Name: simulation of early earth hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00
Duration: 6 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment at JoVE.com

מחקר זה בוצע במעבדה להנעה סילונית, המכון הטכנולוגי של קליפורניה, תחת חוזה עם נאס"א, בתמיכת המכון האסטרוביולוגי של נאס"א, עולמות קרח. ד"ר גבריאל לבלנק נתמך בחלקו על ידי מענק חניכה מחקר (2017-34) באמצעות הסכם שיתוף הפעולה EPSCoR של אוקלהומה נאס"א (NNX15AK42A). ברצוננו להודות להת'ר וייטהד על הסיוע עם עיצוב המרוכז המודפס בתלת-ממד, קאלינד קרפנטר על הסיוע בהדפסת תלת-ממד, ג'ון-פול ג'ונס לדיון מועיל על כלי עיבוי, לורה רודריגז לעזרה בניתוח נתוני טמפרטורה, ואריקה פלורס בסיוע מעבדה. זכויות יוצרים 2020 המכון הטכנולוגי של קליפורניה.

<ol>
	<li>Sojo, V., Herschy, B., Whicher, A., Camprubi, E., Lane, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origin+of+life+in+alkaline+hydrothermal+vents.">The origin of life in alkaline hydrothermal vents.</a> Astrobiology. 16 (2), 181-197 (2016).</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+fuel+cells:+Generation+of+electrical+potential+and+current+across+self-assembling+iron+mineral+membranes.">From chemical gardens to fuel cells: Generation of electrical potential and current across self-assembling iron mineral membranes.</a> Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8184-8187 (2015).</li><li>Mielke, R. E., 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=Iron-sulfide-bearing+chimneys+as+potential+catalytic+energy+traps+at+life's+emergence.">Iron-sulfide-bearing chimneys as potential catalytic energy traps at life's emergence.</a> Astrobiology. 11 (10), 933-950 (2011).</li><li>Russell, M. J., 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=The+drive+to+life+on+wet+and+icy+worlds.">The drive to life on wet and icy worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</li><li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+life+from+iron+monosulphide+bubbles+at+a+submarine+hydrothermal+redox+and+pH+front.">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> Journal of the Geological Society, London. 154 (3), 377-402 (1997).</li><li>Russell, M. J., Hall, A. J., Kesler, S. E., Ohmoto, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+onset+and+early+evolution+of+life.">The onset and early evolution of life.</a> Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere-Constraints from Ore Deposits, Geological Society of America. 198, 1-32 (2006).</li><li>Hsu, H. W., 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=Ongoing+hydrothermal+activities+within+Enceladus.">Ongoing hydrothermal activities within Enceladus.</a> Nature. 519, 207-210 (2015).</li><li>Vance, S., 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=Hydrothermal+systems+in+small+ocean+planets.">Hydrothermal systems in small ocean planets.</a> Astrobiology. 7 (6), 987-1005 (2007).</li><li>Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Sainz-D&#237;az, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbonate-hydroxide+chemical-garden+tubes+in+the+soda+ocean+of+Enceladus:+abiotic+membranes+and+microtubular+forms+of+calcium+carbonate.">Carbonate-hydroxide chemical-garden tubes in the soda ocean of Enceladus: abiotic membranes and microtubular forms of calcium carbonate.</a> Icarus. 319, 337-348 (2019).</li><li>Russell, M. J., Murray, A. E., Hand, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+possible+emergence+of+life+and+differentiation+of+a+shallow+on+irradiated+icy+worlds:+the+example+of+Europa.">The possible emergence of life and differentiation of a shallow on irradiated icy worlds: the example of Europa.</a> Astrobiology. 17, 1265-1273 (2017).</li><li>Yamaguchi, A., 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=Electrochemical+CO2+reduction+by+Ni-containing+iron+sulfides:+How+is+CO2+electrochemically+reduced+at+bisulfide-bearing+deep-sea+hydrothermal+precipitates.">Electrochemical CO2 reduction by Ni-containing iron sulfides: How is CO2 electrochemically reduced at bisulfide-bearing deep-sea hydrothermal precipitates.</a> Electrochimica Acta. 141, 311-318 (2014).</li><li>Roldan, A., 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=Bio-inspired+CO2+conversion+by+iron+sulfide+catalysts+under+sustainable+conditions.">Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions.</a> Chemical Communications. 51 (35), 7501-7504 (2015).</li><li>White, L. M., Bhartia, R., Stucky, G. D., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mackinawite+and+greigite+in+ancient+alkaline+hydrothermal+chimneys:+identifying+potential+key+catalysts+for+emergent+life.">Mackinawite and greigite in ancient alkaline hydrothermal chimneys: identifying potential key catalysts for emergent life.</a> Earth and Planetary Science Letters. 430, 105-114 (2015).</li><li>Barge, L. M., Flores, E., Baum, M. M., VanderVelde, D. G., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Redox+and+pH+gradients+drive+amino+acid+synthesis+in+iron+oxyhydroxide+mineral+systems.">Redox and pH gradients drive amino acid synthesis in iron oxyhydroxide mineral systems.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4828-4833 (2019).</li><li>Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+of+possible+relevance+to+the+origin+of+life.">Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life.</a> Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 24 (1), 19-41 (1994).</li><li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peptide+and+RNA+contributions+to+iron&#8211;sulphur+chemical+gardens+as+life's+first+inorganic+compartments,+catalysts,+capacitors+and+condensers.">Peptide and RNA contributions to iron&#8211;sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensers.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 370 (1969), 3007-3022 (2012).</li><li>Cutler, K. 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=Rapid+sea-level+fall+and+deep-ocean+temperature+change+since+the+last+interglacial+period.">Rapid sea-level fall and deep-ocean temperature change since the last interglacial period.</a> Earth and Planetary Science Letters. 206 (3-4), 253-271 (2003).</li><li>Kelley, D. S., 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+off-axis+hydrothermal+vent+field+near+the+Mid-Atlantic+Ridge+at+30+N.">An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30 N.</a> Nature. 412 (6843), 145-149 (2001).</li><li>Kelley, D. S., 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=A+serpentinite-hosted+ecosystem:+the+Lost+City+hydrothermal+field.">A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field.</a> Science. 307 (5714), 1428-1434 (2005).</li><li>Price, R., 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=Alkaline+vents+and+steep+Na++gradients+from+ridge-flank+basalts-Implications+for+the+origin+and+evolution+of+life.">Alkaline vents and steep Na+ gradients from ridge-flank basalts-Implications for the origin and evolution of life.</a> Geology. 45 (12), 1135-1138 (2017).</li><li>Proskurowski, G., 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=Abiogenic+hydrocarbon+production+at+Lost+City+hydrothermal+field.">Abiogenic hydrocarbon production at Lost City hydrothermal field.</a> Science. 319 (5863), 604-607 (2008).</li><li>Francheteau, J., 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=Massive+deep-sea+sulphide+ore+deposits+discovered+on+the+East+Pacific+Rise.">Massive deep-sea sulphide ore deposits discovered on the East Pacific Rise.</a> Nature. 277 (5697), 523-528 (1979).</li><li>Spiess, F. N., 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=East+Pacific+Rise:+hot+springs+and+geophysical+experiments.">East Pacific Rise: hot springs and geophysical experiments.</a> Science. 207 (4438), 1421-1433 (1980).</li><li>Hekinian, R., Fevrier, M., Bischoff, J. L., Picot, P., Shanks, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfide+deposits+from+the+East+Pacific+Rise+near+21+N.">Sulfide deposits from the East Pacific Rise near 21 N.</a> Science. 207 (4438), 1433-1444 (1980).</li><li>Haymon, R. 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. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geodynamic+and+metabolic+cycles+in+the+Hadean.">Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean.</a> Biogeosciences. 2 (1), 97-111 (2005).</li><li>Price, R. 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>

למחברים אין מה לחשוף.

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 יותר3,13,33. 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 כימותרפיה29,35.
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.

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 החומרים1,2,3,4,5,6. פתחי אוורור הידרותרמיים הונחו גם על כוכבי לכת אחרים, כולל עולמות האוקיינוס, אירופה ואנצלדוס7,8,9,10. ניסויים שונים נערכו כדי לדמות היבטים של הכימיה ההידרותרמית ההידרותרמית הקדם-ביוטית המוצעת, כולל משקעים של מינרלים זרזליטיים מברזל גופרתי שיכולים להפחית CO211,12, סינתזה אורגנית מונעת שיפוע13,14,15,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 מעלותצלזיוס. בהתאם לסוג פתח האוורור, השיפוע התרמי בין האוקיינוס לנוזל האוורור יכול להשתנות באופן דרמטי - מהשיפועים המתונים יותר של פתחי האוורור האלקליין, כגון Lost City18,19 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 צלזיוס22, 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 ארובות3,13 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 חמה13,14. 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 חמים27,28. מחקרים קודמים יצרו ארובות הידרותרמיות מדומות מנוזלים הידרותרמיים חמים (מחומם לכ -70 מעלות צלזיוס בשיטות שונות) מוזרק לתוך אוקיינוס בטמפרטורת החדר3,12; עם זאת, לא נעשה ניסיון לאוקיינוס קר.
עבודה זו מקדמת שיטות לסימולציות מעבדת צמיחת ארובות פרה-ביוטיות 4 כדי ליצור שיפועתרמי 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.

<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

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.

כמו במחקרים קודמים1,2,13,29; 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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg"> איור 1: מנגנון ארובה הדרגתית תרמית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg"> 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"מנה 2S •9H2O HTF ו 20mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (B)20 מ"מנה 2S •9H2O HTF ו 10 mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (C)20 מ"מנה 2S •9H2O HTF ו 20mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (D)20 מ"מנה 2S •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"מנה 2S •9H2O HTF ו 10 mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (F)10 מ"מנה 2S • 9H2O HTF ו 20 mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (ז) 20 מ"מנה 2S•9H2O HTF ו 10 mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. (H) 10 מ"מנה 2S •9H2O HTF ו 20 mM FeCl2·4H2O סימולנט האוקיינוס. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg"> 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 סימולנטהאוקיינוס,לייצר גדילי ארובות קטנים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg"> איור 5: השפעת ריכוז סימולנט האוקיינוס על ארובות. ריכוזים גבוהים יותר (כ-50 מ"מNa 2S•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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg"> 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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">.. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>כימיה של נוזלים הידרותרמיים (הזרקה)</td>
			<td>כימיה של האוקיינוס (מאגר)</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 מ"מנה 2S</td>
			<td>10 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>20 מ"מנה 2S</td>
			<td>10 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>10 מ"מנה 2S</td>
			<td>20 מ"מ FeCl2·4H2O + 200 מ"מ NaCl או NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>200 מ"ר נאוה</td>
			<td>100 מ"מ FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O</td>
		</tr>
</tbody></table>טבלה 1: מטריצת ריכוז לפתרונותהזרקת אוקיינוס ונוזל הידרותרמי מדומה.
<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">טמפרטורות סימולנט האוקיינוס °C (55 °F)</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>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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a> 
תוספת 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a> 
נספח 2 משלים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a> 
תוספת 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App3%20Other%20supplies.docx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment at JoVE.com

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

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.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

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

הדפסת מחזק הקירור בתלת-ממד מאפשרת לשנות בקלות שיטות ניסיוניות שפותחו בעבר לבקרת טמפרטורה. לאחר מכן ניתן לשתף, לשנות ולהדפיס בקלות את העיצובים הדיגיטליים על-ידי כל חוקר בעל גישה למדפסת תלת-ממד. שיטה זו יכולה לשמש להדמיית תהליכים הידרותרמיים על פני כדור הארץ, אך יכולה לשמש גם לחיקוי אירועים הידרותרמיים על הירח של צדק אירופה או הירח של שבתאי אנצלדוס.השיטה שפיתחנו משלבת מגוון רכיבים באופן ייחודי. הדגמה חזותית תאפשר לסטודנטים וחוקרים המעוניינים לשחזר או להתאים שיטות אלה כדי לראות כיצד להרכיב ולהפעיל את המנגנון הניסיוני. התחל על ידי הצבת thermistor בעמדה יציבה על ספסל בצד קרוב למכסה המנוע האדים ככל האפשר.הכנס את צד ה- USB של כבל מתאם RS-232 ליציאת ה- USB של המחשב וחבר את הכבל לשקע חשמל. הפעל את העוצמה עבור תרמיסטור ואת תוכנת תרמיסטור במחשב. בדוק את כבלי רצועת הכלים וודא שהם מחוברים כראוי לפינים על סיכות הכבלים RS-232.לאחר החיבור, ודא שהפלט קורא 100% במגים אדומים. כאשר תרמיסטור מהבהב מדידות מרווח זמן תכופות לשנות את זמן מרווח ל 60 שניות. בתיבה אפשרויות בקר לכיוון החלק התחתון, מחק שנייה אחת ושנה ל- 60 שניות.לאחר מכן לחץ על לחצן אישור. לחץ על הכפתור הסגלגל לצד לוגו החברה שכותרתו קנה מידה אוטומטי. שים לב לקו הצהוב המציג את קריאת הטמפרטורה.בתוך אזור ההתוויה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי להתאים את התוויה לטעמך, כגון קנה המידה וצירים X ו- Y. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על אזור ההתוויה ולחץ על ייצוא ל- Excel לפני תחילת קריאה חדשה. שמור את נתוני הטמפרטורה והשעה בגיליון האלקטרוני שנוצרו באופן אוטומטי על-ידי התוכנית.הנח את גשושית תרמיסטור המתכת לתוך כלי הים מזכוכית בתוך המדחוס. ודא הבדיקה מוגדרת לצד הזכוכית ולאחר מכן לכסות את הזכוכית עם parafilm. ממלאים דלי בגודל בינוני במים עד אמצע הדרך, מניחים את הדלי בתוך מחבת פלסטיק ומוסיפים קרח למים עד כמעט מלא.מניחים את שני צינורות ניתוק הפלסטיק משני קצות משאבת המים. שימו לב שפתיחת המשאבה האנכית היא המקום שבו מים יישפכו פנימה כדי להתחיל להתגבש, והפתוח האופקי הוא המקום שבו מים נפלטו. חבר את המשאבה לשקע חשמל, אך השאר את המחברים החשמליים פתוחים.חבר את צינור הפלסטיק האופקי ליציאת המרוכז הגבוהה יותר הפונה ימינה וודא שהצינור ארוך מספיק כדי להגיע לדלי הקרח. חבר צינור פלסטיק חותך נוסף לנמל המרוכז השמאלי. מקם את הצינור הזה מעל דלי מי הקרח שלתוכו ייפלטו המים מהמעגן.שפוך מים קרים דרך הצינור המחובר לפתיחה האנכית של המשאבה. כאשר המשאבה מלאה במים, מגיעה עד לנמל ה עיבוי, לטבול את הצינור לתוך אמבט מי הקרח, ומיד לחבר את המחברים החשמליים. תציב את המשאבה כדי להתחיל לזרום מים דרך המדחוס, למלא את הדלי בקרח, ולהניח מדחום בדלי כדי לבדוק את הטמפרטורה.המשיכו להוסיף עוד קרח כדי לשמור על המים בטמפרטורה קרה ולגרוף חלק מהמים החמים יותר. עוטפים כרית סביב המזרק הגופרתי ומברגים בחוזקה על שני מלחצי מתכת סביב הכרית. יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת או שתיים לתוך ספינות הארובה הטרומיות.יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת לתוך בקבוקון הזכוכית עם מחזק והשני לתוך כלי טמפרטורת החדר ללא מחזק, הקפדה לא להזיז את בדיקת הטמפרטורה. התחל את ההזרקה ולהתחיל להקליט את טמפרטורת האוקיינוס על תרמיסטור. ברגע שהמים זורמים דרך המדחה, בדיקת הטמפרטורה של תרמיסטור תתחיל להציג את הנפילה בטמפרטורה בתוך האוקיינוס.ברגע שסימולנט הנוזל ההידרותרמי הגיע ללוויאל האוקיינוס, החל להיווצר מבנה מזרז מינרלי שהפך עבה וגבוה יותר למשך ההזרקה. פתרונות מרוכזים יותר של גופרית מותר משקעים מינרליים גבוהים וחזקים יותר. במקרים מסוימים, שום מבנה לא נוצר רק מרק מינרלי גופרתי נוזלי שבסופו של דבר יתיישב כמ משקעים.בניסויי ארובה שיפועים תרמיים עם מבני ארובות מוצקים גופרתי ברזל בדרך כלל לא התמזגו כמו שהם התמזגו כמו בטמפרטורת החדר. הארובות בשיפוע הטמפרטורה היו מחוטים כמו ורופפות בטבען. בעוד שלתוצאות ההדרגה הלא-תרמיות היו יותר מבנים קבועים למחצה.כך היה גם כאשר הנוזל ההידרותרמי היה מחומם. ארובה מוצקה של ברזל גופרתי הצליחה להיווצר בין תמיסה הידרותרמית בטמפרטורת החדר לבין סימולנט אוקיינוס קר בריכוזים גבוהים יותר של גופרית וברזל. ההשפעה של שיפוע תרמי על הצמיחה של ארובות ברזל הידרוקסיד נבדק גם.בעוד ניסוי ברזל הידרוקסיד טמפרטורת החדר הפיק משקעים ארובה חזקה, הניסוי שיפוע תרמית הביא כמות קטנה יותר של חומר ארובה שלא התמזג אנכית. בעקבות הליך זה, ניתן לחקור מגוון רחב של שיפועי כימיה וטמפרטורה כדי להבין טוב יותר את תפקידם של שיפועי טמפרטורה במערכות כימיות דינמיות אלה.

Research

JoVE Journal

Environment

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

לייעל ארובות הגדרות גז לקידום Microalgae צמיחה בphotobioreactors באמצעות הדמיות מחשב

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

A Protocol for Conducting Rainfall Simulation to Study Soil Runoff

פרוטוקול לעריכת סימולציה גשם לחקר ניגר קרקע

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

הערכה משולבת אנאירובי העיכול והידרותרמיים פחום ליואנרגיה הפקה

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

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

CO<sub&gt; 2</sub&gt; מתקן מפל ריכוזים לבדיקה CO<sub&gt; 2</sub&gt; העשרה וקרקע השפעות על תפקוד המערכת האקולוגית גראסלאנד

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

Kinematic History of a Salient-recess Junction Explored through a Combined Approach of Field Data and Analog Sandbox Modeling

ההיסטוריה קינמטית של צומת בפתחה-הפסקה חקרה באמצעות גישה משולבת של נתוני שדה דוגמנות Sandbox האנלוגי

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

Extraction and Analysis of Microbial Phospholipid Fatty Acids in Soils

הפקה וניתוח של פוספוליפידים מיקרוביאלית חומצות שומן בקרקעות

Phospholipid fatty acids (PLFAs) are key components of microbial cell membranes. The analysis of PLFAs extracted from soils can provide information about ...

Use of a Filter Cartridge for Filtration of Water Samples and Extraction of Environmental DNA

שימוש במחסנית סינון עבור הסינון של מי דוגמאות הפקת DNA הסביבה

Recent studies demonstrated the use of environmental DNA (eDNA) from fishes to be appropriate as a non-invasive monitoring tool. Most of these studies ...

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

ייצור, מדידה של החומר חלקיקים אורגניים כור צינור זרימה

Organic particulate matter (PM) is increasingly recognized as important to the Earth's climate system as well as public health in urban regions, and the ...

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

שיטות עיבוד נתונים סיסמיים הדמיה ממוחשבת של הרי געש מהסבא: יישומים הבזלת טארים המבול

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Determination of the Settling Rate of Clay/Cyanobacterial Floccules

קביעת שיעור ליישוב של קליי/Cyanobacterial Floccules

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