Eksperyment Millera-Ureya

Eksperyment

Eksperyment Millera-Ureya (lub eksperyment Millera ) to słynny eksperyment chemiczny , który symulował warunki, które uważano wówczas (1952) za panujące w atmosferze wczesnej , prebiotycznej Ziemi , w celu sprawdzenia hipotezy o chemicznym pochodzeniu życie w takich warunkach. W eksperymencie wykorzystano wodę (H 2 O), metan (CH 4 ), amoniak (NH 3 ), wodór (H 2 ) i łuk elektryczny (ten ostatni symulował hipotetyczną błyskawicę).

W tamtym czasie potwierdzało to hipotezę Alexandra Oparina i JBS Haldane'a , że ​​hipotetyczne warunki panujące na pierwotnej Ziemi sprzyjały reakcjom chemicznym, które syntetyzowały bardziej złożone związki organiczne z prostszych nieorganicznych prekursorów. Jeden z najsłynniejszych eksperymentów wszechczasów, uważany za przełomowy i klasyczny eksperyment badający abiogenezę . Został wykonany w 1953 roku przez Stanleya Millera pod kierunkiem Harolda Ureya z University of Chicago i opublikowane w roku następnym.

w oryginalnych eksperymentach Millera wyprodukowano ponad 20 różnych aminokwasów . To znacznie więcej niż pierwotnie podał Miller i więcej niż 20 naturalnie występujących w kodzie genetycznym. Nowsze dowody sugerują, że pierwotna atmosfera Ziemi mogła mieć inny skład niż gaz użyty w eksperymencie Millera, ale eksperymenty prebiotyczne nadal wytwarzają racemiczne mieszaniny związków prostych do złożonych - takich jak cyjanek — w różnych warunkach.

Eksperyment

Film opisujący eksperyment

Metan (CH 4 ), wodę (H 2 O), amoniak (NH 3 ) i wodór (H 2 ) zamknięto razem w sterylnej 5-litrowej szklanej kolbie połączonej z 500 ml kolbą wypełnioną do połowy wodą. Wodę w mniejszej kolbie ogrzano w celu wywołania odparowania , a parę wodną wpuszczono do większej kolby. Ciągła iskra elektryczna została wyładowana między parą elektrod w większej kolbie. Iskra przeszła przez mieszaninę gazów i pary wodnej, symulując piorun w hipotetycznej pierwotnej atmosferze Ziemi. Następnie aparat ochłodzono tak, że woda skrapla się i spływa do syfonu w kształcie litery U na dnie.

Po dniu roztwór zebrany w pułapce był różowy, a po tygodniu ciągłej pracy roztwór był ciemnoczerwony i mętny. Następnie usunięto wrzącą kolbę i dodano chlorku rtęci, aby zapobiec zanieczyszczeniu mikrobiologicznemu. Reakcję zatrzymano przez dodanie wodorotlenku baru i kwasu siarkowego i odparowano w celu usunięcia zanieczyszczeń. Za pomocą chromatografii bibułowej Miller zidentyfikował pięć aminokwasów obecnych w roztworze: pozytywnie zidentyfikowano glicynę , α-alaninę i β-alaninę , natomiast kwas asparaginowy i kwas α-aminomasłowy (AABA) były mniej pewne, ze względu na słabość plam.

W wywiadzie z 1996 roku Stanley Miller wspominał swoje trwające całe życie eksperymenty po swojej oryginalnej pracy i stwierdził: „Samo włączenie iskry w podstawowym eksperymencie prebiotycznym da 11 z 20 aminokwasów”.

Oryginalny eksperyment pozostał w 2017 roku pod opieką byłego ucznia Millera i Ureya, Jeffreya Bady , profesora na UCSD , Scripps Institution of Oceanography . Od 2013 roku aparatura użyta do przeprowadzenia eksperymentu była wystawiana w Denver Museum of Nature and Science . [ wymaga aktualizacji ]

Chemia eksperymentu

Jednoetapowe reakcje między składnikami mieszaniny mogą prowadzić do powstania cyjanowodoru (HCN), formaldehydu (CH 2 O) i innych aktywnych związków pośrednich ( acetylenu , cyjanoacetylenu itp.):

CO 2 → CO + [O] (tlen atomowy)
CH 4 + 2[O] → CH 2 O + H 2 O
CO + NH 3 → HCN + H 2 O
CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 ( proces BMA )

Formaldehyd, amoniak i HCN reagują następnie w procesie syntezy Streckera , tworząc aminokwasy i inne biomolekuły:

NH3 CH2O + HCN + NH3 → NH2 - CH2 - CN + H2O NH2
- CH2 - CN + 2H2O → + NH2 - CH2 - COOH ( glicyna )

Ponadto woda i formaldehyd mogą reagować, poprzez reakcję Butlerova, w celu wytworzenia różnych cukrów, takich jak ryboza .

Eksperymenty wykazały, że proste związki organiczne budulcowe białek i innych makrocząsteczek mogą powstawać z gazów z dodatkiem energii.

Inne eksperymenty

Ten eksperyment zainspirował wielu innych. W 1961 roku Joan Oró odkrył, że adeninę można wytworzyć z cyjanowodoru (HCN) i amoniaku w roztworze wodnym . Jego eksperyment wytworzył dużą ilość adeniny, której cząsteczki powstały z 5 cząsteczek HCN. Ponadto w tych warunkach z HCN i amoniaku powstaje wiele aminokwasów. Eksperymenty przeprowadzone później wykazały, że inne zasady nukleotydowe RNA i DNA można uzyskać poprzez symulowaną chemię prebiotyczną w atmosferze redukującej .

Były też podobne eksperymenty z wyładowaniami elektrycznymi związane z pochodzeniem życia w czasach Millera-Ureya. Artykuł w The New York Times (8 marca 1953:E9), zatytułowany „Looking Back Two Billion Years” opisuje pracę Wollmana (Williama) M. MacNevina z Ohio State University , przed Miller Science artykuł został opublikowany w maju 1953 roku. MacNevin przepuszczał iskry o napięciu 100 000 woltów przez metan i parę wodną i wytwarzał „żywiczne ciała stałe”, które były „zbyt złożone do analizy”. Artykuł opisuje inne eksperymenty przeprowadzane przez MacNevina na wczesnych etapach Ziemi. Nie jest jasne, czy kiedykolwiek opublikował którykolwiek z tych wyników w podstawowej literaturze naukowej.

KA Wilde przesłał artykuł do Science 15 grudnia 1952 r., Zanim Miller przesłał swój artykuł do tego samego czasopisma 10 lutego 1953 r. Artykuł Wilde'a został opublikowany 10 lipca 1953 r. Wilde używał napięć do zaledwie 600 V na mieszance binarnej dwutlenku węgla (CO 2 ) i wody w systemie przepływowym. Zaobserwował tylko niewielkie ilości redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla i żadnych innych znaczących produktów redukcji lub nowo powstałych związków węgla. Inni badacze badali UV - fotolizę pary wodnej z tlenkiem węgla . Stwierdzili, że w mieszaninie reakcyjnej syntetyzowane są różne alkohole, aldehydy i kwasy organiczne.

Nowsze eksperymenty chemików Jeffreya Bady, jednego z doktorantów Millera, i Jima Cleavesa z Scripps Institution of Oceanography na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego były podobne do tych przeprowadzonych przez Millera. Jednak Bada zauważył, że w obecnych modelach wczesnych warunków ziemskich dwutlenek węgla i azot (N 2 ) tworzą azotyny , które niszczą aminokwasy tak szybko, jak się tworzą. Kiedy Bada przeprowadził eksperyment typu Millera z dodatkiem minerałów żelaza i węglanów, produkty były bogate w aminokwasy. Sugeruje to, że pochodzenie znacznych ilości aminokwasów mogło mieć miejsce na Ziemi nawet w atmosferze zawierającej dwutlenek węgla i azot.

Wczesna atmosfera Ziemi

Zobacz też: Atmosfera prebiotyczna

Niektóre dowody sugerują, że pierwotna atmosfera Ziemi mogła zawierać mniej cząsteczek redukujących, niż sądzono w czasie eksperymentu Millera-Ureya. Istnieje wiele dowodów na duże erupcje wulkanów sprzed 4 miliardów lat, które spowodowały uwolnienie do atmosfery dwutlenku węgla, azotu, siarkowodoru (H 2 S) i dwutlenku siarki (SO 2 ). Eksperymenty z użyciem tych gazów oprócz tych w oryginalnym eksperymencie Millera-Ureya dały bardziej zróżnicowane cząsteczki. Eksperyment stworzył mieszaninę, która była racemiczna (zawierająca zarówno L, jak i D enancjomery ) i późniejsze eksperymenty wykazały, że „w laboratorium obie wersje są równie prawdopodobne”; jednak w naturze dominują aminokwasy L. Późniejsze eksperymenty potwierdziły, że możliwe są nieproporcjonalne ilości enancjomerów zorientowanych na L lub D.

Pierwotnie sądzono, że prymitywna atmosfera wtórna zawierała głównie amoniak i metan. Jednak jest prawdopodobne, że większość atmosferycznego węgla to CO 2 , być może trochę CO i azotu, głównie N 2 . W praktyce mieszaniny gazowe zawierające CO, CO 2 , N 2 itd. dają prawie takie same produkty jak mieszaniny zawierające CH 4 i NH 3 , o ile nie zawierają O 2 . Atomy wodoru pochodzą głównie z pary wodnej. W rzeczywistości, aby wytworzyć aminokwasy aromatyczne w prymitywnych warunkach ziemskich, konieczne jest użycie mniej bogatych w wodór mieszanin gazowych. Większość naturalnych aminokwasów, hydroksykwasów , puryn, pirymidyn i cukrów została wytworzona w wariantach eksperymentu Millera.

Nowsze wyniki mogą kwestionować te wnioski. University of Waterloo i University of Colorado przeprowadziły w 2005 roku symulacje, które wykazały, że wczesna atmosfera Ziemi mogła zawierać do 40 procent wodoru, co sugeruje znacznie bardziej przyjazne środowisko do tworzenia prebiotycznych cząsteczek organicznych. Ucieczka wodoru z ziemskiej atmosfery w przestrzeń kosmiczną mogła mieć miejsce tylko z jednym procentem tempa, w jakim wcześniej sądzono na podstawie poprawionych szacunków temperatury górnych warstw atmosfery. Jeden z autorów, Owen Toon, zauważa: „W tym nowym scenariuszu substancje organiczne mogą być wydajnie produkowane we wczesnej atmosferze, co prowadzi nas z powrotem do koncepcji bogatej w substancje organiczne zupy w oceanie… Myślę, że to badanie sprawia, że eksperymenty Millera i innych ponownie istotne”. Obliczenia odgazowania przy użyciu modelu chondrytowego dla wczesnej Ziemi uzupełniają wyniki Waterloo / Kolorado, przywracając znaczenie eksperymentu Millera-Ureya.

W przeciwieństwie do ogólnego pojęcia atmosfery redukującej wczesnej Ziemi, naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute w Nowym Jorku zgłosili możliwość istnienia tlenu około 4,3 miliarda lat temu. Ich badania przeprowadzone w 2011 roku na temat oceny hadeańskich cyrkonów z wnętrza Ziemi ( magmy ) wykazały obecność śladów tlenu podobnych do współczesnych law. To badanie sugeruje, że tlen mógł zostać uwolniony do ziemskiej atmosfery wcześniej, niż się powszechnie uważa.

W listopadzie 2020 roku zespół międzynarodowych naukowców przedstawił wyniki swoich badań nad utlenianiem magmy około 4,5 miliarda lat temu, sugerując, że pierwotna atmosfera Ziemi zawierała niewielką ilość tlenu i nie zawierała metanu ani amoniaku, jak przypuszczano w eksperymencie Millera-Ureya. CO2 _ był prawdopodobnie najobficiej występującym składnikiem, z azotem i wodą jako składnikami dodatkowymi. Jednak metan i amoniak mogły pojawić się nieco później, gdy atmosfera stała się bardziej redukująca. Te niestabilne gazy były stopniowo niszczone przez promieniowanie słoneczne (fotoliza) i trwały około dziesięciu milionów lat, zanim ostatecznie zostały zastąpione przez wodór i CO 2 .

Źródła pozaziemskie

Warunki podobne do tych z eksperymentów Millera-Ureya występują w innych regionach Układu Słonecznego , często zastępując błyskawice światłem ultrafioletowym jako źródłem energii dla reakcji chemicznych. Stwierdzono, że meteoryt Murchison , który spadł w pobliżu Murchison w stanie Wiktoria w Australii w 1969 roku, zawiera wiele różnych typów aminokwasów. Uważa się, że komety i inne lodowe ciała zewnętrzne Układu Słonecznego zawierają duże ilości złożonych związków węgla (takich jak toliny ) utworzone przez te procesy, zaciemniające powierzchnie tych ciał. Wczesna Ziemia była intensywnie bombardowana przez komety, prawdopodobnie dostarczając duże zapasy złożonych cząsteczek organicznych wraz z wodą i innymi substancjami lotnymi, które wnosiły. Zostało to wykorzystane do wywnioskowania pochodzenia życia poza Ziemią: panspermii .

Najnowsze powiązane badania

W ostatnich latach przeprowadzono badania składu aminokwasowego produktów „starych” obszarów w „starych” genach, zdefiniowanych jako te, które okazały się wspólne dla organizmów należących do kilku bardzo odległych gatunków , przypuszczalnie dzielących tylko ostatni uniwersalny przodek (LUA) wszystkich istniejących gatunków. Badania te wykazały, że produkty tych obszarów są wzbogacone w te aminokwasy, które są również najłatwiej wytwarzane w eksperymencie Millera-Ureya. Sugeruje to, że pierwotny kod genetyczny opierał się na mniejszej liczbie aminokwasów – tylko tych dostępnych w naturze prebiotycznej – niż obecny.

Jeffrey Bada , który sam był uczniem Millera, odziedziczył oryginalne wyposażenie po eksperymencie, kiedy Miller zmarł w 2007 roku. Na podstawie zapieczętowanych fiolek z oryginalnego eksperymentu naukowcy byli w stanie wykazać, że mimo sukcesu Miller nigdy nie był w stanie się tego dowiedzieć, ze sprzętem dostępne dla niego, pełny zakres sukcesu eksperymentu. Później badaczom udało się wyizolować jeszcze więcej różnych aminokwasów, łącznie 25. Bada oszacował, że dokładniejsze pomiary mogłyby z łatwością wydobyć 30 lub 40 aminokwasów więcej w bardzo niskich stężeniach, ale naukowcy zaprzestali od tego czasu testów. Eksperyment Millera był zatem niezwykłym sukcesem w syntezie złożonych cząsteczek organicznych z prostszych związków chemicznych, biorąc pod uwagę, że całe znane życie wykorzystuje tylko 20 różnych aminokwasów.

W 2008 roku grupa naukowców zbadała 11 fiolek pozostałych po eksperymentach Millera z początku lat pięćdziesiątych. Oprócz klasycznego eksperymentu, przypominającego „ciepły staw” Karola Darwina , Miller przeprowadził także więcej eksperymentów, w tym jeden w warunkach podobnych do tych, jakie panują podczas erupcji wulkanów . Ten eksperyment miał dyszę rozpylającą strumień pary na wyładowaniu iskrowym. Wykorzystując wysokosprawną chromatografię cieczową i spektrometrię mas , grupa znalazła więcej cząsteczek organicznych niż Miller. Odkryli, że podobny do wulkanu eksperyment wytworzył najwięcej cząsteczek organicznych, 22 aminokwasy, 5 amin i wiele cząsteczek hydroksylowanych , które mogły powstać przez rodniki hydroksylowe wytwarzane przez naelektryzowaną parę. Grupa zasugerowała, że ​​systemy wysp wulkanicznych stały się w ten sposób bogate w cząsteczki organiczne i że obecność siarczku karbonylu mogła pomóc tym cząsteczkom w tworzeniu peptydów .

Głównym problemem teorii opartych na aminokwasach jest trudność w uzyskaniu spontanicznego tworzenia peptydów. Od czasu sugestii Johna Desmonda Bernala , że ​​​​powierzchnie gliny mogły odgrywać rolę w abiogenezie , wysiłki naukowe poświęcono badaniu tworzenia wiązań peptydowych za pośrednictwem gliny , z ograniczonym sukcesem. Utworzone peptydy pozostawały nadmiernie chronione i nie wykazywały oznak dziedziczenia ani metabolizmu. W grudniu 2017 roku teoretyczny model opracowany przez Valentinę Erastovą i współpracowników zasugerował, że peptydy mogą tworzyć się na warstwach pośrednich warstwowe podwójne wodorotlenki , takie jak zielona rdza we wczesnych warunkach ziemskich. Zgodnie z modelem suszenie interkalowanego materiału warstwowego powinno zapewnić energię i wyrównanie wymagane do utworzenia wiązania peptydowego w rybosomie -jak moda, podczas gdy ponowne zwilżenie powinno pozwolić na mobilizację nowo utworzonych peptydów i ponowne wypełnienie warstwy pośredniej nowymi aminokwasami. Oczekuje się, że ten mechanizm doprowadzi do powstania peptydów o długości ponad 12 aminokwasów w ciągu 15-20 przemywań. Badacze zaobserwowali również nieco inne preferencje adsorpcyjne dla różnych aminokwasów i postulowali, że w połączeniu z rozcieńczonym roztworem mieszanych aminokwasów takie preferencje mogą prowadzić do sekwencjonowania.

W październiku 2018 roku naukowcy z McMaster University w imieniu Origins Institute ogłosili opracowanie nowej technologii o nazwie Planet Simulator , która ma pomóc w badaniu pochodzenia życia na planecie Ziemia i poza nią.

Aminokwasy zidentyfikowane

Zobacz też: Kategoria: Chemiczna synteza aminokwasów

Poniżej znajduje się tabela aminokwasów wyprodukowanych i zidentyfikowanych w „klasycznym” eksperymencie z 1952 r., Opublikowanym przez Millera w 1953 r., Ponowna analiza fiolek z eksperymentu z wyładowaniami iskrowymi z 2008 r. Oraz ponowna analiza fiolek z 2010 r. z H 2 Eksperyment z wyładowaniem iskrowym bogatym w S.

Aminokwas Wyprodukowano w eksperymencie Proteinogenne

Miller-Urey (1952)
Wyładowanie iskier wulkanicznych (2008)
Wyładowanie iskrowe bogate w H 2 S (2010)
glicyna Yes Yes Yes Tak
α-alanina Yes Yes Yes Tak
β-alanina Yes Yes Yes NIE
Kwas asparaginowy Yes Yes Yes Tak
Kwas α-aminomasłowy Yes Yes Yes NIE
Seryna No Yes Yes Tak
izoseryna No Yes Yes NIE
Kwas α-aminoizomasłowy No Yes Yes NIE
Kwas β-aminoizomasłowy No Yes Yes NIE
Kwas β-aminomasłowy No Yes Yes NIE
Kwas γ-aminomasłowy No Yes Yes NIE
Walina No Yes Yes Tak
izowalina No Yes Yes NIE
Kwas glutaminowy No Yes Yes Tak
Norwalina No Yes No NIE
Kwas α-aminoadypinowy No Yes No NIE
Homoseryna No Yes No NIE
2-Metyloseryna No Yes No NIE
Kwas β-hydroksyasparaginowy No Yes No NIE
ornityna No Yes No NIE
Kwas 2-metyloglutaminowy No Yes No NIE
fenyloalanina No Yes No Tak
Kwas homocysteinowy No No Yes NIE
S -metylocysteina No No Yes NIE
Metionina No No Yes Tak
Sulfotlenek metioniny No No Yes NIE
Sulfon metioniny No No Yes NIE
Izoleucyna No No Yes Tak
Leucyna No No Yes Tak
Etionina No No Yes NIE
Cysteina No No No Tak
histydyna No No No Tak
Lizyna No No No Tak
asparagina No No No Tak
Pirolizyna No No No Tak
Prolina No No No Tak
glutamina No No No Tak
Arginina No No No Tak
Treonina No No No Tak
Selenocysteina No No No Tak
Tryptofan No No No Tak
Tyrozyna No No No Tak

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Miller-Urey_experiment&oldid=1139297559 ”