סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

Summary

מטרת פרוטוקול זה היא ליצור ארובות הידרותרמיות מדומות באמצעות ניסויים בהזרקת גינה כימית ולהציג שיפוע תרמי על פני קרום המשקעים הלא אורגני, באמצעות מדחוס 3D להדפסה שניתן לשחזר למטרות חינוכיות.

Abstract

פתחי אוורור הידרותרמיים במעמקי הים הם משקעים המארגנים את עצמם שנוצרו מפירוק גיאוכימי והוצעו כתפאורה אפשרית להופעת החיים. הצמיחה של ארובות הידרותרמיות בסביבה שיפועית תרמית בתוך מערכת אוורור מוקדמת של כדור הארץ דומה בהצלחה באמצעות סימולנטים הידרותרמיים שונים, כגון נתרן גופרתי, אשר הוזרקו לתוך סימולנט אוקיינוס כדור הארץ מוקדם המכיל ברזל ברזל מומס. יתר על כן, מנגנון פותח כדי לקרר מספיק את סימולנט האוקיינוס קרוב 0 °C (5 °F) בכלי עיבוי שקוע באמבט מים קרים תוך הזרקת פתרון גופרתי בטמפרטורות חמות לחדר, למעשה יצירת מבנה ארובה מלאכותית בסביבה שיפוע טמפרטורה על פני תקופה של כמה שעות. ניסויים כאלה עם כימיה שונה ושיפועי טמפרטורה משתנים הביאו למגוון מורפולוגיות במבנה הארובה. השימוש בסימולנטים של נוזלים ימיים והידרותרמיים בטמפרטורת החדר הביא לארובות אנכיות, בעוד שהשילוב של נוזל הידרותרמי חם וסימולנט אוקיינוס קר מנע היווצרות של מבני ארובות חזקים. המרוכז המודפס בתלת-ממד הניתן להתאמה אישית שנוצר עבור מחקר זה משמש ככלי תגובה ז'קט שניתן לשנות בקלות ולהשתמש בו על ידי חוקרים שונים. זה יאפשר שליטה זהירה של קצב הזרקה הרכב כימי של סימולנטים אוורור ואוקיינוס, אשר אמור לעזור לדמות במדויק תגובות פרה-ביוטיות במערכות ארובות עם שיפועים תרמיים דומים לאלה של מערכות טבעיות.

Introduction

ארובות הידרותרמיות הן משקעי גינה כימיים המארגנים את עצמם המופקים מדיסקווילבריה גיאוכימית בסביבות אוורור במעמקי הים, כאשר נוזל מחומם ומשתנה הידרותרמית מחלחל לאוקיינוס קר יותר. בתרחיש מוקדם של כדור הארץ, הוצע כי הארובות נוצרו בפתחי פתחים אלקליין עתיקים, וכי מעבר pH / redox / כימי שיפועים יכול היה להניע תגובות לקראת הופעת חילוף החומרים^1,2,3,4,5,6. פתחי אוורור הידרותרמיים הונחו גם על כוכבי לכת אחרים, כולל עולמות האוקיינוס, אירופה ואנצלדוס^7,8,9,10. ניסויים שונים נערכו כדי לדמות היבטים של הכימיה ההידרותרמית ההידרותרמית הקדם-ביוטית המוצעת, כולל משקעים של מינרלים זרזליטיים מברזל גופרתי שיכולים להפחית CO₂^11,12, סינתזה אורגנית מונעת שיפוע^13,14,15,ושילוב של אורגנים לתוך מבני ארובה¹⁶. ביצירת מערכים ניסיוניים לחיקוי פתחי אוורור הידרותרמיים, בין אם בכדור הארץ או בעולמות אחרים, חיוני לשקול את השיפועים הגיאוכימיים ואת האופי הפתוח, רחוק משיווי המשקל של המערכת כדי לייצר סימולציות מציאותיות.

בנוסף pH, redox, ושיפועים כימיים, פתחים הידרותרמיים גם לכפות שיפוע תרמי על פני קרום הארובה / הקיר בשל הזנה של נוזל אוורור מחומם לסביבת קרקעית ים קרה. טמפרטורות האוקיינוס בקרקעית הים הקרה יכולות להשתנות כפונקציה של עומק, חדירה סולארית ומליחות; עומק האוקיינוס הממוצע בקרקעית הים באתרי אוורור (בעיקר ברכסי אמצע האוקיינוס) נמצאים בטווח של 0-4 מעלות^{צלזיוס.} בהתאם לסוג פתח האוורור, השיפוע התרמי בין האוקיינוס לנוזל האוורור יכול להשתנות באופן דרמטי - מהשיפועים המתונים יותר של פתחי האוורור האלקליין, כגון Lost City^18,19 או השדה ההידרותרמי סטריטן שבו נוזל האוורור הוא 40-90 °C^(20°F),21, למעשנים השחורים בקרקעית הים העמוקה שבהם נוזל האוורור יכול להגיע לכמה מאות מעלות צלזיוס^{22, 23,24,25.} מנקודת מבט של מקור החיים, סימולציה של שיפועים תרמיים במערכות הידרותרמיות היא משמעותית שכן הם יכולים להשפיע על מינרלוגיה ותגובה כימית של משקעים ארובות^3,13 ו / או יכול להשפיע על מגורים כמו ארובות הידרותרמיות מארחים חיידקים שלוקחים אלקטרונים ישירות ממשטחים מינרליים²⁶. בשיפוע על פני קיר הארובה, מגוון של תנאי טמפרטורה יהיה נוכח על פני מרחק קצר, וקיר הארובה מייצג שילוב של מינרלים ותגובות האופייניים לכל המשטרים התרמיים האלה.

ארובות הידרותרמיות שגודלו במעבדה בשיפועים תרמיים דומות כדי לחקור את ההשפעות של האוקיינוס הקר והנוזל ההידרותרמי החם על הסביבה הקדם-ביוטית הפוטנציאלית הזו. בדרך כלל, מכיוון שגידול ארובות הידרותרמיות מדומות באמצעות שיטת הזרקה עם פנים מחוממת וחוץ קר מציב אתגרים מעשיים, ניסויי הארובה הנגישים ביותר נעשים בלחץ סביבתי (ולכן אינם דורשים כורים יקרים ומסובכים). ניסיונות קודמים בארובות שגודלו במעבדה בשיפוע תרמי לא הצליחו לייצר גם נוזל הידרותרמי חם/חם וגם אוקיינוס קר. במאמץ לשמור על הארובה כולה בטמפרטורה גבוהה למשך זמן רב כדי ליצור מינרלים תגובתיים שיכולים לגרום לתגובות אורגניות, כמה מחקרים חיממו את כל הניסוי (אוקיינוס ונוזל הידרותרמי) ל ~ 70 מעלות צלזיוס באמצעות ז'קט חימום או אמבטיה חמה^13,14. סוג אחר של ניסוי היווצרות מזרז ארובה, במנגנון "תא דלק", יצר את קיר הארובה סימולנט על תבנית ממברנה שטוחה; ניסויים אלה גם התחממו בכמויות גדולות על ידי טביעת מנגנון שיפוע תא הדלק באמבט מים חמים^27,28. מחקרים קודמים יצרו ארובות הידרותרמיות מדומות מנוזלים הידרותרמיים חמים (מחומם לכ -70 מעלות צלזיוס בשיטות שונות) מוזרק לתוך אוקיינוס בטמפרטורת החדר^3,12; עם זאת, לא נעשה ניסיון לאוקיינוס קר.

עבודה זו מקדמת שיטות לסימולציות מעבדת צמיחת ארובות פרה-ביוטיות 4 כדי ליצור שיפוע^תרמי מציאותי מאוקיינוס קר (0-5 מעלות צלזיוס) לנוזל הידרותרמי מחומם שבו לסנתז חומרי ארובה ולבדוק תכונות מעניינות. עד כה, לא נערכו ניסויי ארובה פרה-ביוטיים בהצלחה עם שיפוע טמפרטורה מציאותי לפתחי אוורור אלקליין: עם פתרון האוורור הפנימי המוחזק ב- ~ 70 מעלות צלזיוס ופתרון האוקיינוס החיצוני מקורר לכ - 5 מעלות צלזיוס. יתר על כן, בניסויי הארובה המחוממים המעטים שנערכו, ההתקנה הניסיונית מורכבת ויכולה להיות יקרה. לניסויי גנים כימיים יש פוטנציאל גדול להניב תובנות על התהליכים שאולי התרחשו בפתחי אוורור הידרותרמיים על כדור הארץ המוקדם. לפיכך, היכולת להגדיר במהירות וריאציות מרובות של ניסוי ארובה היא יתרון, כמו גם את היכולת יש מנגנון פשוט כי הוא זול, לא שביר, שונה בקלות, ואידיאלי עבור התלמידים לעבוד עם. מוצג כאן מנגנון חדשני (איור 1) שנועד להקל על צמיחת ארובה הידרותרמית מדומה תוך שמירה וניטור שיפוע תרמי מציאותי בין האוקיינוס הקר לבין סימולנט נוזל הידרותרמי מחומם. מנגנון ניסיוני זה דומה בעיצובו לכור ז'קט, אך הוא מחזק מודפס תלת מימדי (תלת מימדי) שניתן לייצר בקלות על ידי כל קבוצת מחקר המעוניינת לערוך ניסויים דומים (ראה קובץ הניתן להדפסה משלימה ). באמצעות מחזק מודפס תלת-ממדי זה, נערכו ניסויי ארובה הדרגתית תרמית כדי לבדוק את התועלת של מנגנון זה לשמירה על שיפועי טמפרטורה חזקים ולבחון את ההשפעות של שיפועי טמפרטורה על מבנה הארובה והמורפולוגיה.

Protocol

1. שיקולי בטיחות

1. יש להשתמש בציוד מגן מעבדה להגנה אישית כולל כפפות ניטריל, משקפי פנים, חלוק מעבדה ונעליים מתאימות (ללא עור חשוף).
   1. בעת שימוש מזרקים ומחטים, להיזהר לא לנקב כפפות או עור.
   2. בדוק את כל המנגנון בשכונת האדים לדליפות.
   3. בדוק את היציבות של בקבוקוני זכוכית ומחזק על הדוכן לפני הוספת כל כימי לתערובת.
2. הפעל את כל ניסויי השיפוע התרמיים באדים כדי להכיל דליפות מים.
3. השתמש בכל הנתרן גופרתי (Na₂S•9H₂O) באדים מכיוון שהוא מסוכן לבריאות.
   1. שמור נתרן גופרתי במכסה המנוע האדים, והניח איזון בתוך מכסה המנוע האדים לשקילת כמות הגופרית.
   2. שמור תמיד פתרונות המכילים גופרית בתוך מכסה המנוע של האדים כשהם משחררים גז H₂S רעיל, ושומרים על נוזל גופרתי, חדות ומיכלי פסולת מוצקים במכסה המנוע האדים.
   3. אין לערבב פסולת של תמיסת גופרית עם כימיקלים ידועים אחרים.
4. בעת שימוש Fe(II)Cl_{מגיב 2}•4H₂O, בעקביות לטהר עם N₂/ Ar כפי שהוא מתחמצן עם החשיפה לאוויר. שמור פתרונות anoxic במכסה המנוע אדים על ידי הצבת גז N₂/ Ar במרחב הראש בתוך מכסה המנוע אדים. מאובטח עם parafilm כדי למנוע חמצון נוסף.

2. התקנה לניסויי הזרקה

1. מהדק את הזרקת המרוכז המודפסת בתלת-ממד על דוכן במכסה אדים, כך שחור היציאה הקטן פונה לתחתית מכסה המנוע של האדים. ודא שהמגדה מאוזנת בתוך המהדק.
2. צור זכוכית "כלי הזרקה" על ידי חיתוך 1 ס"מ מתחתית זכוכית שקופה 100 מ"ל, בקבוק סרום קרמפ העליון (20 מ"מ סוג סגירת חותם קרמפ) באמצעות חותך זכוכית, ולוודא כי כלי פתוח לאוויר מלמטה למעלה.
   1. נקה את הבקבוקונים באמבט חומצה 1 M HCl למשך הלילה, ולאחר מכן לשטוף עם מים מזוקקים כפולים (ddH₂O) לפני ביצוע ניסוי חדש.
   2. השתמש מחדש זכוכית אלא אם כן סדוק או שבור, ולאחר מכן להיפטר.
3. הכן את בקבוקוני ההזרקה (איור 1).
   1. לאסוף את החומרים הבאים: מחיצה 20 מ"מ, חותם אלומיניום 20 מ"מ crimp, 0.5-10 μL צינור פלסטיק טיפ, מחט מזרק 16 G, וכלי crimper.
   2. לנקב בזהירות חור במרכז מחיצת הגומי, ולאחר מכן להסיר ולהשליך את המחט במיכל פסולת חדה.
   3. הכנס את קצה הפיפטה לתוך חור המחט, לצד מחיצת הגומי שתתמודד בתוך החלק העליון של בקבוקון. דוחפים את קצה הפיפטה דרך המחיצה כך שהוא בולט מעט בצד השני.
      הערה: לא לדחוף את כל הדרך, כמו זה לא ייתן מספיק אישור כדי למקם את חותם לחיצה עם כלי crimper.
   4. מניחים את הקרמפר על החותם המקרקר. לסחוט את crimper ולאטום את המחיצה עם קצה פיפטה על כלי ההזרקה כדי להפוך אותו אטום למים. לאחר איטום נכון, לדחוף את קצה פיפטה דרך צנצנת הזכוכית, כך שהוא בולט על 1.0 " מהכוס.
   5. הניחו שפופרת שקופה, גמישה ועמידה לכימיקלים בקוטר פנימי של 1/16 אינץ' על קצה הפיפטה כדי לקבל חותם אטום למים על קצה הפיפטה.
      הערה: הצינור צריך להיות ארוך מספיק כדי להגיע מזרק 16 G על גבי משאבת המזרק כמו המזרק יהיה לשאוב את הנוזל ההידרותרמי דרך צינורות ברורים זה לתוך סימולנט האוקיינוס.
   6. מניחים את בקבוקוני ההזרקה במכנס המודפס בתלת-ממד במכסה המנוע של האדים, על ידי התגנבות דרך חור יציאת המרוכז בתחתית. ודא כי בקבוקון בולט מחור הנמל הקטן במעגן.
      הערה: אם יש להשתמש במנדנים מרובים, ניתן להגדיר בקבוקונים מרובים בבת אחת ולהאכיל אותם בו-זמנית על-ידי מזרקים נפרדים.
   7. בדוק אם יש דליפות סופיות על ידי החדרת מזרק 10 מ"ל מלא ddH₂O ועם מחט 16 G לתוך הקצה השני של הצינורות הפתוחים. בזהירות להכניס את מחט 16 G לתוך הצינורות כדי לא לנקב את הצינור. הזריקו לאט את ה- ddH₂O כך שהוא ינוע במעלה הצינורות לתחתית כלי התגובה כדי להבטיח שהמזרק / צינור, הצינור / הקצה וכלבי הים המתכווצים כולם אטומים למים.
   8. אבטחו את הפרפילם בחוזקה מעל החלק העליון החתוך של הוויאל, והניחו פיסת סרט קטנה על החלק העליון של הפרפילם. ניקוב חור קטן דרך הקלטת כך O₂ יכול גז החוצה כמו N₂/ Ar נשאב פנימה
   9. הגדר קווי גז N₂/ Ar שכל אחד מהם יאכיל לאחד מבקבוקוני ההזרקה מהחלק העליון החתוך כדי להפוך את בקבוקון הזכוכית לאנוקסי לפני סימולנט האוקיינוס נשפך פנימה.
   10. לפצל את הזנת הגז ממקור N₂/ Ar למספר צינורות, כך שיש להאכיל N₂/ Ar אחד עבור כל מקטורן הזרקה (אם ביצוע ניסויים מרובים).
   11. מניחים את המזרק (מחובר ל- N₂/Ar) על ידי ניקוב דרך הקלטת, מרחף מעל פתרון האוקיינוס בוויכוח. היזהר לא לחדור את פתרון האוקיינוס עם המחט כדי למנוע הפרעה של צמיחת הארובה.

3. הכנת פתרונות לגידול גנים כימיים

1. הכנת סימולנט האוקיינוס
   1. הכן 100 מ"ל של פתרון לכל ניסוי.
      הערה: בדוגמה זו, השתמש בטבלה 1 לריכוזים ספציפיים כציטוטים המזרזים.
   2. צור פתרונות anoxic על ידי הראשון מבעבע 100 מ"ל של ddH₂O עם גז N₂/ Ar עבור ~ 15 דקות לכל 100 מ"ל בבקבוק ארלנמייר.
   3. שוקלים ומוסיפים את כל מרכיבי הכימיה של האוקיינוס, תוך ערבוב עדין להתמוסס (לא במרץ כדי לא להכניס חמצן).
   4. לאחר המסת הריאגנטים, מיד לחדש מבעבע אור של סימולנט האוקיינוס עם גז N₂/ Ar תוך הכנת זריקות הידרותרמיות.
2. הכנת סימולנט נוזל הידרותרמי (הכנת נתרן גופרתי)
   1. בחר אחד ריכוזי ההזרקה המוצגים בטבלה 1, ולהכין 10 מ"ל של כל ריכוז. מלא מזרקי 10 מ"ל עם הפתרונות. החליפו את כובעי המחט והניחו בצד.
      הערה: שמור תמיד פתרונות ומזרקים המכילים גופרית במכסה המנוע.
   2. שקול את הכמות הנדרשת של נתרן גופרתי (Na₂S•9H₂O) במכסה המנוע אדים בלבד (50 מ"ל של פתרון עם ddH₂O).
      1. מלא צינור צנטריפוגה 50 מ"ל עם ddH₂O.
      2. מניחים את Na₂S •9H₂O בצינור הצנטריפוגה 50 מ"ל, ולאטום אותו בחוזקה במכסה המנוע האדים.
      3. לנער את הצינור ביסודיות במכסה המנוע אדים עד כל חלקיקי גופרית מתמוססים לחלוטין.
      4. שמור את הפתרון anoxic במכסה המנוע אדים באמצעות parafilm שבו מחט 10 G הזרקת N₂/ Ar הוכנס.

4. הגדרת התרמיסטור

1. מניחים את הרמיסטור בעמדה יציבה על ספסל צדדי קרוב ככל האפשר למכסה המנוע האדים. הכנס את צד ה- USB של כבל מתאם RS232 ליציאת ה- USB של המחשב.
2. הפעל את הכוח עבור התרמיסטור. לקבלת הוראות הגעה להגדרת נגדים בכבלים, ראה הליך תרמיסטור בנספח המשלים 2.
3. הפעל את תוכנת תרמיסטור במחשב.
   1. גלול מטה אל יציאת תקשורת. בחר את יציאות התקשורת הראשונות ולחץ על לחצן התחבר משמאל עבור כל יציאה, עד שהתרמיסטור יתחבר לתוכנה.
      הערה: התוכנה תציג את סרגלי תצורת הקריאה בירוק. סמל הדגימה ימשיך להבהב, ויראה שהוא מדגים את הטמפרטורה הנוכחית במרווחי זמן תכופים. אם אף אחד מאותות אלה אינו נצפה, בחר יציאות תקשורת אחרות. אם אף אחת מיציאות התקשורת אינה פועלת, מופיעה הודעה מוקפצת המציינת שגיאת תקשורת או שאין אפשרות לקיים תקשורת.
   2. אם מופיעה שגיאת תקשורת, סגור את התוכנית והפעל מחדש. בדוק מחדש את כבלי רצועת הכלים וודא שהם מחוברים כראוי לפינים על סיכות הכבלים RS232.
4. לאחר החיבור, ודא שהפלט קורא 100% במגים אדומים.
5. לאחר שהתרמיסטור מהבהב מדידות מרווח זמן תכופות, שנה את זמן המרווח ל- 60 שניות. בתיבה אפשרויות בקר, לכיוון החלק התחתון, נקה 1 s ושנה ל- 60 s. לחץ על לחצן אישור.
6. יהיה כפתור אליפסה ליד סמל החברה שכותרתו אוטומטית קנה מידה. לחץ על לחצן זה כדי להפעיל שינוי קנה מידה אוטומטי. שים לב לקו הצהוב שיציג את קריאת הטמפרטורה.
7. בתוך אזור ההתוויה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי להתאים את התוויה לטעמך, כגון שינוי קנה המידה של צירי x ו- y.
8. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני באזור ההתוויה ולחץ על ייצוא ל- Excel לפני קריאה חדשה מתחילה כל 5000 s או 83.33 דקות (בהתאם למרווח ההקלטה שנבחר). שמור את נתוני הטמפרטורה והשעה בגיליון האלקטרוני שנוצרו באופן אוטומטי על-ידי התוכנית.
9. הנח את גשושית תרמיסטור המתכת לתוך כלי הים מזכוכית בתוך המדחוס. ודא הבדיקה מוגדרת לצד הזכוכית כמו גשושית תרמיסטור תלוי באמצע בקבוקון הזכוכית יפריע צמיחת הארובה. מכסים שוב בפרפילם.

5. הגדרת אמבט הקרח

1. קחו מחבת פלסטיק גדולה יותר ודלי בגודל בינוני. ממלאים את הדלי במים עד חצי הדרך.
2. מניחים את הדלי בתוך המחבת, ומניחים קרח בתוך המים עד כמעט מלא.
3. הניחו את שני צינורות החיתוך מפלסטיק משני קצות משאבת המים(תוספת משלימה 3, איור 1). שימו לב שפתיחת המשאבה האנכית היא המקום שבו מים יישפכו פנימה כדי להתחיל להתגבש, והפתוח האופקי הוא המקום שבו המים נפלטו. חבר את המשאבה לשקע חשמל, אך השאר את המחברים החשמליים פתוחים מכיוון שהם יפעילו את המשאבה בעת החיבור.
4. חבר את צינור הפלסטיק האופקי (תוספת משלימה 3, איור 2) ליציאת המרוכז הגבוהה יותר, הפונה ימינה, והבטח שהצינור ארוך מספיק כדי להגיע לדלי הקרח.
5. מניחים צינור פלסטיק חתוך נוסף שמאלה (נמוכה יותר) נמל מעבים, להבטיח כי צינור זה גם ארוך מספיק כדי להגיע לאמבט מי קרח. מקם את הצינור הזה מעל דלי מי הקרח שלתוכו ייפלטו המים מהמעגן.
6. שפוך מים קרים דרך הצינור המחובר לפתיחה האנכית של המשאבה. כאשר המשאבה מלאה במים, מגיעה עד לנמל המרוכז, טובלים את הצינור באמבט מי הקרח, ומיד מחברים את המחברים החשמליים.
   הערה: פעולה זו עשויה לדרוש שני אנשים.
7. תציב את המשאבה כדי להתחיל לזרום מים דרך מדחוס, למלא את הדלי בקרח, ולהניח מדחום בדלי כדי לבדוק את הטמפרטורה.
   הערה: טמפרטורת המים צריכה להגיע ~ 0 °C (50 °F). ראה מבחן בקרה בתוספתן המשלים 1 איור 2.
8. המשיכו להוסיף עוד קרח כדי לשמור על המים בטמפרטורה קרה, תוך הסרת חלק מהמים החמים יותר.

6. הכנה להזרקה

1. הורידו את מזרקי DDH₂O (סעיף 2.3) לצד מזרקי הזרקת הנוזל ההידרותרמי. בזהירות להחליק את צינורות הזרקת פלסטיק את מחט מזרק DDH₂O, ומיד להעביר אותו ישירות על אחת מחטי מזרק הזריקה העיקרית.
   הערה: אין לנקב את קיר הצינורות.
2. חבר את כרית התנור כדי לחמם את הסימולנט ההידרותרמי ל 70-80 °C (70°F).  (אזהרה: טמפרטורות גבוהות יותר יכולות לעיוות או לפגוע במזרק הפלסטיק.)
3. עטפו את הכרית סביב המזרק הגופרתי, והברגו בחוזקה שני מלחצי מתכת סביב הכרית(תוספת משלימה 3, איור 3).
4. לאחר המהדקים מאובטחים במקום, מניחים אותם על משאבת המזרק, ומאבטחים את המשאבה בחוזקה (תלוי במשאבת המזרק המועדפת).
5. הגדר את הטמפרטורה בתיבת הבקרה כ- ~ 70 °C (70 °F) על-ידי לחיצה על מקש החץ למעלה (תוספת משלימה 3, איור 5). לחץ על ערכה/התחל.
6. לאחר המזרק המחומם נעולים במקום על משאבת המזרק, להגדיר את משאבת המזרק להזריק ב 1-2 מ"ל / שעה.
7. תבדוק שפתרונות האוקיינוסים מומסים לגמרי. אם מעונן, מערבבים עד לרוב מומס.
8. טיטם את סימולנט האוקיינוס ל- pH 5.5 כדי לדמות חומציות האוקיינוס האדנית^30,31. השתמש 10 M HCl ולהוסיף טיפות לאט (תחת הזנת N₂/ Ar) עד מד ה- pH קורא יציב 5.5. אם הוא עולה על 5.5, השתמש ב- NaOH כדי להחזיר את ה- pH לרמות בסיסיות יותר באמצעות אותה שיטת טיפה איטית.
9. יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת או שתיים בכלי הארובה הטרומיים. יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת לתוך בקבוקון הזכוכית בתוך המעבות והשני לתוך כלי בטמפרטורת החדר ללא מחזק (אם מבצעים שני ניסויים) (איור 6).
   הערה: אין להזיז את בדיקת הטמפרטורה.
10. אוטמים את החלק העליון של בקבוקוני הזכוכית עם parafilm. החלף את הזנת N₂/ Ar לחלק העליון של מרחב הראש של סימולנט האוקיינוס, תוך הקפדה לא להכניס את המחט לתוך סימולנט האוקיינוס.
11. תכנת את משאבת המזרק להזרקה במהירות של 1-2 מ"ל/שעה (כיול לגודל המזרק הנמצא בשימוש, בהתאם לסוג משאבת המזרק), אך אל תלחץעל Start .
12. כדי למנוע אובדן תרמי להתרחש לאורך הצינורות להזריק את הנוזל החם במהירות כדי ליצור קשר מיידי עם מאגר האוקיינוס. לאחר מכן, תן הזרקה לרוץ ב 1- 2 מיליליטר / שעה לתוך האוקיינוס הקר. (ראה בדיקה תרמית למזרק בנספח 1 משלים). השתמש בכוסות פסולת כדי לתפוס כל טפטוף.
13. תתחילו את הזריקה, ותתחילו לתעד את טמפרטורת האוקיינוס בתרמיסטור.

7. ניטור הטמפרטורה והניסוי

הערה: ברגע שהמים זורמים דרך המדחה, גשושית הטמפרטורה של תרמיסטור תתחיל להציג את הנפילה בטמפרטורה בתוך האוקיינוס. המטרה היא שהטמפרטורה תגיע קרוב ל-0 מעלות צלזיוס. ראה טבלה 2 לקבלת הגדרות הדרגתיות מדויקות של טמפרטורה (תרמית).

1. שמור את כל נתוני הטמפרטורה על-ידי לחיצה באמצעות לחצן העכבר הימני על אזור ההתוויה ושמור כ . קובץ CSV.
   הערה: התוכנית תרשם נתוני טמפרטורה של עד 5000 s ולאחר מכן להתחיל מחדש.
2. ממשיכים להוסיף קרח לדלי כדי לשמור על טמפרטורות כמעט קפואות, עד שהארובה מתפתחת בעיקר, או לפחות עד שהמזרק כמעט ריק.
3. פקחו גם על הארובה בטמפרטורת החדר. צלם תמונות תכופות לאורך צמיחת הארובה עבור שתי הארובות.
4. לאחר השלמת הארובה, מקם סרגל קטן ליד שתי הארובות ולאחר מכן צלם ושמור תמונות.
   הערה: התהליך כולו צריך לפעול ~ 6 שעות.

8. סיום הניסוי

1. עצרו את משאבת המזרק, ואז הפסיקו לתעד את הטמפרטורה בתרמיסטור ושמו את הנתונים בגיליון אלקטרוני.
2. כבה את זרימת N₂/ Ar, והסר את הקווים ואת parafilm מכלי ההזרקה.
3. במידת הצורך, לדגום את פתרון האוקיינוס או לזרז לניתוח נוסף. כדי להסיר בזהירות את פתרון המאגר מבלי להפריע למשפך, השתמש בפיפטה של 25 מ"ל כדי להזרים בזהירות כמה עליקוטים של תמיסת המאגר, ולהשליך את הפתרון בכוס פסולת.
4. בזהירות לנקז את הנקניקייה בתוך המעבות לתוך כף פסולת. הסר את הצינורות מהמזרק, ולתת פתרון האוקיינוס לנקז לתוך הכף במכסה האדים. לעשות את אותו הדבר עבור המשחקון ללא מחזק.
5. הסר את כלי הדם, אחד בכל פעם, מן המלחציים, ולהשתמש ddH₂O לשטוף את חתיכות של מזרז לתוך פסולת.
6. הסר את הצינורות ואת המזרקים ממשאבת המזרק. רוקנו את המזרקים ואת כל נוזל הזרקה נוסף לתוך העברת הפסולת, ולהיפטר המזרקים במיכל חד גופרתי נשמר מכסה המנוע אדים.
7. מוציאים את הצינורות מנגנה הניסוי ולהיפטר ממנו בשקית פסולת מוצקה. שחררו את החותם והשליכו את המחיצה, החותם וטיפ הפיפטה.
8. לשטוף את בקבוקון ניסוי זכוכית, ולהשרות אותו לילה באמבט חומצה 1 M HCl.
   הערה: כלי זכוכית שהיו במגע עם נתרן גופרתי ישחררו גז H₂S רעיל כאשר הוא ממוקם בחומצה. לפיכך, לשמור את כל אמבטיות חומצה בתוך מכסה המנוע אדים.

תוצאות

כמו במחקרים קודמים^1,2,13,29; ברגע שסימולנט הנוזל ההידרותרמי הגיע ללוויאל האוקיינוס, החל להיווצר מבנה מזרז מינרלי שהפך עבה וגבוה יותר למשך ההזרקה. ארובות הברזל הגופרתיות היו מבנים עדינים שלא היו חזקים במיוחד ופורקו בקלות אם מקטוריית האוקיינוס או ההזרקה הופרעו פיזית. זה עולה בקנה אחד עם תוצאות ממחקרים קודמים³. הריכוז הכימי של תמיסת הגופרית מילא גם תפקיד חיוני במורפולוגיה של ארובות הגופרית. פתרונות מרוכזים יותר של גופרית אפשרו משקעים מינרליים גבוהים ויציבים יותר, כפי שמוצג באיור 5, בעוד שריכוזים נמוכים יותר של פתרונות גופרית יצרו מבני ארובות חלשים. במקרים מסוימים לא נוצר מבנה, רק "מרק" נוזלי-מינרלי נוצר, שבסופו של דבר יתיישב כמ משקעים(איור 3D). זה קרה הן בתנאי מעבר צבע תרמיים והן בתנאי מעבר צבע שאינם תרמיים.

בניסויי ארובה שיפועים תרמיים עם גופרית ברזל, מבני ארובות מוצקים בדרך כלל לא התמזגו כמו שהם התמזגו בטמפרטורת החדר. איור 3E-H מראה את המורפולוגיה של ארובה גופרתית מברזל הגדלה בין אוקיינוס קר לנוזל הידרותרמי בטמפרטורת החדר. הארובות בשיפוע הטמפרטורה היו דמויות חוטים ורופפות בטבען, ואילו תוצאות הדרגתיות לא תרמיות (איור 3A-D) מראות מבנים קבועים למחצה יותר. כך היה גם כאשר הנוזל ההידרותרמי היה מחומם(איור 4). היוצא מן הכלל היה בריכוזים גבוהים יותר של גופרית וברזל(איור 5)שבהם נוצרה ארובה מוצקה של גופרית ברזל בין פתרון הידרותרמי בטמפרטורת החדר לבין סימולנט אוקיינוס קר.

ההשפעה של שיפוע תרמי על הצמיחה של ארובות ברזל הידרוקסיד נבדק גם. התוצאות הראו דפוסים דומים לאלה של ארובה גופרתית ברזל: בעוד ניסוי ברזל הידרוקסיד בטמפרטורת החדר הביא משקעים ארובה חזקה יותר, הניסוי שיפוע תרמית בין הנוזל ההידרותרמי החם לאוקיינוס הקר הביא לתלולית קטנה יותר של חומר ארובה שלא התמזג אנכית (איור 6). בניגוד למבנים הזקופים הגבוהים של ארובות ברזל הידרוקסיד שנצפו בעבודה קודמת (בניסויים בטמפרטורת החדר)²⁹, ניסוי השיפוע התרמי שלנו הראה מורפולוגיה שונה.

איור 1: מנגנון ארובה הדרגתית תרמית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. 

איור 2: מרוכז מודפס בתלת-ממד. (A) סכמטית של מחזק מודפס תלת-ממדי המציגה מידות עיבוי. (ב)מיקום של כלי שיט אוקיינוס מזכוכית בתוך המעגן כדי לקרר את סימולנט האוקיינוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: מגוון ארובות הדרגתיות תרמיות ולא תרמיות. (A-D)ניסוי בקרת שיפוע לא תרמי מנוזל הידרותרמי בטמפרטורת החדר (HTF) ועד סימולנט אוקיינוס בטמפרטורת החדר. (A)10 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 20mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (B)20 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 10 mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (C)20 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 20mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (D)20 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 20mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (E-H) ניסוי ארובה שיפוע תרמי מ HTF טמפרטורת סימולנט למאגר אוקיינוס קר (~ 5-10 מעלות צלזיוס). (E) 20 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 10 mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (F)10 מ"מ_{נה 2}S • 9H₂O HTF ו 20 mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (ז) 20 מ"מ_{נה 2}S•9H₂O HTF ו 10 mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. (H) 10 מ"מ_{נה 2}S •9H₂O HTF ו 20 mM FeCl₂·4H₂O סימולנט האוקיינוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: ניסוי הדרגתי תרמי. ניסוי שבוצע עם חם (~ 35-40 °C) 20 mM Na₂S•9H₂O פתרון מוזרק לתוך קר (~ 5-10 °C )C) 20 mM FeCl₂·4H 2 O סימולנט_{האוקיינוס,}לייצר גדילי ארובות קטנים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: השפעת ריכוז סימולנט האוקיינוס על ארובות. ריכוזים גבוהים יותר (כ-50 מ"מ_{Na 2}S•9H₂O, 10 מ"מ FeCl₂·4H₂O ו-200 מ"מ NaCl) של סימולנטים של האוקיינוס אנוקסי המיוצרים בארובות חזקות וגבוהות יותר מבחינה מבנית. פתרון גופרתי בטמפרטורת החדר הוזרק לתוך 2-10 °C (50 °F) האוקיינוס סימולנט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: צמיחה סימולטנית של ארובות שיפוע תרמיות ולא תרמיות. (A) 100 mM FeCl₂·4H₂O + 100 mM FeCl₃·6H₂O פתרון האוקיינוס עם נוזל הידרותרמי 200 מ"מ NaOH (HTF) סימולנט בטמפרטורת החדר. (B)ניסוי שיפוע תרמי עם אותם ריכוזים עם HTF חם ב ~ 35-50 °C (50 °F) לתוך סימולנט האוקיינוס הקר ב ~ 5-10 °C .. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

כימיה של נוזלים הידרותרמיים (הזרקה)	כימיה של האוקיינוס (מאגר)
50 מ"מנה 2S	10 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
20 מ"מנה 2S	10 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
10 מ"מנה 2S	20 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
200 מ"ר נאוה	100 מ"מ FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

טבלה 1: מטריצת ריכוז לפתרונותהזרקת אוקיינוס ונוזל הידרותרמי מדומה.

HTF °C	טמפרטורות סימולנט האוקיינוס °C (55 °F)
~ 23	~ 23	5-10
~35-50	~ 23	5-10

טבלה 2: מטריצה ניסיונית שיפוע תרמית. הטמפרטורה של הנוזל ההידרותרמי (HTF) מתייחסת לטמפרטורת הנוזל במזרק; הטמפרטורה בפועל בפרצון ללוויאל האוקיינוס הייתה נמוכה ב-20 עד 35 מעלות מהטמפרטורה בתוך המזרק (כ-70 מעלות צלזיוס) (ראו תוספת משלימה 1, איור 3 ואיור 4).

קובץ משלים להדפסה. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. 

תוספת 1. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. 

נספח 2 משלים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. 

תוספת 3. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. 

Discussion

ההשפעה של שיפועים תרמיים על צמיחת ארובות מדומה: מנגנון ניסיוני זה הניב מספר וריאציות מורפולוגיות ארובות שנבעו ממספר פרמטרים ניסיוניים. ארובות של ברזל גופרתי וברזל הידרוקסיד יצרו מבנים זקופים גבוהים בטמפרטורת החדר, אך יצרו משקעים קלושים יותר, מחוספסים או תלוליות שטוחות בניסויים השיפוע התרמי. זה היה עולה בקנה אחד עם הממצאים של הרשי ואח 'שבו משקעים ארובה דקיקים, לא זקופים נוצרו מנוזל הידרותרמי מחומם ל 70-80 °C (70 °F) והוזרק לתוך סימולנט האוקיינוס בטמפרטורת החדר³³. ישנם הסברים אפשריים שונים לכך: העברת חום קונבקטיבית יכולה לגרום לכוחות ציפה טבעיים יותר (יחד עם שאיבת הזריקה הכפויה) כדי לגרום למזרז לזרום במהירות לכיוון החלק העליון של כלי הים כפי שהוא נוצר. לחלופין, חימום נוזל המזרק הופך את הסימולנט ההידרותרמי לפחות צפוף ולכן נוטה יותר לעלות אנכית מאשר לייצב על גבי נקודת ההזרקה. ייתכן כי השפעה זו יכולה להיות מקלה על ידי שינוי קצב הזרקת המזרק לשיעורים איטיים יותר כדי לאפשר צמיחה של מבנה יציב יותר. לבן ואח ' בדק צמיחת ארובת ברזל גופרתית עם סימולנט הידרותרמי מוזרק בקצבים איטיים מאוד (0.08 מ"ל / שעה), ולמרות הארובה לקח ימים להתמזג, זה היה יציב מבחינה מבנית¹³. כמו הרשי ואח ' בשימוש משאבות peristaltic בקצבי הזרקה של 10-120 mL / h, שהוא כמה סדרי גודל מהר יותר מאשר השיעורים המשמשים בניסויים שיפוע תרמי שלנו, זה לא מפתיע כי הם גם ייצרו מבני ארובה דמויי מחרוזת³³.

ריכוזים גבוהים יותר של מגיבים מזרזים באוקיינוס ופתרונות אוורור יכולים גם להניב ארובות חזקות יותר בשיפועים תרמיים. ריכוזים כימיים גבוהים יותר של יונים מזרזים (גופרתי או הידרוקסיד) בנוזל הידרותרמי או בסימולנט האוקיינוס יכולים להוביל למסה גבוהה יותר של משקעים, ובכך ליצור מבנה חזק יותר. כמו הרשי ואח ' ו White et al. השתמשו בריכוזים נמוכים יותר של גופרית בנוזל הידרותרמי (10 מ"מ), המבנים שלהם היו קטנים יותר מאלה המיוצרים בעבודה זו באמצעות ריכוזי גופרית גבוהים יותר (20-50 מ"מ). בנוסף, כמה מחקרים של צמיחת ארובת ברזל גופרתית כללו גם סיליקה בנוזל ההידרותרמי יחד עם נתרן גופרתי, אשר יכול לעזור לייצר ארובות חזקות יותר^3,13,33. מבני גן כימיים סיליקה שימשו גם כדי לדמות היבטים של צמיחת ארובה הידרותרמית³⁴, ואלה נוטים לייצר מבנים חזקים מאוד שניתן להסיר מן הצינור / בקבוקון לניתוח פיזי. עם זאת, ההשפעות של שיפועי טמפרטורה על מבני הזרקת סיליקה אינם ידועים ויהיו תחום של מחקר נוסף.

שיקולים לניסויי סימולציה עתידיים של ארובה: המנדייזר המודפס בתלת-ממד שנוצר במחקר זה כדי לקרר את כלי השיט של האוקיינוס פעל כמו כלי תגובה מכוער, אך עם כמה שיפורים מעשיים: 1) החלק העליון הפתוח אפשר דגימה של הארובה ושמירה על מרחב הראש של האוקיינוס האנוקסי; 2) החלק המודפס בתלת-ממד העניק יכולת רבייה קלה; 3) מכיוון שניתן לערוך את העיצובים באופן דיגיטלי, ניתן לשנות במהירות את המנגנון ולהדפיס אותו מחדש אם תרצה; ו-4) השימוש בחומרים זולים הפך כל מחזק לחסכוני יותר מכלי התגובה עם מעיל הזכוכית בפועל. מעבים מודפסים בתלת-ממד אלה הם מנגנון ניסיוני גמיש ומשותף בקלות שיכול להיות דרך שימושית לתקנן פלטפורמות לניסויי ארובות הידרותרמיים מדומים בקבוצות מחקר שונות, ומאפשר השוואה טובה יותר של דגימות ונתונים. ניתן לשלוח קבצים של המעיב לעמיתים כדי להדפיס בכוחות עצמם למטרותיהם החינוכיות או המדעיות (ראה קובץ הדפסה תלת-ממדי משלים של המעיב המשמש בעבודה זו). התקנה זולה זו יכולה לשמש גם כניסוי מעבדה לתואר ראשון עבור גנים כימיים או כימותרפיה^29,35.

לסיכום, עבודה זו מתארת מנגנון ניסיוני חדשני באמצעות הדפסת תלת-ממד כדי להקל על הצמיחה של ארובות הידרותרמיות מדומות בסביבות שיפוע טמפרטורה. המדחוס המודפס בתלת-ממד מסוגל לקרר את סימולנט האוקיינוס לטמפרטורות כמעט קפואות, בדומה למי הים ליד מערכות הידרותרמיות בקרקעית הים. בינתיים, מזרק מחומם שימש כדי לדמות את הנוזל ההידרותרמי בטמפרטורה גבוהה מוזרק לתוך האוקיינוס הקר הזה. המורפורוגיות והמבנים של ארובות ברזל גופרתיות וברזל הידרוקסיד הושפעו מהשיפוע התרמי: כאשר גם האוקיינוס וגם סימולנט הנוזל ההידרותרמי היו בטמפרטורת החדר, הארובות יצרו מבנים מכוונים אנכית, אך כאשר הנוזל ההידרותרמי היה מחומם והאוקיינוס התקרר, היווצרות מבני ארובה חזקים התעכבה. כדי לדמות במדויק תגובות פרה-ביוטיות במערכות ארובות כאלה עם שיפועים תרמיים הדומים לאלה של מערכות טבעיות, יהיה צורך לשלוט בקפידה בפרמטרים כגון קצב הזרקה והרכב כימי של סימולנטים אוורור ואוקיינוס. המרוכז המודפס בתלת-ממד המותאם אישית והזול שנוצר עבור מחקר זה דומה בתפקודו לכלי תגובה מכובס וניתן לשנות ולהפיץ אותו בקלות אלקטרונית לקבוצות מחקר וחינוך שונות לשימוש בסוגים רבים של ניסויים כימותרפיים.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3/8-Inch Clear Vinyl Tubing	Watts	SVIG10	Cut to desired length for experiment
40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables	EDGELEC	ED-DP_L30_Mix_120pcs	These wires will require stripping of plastic ends and carefully removing one of the 2 plastic casings
Aluminum seals	Fisher	0337523C	Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals
Ferric chloride hexahydrate	Fisher	I88-100	Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Ferrous chloride tetrahydrate	Fisher	I90500	Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Gear Hose Clamps	Glarks	40Pcs
Gray butyl stoppers	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific National 20 mm Septa for Headspace Vials
Pipette tips	VWR	53511-682	pipette tips 0.5-10 microliters
Serum bottles	Sigma-Aldrich	33110-U	Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, outer diameter x height 51.7 mm x 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
Sodium hydroxide	Sigma-Aldrich	S5881	reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Sodium sulfide nonahydrate	Fisher	S425212	Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS).  Store at -20 °C. 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.
syringe heater	Syringepump.com	HEATER-KIT-5SP	Clamp gear hose clamps around heating blanket
Syringe needles (16 gauge)	Fisher	14-826-18B	BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Syringe Pump	Syringepump.com	NE-4000	Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Syringes (10 mL)	Fisher	14-823-16E	BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Tubing	Cole Parmer	EW-06407-71	Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" internal diameter X 1/8" outer diameter
Water Circulation Pump	Bayite	BYT-7A015	May need two people to help prime pump