva eden bir iki çözüm ara-yüz ile gerçekleştirilebilir. Çökelek yapılarını üretecek ve reaktif iyon ve konsantrasyonlarının doğru tarifi bulmak istediğiniz bir yapı deneme yanılma meselesidir büyümek için pek çok olası tepki sistemleri vardır. Enjeksiyon çözeltisi akış hızı programlanabilir şırınga pompa ile kontrol edilir ve bu da, doğal sistemde sıvı akışının far…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
