Name: simulation of early earth hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00
Duration: 6 min 29 s
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这项研究是根据与美国宇航局签订的合同，在美国宇航局天体生物学研究所冰世界的支持下，在加州理工学院的喷气推进实验室进行的。加布里埃尔·勒布朗博士通过俄克拉荷马州美国宇航局EPSCOR合作协议（NNX15AK42A）获得了部分研究启动赠款（2017-34年）的支持。我们要感谢希瑟·怀特黑德协助最初的3D打印冷凝器设计，卡林德·卡彭特协助3D打印，约翰-保罗·琼斯帮助讨论冷凝器容器，劳拉·罗德里格斯帮助温度数据分析，艾瑞卡·弗洛雷斯协助实验室。版权所有 2020 加州理工学院。

1. 安全考虑
<ol><li>使用实验室防护设备进行个人保护，包括亚硝酸盐手套、面罩、实验室外套和合适的鞋子（无皮肤暴露）。<ol>
<li>使用注射器和针头时，要小心不要刺穿手套或皮肤。</li>
		<li>检查烟雾罩中的整个设备是否有泄漏。</li>
		<li>在向混合物添加任何化学物质之前，检查支架上玻璃瓶和冷凝器的稳定性。</li>
	</ol>
</li>
	<li>在烟雾中进行所有热梯度实验，以控制漏水。</li>
	<li>在烟雾中使用所有硫化钠（Na2S+9H2O），因为它对健康有害。<ol>
<li>将硫化钠保留在烟气罩中，并在烟气罩内放置一个平衡，用于称量硫化物量。</li>
		<li>当烟雾罩释放有毒的 H2S 气体时，请始终将含硫化物的溶液保留在烟气罩中，并将硫化物液体、锐利剂和固体废物容器保留在烟气罩中。</li>
		<li>不要将任何硫化物溶液废物与其他已知化学品混合。</li>
	</ol>
</li>
	<li>当使用反应剂 Fe （II）Cl2+4H2O 时，在暴露在空气中时，始终用 N2/Ar 进行清除。将 N2/Ar 气体放置在烟气罩内的头部空间中，将溶液无氧留在烟气罩中。用准胶片固定，以防止进一步氧化。</li>
</ol>2. 注射实验设置
<ol><li>将 3D 打印冷凝器喷射夹在烟气罩的支架上，使小端口孔面向烟气罩底部。确保冷凝器在夹子内平放。</li>
	<li>使用玻璃切割机从 100 毫升透明玻璃、压接式血清瓶（20 毫米压接密封闭合型）底部切开 1 厘米，从而创建玻璃"喷射容器"，并确保容器自下而上向空中开放。<ol>
<li>在 1 M HCl 酸浴中清洗小瓶过夜，然后用双蒸馏水 （ddH2O） 冲洗，然后再进行新的实验。</li>
		<li>重复使用玻璃，除非破裂或破碎，然后处理。</li>
	</ol>
</li>
	<li>准备注射瓶（图1）。<ol>
<li>收集以下材料：20 毫米隔膜、20 毫米铝压接密封件、0.5-10 μL 塑料移液器尖端、16 G 注射器针和压接器工具。</li>
		<li>小心地刺穿橡胶隔膜中心的一个孔，然后将针头取出并丢弃在锋利的废容器中。</li>
		<li>将移液器尖插入针孔，插入橡胶隔膜的一侧，该隔膜将面对小瓶压接顶部。将移液器尖端推过隔膜，使其在另一侧稍微伸出。 注意：不要一直推通过，因为这不会给予足够的间隙，将压接密封与压接工具。</li>
		<li>将压接器放在压接密封件上。挤压压接器，用移液器尖密封隔膜到注射容器上，使其防水。正确密封后，将移液器尖推过玻璃罐，使其从玻璃中突出约 1.0" 。</li>
		<li>在移液器尖端放置一个清晰、灵活、耐化学的管子，内径为 1/16"，以便在移液器尖端上密封防水密封。 注：管子应足够长，达到注射器泵顶部的16G注射器，因为注射器将泵送热液通过这个清晰的管子到海洋模拟。</li>
		<li>将喷射瓶放入 3D 打印冷凝器中的烟气罩中，通过底部的冷凝器端口孔将油管刺穿。确保小瓶从冷凝器中的小端口孔中突出。 注：如果要使用多个冷凝器，可以同时设置多个小瓶，并由单独的注射器同时进食。</li>
		<li>通过将装满 ddH2O 的 10 mL 注射器插入一个 16 G 针头插入打开管的另一端，检查是否有最终泄漏。小心地将 16 G 针插入管中，以免刺穿管子。慢慢注射 ddH2O，使其向上移动管子并进入反应容器的底部，以确保注射器/管、管/尖和压接密封都是防水的。</li>
		<li>将准胶片紧紧固定在小瓶的切口顶部，并将一小块胶带放在副膜顶部。在胶带中打一个小孔，这样 O2 就可以在 N2/Ar 被泵入时加气。</li>
		<li>设置 N2/Ar 气体管，每个气体管线将从切断顶部输入一个喷射瓶，使玻璃瓶在海洋模拟剂倒入之前产生氧化。</li>
		<li>将气体馈送从 N2/Ar源拆分成多个管子，以便每个注射瓶（如果进行多个实验）有一个 N2/Ar馈送。</li>
		<li>将注射器（连接到N2/Ar）通过穿刺通过磁带，悬停在小瓶中的海洋溶液。小心不要用针头穿透海洋溶液，以免烟囱生长中断。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 为化学花园生长准备解决方案
<ol><li>准备海洋模拟<ol>
<li>为每个实验准备 100 mL 的解决方案。 注：在此示例中，使用 表 1 进行特定浓度作为沉淀的 cations。</li>
		<li>通过在 Erlenmeyer 烧瓶中首次冒泡 100 mL 的 ddH2O 与 N2/Ar 气体，每 100 mL 15 分钟创建厌氧解决方案。</li>
		<li>称重并加入任何海洋化学成分，轻轻搅拌溶解（不剧烈，以免引入氧气）。</li>
		<li>溶解试剂后，立即恢复海洋的光冒泡与N2/Ar气体同时准备热液注入。</li>
	</ol>
</li>
	<li>制备热液模拟剂（硫化钠制剂）<ol>
<li>选择 表 1中显示的注射浓度之一，并准备每个浓度的 10 mL。将 10 mL 注射器填充解决方案。更换针帽并放在一边。 注意：始终将含硫的溶液和注射器放在烟气罩中。</li>
		<li>仅在烟气罩中称量所需的硫化钠（Na2S+9H2O）（50 mL 溶液，带 ddH2O）。<ol>
<li>用 ddH2O 填充 50 mL 离心机管。</li>
			<li>将 Na2S+9H2O 放入 50 mL 离心机管中，并将其紧密密封在烟气罩中。</li>
			<li>在烟气罩中彻底摇动管子，直到所有硫化物颗粒完全溶解。</li>
			<li>使用将 10 G 针注入 N2/Ar 的准胶片将溶液氧化在烟气罩中。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 设置热病器
<ol><li>将热病器放在一个稳定的位置，放在尽可能靠近烟气罩的侧长凳上。将 RS232 适配器电缆的 USB 侧插入计算机 USB 端口。</li>
	<li>打开热电发电机的电源。有关设置电缆电阻器的说明，请参阅补充附录 2中的热病程序。</li>
	<li>打开计算机上的热病软件。<ol>
<li>向下滚动到 通信端口。选择前几个通信端口，然后单击每个端口左侧的 "连接 "按钮，直到热病器连接到软件。 注：该软件将显示 绿色阅读配置 栏。 采样 图标将保持闪烁，显示它经常采样当前温度。如果两个信号都未被观测到，请选择其他通信端口。如果通信端口不工作，则会看到弹出式消息，说明 通信错误 或 无法通信。</li>
		<li>如果弹出 通信错误 ，关闭程序并重新启动。重新检查带状电缆，并确保它们正确连接到 RS232 电缆销上的引脚。</li>
	</ol>
</li>
	<li>连接后，确保 输出 在红条中读取 100%。</li>
	<li>一旦热病器闪烁频繁的间隔测量，将间隔时间更改为 60s。在 控制器选项 框中，朝向底部，清除 1 s 并更改为 60 s。单击 "确定" 按钮。</li>
	<li>公司徽标旁边将有一个椭圆形按钮，标有 自动秤。单击该按钮以打开自动刻度。注意显示温度读出的黄线。</li>
	<li>在绘图区域内，右键单击以根据您的喜好调整情节，例如缩放 x 和 y 轴。</li>
	<li>右键单击绘图区域，然后单击 导出到 Excel， 然后每 5000 秒或 83.33 分钟开始一次新的读取（取决于选择的录制间隔）。保存程序自动创建的电子表格中的温度和时间数据。</li>
	<li>将金属热力探测器放入冷凝器内的玻璃海洋容器中。确保探针被设置在玻璃的一侧，因为挂在玻璃瓶中间的热力探针会中断烟囱的生长。再次用准胶片覆盖。</li>
</ol>5. 设置冰浴池
<ol><li>拿一个更大的塑料平底锅和一个中等大小的桶。将水桶装满水，水最多加半路。</li>
	<li>将水桶放在锅内，将冰放入水中，直到几乎装满。</li>
	<li>将两根塑料切断软管放在水泵的两端（附录3，图1）。请注意，垂直泵开口是水将倒入以开始启动的位置，水平开口是喷出水的位置。将泵插入电源插座，但让电源连接器打开，因为连接后将为泵供电。</li>
	<li>将水平塑料软管（附录3，图2）连接到较高的冷凝器端口，朝右，确保软管足够长，到达冰桶。</li>
	<li>将另一个切断的塑料软管放在左（下）冷凝器端口，确保此软管也足够长的时间到达冰水浴池。将此软管放在冰水桶上，将水从冷凝器中喷出。</li>
	<li>将冷水倒入连接到泵垂直开口的软管中。当泵充满水时，一直到达冷凝器端口，将软管浸入冰水浴中，并立即连接电气连接器。 注意：这可能需要两个人。</li>
	<li>让泵开始流水通过冷凝器，给水桶加满冰，并在桶中放置温度计以检查温度。 注意：水温应达到 ±0 °C。 请参阅补充附录 1 图 2中的控制测试。
</li>
	<li>继续添加更多的冰，以保持水在寒冷的温度，同时去除一些温暖的水。</li>
</ol>6. 准备注射
<ol><li>将 ddH2O 注射器（第 2.3 节）放到热液注射注射注射器旁边。小心地将塑料注射管从 ddH2O 注射器针上滑下来，并立即直接将其转移到主注射注射器针头之一。 注意：不要刺穿管壁。</li>
	<li>插入加热器垫，将热液模拟剂加热到 70-80 °C。 （警告：高温会扭曲或损坏塑料注射器。</li>
	<li>将垫子包裹在硫化物注射器周围，并牢牢地拧紧垫周围的两个金属夹（补充附录3，图3）。</li>
	<li>固定夹子后，将其放在注射器泵上，并紧紧固定泵（取决于所选的注射器泵）。</li>
	<li>按 上箭头 键将控制盒上的温度设置为 ±70 °C（补充附录 3， 图 5）。按 设置/开始。</li>
	<li>一旦加热注射器锁定在注射器泵上，将注射器泵以 1-2 mL/h 的速度注射。</li>
	<li>检查海洋溶液是否完全溶解。如果多云，搅拌，直到大部分溶解。</li>
	<li>将海洋模拟到pH值5.5，以模拟哈迪安海洋酸度30，31。使用 10 M HCl 并缓慢添加液滴（在 N2/Ar 馈送下），直到 pH 仪表读取稳定的 5.5。如果它超过 5.5，使用 NaOH 使用相同的慢滴法将 pH 值恢复到更基本的水平。</li>
	<li>将一两个海洋溶液倒入预制烟囱容器中。将一个海洋溶液倒入冷凝器内的玻璃瓶中，另一个倒入没有冷凝器的室温容器（如果进行两次实验）（图6）。 注意：不要移动温度探头。</li>
	<li>用胶片密封玻璃瓶的顶部。将 N2/Ar饲料替换到海洋模拟剂的头部空间顶部，注意不要将针头引入海洋模拟剂中。</li>
	<li>将注射器泵编程为 1-2 mL/h（根据注射器泵的类型，用于使用注射器的大小校准），但不要按 "启动"。</li>
	<li>为了防止热损失通过管子的长度发生，迅速注入热液，以便立即与海洋储层接触。然后，让注射以1-2毫升/小时的速度进入寒冷的海洋。（见 补充附录1中注射器的热测试）。使用废烧嘴捕捉任何滴水。</li>
	<li>开始注射，并开始记录热病器上的海洋温度。</li>
</ol>7. 监测温度和实验
注：一旦水通过冷凝器循环，热温度探测器将开始显示海洋内温度的下降。目标是使温度达到接近0°C。 有关精确的温度（热）梯度设置，请参阅表 2。
<ol><li>通过右键点击绘图区域保存所有温度数据，并保存为 。CSV 文件。 注：该计划将记录高达5000的温度数据，然后重新开始。</li>
	<li>继续将冰加入桶中以保持接近冰点的温度，直到烟囱大部分发育，或者至少直到注射器几乎空无一人。</li>
	<li>也监视室温烟囱。在烟囱生长过程中经常拍摄两个烟囱的照片。</li>
	<li>烟囱完成后，在两个烟囱旁边放置一个小尺子，然后拍摄和保存图像。 注：整个过程应运行 6 小时。</li>
</ol>8. 结束实验
<ol><li>停止注射器泵，然后停止在热病器上记录温度，并将数据保存在电子表格中。</li>
	<li>关闭 N2/Ar 流，从注射容器中取出线和副膜。</li>
	<li>如有必要，对海洋溶液进行采样或沉淀以作进一步分析。要小心地拆卸储层溶液而不干扰沉淀物，请使用 25 mL 移液器小心地将储层溶液的多个液泡液移走，并将溶液丢弃在废烧嘴中。</li>
	<li>小心地将冷凝器内的瓶排入废烧嘴中。从注射器中取出管子，让海洋溶液排入烟气罩中的烧嘴。对于没有冷凝器的瓶也这样做。</li>
	<li>将容器一次一个从夹子中取出，并使用 ddH2O 将沉淀物冲洗成废烧嘴。</li>
	<li>从注射器泵中取出管子和注射器。将注射器和任何额外的注射液倒入废物转移烧甲器中，并将注射器放在烟气罩中的硫化物锐利容器中。</li>
	<li>从实验小瓶中取出管子，并将其处理在固体废物袋中。解开密封并处理隔膜、密封和移液器尖端。</li>
	<li>冲洗玻璃实验瓶，并在1M HCl酸浴中浸泡过夜。 注：与硫化钠接触的玻璃器皿在放置在酸中时会释放出有毒的H2S气体。因此，将所有酸浴都放在烟气罩内。</li>
</ol>

<ol>
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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+history+of+hydrothermal+black+smoker+chimneys.">Growth history of hydrothermal black smoker chimneys.</a> Nature. 301 (5902), 695-698 (1983).</li><li>Ishii, T., Kawaichi, S., Nakagawa, H., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+chemolithoautotrophs+to+electrolithoautotrophs:+CO2+fixation+by+Fe+(II)-oxidizing+bacteria+coupled+with+direct+uptake+of+electrons+from+solid+electron+sources.">From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe (II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources.</a> Frontiers in Microbiology. 6, 994 (2015).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pyrophosphate+synthesis+in+iron+mineral+films+and+membranes+simulating+prebiotic+submarine+hydrothermal+precipitates.">Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 128, 1-2 (2014).</li><li>Barge, L. M., White, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimentally+testing+hydrothermal+vent+origin+of+life+on+Enceladus+and+other+icy/ocean+worlds.">Experimentally testing hydrothermal vent origin of life on Enceladus and other icy/ocean worlds.</a> Astrobiology. 17 (9), 820-833 (2017).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+gardens+as+flow-through+reactors+simulating+natural+hydrothermal+systems.">Chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems.</a> Journal of Visualized Experiments. 105, e53015 (2015).</li><li>Morse, J. W., Mackenzie, F. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hadean+ocean+carbonate+geochemistry.">Hadean ocean carbonate geochemistry.</a> Aquatic Geochemistry. 4 (3-4), 301-319 (1998).</li><li>Russell, M. J., Arndt, N. 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E., Giovannelli, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review+of+the+geochemistry+and+microbiology+of+marine+shallow-water+hydrothermal+vents.">A Review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents.</a> Reference Module in Earth Systems and Environmental Science. , (2017).</li><li>Herschy, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents.">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> Journal of Molecular Evolution. 79 (5-6), 213-227 (2014).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+iron-phosphate-silicate+chemical+garden+structures.">Characterization of iron-phosphate-silicate chemical garden structures.</a> Langmuir. 28 (8), 3714-3721 (2012).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+chemical+gardens+to+chemobrionics.">From chemical gardens to chemobrionics.</a> Chemical Reviews. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li></ol>

作者没有什么可透露的。

热梯度对模拟烟囱生长的影响：由于几个实验参数，这种实验装置在烟囱形态上产生了几个变化。硫化铁和氢氧化铁的烟囱在室温下形成了高大的直立结构，但在热梯度实验中形成了更脆弱、细腻的沉淀物或扁平的土堆。这与赫希等人的发现一致，即由加热至70-80°C的热液形成的轻盈、非直立的烟囱沉淀物，并注入室温海洋模拟物33。对此有多种可能的解释：对流热转移可导致更多的自然浮力（以及喷射的强制泵送），使沉淀物在形成时迅速流向海洋容器的顶部。或者，加热注射器液使热液模拟体密度降低，因此比在注射点顶部稳定更易垂直上升。通过将注射器注射率改为较慢的速率，使结构更加稳定，可以减轻这种影响。怀特等人检查了硫化铁烟囱的生长情况，以极慢的速度注射热液模拟剂（0.08 mL/h），虽然烟囱需要数天时间才能合并，但结构稳定。由于Herschy等人使用的渗透泵的喷射速率为10-120 mL/h，这比我们热梯度实验中使用的速率快几个数量级，因此它们也产生了串状烟囱结构33，这并不奇怪。
海洋中沉淀反应物和通风溶液的浓度较高，也会在热梯度中产生更坚固的烟囱。热液或海洋模拟物中沉淀离子（硫化物或氢氧化物）的化学浓度较高，可导致整体沉淀质量升高，从而形成更强的结构。由于赫希等人和怀特等人在热液（10mM）中使用的硫化物浓度较低，因此其结构比使用更高（20-50mM）硫化物浓度的硫化物结构要小。此外，一些硫化铁烟囱生长的研究还包括热液中的二氧化硅以及硫化钠，这有助于产生更坚固的烟囱3，13，33。硅化学花园结构也被用来模拟热液烟囱生长34的各个方面，这些往往产生非常坚固的结构，可以从管/瓶中去除物理分析。然而，温度梯度对二氧化硅注射结构的影响尚不清楚，并将成为进一步研究的一个领域。
考虑未来的烟囱模拟实验：本研究中为冷却海洋容器而制造的3D打印冷凝器就像一艘带夹克的反作用容器，但有一些实际改进：1）开放式顶部允许对烟囱进行取样，并保持氧化海洋头空间：2） 3D 打印部分具有易于重复性：3） 由于设计可以进行数字编辑，因此可以根据需要快速修改和重新打印设备：4） 使用廉价材料使每个冷凝器比实际玻璃护套反应容器更具成本效益。这些 3D 打印冷凝器是一种灵活且易于共享的实验设备，可成为标准化不同研究组模拟热液烟囱实验平台的有用方法，从而更好地比较样品和数据。冷凝器的文件可以发送给同事自己打印，用于教育或科学目的（参见此作品中使用的冷凝器的补充 3D 打印文件）。这种廉价的设置也可以用作化学花园或化学实验的本科实验室实验29，35。
最后，本文描述了一种利用3D打印促进模拟热液烟囱在温度梯度环境中生长的新型实验装置。3D 打印冷凝器能够将海洋模拟冷却到接近冻结的温度，类似于海底热液系统附近的海水。同时，使用加热注射器模拟注入这个寒冷海洋的高温热液。硫化铁和氢氧化铁烟囱的形态和结构受到热梯度的影响：当海洋和热液模拟体处于室温下时，烟囱形成垂直导向结构，但当热液被加热和海洋冷却时，强健的烟囱结构的形成受到抑制。要准确模拟这种烟囱系统中的益生菌反应，其热梯度类似于自然系统，因此有必要仔细控制诸如喷口和海洋模拟剂的喷射率和化学成分等参数。为本研究而制造的定制和廉价的3D打印冷凝器在功能上与带夹克反应容器相似，可轻松修改并以电子方式分发给各种研究和教育团体，用于多种类型的化疗实验。

热液烟囱是自组织化学花园，在深海通风口环境中由地球化学不均衡产生的沉淀物，加热的、热液变化的液体渗入较冷的海洋。在早期的地球情景中，有人提出，在古代碱性通风口形成的烟囱，以及转瞬即逝的环境pH/redox/化学梯度，可能促使人们对于新陈代谢1、2、3、4、5、6的出现产生反应。热液喷口也被假设存在于其他行星上，包括海洋世界，欧罗巴和恩塞拉杜斯7，8，9，10。已进行多项实验，以模拟建议的益生菌热液烟囱化学方面，包括催化硫化铁矿物的沉淀，可减少CO211，12，梯度驱动有机合成13，14，15，并将有机物纳入烟囱结构16。在创建模拟热液喷口的实验设置时，无论是在地球上还是在其他世界，必须考虑地球化学梯度和系统的开放性、远非平衡性，以产生逼真的模拟。
除了pH值、氧化物和化学梯度外，热液喷口还由于加热通风液进入寒冷的海底环境，在烟囱膜/墙壁上施加热梯度。寒冷的海底海洋温度可能因深度、太阳渗透和盐度而变化：通风口的平均海底海洋深度（大多位于洋脊中部）在0-4°C17之间。根据通风口的类型，海洋和通风液之间的热梯度可能与碱性喷口的较温和梯度发生显著变化，例如失落之城18、19或喷口液为40-90°C20、21的斯特里坦热液场，以及深海海底的黑色吸烟者，其中通风液可以达到几百摄氏度。 23，24，25。从生命起源的角度来看，热液系统中热梯度的模拟意义重大，因为它们可能影响烟囱沉淀3、13和/或可能影响可居住性，因为热液烟囱承载着直接从矿物表面接收电子的微生物。在烟囱壁的梯度中，会在短时间内出现一系列温度条件，烟囱壁将代表矿物和所有这些热系统的反应特征的组合。
模拟了热梯度中实验室培育的热液烟囱，以探索冷海洋和热热液对潜在益生菌环境的影响。一般来说，由于通过内部加热和冷外部加热的喷射方法种植模拟热液烟囱会带来实际挑战，因此最容易获得的烟囱实验是在环境压力下进行的（因此不需要昂贵和复杂的反应堆）。以前在热梯度中试验实验室种植的烟囱不能同时产生热/暖热液和冷海。为了使整个烟囱长时间处于高温状态，形成能驱动有机反应的活性矿物，一些研究使用加热套或热水浴13、14将整个实验（海洋和热液）加热到+70°C。另一种类型的烟囱沉淀形成实验，在"燃料电池"装置中，在扁平膜模板上形成烟囱壁模拟：这些实验也通过将燃料电池梯度装置浸入热水浴池27、28中批量加热。先前的研究已经形成了模拟热液烟囱从热液（加热到+70°C使用各种方法）注入室温海洋3，12：然而，一个寒冷的海洋没有尝试。
这项工作推进了益生菌烟囱生长实验室模拟4 的方法，以创建一个现实的热梯度从寒冷（0-5°C）海洋到加热热液，其中合成烟囱材料和测试感兴趣的属性。迄今为止，还没有一个益生菌烟囱实验成功地进行了与碱性通风口的现实温度梯度：与内部通风液保持在 +70 °C 和外部海洋溶液冷却到 €5 °C。 此外，在已经进行的少数加热烟囱实验中，实验设置很复杂，而且成本高昂。化学花园实验有很大的潜力，可以深入了解早期地球热液喷口中可能发生的过程。因此，能够快速设置烟囱实验的多种变异是有利的，因为能够有一个简单仪器，是便宜，不脆弱，易于修改，理想的学生工作。这里展示的是一种新仪器（图1），旨在促进模拟热液烟囱的生长，同时保持和监测冷海和加热热液模拟体之间的现实热梯度。这种实验装置在设计上与夹克反应堆相似，但是一种三维（3D）打印冷凝器，任何有兴趣进行类似实验的研究小组都可以轻松生产（见 补充可打印文件）。利用这种3D打印冷凝器，进行了热梯度烟囱实验，以测试该仪器对保持强健温度梯度的效用，并测试温度梯度对烟囱结构和形态的影响。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3/8-Inch Clear Vinyl Tubing</td>
			<td>Watts</td>
			<td>SVIG10&#160;</td>
			<td>Cut to desired length for experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables</td>
			<td>EDGELEC</td>
			<td>ED-DP_L30_Mix_120pcs</td>
			<td>These wires will require stripping of plastic ends and carefully removing one of the 2 plastic casings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum seals</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>0337523C</td>
			<td>Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferric chloride hexahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>I88-100&#160;</td>
			<td>Ferric&#160;Chloride&#160;Hexahydrate&#160;(Lumps/Certified ACS)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferrous chloride tetrahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>I90500</td>
			<td>Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gear Hose Clamps</td>
			<td>Glarks</td>
			<td>40Pcs</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gray butyl stoppers</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>0337522AA</td>
			<td>Thermo Scientific National 20 mm Septa for Headspace Vials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tips</td>
			<td>VWR</td>
			<td>53511-682</td>
			<td>pipette tips 0.5-10 microliters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serum bottles</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>33110-U</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S5881</td>
			<td>reagent grade, &#8805;98%, pellets (anhydrous)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium sulfide nonahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S425212</td>
			<td>Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS).&#160; Store at -20 &#176;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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>syringe heater&#160;</td>
			<td>Syringepump.com</td>
			<td>HEATER-KIT-5SP&#160;</td>
			<td>Clamp gear hose clamps around heating blanket</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe needles (16 gauge)</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>14-826-18B</td>
			<td>BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump</td>
			<td>Syringepump.com</td>
			<td>NE-4000</td>
			<td>Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringes (10 mL)</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>14-823-16E</td>
			<td>BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing</td>
			<td>Cole Parmer</td>
			<td>EW-06407-71</td>
			<td>Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16&#34; internal diameter X 1/8&#34; outer diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Circulation Pump&#160;</td>
			<td>Bayite&#160;</td>
			<td>BYT-7A015&#160;</td>
			<td>May need two people to help prime pump</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of early earth hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment

深海热液喷口是地球化学不平衡产生的自组织沉淀物，被提议为生命出现的可能环境。利用不同的热液模拟剂（如硫化钠）成功地模拟了早期地球通风系统中热梯度环境中热液烟囱的生长，硫化钠被注入含有溶解铁的早期地球海洋模拟物中。此外，还开发了一种仪器，在浸入冷水浴的冷凝容器中将海洋模拟物充分冷却到接近 0 °C，同时在室温下将硫化物溶液注入，在几个小时的温度梯度环境中有效地形成人工烟囱结构。这种不同化学成分和可变温度梯度的实验导致烟囱结构中的各种形态。在室温下使用海洋和热液模拟剂导致垂直烟囱，而热热液和冷海洋模拟剂的结合抑制了坚固的烟囱结构的形成。为这项研究而制造的可定制的3D打印冷凝器作为一种带夹克的反应容器，可以很容易地被不同的研究人员修改和使用。它将允许仔细控制喷口和海洋模拟剂的喷射率和化学成分，这将有助于准确模拟烟囱系统中的益生菌反应，其热梯度与自然系统相似。

与以往的研究一样，1、2、13、29：一旦热液模拟剂到达海洋小瓶，矿物沉淀结构开始形成，在注射期间变得越来越厚和高。硫化铁烟囱结构细腻，不是很坚固，如果海洋小瓶或注射受到物理干扰，很容易分解。这与先前的研究结果是一致的。硫化物溶液的化学浓度在硫化物烟囱的形态中也起着至关重要的作用。如图5所示，硫化物的更浓缩溶液允许更高和更坚固的矿物沉淀物沉淀，而硫化物溶液的浓度较低则产生较弱的烟囱结构。在某些情况下，没有形成结构，只创造了一个液体硫化物矿物"汤"，最终将定居为沉积物（图3D）。这发生在热和非热梯度条件下。
在硫化铁的热梯度烟囱实验中，固体烟囱结构通常不像室温时那样凝聚。图3E-H显示了生长在寒冷海洋和室温热液之间的硫化铁烟囱的形态。温度梯度的烟囱在性质上是串状和脆弱的，而非热梯度结果（图3A-D）显示更多的半永久性结构。热液加热时也是如此（图4）。例外情况是硫化物和铁浓度较高（图5），在室温热液溶液和冷海洋模拟剂之间形成了固体硫化铁烟囱。
还测试了热梯度对氢氧化铁烟囱生长的影响。结果表明，与硫化铁烟囱相似的模式：室温氢氧化铁实验导致烟囱沉淀更坚固，而暖热液与冷海之间的热梯度实验导致烟囱材料小堆，没有垂直聚集（图6）。与以往工作（室温实验）29中观察到的高直立式铁氢氧化烟囱结构不同，我们的热梯度实验呈现出不同的形态。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg"> 图1：热梯度烟囱装置。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg"> 图2：3D打印冷凝器。（A）显示冷凝器尺寸的3D打印冷凝器示意图。（B） 将玻璃海洋容器放置在冷凝器内，以冷却海洋模拟剂。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg"> 图3：从室温热液（HTF）到室温海洋模拟体的各种热和非热梯度烟囱（A-D）非热梯度控制实验。（A） 10 m Na2S+9H2O HTF 和 20mM FeCl2[4H2O 海洋模拟。（B） 20 mm Na2S+9H2O HTF 和 10 mM FeCl2[4H2O 海洋模拟剂。（C） 20 mm Na2S+9H2O HTF 和 20mM FeCl2+4H2O 海洋模拟。（D） 20 mm Na2S+9H2O HTF 和 20mM FeCl2[4H2O 海洋模拟剂。（E-H）热梯度烟囱实验从室温HTF模拟到冷海洋储层（+5-10°C）。 （E） 20 mm Na2S+9H2O HTF 和 10 mM FeCl2[4H2O 海洋模拟。（F） 10 m Na2S+9H2O HTF 和 20 mM FeCl2[4H2O 海洋模拟剂。（G） 20 mm Na2S +9H2O HTF 和 10 mM FeCl2+4H2O 海洋模拟。（H） 10 mM Na2S+9H2O HTF 和 20 mM FeCl2[4H2O 海洋模拟剂。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg"> 图4：热梯度实验。实验用温暖（+35-40°C）20mM Na2S+9H2O溶液注入感冒（+5-10°C）20mM FeCl2+4H2O 海洋模拟剂，产生小烟囱股。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg"> 图5：海洋模拟物浓度对烟囱的影响。 高浓度 （+50 mM Na2S+9H2O， 10 mM FeCl2+4H2O， 和 200 mM NaCl） 的氧化海洋模拟产生结构更坚固， 更高的烟囱.室温硫化物溶液被注射到2-10°C的海洋模拟物中。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg"> 图6：热和非热梯度烟囱同时生长。（A ） 100 mM FeCl2+4H2O = 100 mM FeCl3+6H2O 海洋溶液，室温下200m NaOH热液 （HTF） 液模拟。（B） 热梯度实验与温HTF在 +35-50 °C 的相同浓度进入冷海洋模拟在 €5-10 °C.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>热液化学（注射）</td>
			<td>海洋化学（水库）</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 mM Na2S</td>
			<td>10 mm Fecl2+4h2O = 200 m Nacl 或 Nahco3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>20 mM Na2S</td>
			<td>10 mm Fecl2+4h2O = 200 m Nacl 或 Nahco3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>10 mM Na2S</td>
			<td>20 mm Fecl2+4h2O = 200 m Nacl 或 Nahco3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>200 m Naoh</td>
			<td>100 m m Fecl2+4H2O = 100 m Fecl3+6H2O</td>
		</tr>
</tbody></table>表1：用于模拟海洋和热液注入溶液溶液的浓度基质。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>HTF +C</td>
			<td colspan="2" style="text-align:center">海洋模拟温度 °C</td>
		</tr>
<tr>
<td>+23</td>
			<td>+23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
<tr>
<td>+35-50</td>
			<td>+23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
</tbody></table>表2：热梯度实验矩阵。热液 （HTF） 温度是指注射器中流体的温度：入口到海洋小瓶的实际温度比注射器内的温度（+70 °C）低20至35度（见补充附录1、图3和图4）。
补充可打印文件。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">请点击这里下载此文件。</a>
补充附录1。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">请点击这里下载此文件。</a>
补充附录2。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">请点击这里下载此文件。</a>
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Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

该协议的目标是通过化学花园注射实验形成模拟热液烟囱，并利用可用于教育目的的 3D 可打印冷凝器在无机沉淀膜上引入热梯度。

热梯度环境中早期地球热液烟囱的模拟

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

3D 打印冷却冷凝器可轻松修改以前开发的温度控制实验方法。然后，任何能够访问 3D 打印机的研究人员都可以轻松共享、修改和打印数字设计。这种方法可用于模拟地球上的热液过程，但也可用于模拟木星卫星欧罗巴或土星卫星恩塞拉杜斯的热液事件。我们开发的方法以独特的方式结合了各种组件。视觉演示将允许有兴趣复制或调整这些方法的学生和研究人员看到如何组装和操作实验装置。首先，将热病器放在尽可能靠近烟气罩的侧板凳上。将 RS-232 适配器电缆的 USB 侧插入计算机 USB 端口，并将电源插座插入电源插座。打开计算机上的热病器和热病软件的电源。检查带状电缆，并确保它们正确连接到 RS-232 电缆销上的引脚。连接后，确保输出在红条中读取 100%。当热病器频繁闪烁时，间隔测量将间隔时间更改为 60 秒。在指向底部的控制器选项框中，删除一秒钟并更改为 60 秒。然后单击"确定"按钮。单击标有自动刻度的公司徽标旁边的椭圆形按钮。注意显示温度读出的黄线。在绘图区域内，请右键单击以根据您的喜好调整情节，如缩放和 X 和 Y 轴。右键单击绘图区域，并在新读取开始之前单击导出到 Excel。保存程序自动创建的电子表格中的温度和时间数据。将金属热力探测器放入冷凝器内的玻璃海洋容器中。确保探头设置在玻璃的一侧，然后用准胶片覆盖玻璃。将中型桶装满水至一半，将水桶放入塑料锅中，在水中加冰，直到几乎装满。将两个塑料切断软管放在水泵的两端。请注意，垂直泵开口是水将倒入以开始启动的位置，水平开口是喷出水的位置。将泵插入电源插座，但让电源连接器打开。将水平塑料软管连接到面向右侧的较高冷凝器端口，并确保软管足够长，可以到达冰桶。将另一个切断塑料软管连接到左冷凝器端口。将此软管放在冰水桶上，将水从冷凝器中喷出。将冷水倒入连接到泵垂直开口的软管中。当泵充满水时，一直到达冷凝器端口，将软管浸入冰水浴中，并立即连接电气连接器。让泵开始流水穿过冷凝器，给水桶加满冰，并在桶中放置温度计以检查温度。继续添加更多的冰，以保持水在寒冷的温度，并挖出一些温暖的水。将垫子包裹在硫化物注射器周围，并牢牢地拧在垫子周围的两个金属夹子上。将一两个海洋溶液倒入预制烟囱容器中。用冷凝器将一个海洋溶液倒入玻璃瓶中，另一个倒入没有冷凝器的室温容器中，确保温度探针不移动。开始注射，并开始记录热病器上的海洋温度。一旦水通过冷凝器循环，热温度探针将开始显示海洋内温度的下降。一旦热液模拟剂到达海洋小瓶，矿物沉淀结构开始形成，在注射期间越来越厚，越来越高。硫化物的更浓缩溶液允许更高和更坚固的矿物沉淀。在某些情况下，没有结构形成只有液体硫化物矿物汤，最终将定居为沉积物。在热梯度烟囱实验中，硫化铁固体烟囱结构通常不像室温时那样凝聚。温度梯度的烟囱在性质上是串状的和脆弱的。而非热梯度结果具有更多的半永久性结构。热液加热时也是如此。固体硫化铁烟囱能够在室温热液溶液和冷海洋模拟物之间形成高硫化物和铁浓度。还测试了热梯度对氢氧化铁烟囱生长的影响。虽然室温铁氢氧化物实验产生了一个坚固的烟囱沉淀物，但热梯度实验导致烟囱材料数量较少，无法垂直凝聚。在此过程之后，可以探索广泛的化学和温度梯度，以更好地了解温度梯度在这些动态化学系统中的作用。

Research

JoVE Journal

Environment

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

优化烟气设置通过电脑模拟来促进微藻生长的光生物反应器中

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

科研

环境科学

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一个协议，用于开展降雨模拟研究土壤径流

Rainfall is a driving force for the transport of environmental contaminants from agricultural soils to surficial water bodies via surface runoff. The ...

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

评定一体化厌氧消化和水热碳化对生物能源生产

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

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一个外线<sub&gt; 2</sub&gt;浓度梯度用于测试CO<sub&gt; 2</sub&gt;浓度与土壤对草地生态系统功能的影响

Continuing increases in atmospheric carbon dioxide concentrations (CA) mandate techniques for examining impacts on terrestrial ecosystems. Most ...

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通过现场数据和模拟沙盒建模相结合的办法探索出了一条凸槽结的运动史

Within fold-thrust belts, the junctions between salients and recesses may hold critical clues to the overall kinematic history. The deformation history ...

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提取及土壤微生物磷脂脂肪酸分析

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Production and Measurement of Organic Particulate Matter in a Flow Tube Reactor

流管反应器中有机颗粒物的生产与测定

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Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

地下火山 3D 地震成像数据处理方法： 塔里木溢流玄武岩中的应用

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Determination of the Settling Rate of Clay/Cyanobacterial Floccules

粘土/蓝藻 Floccules 沉降速率的测定

The mechanisms underpinning the deposition of fine-grained, organic-rich sediments are still largely debated. Specifically, the impact of the interaction ...