Summary
O experimento de Miller-Urey era um estudo pioneiro sobre a síntese abiótica de compostos orgânicos com possível relevância para as origens da vida. Gases simples foram introduzidos em um aparelho de vidro e submetido a uma descarga elétrica, simulando os efeitos de um raio no sistema oceano-atmosfera primordial da Terra. O experimento foi realizado durante uma semana, após o qual, as amostras coletadas a partir dele foram analisadas para os blocos de construção químicos da vida.
Abstract
Em 1953, Stanley Miller relatou a produção de biomoléculas de simples matérias-primas gasosos, usando um aparelho construído para simular o sistema oceano-atmosfera primordial da Terra. Miller introduzidos 200 ml de água, 100 mmHg de H 2, 200 mmHg de CH4, e 200 mmHg, de NH 3 para dentro do aparelho, em seguida, submetida a mistura, sob refluxo, a uma descarga eléctrica durante uma semana, enquanto a água era simultaneamente aquecido. A finalidade deste artigo é a fornecer ao leitor um protocolo experimental geral que pode ser utilizado para efectuar um ensaio de ignição de descarga tipo de Miller-Urey, utilizando um balão de reacção 3 L simplificada. Uma vez que o experimento envolve a exposição de gases inflamáveis a uma descarga elétrica de alta tensão, vale destacar passos importantes que reduzem o risco de explosão. Os procedimentos gerais descritos no presente trabalho pode ser extrapolada para conceber e realizar uma grande variedade de experimento descarga eléctricaé simular ambientes planetários primitivos.
Introduction
A natureza das origens da vida na Terra permanece uma das questões científicas mais inescrutáveis. Na década de 1920 o biólogo russo Alexander Oparin e britânicos evolutiva biólogo e geneticista John Haldane propôs o conceito de uma "sopa primordial" 1,2, descrevendo os oceanos terrestres primitivos que contêm compostos orgânicos que podem ter facilitado a evolução química. No entanto, não foi até a década de 1950, quando os químicos começaram a realizar estudos de laboratório deliberados que visam compreender como as moléculas orgânicas poderiam ter sido sintetizados a partir de matérias-primas simples na Terra primitiva. Um dos primeiro relatórios para esta finalidade a síntese de ácido fórmico a partir de a irradiação de soluções aquosas de 2 CO 3 em 1951.
Em 1952, Stanley Miller, então um estudante de pós-graduação na Universidade de Chicago, Harold Urey abordado sobre fazer um experimento para avaliar a possibilidade de que os compostos orgânicosimportante para a origem da vida podem ter sido formados abiologically na Terra primitiva. O experimento foi realizado utilizando um aparelho de vidro feito por encomenda (Figura 1A), concebido para simular a Terra primitiva. O experimento de Miller imitou relâmpago pela ação de uma descarga elétrica em uma mistura de gases que representam a atmosfera primitiva, na presença de um reservatório de água líquida, o que representa os primeiros oceanos. O aparelho também simulado evaporação e precipitação, através da utilização de uma manta de aquecimento e um condensador, respectivamente. Detalhes específicos sobre o aparelho Miller usou pode ser encontrada em outro lugar 4. Depois de uma semana de produção de faíscas, o conteúdo do balão foi visivelmente transformada. A água voltou, uma cor avermelhada turva 5 e material de amarelo-marrom acumulado nos eletrodos 4. Este trabalho inovador é considerada para ser a primeira síntese deliberada, eficiente de biomoléculas sob condições simuladas Terra primitivas. </p>
Figura 1. A comparação entre os dois tipos de aparelhos discutidos neste documento. Clássico O aparelho utilizado para o original experimento de Miller-Urey (A) e do aparelho simplificada utilizada no protocolo descrito aqui (B). Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Após a publicação dos resultados do experimento clássico de Miller, inúmeras variações do experimento descarga de ignição, por exemplo, usando outras misturas de gases, foram realizados para explorar a plausibilidade de produzir compostos orgânicos importantes para a vida sob uma variedade de possíveis condições iniciais da Terra 1953. Por exemplo, um CH4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 S mistura de gás foi testado quanto à sua capacidade para produzir os ácidos α-amino-contendo enxofre codificadas, embora estes não foram detectados 6. Cromatografia gasosa-espectrometria de massa (GC-MS), a análise de um CH 4 / NH3 mistura foi submetida a uma descarga eléctrica mostraram a síntese de α-aminonitrilos, que são precursores de ácido aminado 7. Em 1972, utilizando um aparelho simples, introduzido pela primeira vez por Oró 8 (Figura 1B), Miller e colegas demonstraram a síntese de todos os aminoácidos codificados α-9 e aminoácidos não proteicos 10 que tinham sido identificadas no meteoritos Murchison à data, sujeitando CH 4, N 2, e pequenas quantidades de NH 3 a uma descarga eléctrica. Mais tarde, utilizando este mesmo modelo experimental simplificado, as misturas de gases contendo H 2 O, N 2, e CH 4, CO 2, CO ou foram provocou a study o rendimento de cianeto de hidrogénio, formaldeído, e aminoácidos como uma função do estado de oxidação das espécies de carbono na atmosfera 11.
Além da exploração de projetos experimentais alternativos ao longo dos anos, os avanços analíticos significativos ocorreram desde experimento clássico de Miller, que recentemente ajudou investigações mais de sondagem de descarga elétrica amostras experimentais arquivados por Miller, que teria sido facilitado pelas técnicas Miller teve acesso a na década de 1950. O experimento de Miller vulcânica 12, relatada pela primeira vez em 1955 4, e um 1958 H 2 S-contendo experimento 13 foram mostrados para ter formado uma maior variedade e maiores abundâncias, de vários aminoácidos e aminas que a experiência clássica, incluindo muitos dos quais que não tinha sido identificado previamente em experiências de descarga de faísca.
O experimento descrito neste trabalho pode ser realizado utilizandouma variedade de misturas de gases. Tipicamente, pelo menos, estas experiências irão conter um gás de suporte de C, com um gás de suporte de N, e água. Com algum planeamento, quase qualquer mistura de gases pode ser explorada, no entanto, é importante ter em conta alguns aspectos químicos do sistema. Por exemplo, o pH da fase aquosa pode ter um impacto significativo sobre a química que ocorre ali 14.
O método descrito aqui foi adaptado para instruir os pesquisadores como para conduzir experimentos de descarga centelha que lembram o experimento de Miller-Urey usando um vaso de 3 L reação simplificada, conforme descrito em Miller 1972 publicações 9,10. Uma vez que este ensaio envolve um arco eléctrico de alta tensão sob gases inflamáveis, é crucial para remover O2 a partir do balão de reacção para eliminar o risco de explosão, o que pode ocorrer após a combustão de gases reduzidas portadores de carbono, como o metano ou o monóxido de carbono, ou reação of H 2 com o oxigênio.
Há detalhes adicionais que devem ser mantidos em mente quando se prepara para conduzir o experimento discutido aqui. Em primeiro lugar, sempre que trabalhar com linhas de vácuo de vidro e gases pressurizados, existe o perigo inerente de ambos implosão e excesso de pressionar. Portanto, óculos de segurança deve ser usado em todos os momentos. Em segundo lugar, a experiência é geralmente realizado em menos de pressão atmosférica. Isso minimiza o risco de excesso de pressão sobre o distribuidor e balão de reacção. Artigos de vidro pode ser avaliado em ou acima da pressão atmosférica, no entanto, pressões acima de 1 atm não são recomendados. Pressões pode aumentar nestas experiências como insolúveis em água H 2 é libertado a partir de gases reduzidas (tais como CH4 e NH3). O excesso de pressionar pode levar a fugas de vedação, o que pode permitir que ó 2 atmosférico para entrar no balão de reacção, o que torna possível induzir a combustão, resultando numa explosão. Em terceiro lugar,deve-se ter em mente que a modificação deste protocolo para realizar variações do experimento requer um planejamento cuidadoso para assegurar condições inseguras não são criadas. Em quarto lugar, é altamente recomendável que o experimentador prospectivo ler todo o protocolo com cuidado várias vezes antes de tentar esta experiência para ter certeza de que ele ou ela está familiarizado com potenciais armadilhas e que todo o hardware necessário está disponível e no lugar. Por último, a realização de experimentos envolvendo gases combustíveis exigir o cumprimento de Saúde e Segurança Ambiental diretrizes departamentais da instituição de acolhimento do experimentador. Cumpra estas recomendações antes de prosseguir com qualquer experimento. Todos os passos descritos no protocolo aqui estão em conformidade com as diretrizes de acolhimento de Saúde e Segurança Ambiental institucionais dos autores.
Protocol
Representative Results
Discussion
Várias etapas do protocolo descrito aqui são fundamentais para a realização de experiências de tipo de Miller-Urey forma segura e correta. Em primeiro lugar, todas as ferramentas de manipulação de amostras de vidro e que vai entrar em contacto com o balão de reacção ou de amostra devem ser esterilizados. A esterilização é conseguido através de uma profunda enxaguamento dos artigos em questão com água ultrapura (18,2 mohms cm, <5 ppb COT) e, em seguida, embrulhando-os em folha de alumínio, antes de pi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado conjuntamente pela NSF e do Programa de Astrobiologia da NASA, com o Centro de NSF para Evolução Química, CHE-1004570, e do Centro Goddard de Astrobiologia. ETP gostaria de reconhecer o financiamento adicional fornecido pelo Programa de Biologia Estágio NASA Planetário. Os autores também quero agradecer a Dr. Asiri Galhena ajuda inestimável na criação de instalações laboratoriais iniciais.
Materials
| Glass Plugs for Manifold | Chemglass | CG-983-01 | N/A |
| High Vacuum Grease | Apiezon | N/A | Type M/N |
| Silicon High Vacuum Grease | Dow Corning | 1597418 | N/A |
| Teflon PFA Tubing | McMaster-Carr | 51805K54 | N/A |
| Ultra-Torr Vacuum Fittings | Swagelok | SS-4-UT-6 | N/A |
| Dry Scroll Vacuum Pump | Edwards | A72401905 | N/A |
| U-Tube Manometer | Alta-Robbins | 100SS | N/A |
| Tungsten Electrodes | Diamond Ground Products | TH2-1/16 | 2% thoriated |
| Methanol | Alfa Aesar | N/A | Ultrapure HPLC Grade |
| Teflon-Coated Magnetic Stir Bar | McMaster-Carr | 5678K127 | N/A |
| Gaseous NH3 | Airgas | AMAHLB | 99.99% purity |
| Gaseous CH4 | Airgas | ME UHP300 | 99.99% purity |
| Gaseous N2 | Airgas | NI UHP300 | 99.999% purity |
| Tesla Coil | Electro-Technic Products | 15001 | Model BD-50E |
| 24 Hour Plug-In Basic Timer | General Electric Company | 15119 | N/A |
| Cleaning Detergent | Alconox | 1104 | N/A |
| Toluene | Thermo Fisher Scientific | N/A | Optima Grade |
| Luna Phenyl-Hexyl HPLC Column | Phenomenex | 00G-4257-E0 | Brand: Luna |
| Formic Acid | Sigma-Alrich | F0507 | Used to make 50 mM ammonium formate |
References
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