حدائق الكيميائية كما تدفق من خلال المفاعلات محاكاة الأنظمة الحرارية المائية الطبيعية
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
"الحدائق الكيماوية" هي رواسب الذاتي تجميع غير العضوية التي طورت حيث اثنين من سوائل كيمياء المتناقضة تتفاعل 1،2. وكانت هذه الهياكل غير العضوية الذاتي تجميع موضوع الاهتمام العلمي لأكثر من قرن ويرجع ذلك جزئيا إلى مظهرها بيوميمتيك، وقد سعت العديد من الدراسات التجريبية والنظرية لفهم مختلف الجوانب المعقدة وظائف الممكنة لنظم حديقة الكيميائية 3. وتشمل الأمثلة الطبيعية للحدائق الكيميائية المعدنية "مدخنة" الرواسب التي تنمو حول ينابيع المياه الحارة والتسربات، وقيل أن هذه يمكن أن توفر بيئات معقولة للحياة في الظهور 4. لتنمو في حديقة الكيميائية محاكاة المائية الطبيعية تنفيس مدخنة، يجب حل خزان يمثل تكوين المحيط محاكاة وحل الحقن يجب أن تمثل السوائل المائية التي تغذي المحيط. براعة هذا النوع سو التجربة لأنظمة رد فعل مختلفة تسمح لمحاكاة أي ما يقرب من المحيط / المائية كيمياء السوائل المقترحة، بما في ذلك البيئات على الأرض في وقت مبكر أو في عوالم أخرى. على الأرض في وقت مبكر، فإن المحيطات كانت الأكسجين، الحمضية (درجة الحموضة 5-6)، وكان قد احتوى حلت CO 2 في الغلاف الجوي والحديد 2+، وكذلك الحديد III، ني 2+، المنغنيز 2+، NO 3- وNO 2-. أن التفاعلات الكيميائية بين هذا البحر وقشرة المحيط المافية وقد أنتجت السوائل المائية القلوية التي تحتوي على الهيدروجين والميثان، وفي بعض الحالات كبريتيد (HS -) 4-8. المداخن التي تشكلت في وقت مبكر الأرض البيئات القلوية تنفيس بالتالي يمكن أن يتضمن oxyhydroxides الحديد / الحديدية وكبريتيد الحديد / النيكل، وقد اقترح أن هذه المعادن قد يخدم وظائف معينة الحفازة وبروتو الأنزيمية نحو تسخير الجيوكيميائية الأكسدة / التدرجات درجة الحموضة لدفع ظهور metaboliخ 5. وبالمثل، في عوالم أخرى مثل تلك التي قد تستضيف (أو قد استضافت) الماء / واجهات الصخور – مثل أوائل المريخ والقمر يوروبا المشتري، أو قمر زحل إنسيلادوس – فمن الممكن أن كيمياء المياه / الصخور يمكن أن تولد بيئات تنفيس قلوية قادرة على القيادة الكيمياء تسبق التكوين الجنيني أو حتى توفير منافذ للسكن للحياة موجودة 5،9-11.
التجربة حديقة الكيميائية الكلاسيكية ينطوي على الكريستال بذرة ملح معدني، على سبيل المثال الحديدية كلوريد tetrahydrate FeCl 2 • 4H 2 O، مغمورة في محلول يحتوي على الأنيونات رد الفعل، مثل سيليكات الصوديوم أو "كوب ماء". يذوب الملح المعدني، وخلق حالة المحاليل الحمضية التي تحتوي على الحديد 2+ التي واجهات مع حل أكثر قلوية (التي تحتوي على أيونات السيليكات وOH -) ويتم تشكيل راسب غشاء غير العضوية. تتضخم الغشاء تحت الضغط الاسموزي، رشقات نارية، ثم إعادة يترسب واحدر واجهة السوائل جديدة. ويكرر هذا الإجراء حتى يتم حل البلورات، مما أدى إلى موجه عموديا، التنظيم الذاتي هيكل راسب مع مورفولوجيا معقدة على مستويات الاقتصاد الكلي والجزئي على حد سواء. هذه النتائج هطول العملية في الفصل المستمر للحلول متناقضة كيميائيا عبر غشاء غير العضوية حديقة الكيميائية، واختلاف الأنواع اتهم عبر الغشاء ينتج غشاء المحتمل 12-14. هياكل حديقة كيميائية معقدة، واظهار التدرجات التركيبية من الداخل إلى الخارج 13،15-19، وجدران الهيكل الحفاظ على الفصل بين الحلول المتناقضة لفترات طويلة في حين تبقى قابلة للاختراق إلى حد ما الأيونات. بالإضافة إلى كونها تجربة مثالية للأغراض التعليمية (كما هي بسيطة لجعل لمظاهرات الفصول الدراسية، ويمكن تثقيف الطلاب حول التفاعلات الكيميائية والتنظيم الذاتي)، حدائق الكيميائية لها أهمية علمية حيث تمثيل assemb الذاتيلاي في دينامية، أبعد ما يكون عن التوازن النظم، تشمل الأساليب التي يمكن أن تؤدي إلى إنتاج مواد مثيرة للاهتمام ومفيدة 20،21.
ويمكن أيضا أن تزرع حدائق الكيميائية في المختبر عن طريق وسائل حقن، الذي حل تحتوي على واحد أيون عجل يتم حقن ببطء إلى الحل الثاني الذي يحتوي على أيون-عجل المشترك (أو الأيونات). وهذا يؤدي إلى تشكيل الهياكل حديقة الكيميائية مماثلة لتلك التجارب نمو البلورات، إلا أن خصائص النظام ويعجل يمكن التحكم بشكل أفضل. طريقة حقن ديها العديد من المزايا الهامة. فإنه يسمح احد لتشكيل حديقة الكيميائية باستخدام أي مزيج من عجل أو أدرجت الأنواع، أي يمكن أن تدمج الأيونات عجل متعددة في حل واحد، و / أو يمكن تضمين المكونات الأخرى غير عجل في أي حل كثف / تتفاعل مع راسب . غشاء المحتملة ولدت في مادة كيميائيةويمكن قياس نظام حديقة في تجربة حقن إذا أدرج إلكترود إلى داخل الهيكل، وبالتالي تمكين دراسة الكهروكيميائية للنظام. تجارب الحقن توفر القدرة على إطعام الحل الحقن إلى داخل الحديقة الكيميائية لالأطر الزمنية التي تسيطر عليها متفاوتة معدل الحقن أو إجمالي حجم حقن. ولذا فمن الممكن أن يساهم في إيجاد حلول مختلفة بالتتابع واستخدام بنية عجلت كفخ أو المفاعل. الجمع بين هذه التقنيات تسمح لمحاكاة المختبر من العمليات المعقدة التي قد حدثت في نظام حديقة الكيميائية الطبيعية في تنفيس الغواصة المائية، بما في ذلك مدخنة تشكلت من العديد من ردود الفعل هطول الأمطار في وقت واحد بين المحيط وتنفيس السائل (على سبيل المثال، إنتاج كبريتيد المعادن، هيدروكسيدات ، و / أو الكربونات والسيليكات) 5،22. ويمكن أيضا أن هذه التقنيات يمكن تطبيقها على أي نظام رد فعل حديقة الكيميائي للسماح لتشكيل أنواع جديدةمن المواد، على سبيل المثال، وأنابيب الطبقات أو الأنابيب مع الأنواع المتفاعلة كثف 20،23.
نحن هنا بالتفصيل تجربة سبيل المثال يتضمن النمو المتزامن من الحدائق الكيميائية اثنين، الحديد 2+ التي تحتوي هياكل في بيئة الأكسجين. في هذه التجربة أدخلنا كميات ضئيلة من فوسفات و / أو الأحماض الأمينية في محلول الحقن الأولي لمراقبة تأثيرها على هيكل. بعد التشكيل الأولي للحديقة الكيميائية أننا ثم تحولت الحل الحقن لإدخال كبريتيد كما شاردة عجل الثانوي. تم إجراء قياسات للإمكانات غشاء تلقائيا في كافة مراحل التجربة. يصف هذا البروتوكول كيفية تشغيل تجربتين في وقت واحد باستخدام مضخة الحقن المزدوج. وأظهرت بيانات مطلوبة أشواط متعددة من هذا الإجراء. صممت معدلات تدفق عالية نسبيا، ودرجة الحموضة منخفضة من تركيزات الخزان والمتفاعلة المستخدمة في تجاربنا لتشكيل مدخنة كبيرة يترسب في الوقت المحدد الشوريالس مناسبة لإجراء التجارب المعملية ليوم واحد. ومع ذلك، يمكن معدلات تدفق السوائل في ينابيع المياه الحارة الطبيعية تكون أكثر انتشارا بكثير وتركيزات عجل الكواشف (على سبيل المثال، الحديد وS في نظام الأرض في وقت مبكر) يمكن أن يكون أمر من حجم أقل 4؛ وبالتالي، فإن رواسب منظم تشكل على امتداد فترات زمنية أطول وتنفيس يمكن أن تكون نشطة لعشرات الآلاف من السنين 24،25.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشكيل هيكل حديقة الكيميائية عبر طريقة حقن يمكن تحقيق ذلك عن طريق ربط أي اثنين من المحاليل التي تحتوي على أيونات التفاعلية التي تنتج راسب. هناك العديد من أنظمة التفاعل الممكنة التي من شأنها أن تنتج هياكل راسب وإيجاد الوصفة المناسبة للأيونات رد الفعل وتركيزات أن ينمو ?…
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).
