Het uitvoeren van Miller-Urey experimenten
Summary
De Miller-Urey experiment was een baanbrekende studie over de abiotische synthese van organische verbindingen met mogelijke relevantie voor de oorsprong van het leven. Eenvoudige gassen werden in een glazen apparatuur en onderworpen aan een elektrische ontlading, de gevolgen van de bliksem in de oer-aarde atmosfeer-oceaan systeem simuleren. Het experiment werd gedurende een week, waarna de verzamelde daaruit monsters werden geanalyseerd op de chemische bouwstenen van het leven.
Abstract
In 1953, Stanley Miller meldde de productie van biomoleculen van eenvoudige gasvormige uitgangsmaterialen, met behulp van een apparaat gebouwd om de primordiale Aarde atmosfeer-oceaan systeem te simuleren. Miller geïntroduceerd 200 ml water, 100 mmHg H2, 200 mmHg CH4 en 200 mmHg NH3 in het apparaat, vervolgens onderworpen dit mengsel onder reflux, een elektrische ontlading een week, terwijl tegelijkertijd het water was verwarmd. Het doel van dit manuscript is de lezer een algemene experimentele protocol dat kan worden gebruikt om een type Miller-Urey vonkontlading experiment via een vereenvoudigde 3 L reactiekolf. Aangezien het experiment bestaat uit de blootstelling van ontvlambare gassen een hoog voltage elektrische ontlading, het is het waard het benadrukken van belangrijke stappen die het explosiegevaar te verminderen. De algemene procedures in dit werk beschreven kan worden geëxtrapoleerd naar het ontwerpen en uitvoeren van een breed scala van elektrische ontlading experiments simuleren primitieve planetaire omgevingen.
Introduction
De aard van de oorsprong van het leven op aarde blijft een van de meest ondoorgrondelijke wetenschappelijke vragen. In de jaren 1920 Russische bioloog Alexander Oparin en Britse evolutiebioloog en geneticus John Haldane voorgesteld het concept van een "oersoep" 1,2, waarin de primitieve aardse oceanen met organische verbindingen die chemische evolutie kan hebben vergemakkelijkt. Het was echter pas in de jaren 1950 toen chemici begon opzettelijke laboratoriumonderzoeken gericht op het begrijpen hoe organische moleculen kunnen worden gesynthetiseerd uit eenvoudige uitgangsmaterialen op de vroege aarde voeren. Een van de eerste verslagen daartoe was de synthese van mierenzuur uit de bestraling van waterige oplossingen CO 2 in 1951 3.
In 1952, Stanley Miller, dan een afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago, benaderde Harold Urey over het doen van een experiment om de mogelijkheid te evalueren die organische verbindingenbelangrijk voor het ontstaan van leven kan zijn abiologically gevormd op de vroege aarde. Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een op maat gemaakte glazen apparatuur (Figuur 1A) ontworpen voor het simuleren van de primitieve aarde. Miller experiment nagebootst bliksem door de werking van een elektrische ontlading een gasmengsel die de eerste atmosfeer, in aanwezigheid van een vloeibaar water reservoir, die de eerste oceanen. De inrichting gesimuleerd evaporatie en precipitatie met behulp van een verhittingsmantel en een condensator, respectievelijk. Specifieke details over het apparaat Miller gebruikt kan elders 4 te vinden. Na een week van vonken, werd de inhoud van de kolf zichtbaar getransformeerd. Het water bleek een troebele, roodachtige kleur 5 en geel-bruine materiaal dat zich op de elektroden 4. Dit baanbrekende werk wordt beschouwd als de eerste opzettelijke, efficiënte synthese van biomoleculen onder gesimuleerde primitieve aarde omstandigheden. </p>
Figuur 1. Vergelijking tussen de twee soorten apparaten die in dit document. De klassieke inrichting die wordt gebruikt voor de originele Miller-Urey experiment (A) en de vereenvoudigde voorzieningen die bij het protocol hier (B) geschetst. Klik hier voor grotere afbeelding .
Na de 1953 publicatie van resultaten van Miller klassieke experiment talrijke variaties van de vonkontlading experiment, bijvoorbeeld met andere gasmengsels, werden uitgevoerd om de waarschijnlijkheid van het produceren organische verbindingen belangrijk voor het leven onder een aantal mogelijke vroege aarde omstandigheden verkennen. Bijvoorbeeld, een CH4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H2S gas werd getest op zijn vermogen om de gecodeerde zwavelhoudende α-aminozuren produceren, maar deze werden niet gedetecteerd 6. Gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) analyse van CH 4 / NH3 mengsel onderworpen aan een elektrische ontlading toonde de synthese van α-aminonitrillen, die aminozuur voorlopers 7. In 1972, met een eenvoudiger inrichting eerst geïntroduceerd door Oró 8 (Figuur 1B), Miller en collega's toonden de synthese van alle gecodeerde α-aminozuren en nonprotein 9 aminozuren 10 die waren geïdentificeerd in de Murchison meteoriet date, door het onderwerpen CH4, N2 en kleine hoeveelheden NH3 een elektrische ontlading. Later, met behulp van deze zelfde vereenvoudigde experimenteel ontwerp, gasmengsels met H 2 O, N 2 en CH 4, CO 2 of CO werden aangewakkerd te study de opbrengst van waterstofcyanide, formaldehyde, en aminozuren als functie van de oxidatietoestand van atmosferische koolstof soorten 11.
In aanvulling op de verkenning van alternatieve experimentele ontwerpen door de jaren heen, hebben aanzienlijke analytische ontwikkelingen voorgedaan sinds Miller's klassieke experiment, die onlangs geholpen meer indringende onderzoeken van elektrische ontlading experimentele monsters gearchiveerd door Miller, dan zou zijn vergemakkelijkt door de technieken Miller had toegang tot in de jaren 1950. Miller vulkanische experiment 12, eerst gerapporteerd in 1955 4 en 1958 H2S bevattende experiment 13 werden naar gevormd meer verschillende en grotere abundanties van vele aminozuren en aminen dan de klassieke experiment, waaronder vele waarvan die was nog niet eerder geïdentificeerd vonk ontlading experimenten.
De in dit document beschreven experiment kan worden uitgevoerd met behulp vanverschillende gasmengsels. Typisch althans dergelijke experimenten een C-dragende gas, een N-dragende gas en water bevatten. Bij sommige planning kan vrijwel elk mengsel van gassen worden onderzocht, is het echter belangrijk om een chemische aspecten van het systeem beoordelen. Bijvoorbeeld kan de pH van de waterfase een grote invloed op de chemie die optreedt er 14 hebben.
De hier beschreven methode is afgestemd op de onderzoekers hoe de vonk ontlading experimenten die het Miller-Urey experiment lijken met behulp van een vereenvoudigde 3 L reactievat, zoals beschreven in Miller's 1972 publicaties 9,10 voeren instrueren. Aangezien dit experiment brengt een hoge spanning elektrische boog die op brandbare gassen, is het cruciaal om O2 uit de reactiekolf met explosiegevaar, die kunnen optreden bij verbranding van verlaagde koolstofhoudende gassen zoals methaan of koolstofmonoxide elimineren of reactie ofH 2 met zuurstof.
Er zijn aanvullende gegevens die moeten worden gehouden bij de voorbereiding van het experiment hier besproken voeren. Ten eerste, wanneer het werken met glas vacuumleidingen en gassen onder druk, bestaat de gevaren van zowel implosie en over-druk. Daarom moet een veiligheidsbril worden gedragen tijd. Tweede wordt het experiment doorgaans uitgevoerd bij lager dan atmosferische druk. Dit minimaliseert het risico van over-druk het spruitstuk en de reactie kolf. Glaswerk worden gewaardeerd bij of boven atmosferische druk zijn echter drukken boven 1 atm afgeraden. De druk kan toenemen in deze experimenten als in water onoplosbare H2 bevrijd van verlaagde gassen (zoals CH4 en NH3). Over-druk kan leiden tot lekkage afdichting, die toestaan atmosferische O2 aan de reactiekolf voeren, waardoor de verbranding induceert, een explosie. Ten derde,dient te worden bedacht dat de wijziging van dit protocol om variaties van het experiment uit te voeren vereist een zorgvuldige planning om ervoor te zorgen onveilige omstandigheden worden niet gemaakt. Ten vierde, is het sterk aanbevolen dat de aspirant-experimentator lezen door de gehele protocol zorgvuldig meerdere malen voordat u probeert dit experiment om zeker te zijn dat hij of zij bekend is met mogelijke valkuilen en dat alle noodzakelijke hardware beschikbaar is en op zijn plaats. Ten slotte, het uitvoeren van experimenten met brandbare gassen moet worden voldaan aan Environmental Health and Safety departementale richtlijnen gastinstelling van de experimentator. Neem deze aanbevelingen alvorens met eventuele experimenten. Alle stappen beschreven in het protocol hier zijn in overeenstemming met de ontvangende institutionele Environmental Health and Safety richtlijnen van de auteurs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Talrijke stappen in het protocol hier beschreven zijn van cruciaal belang voor het uitvoeren van Miller-Urey soort experimenten veilig en correct. Eerst worden alle glaswerk en monsterbehandeling gereedschappen die in contact met de reactiekolf of monster komen moeten worden gesteriliseerd. Sterilisatie wordt bereikt door te spoelen de betrokken producten met ultrazuiver water (18.2 MQ cm, <5 ppb TOC) en omwikkelen in aluminiumfolie, voordat pyrolyse bij 500 ° C in lucht gedurende ten minste 3 uur. Zodra de apparatu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gezamenlijk ondersteund door de NSF en NASA Astrobiologie Program, onder de NSF Center for Chemical Evolution, CHE-1004570, en het Goddard Center for Astrobiologie. ETP wil graag verstrekt door de NASA Planetary Biology Internship Program aanvullende financiering te erkennen. De auteurs willen ook Dr Asiri Galhena bedanken voor onschatbare hulp bij het opzetten van de eerste laboratoriumfaciliteiten.
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).
