Мы описываем непрерывный проточный реактор высокого давления, предназначенный для моделирования неразвитого конвективного взаимодействия гидротермальных растворов и океанских вод с подводной корой в ранних земных условиях, соответствующих тем, которые могли привести к зарождению жизни. Экспериментальные условия эксплуатации подходят для исследования кинетических гидротермальных процессов в ранней истории существования любой крупной влажной, скалистой планеты.
Поставка сероводорода и ионов силиката водорода привела бы к выпадению гидроксида железа, гидроксисиликатов и сероводорода в качестве неотъемлемых минеральных компонентов внемостового гидротермального кургана.
Одна из гипотез о происхождении жизни заключается в том, что его пребиотические строительные компоненты синтезировались в пределах гидротермальных дымоходов и курганов средней температуры на дне древнейшего океана до начала однозначного геологического изучения Земли. Подобные курганы - осажденные там, где щелочные, кальциевые, сульфидные и содержащие родниковые воды встречались с углеродной океанической водой.
Каталитические поры в этих древних курганах должны состоять из кластеров, сульфидов железа, никеля и нанокристаллов, дозированных кобальтом, молибденом и вольфрамом в виде глин, аморфного кварца и карбоната. Такие отсеки считались частью инкубатория жизни. Гидротермальные флюиды, питавшие курганы, превращались бы в щелочи по мере конвекции океанических вод в океанической коре путем растворения кальция вместе с небольшой частью магния из коматитовых лав или ультраосновной коры в процессе серпентинизации для получения растворимых гидроксидов.
Условия, имеющие отношение к возникновению жизни, которые мы попытались воспроизвести в настоящем исследовании, резко отличаются от кислых гидротермальных жидкостей, которые, вероятно, выдыхались из океанических хребтов и вулканов и использовались для биосинтеза. С момента разработки щелочного гидротермального сценария на участке Затерянного города в Северной Атлантике в 15 км к западу от Срединно-Атлантического хребта на 308N выше серпентинизированных перидотитов была обнаружена в целом сопоставимая щелочная гидротермальная система. Зарегистрированные температуры сточных вод там достигают 948C.
Другая подводная щелочная система состоящая в основном из глин и питающаяся в основном 11 000-летней пресной водой, была обнаружена выдыхающей из базальтовых лав в Эйяфьордуре, север Исландия, при температуре до 788°C. Температуры и значения pH в Лост-Сити и Эйяфьордуре сопоставимы с некоторыми из тех, которые были обнаружены в некоторых субаэральных источниках на офиолитическом рельефе.
Учитывая эту информацию и принимая во внимание изотопные результаты исследования водорода, считается, что температура жидкостей в основании гидротермальных элементов открытой системы, питающих такие подводные курганы, должна быть термостатирована на уровне 1308C. Ученые исходят из того, что змеевик свыше 1308C становится слишком пластичным - без магматического вмешательства и силовой конвекции, что делает части коры непроницаемыми для воды под гидростатическим давлением.
В отличие от предположения о том, что система Потерянного города движима магмой, мы утверждаем, как и другие, что непрерывное нагревание водных флюидов частично является результатом геотермального градиента, частично - миграции основания гидротермальной ячейки вниз, частично - результатом экзотермических реакций. Хотя такие физические ограничения, как правило, остаются неизменными между Хадеем и нынешним днем, то же самое нельзя сказать и о химии в том, что, учитывая окружающую оксигенированную морскую воду и продукты жизнедеятельности населения археи и бактерий, а также различия в минералогии и структуре коры, ни Эйяфджордур, ни Затерянный город нельзя считать непосредственно аналогичными безжизненной гидротермальной системе Хадеев и его подводным источникам.
Таким образом, в связи с этими неопределенностями возникает необходимость рассмотрения гипотезы в лаборатории в условиях, свободных от кислорода и стерильных. С этой целью и для проверки наших ожиданий в отношении эффектов смешивания симулятора древней углеродной океанической воды с щелочным гидротермальным раствором мы описываем проектирование, изготовление и эксплуатацию гидротермального реактора, построенного для воспроизведения соответствующих условий на ранних этапах существования Земли или любого другого влажного и скалистого мира с углеродным океаном, такого как Европа.
В частности, реактор был построен для воспроизведения химических взаимодействий в виде потока гидротермальных вод в канале, проходящем непосредственно под дном древнего океана под давлением 100 бар водорода и температурой до 1308С. Оценки химических взаимодействий между гидротермальным раствором и углеродной океанической водой, которые могут привести к образованию свежевыпавшего карбоната, кремния и сероводородсодержащего гидротерма.
В модели происхождения жизни ожидается, что анионы кремнезема и сероводорода вызовут осаждение каталитических сероводородосодержащих отсеков посредством взаимодействия с "океаническим" железом, никелем и кобальтом. Эти переходные металлы, растворенные в виде кластеров или встречающиеся в виде наночастиц в раннем безкислородном углеродном океане, были в конечном счете получены из гораздо более горячих кислых подводных источников. При давлениях и умеренных температурах, указанных в модели, щелочные жидкости также имели теоретическую склонность к растворению кальция и незначительного магния из кремния и кремния из кертов или кварцевых жил.
Таким образом, можно ожидать, что сточные воды из этого первого эксперимента приведут к образованию дымоходов или отсеков, или и того, и другого, при закачке в черный железосодержащий раствор, представляющий Хадайский океан. Предполагается, что такие неорганические отсеки будут поддерживать окислительно-восстановительное и протонное напряжение между симуляцией водородосодержащих щелочных гидротермальных внутренних слоев кургана и мягкокислотным углекислым океаном, купающимся снаружи. Окисленными объектами, кроме углекислого газа в Хадайском океане, могут быть фосфаты, окиси азота и азота, а также частицы железа, образующиеся фотолитически.
В случае, если реактор работал по плану, некоторые сульфиды, кремнезем и кальций растворялись в растворе, который при выдохе в раствор железа производил прочные дымоходы и отделения, дозированные сульфидом железа и гидроксидом железа.