Summary
Miller-Urey-eksperimentet var en banebrydende undersøgelse vedrørende det abiotiske syntese af organiske forbindelser med mulig relevans for livets oprindelse. Simple gasser blev indført i et apparat glas og udsættes for et elektrisk udladning, der simulerer virkningen af lyn i den oprindelige Jordens atmosfære-ocean-system. Forsøget blev udført i en uge, hvorefter de indsamlede data fra det blev analyseret for de kemiske byggesten i livet.
Abstract
I 1953, Stanley Miller rapporteret produktion af biomolekyler fra simple gasformige udgangsmaterialer, ved hjælp af et apparat konstrueret til at simulere den oprindelige Jordens atmosfære-ocean-system. Miller indføres 200 ml vand, 100 mmHg af H2, 200 mmHg CH 4 og 200 mmHg af NH3 i apparatet, underkastes derefter denne blanding under tilbagesvaling til en elektrisk udladning i en uge, mens vandet samtidig var opvarmes. Formålet med dette manuskript er at give læseren en generel forsøgsplan, som kan bruges til at gennemføre en Miller-Urey typen gnistudladning eksperiment ved anvendelse af en forenklet 3 liters reaktionskolbe. Da eksperimentet indebærer udsætte brandbare gasser til en høj spænding elektrisk udladning, er det værd at fremhæve vigtige skridt, der reducerer risikoen for eksplosion. De generelle procedurer, der beskrives i dette arbejde kan ekstrapoleres til at designe og gennemføre en bred vifte af elektrisk udladning eksperiments simulere primitive planetariske miljøer.
Introduction
Arten af livets oprindelse på Jorden er stadig en af de mest uudgrundelige videnskabelige spørgsmål. I 1920'erne russiske biolog Alexander Oparin og britisk evolutionsbiolog og genetiker John Haldane foreslog begrebet "ursuppe" 1,2, der beskriver de primitive terrestriske oceaner indeholder organiske forbindelser, som kan have gjort det lettere kemisk evolution. Men det var først i 1950'erne, da kemikere begyndte at foretage bevidste laboratorieundersøgelser med henblik på at forstå, hvordan organiske molekyler kunne have været syntetiseret fra simple udgangsmaterialer på den tidlige Jord. En af de første rapporter til dette formål var syntesen af myresyre fra bestråling af vandige CO 2-løsninger i 1951 3.
I 1952 Stanley Miller, så en ph.d.-studerende ved University of Chicago, henvendte Harold Urey om at gøre et eksperiment for at vurdere muligheden for, at organiske forbindelservigtige for livets oprindelse kan være blevet dannet abiologically på den tidlige Jord. Eksperimentet blev udført ved anvendelse af en specialbygget glasapparatur (figur 1A) beregnet til at simulere den primitive Jorden. Miller eksperiment efterlignes lyn ved virkningen af en elektrisk udladning på en blanding af gasser, der repræsenterer den tidlige atmosfære, i nærvær af en flydende vand reservoir, der repræsenterer begyndelsen af havene. Apparatet også simuleret fordampning og udfældning ved anvendelse af en varmekappe og en kondensator, hhv. Specifikke oplysninger om apparatet Miller brugt kan findes andre steder 4. Efter en uge med gnister, blev indholdet i kolben synligt forvandlet. Vandet vendte en uklar, rødlig farve 5 og gul-brun materiale akkumuleret på elektroderne 4. Dette banebrydende arbejde anses for at være den første bevidst, effektiv syntese af biomolekyler under simulerede primitive Earth forhold. </p>
Figur 1. Sammenligning mellem de to typer af apparater, der omtales i dette dokument. Den klassiske apparat anvendt ved den oprindelige Miller-Urey-eksperimentet (A) og den forenklede apparat anvendt i protokollen beskrevet her (B). Klik her for at se større billede .
Efter 1953 offentliggørelse af resultaterne af Millers klassiske eksperiment, mange variationer af den gnist udledning eksperimentet, for eksempel ved hjælp af andre gasblandinger, blev udført for at undersøge sandsynligheden for at producere organiske forbindelser er vigtige for livet under en række mulige tidlige betingelser Earth. For eksempel kan en CH 4 </sub> / H2O / NH3 / H2S gasblanding blev testet for dets evne til at producere de kodede svovlholdige α-aminosyrer, selv om disse ikke var blevet opdaget 6. Gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS) analyse af en CH 4 / NH3 blandingen underkastet en elektrisk udladning viste syntese af α-aminonitriler, som aminosyre forstadier 7. I 1972, ved hjælp af et enklere apparat, først introduceret af Oró 8 (figur 1B), Miller og hans kolleger viste syntesen af alle de kodede α-aminosyrer 9 og nonprotein aminosyrer 10, der var blevet identificeret i Murchison meteoritten til dato, ved at underkaste CH 4, N 2, og små mængder af NH3 til en elektrisk udladning. Senere, ved hjælp af denne samme forenklede eksperimentelt design, gasblandinger indeholdende H 2 O, N 2 og CH 4, CO 2, eller CO blev udløst til STUDy udbyttet af hydrogencyanid, formaldehyd og aminosyrer som en funktion af oxidationstrinnet af atmosfæriske carbon arter 11.
Ud over at undersøge alternative forsøgsplaner i årenes løb, har betydelige analytiske fremskridt sket siden Millers klassiske eksperiment, som for nylig hjulpet mere dybdeborende undersøgelser af elektrisk udledning eksperimentelle prøver arkiveres af Miller, end det ville have været lettet af de teknikker Miller havde adgang til i 1950'erne. Millers vulkansk eksperiment 12, først rapporteret i 1955 4, og en 1958 H2S-holdige eksperiment 13 viste sig at have dannet en bredere vifte, og større mængderne, af talrige aminosyrer og aminer end den klassiske eksperiment, herunder mange af dem, at ikke tidligere havde fået identificeret i gnist udledning eksperimenter.
Beskrevet i dette dokument eksperiment kan udføres ved hjælp afen række gasblandinger. Typisk, i det mindste vil sådanne eksperimenter indeholde en C-bærende gas, en N-bærende gas og vand. Med lidt planlægning, kan udforskes næsten enhver blanding af gasser, er det imidlertid vigtigt at overveje nogle kemiske aspekter af systemet. For eksempel kan pH af den vandige fase har en betydelig indvirkning på den kemi, opstår der 14.
Den her beskrevne metode er blevet skræddersyet til at instruere forskerne, hvordan man gennemføre gnist udledning eksperimenter, der ligner Miller-Urey-eksperimentet ved hjælp af en forenklet 3 L reaktion fartøj, som beskrevet i Millers 1972 publikationer 9,10. Da dette eksperiment indebærer en høj spænding elektrisk bue handler på brandbare gasser, er det afgørende at fjerne O 2 fra reaktionskolben at eliminere risikoen for eksplosion, som kan forekomme ved forbrænding af reducerede kulstofholdige gasser såsom metan eller kulilte, eller reaktion of H 2 med ilt.
Der er yderligere oplysninger, der bør holdes for øje, når forbereder sig på at foretage forsøget diskuteret her. Først, når du arbejder med glas vakuum linjer og gasser under tryk, findes der den iboende fare for både implosion og over-pres. Derfor skal sikkerhedsbriller bæres på alle tidspunkter. Det andet er eksperimentet udføres typisk ved mindre end atmosfærisk tryk. Dette minimerer risikoen for over-pres manifolden og reaktionskolben. Glas kan normeret til eller over atmosfærisk tryk, dog er tryk over 1 atm ikke anbefales. Tryk kan stige i disse eksperimenter som vanduopløselige H 2 frigøres fra reducerede gasser (såsom CH4 og NH3). Over-pres kan føre til sæl lækage, som kan tillade atmosfærisk O 2 for at indtaste reaktionskolben, hvilket gør det muligt at fremkalde forbrænding, hvilket resulterer i en eksplosion. For det tredje,Det skal erindres, at en ændring af denne protokol til at udføre variationer af eksperimentet kræver omhyggelig planlægning for at sikre usikre forhold er ikke skabt. For det fjerde er det stærkt anbefales, at den potentielle forsøgslederen læse hele protokol omhyggeligt flere gange inden du forsøger dette eksperiment for at være sikker på at han eller hun er bekendt med potentielle faldgruber, og at alle nødvendige hardware er til rådighed, og på plads. Endelig udfører forsøg med brændbare gasser kræve overholdelse eksperimentatorens værtsinstitutionens Environmental Health and Safety afdelinger retningslinjer. Overhold disse anbefalinger, før du fortsætter med eventuelle eksperimenter. Alle trin er beskrevet i protokollen her er i overensstemmelse med forfatternes værten institutionelle Environmental Health and Safety retningslinjer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Talrige trin i protokollen beskrevet her er afgørende for at gennemføre Miller-Urey typen eksperimenter sikkert og korrekt. Først alle glasvarer og prøvehåndtering værktøjer, der kommer i kontakt med reaktionskolben eller stikprøven skal steriliseres. Sterilisering opnås ved grundig skylning de pågældende produkter med ultrarent vand (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC) og derefter pakke dem i aluminiumsfolie, inden pyrolyse ved 500 ° C i luft i mindst 3 timer. Når udstyret er blevet pyrolyseret og samtidig forber…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet i fællesskab af NSF og NASA Astrobiology Program under NSF Center for Chemical Evolution, CHE-1004570, og Goddard Center for Astrobiology. ETP vil gerne anerkende yderligere finansiering fra NASA Planetary Biology Praktik Program. Forfatterne ønsker også at takke Dr. Asiri Galhena for uvurderlig hjælp til opsætning af de første laboratoriefaciliteter.
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 |
Riferimenti
- Oparin, A. I. . The Origin of Life. , (1924).
- Haldane, J. B. The origin of life. Rationalist Annu. 148, 3-10 (1929).
- Garrison, W. M., Morrison, D. C., Hamilton, J. G., Benson, A. A., Calvin, M. Reduction of Carbon Dioxide in Aqueous Solutions by Ionizing Radiation. Science. 114, 416-418 (1951).
- Miller, S. L. Production of Some Organic Compounds under Possible Primitive Earth Conditions. J. Am. Chem. Soc. 77, 2351-2361 (1955).
- Miller, S. L. A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117, 528-529 (1953).
- Heyns, H. K., Walter, W., Meyer, E. Model experiments on the formation of organic compounds in the atmosphere of simple gases by electrical discharges (Translated from German). Die Naturwissenschaften. 44, 385-389 (1957).
- Ponnamperuma, C., Woeller, F. α-Aminonitriles formed by an electric discharge through a mixture of anhydrous methane and ammonia. Biosystems. 1, 156-158 (1967).
- Oró, J. Synthesis of Organic Compounds by Electric Discharges. Nature. 197, 862-867 (1963).
- Ring, D., Wolman, Y., Friedmann, N., Miller, S. L. Prebiotic Synthesis of Hydrophobic and Protein Amino Acids. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 69, 765-768 (1972).
- Wolman, Y., Haverland, W. J., Miller, S. L. Nonprotein Amino Acids from Spark Discharges and Their Comparison with the Murchison Meteorite Amino Acids. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 69, 809-811 (1972).
- Roscoe, S., Miller, S. L. Energy Yields for Hydrogen Cyanide and Formaldehyde Syntheses: The HCN and Amino Acid Concentrations in the Primitive Ocean. Orig. Life. 17, 261-273 (1987).
- Johnson, A. P., et al. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science. 322, 404 (2008).
- Parker, E. T., et al. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 5526-5531 (2011).
- Cleaves, H. J., Chalmers, J. H., Lazcano, A., Miller, S. L., Bada, J. L. A reassessment of prebiotic organic synthesis in neutral planetary atmospheres. Orig. Life Evol. Biosph. 38, 105-115 (2008).
- Glavin, D. P., et al. Amino acid analyses of Antarctic CM2 meteorites using liquid chromatography-time of flight-mass spectrometry. Meteorit. Planet. Sci. 41, 889-902 (2006).
- Zhao, M., Bada, J. L. Determination of α-dialkylamino acids and their enantiomers in geologic samples by high-performance liquid chromatography after a derivatization with a chiral adduct of o-phthaldialdehyde. J. Chromatogr. A. 690, 55-63 (1995).
- Strecker, A. About the artificial formation of lactic acid and a new Glycocoll the homologous body Justus Liebigs Annalen der Chemie. 75, 27-45 (1850).
- Miyakawa, S., Yamanashi, H., Kobayashi, K., Cleaves, H. J., Miller, S. L. Prebiotic synthesis from CO atmospheres: implications for the origins of life. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 14628-14631 (2002).
- Kobayashi, K., Kaneko, T., Saito, T., Oshima, T. Amino Acid Formation in Gas Mixtures by Particle Irradiation. Orig. Life Evol. Biosph. 28, 155-165 (1998).
- Sagan, C., Khare, B. N. Long-Wavelength Ultraviolet Photoproduction of Amino Acids on the Primitive Earth. Science. 173, 417-420 (1971).
- Harada, K., Fox, S. W. Thermal Synthesis of Natural Amino-Acids from a Postulated Primitive Terrestrial Atmosphere. Nature. 201, 335-336 (1964).
- Ponnamperuma, C., Lemmon, R. M., Mariner, R., Calvin, M. Formation of Adenine by Electron Irradiation of Methane Ammonia, and Water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 49, 737-740 (1963).
- Bar-Nun, A., Bar-Nun, N., Bauer, S. H., Sagan, C. Shock Synthesis of Amino Acids in Simulated Primitive Environments. Science. 168, 470-473 (1970).
