화학 정원으로 원자로 시뮬레이션 자연 열수 시스템 플로우를 통해
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
"화학 정원은"대비 화학의 두 유체가 1,2 상호 작용을 개발 한 자기 조립 무기 침전물이다. 이러한 자기 조립 무기 구조는 부분적으로 자신의 생체 모방 외관을 통해 세기의 과학적 관심의 대상이되고 있고, 많은 실험 및 이론적 연구는 화학 정원 시스템 (3)의 각종 복잡한 양상 및 가능한 기능을 이해하기 위해 추진되고있다. 화학 정원의 자연 예를 열수 스프링 스며 주위에 성장 미네랄 "굴뚝"침전물을 포함하고,이 생명은 4 등장 할 설득력있는 환경을 제공 할 수 있다고 주장하고있다. 천연 열수 분출 공 침니 시뮬레이션 화학 정원 성장, 저류 액 모의 바다 조성물 및 바다로 공급 열수 유체를 나타내야 주사액을 표현한다. 이 O 형의 다양성다른 반응 시스템에 F 실험 초기 지구에서 또는 다른 세계에 환경을 포함하여 거의 모든 제안 바다 / 열수 유체 화학,의 시뮬레이션이 가능합니다. 초기 지구에서 바다는 무산소, 산성 (PH 5-6)했을 것이다, 더 3 대기 CO2 및 Fe 2+,뿐만 아니라 철 III, 니켈 2 +, 같은 망간 2+를 용해 포함 된 것 및 NO 2. 이 해수 및 초 염기성 해양 지각 사이의 화학 반응은 수소와 메탄을 포함하는 알칼리 열수 유체를 생산하고했을 경우 황화 (HS -)에 4-8. 초기 지구 알칼리 벤트 환경에서 형성 굴뚝 따라서 철 / 철 옥시 수산화 철 / 니켈 황화물을 함유 한 수, 그리고 이들 광물이 지구 화학적 산화 환원 / 산도 그라디언트를 활용하여 구동하는 방향으로 특정 촉매 및 프로토 효소 기능을 제공했을 수도 있다고 제안되었다 metaboli의 출현SM 5. 마찬가지로, 것과 같은 다른 세계는 호스트 수에 (또는 호스팅 수도 있습니다) 물 / 바위 인터페이스 – 그것은 물 / 바위 화학이 할 수있는 알칼리 벤트 환경을 생성 할 수있는 가능성이있다 – 이러한 초기 화성, 목성의 위성 인 유로파 (Europa), 또는 토성의 위성 엔셀라두스로 프리 바이오 틱 화학 운전 또는 현존하는 생활 5,9-11에 대한 거주 할 수있는 틈새 시장을 제공한다.
고전적인 화학 정원 실험 반응성 음이온, 예를 들면 규산 나트륨 또는 "물유리"를 포함하는 용액에 침지 금속염의 종 결정, 예를 들면 철, 염화 테트라 • 4H 2 O 50ml을 2를 포함한다. 알칼리성 용액과 인터페이스의 Fe 2+ 함유 산성 용액을 만들기 금속염이 용해 (실리케이트 음이온을 함유하고 OH -)과 무기 막 침전물이 형성된다. 삼투압에서 막 팽창, 파열, 그때 다시 침전새 유체 인터페이스를 톤. 결정이 모두 매크로 및 마이크로 규모에서 복잡한 형태와 수직 방향, 자기 조직화 침전물 구조 초래 용해 될 때까지이 프로세스는 반복한다. 무기 화학 정원 막 걸쳐 화학적 대조 용액의 지속적인 분리하고, 막을 가로 질러 하전 종의 차분이 침전 처리 결과는 12-14 막 전위를 산출한다. 화학 정원 구조는 외부 13,15-19에 내부에서 조성 구배를 전시, 복잡하고, 이온 다소 투과성을 유지하면서 구조의 벽은 오랜 기간 동안 대조 솔루션 사이의 간격을 유지한다. (그들은 교실 시위 있도록 간단하고, 화학 반응과 자기 조직에 대한 학생들을 교육 수) 교육 목적을위한 이상적인 실험 일뿐만 아니라, 화학 정원은 자기 assemb의 표현으로 과학적인 의미를 가지고LY는 동적, 멀리에서 평형 시스템에서, 재미 있고 유용한 물질 (20, 21)의 생산으로 이어질 수있는 방법을 포함.
화학 실험실에서 정원도있는 하나의 이온을 함유하는 침전 용액을 천천히 공동 침전 이온 (또는 이온)을 함유하는 제 2 용액에 주입하고, 분사 방법을 통해 성장 될 수있다. 이 시스템의 성질과 침전이 더 잘 제어 될 수 있다는 점을 제외하고, 결정 성장 실험의 것과 유사한 화학적 정원 구조의 형성을 초래한다. 주입 방법은 몇 가지 중요한 이점을 갖는다. 그것은 하나의 석출 또는 혼입 종 조합하여 화학적 정원을 형성 할 수 있도록, 즉, 다수의 침전 이온이 하나의 용액 내로 혼입 될 수있는, 그리고 / 또는 다른 비 – 침전 부품 /은 침전물과 반응 흡착 용액 중 하나에 포함될 수있다 . 화학적으로 생성 막전위이와 같이 전극 시스템의 전기 화학적 연구를 가능 구조의 내부에 포함되어있는 경우 정원 시스템은 주입 실험에서 측정 할 수있다. 주입 실험 분사량 또는 분사 총 부피를 변화시킴으로써 제어 시간 프레임에 대한 화학 정원의 내부로 주사액을 공급하는 능력을 제공; 그것은 다른 솔루션을 순차적으로 공급하고 트랩 또는 반응기로 석출 구조를 사용하는 것이 가능하다. 결합, 이러한 기술은 바다 사이에 많은 동시 침전 반응에서 형성되는 굴뚝을 포함한 해저 열수 분출 공에서 자연 화학 정원 시스템에서 발생 할 수있는 복잡한 프로세스의 실험실 시뮬레이션을 허용하고 (예를 들어, 생산 금속 황화물, 수산화물 유체를 배출 및 / 또는 탄산염 실리케이트) 5,22. 이들 기술은 또한 새로운 종류의 형성을 허용하기 위해 임의의 화학 정원 반응 시스템에 적용 할 수있다물질, 예를 들면, 흡착 반응 종 20,23 계층화 된 튜브 또는 튜브.
여기에 우리는 세부 사항 무산소 환경에서 구조를 함유 두 화학 정원, 철 2+의 동시 성장을 포함하는 예 실험. 이 실험에서는 구조에 대한 영향을 관찰하기 위해 초기 주입 용액에 폴리 인산염 및 / 또는 아미노산 미량 혼입. 화학 정원의 초기 형성 후 우리는 차 침전 음이온으로 황화물을 소개하는 주사액을 투입합니다. 막 전위의 측정은 실험을하는 동안 자동으로 만들어졌다. 이 프로토콜은 한 번 이중 주사기 펌프를 사용하여 두 개의 실험을 실행하는 방법에 대해 설명합니다; 이 절차는 데이터의 다수의 실행을 요구되어 도시. 비교적 높은 유속, 실험에 사용되는 리저버 및 반응물의 농도의 낮은 pH가 큰 굴뚝을 형성하도록 설계된 시간에 SC 석출하루 실험실 실험에 적합 에일. 그러나, 천연 열수 스프링스에 유체 유량이 훨씬 더 확산 될 수 있고, (초기 지구 시스템에서 예를 들어, Fe 및 S)를 석출 반응물의 농도가 낮은 크기 4의 순서 일 수; 따라서, 구조화 된 침전물을 더 이상 시간 척도를 통해 형성 것이며, 벤트는 수십 년 24, 25 수천의 활성이 될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
주입법을 통한 화학 정원 구조의 형성은 침전물을 생성 반응성 이온을 함유하는 임의의 두 용액의 인터페이스에 의해 달성 될 수있다. 침전물 구조를 생성하고 반응성 이온 농도의 올바른 조리법을 찾는 것은 바람직한 구조는 시행 착오의 문제이다 성장하는 여러 가지 반응 시스템이 있습니다. 주입 용액의 유속은 프로그래머블 주사기 펌프에 의해 제어되며, 이는 또한 천연 시스템에서 유체 유?…
Disclosures
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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