Проведение Миллер-Юри эксперименты
Summary
Эксперимент Миллера-Юри был новаторское исследование относительно абиотической синтеза органических соединений с возможной актуальности для происхождения жизни. Простые газы были введены в стеклянной аппаратуре и подвергают электрическим разрядом, имитируя эффекты: молнии в системе атмосфера-океан Изначальное Земли. Эксперимент проводили в течение одной недели, после чего образцы, собранные в нем, были проанализированы на химической строительных блоков жизни.
Abstract
В 1953 году Стэнли Миллер сообщил производство биомолекул от простых газообразных исходных материалов, с использованием устройства, построенную для имитации системе атмосфера-океан Изначальное Земли. Miller введены 200 мл воды, 100 мм рт Н 2, 200 мм рт СН 4 и 200 мм рт NH 3 в устройство, а затем подвергают эту смесь с обратным холодильником, в электрического разряда в течение недели, в то время как вода была одновременно с подогревом. Цель этой рукописи, чтобы дать читателю общее экспериментального протокола, который можно использовать для проведения типа Миллера-Юри искрового разряда эксперимент, с использованием упрощенного 3 л реакционную колбу. Поскольку эксперимент включает воздействие легковоспламеняющиеся газы к высоковольтной электрического разряда, это следует обратить особое внимание важные шаги, которые уменьшают риск взрыва. Общие процедуры, описанные в данной работе, могут быть экстраполированы для разработки и проведения широкого спектра эксперимента электрического разрядаы имитации примитивных планетную среду.
Introduction
Природа происхождения жизни на Земле остается одним из самых загадочных научных вопросов. В 1920 русский биолог Александр Опарин и британский эволюционный биолог и генетик Джон Холдейн предложил концепцию "первичного бульона" 1,2, описывая примитивные наземные океаны, содержащие органические соединения, которые, возможно, способствовали химической эволюции. Тем не менее, он не был до 1950 года, когда химики начали проводить целенаправленные лабораторные исследования, направленные на понимание того, как органические молекулы могли были синтезированы из простых исходных материалов на ранней Земле. Одним из первых докладов этой целью был синтез муравьиной кислоты при облучении водных СО 2 растворов в 1951 году 3.
В 1952 году Стэнли Миллер, тогда аспирант в Университете Чикаго, подошел Гарольд Юри о выполнении эксперимент, чтобы оценить возможность того, что органические соединенияважно для возникновения жизни, возможно, были сформированы abiologically на ранней Земле. Эксперимент проводился с использованием аппарата стекла по индивидуальному заказу (рис. 1А), предназначенный для имитации первобытной Земле. Эксперимент Миллера передразнил молнии под действием электрического разряда на смеси газов, представляющих раннюю атмосферу, в присутствии резервуара жидкой воды, что составляет ранние океаны. Устройство также смоделированы испарения и осадков с использованием нагревательной рубашкой и конденсатором, соответственно. Конкретные детали о аппарата Миллер, используемой можно найти в другом месте 4. После недели искрения, содержание в колбы заметно преобразился. Вода превратилась мутную, красноватый цвет 5 и желто-коричневый материал, накопленный на электродах 4. Эта инновационная работа считается первым преднамеренное, эффективный синтез биомолекул в смоделированных примитивных земных условиях. </р>
Рисунок 1. Сравнение между двумя типами устройств, рассмотренных в данной статье. Классический аппарат, используемый для первоначального Миллер-Юри эксперимента (А) и упрощенной установки, используемой в протоколе, изложенной здесь (В). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
После 1953 опубликования результатов от классического эксперимента Миллера, многочисленные вариации эксперимента искрового разряда, например, с помощью других газовых смесей, проводились для изучения правдоподобность получения органических соединений, важных для жизни при различных возможных досрочных земных условиях. Например, CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 S газовой смеси тестировали на его способность продуцировать кодированные серосодержащие α-аминокислот, хотя они не были обнаружены 6. Газовая хроматография-масс-спектрометрии (ГХ-МС) анализ CH 4 / NH 3 смеси, подвергнутой воздействию электрического разряда показали синтез α-аминонитрилы, которые амино предшественников кислот 7. В 1972 году, используя более простое устройство, впервые введенная Oro 8 (рис. 1В), Миллер и его коллеги продемонстрировали синтез все кодированные α-аминокислот 9 и небелковых аминокислот 10, которые были выявлены в метеорите Мерчисон на сегодняшний день, при условии CH 4, N 2, и небольшие количества NH 3 в электрическом разряде. Позже, с помощью этого же упрощенную опытно-конструкторских, газовые смеси, содержащие H 2 O, N 2 и СН 4, СО 2 или CO были вызваны к Стюйу выход цианистого водорода, формальдегида и аминокислот в зависимости от степени окисления атмосферного видов углерода 11.
В дополнение к исследованию альтернативных экспериментальных конструкций на протяжении многих лет, значительные аналитические достижения произошли с классическом эксперименте Миллера, который недавно автоматизированного более глубокие исследования электрического разряда экспериментальных образцов архивных Миллером, чем можно было бы способствовали методов Миллер имел доступ к в 1950-х. Вулканическая эксперимент Миллера 12, впервые сообщил в 1955 году 4, и 1958 Н 2 S-содержащие эксперимент 13 было показано, сформировали более широкое разнообразие и большие распространенность, многочисленных аминокислот и аминов, чем классический эксперимент, в том числе многие из которых, что ранее не определены в экспериментах искрового разряда.
Эксперимент, описанный в этой статье может быть проведено с использованиеммножество газовых смесей. Как правило, по крайней мере, такие эксперименты будут содержать С-подшипника газ, N-подшипник газ и воду. С некоторыми планирования, почти любой смесь газов могут быть изучены, однако, важно рассмотреть некоторые химические аспекты системы. Например, рН водной фазы может иметь существенное влияние на химию, что происходит там 14.
Описанный здесь метод был специально поручить исследователей, как вести экспериментах искрового разряда, которые напоминают эксперимент Миллера-Юри использованием упрощенной 3 л реакционного сосуда, как описано в Миллера 1972 публикаций 9,10. Поскольку этот эксперимент включает в себя высокого напряжения электрической дуги, действующую на горючих газов, крайне важно, чтобы удалить O 2 из реакционной колбы, чтобы устранить опасность взрыва, который может произойти при сгорании сокращения углеродсодержащих газов, таких как метан или окиси углерода, или реакция ое Н 2 с кислородом.
Есть дополнительные детали, которые следует иметь в виду, когда готовится к проведению эксперимента обсуждается здесь. Во-первых, всякий раз, когда работает со стеклянными вакуумными линиями и сжатых газов, существует ведет к опасности как имплозии и более-давление. Таким образом, защитные очки следует носить в любое время. Во-вторых, эксперимент обычно проводят при менее, чем атмосферное давление. Это сводит к минимуму риск чрезмерного давления на коллектор и реакционную колбу. Стеклянная посуда может быть оценено на уровне или выше атмосферного давления, однако, давление выше 1 атм не рекомендуется. Давление может увеличить в этих экспериментах в качестве нерастворимого в воде H 2 освобождается от восстановленных газов (например, СН 4 и NH 3). Чрезмерная давление может привести к утечке кольцо, которое может позволить атмосферное O 2 для входа в реакционную колбу, что делает возможным, чтобы вызвать сгорание, в результате чего взрыва. В-третьих,следует иметь в виду, что модификация этого протокола для проведения вариации эксперимента требует тщательного планирования, чтобы обеспечить небезопасные условия не создаются. В-четвертых, мы настоятельно рекомендуем, чтобы потенциальные экспериментатор прочитал всего протокола тщательно несколько раз, прежде чем пытаться этот эксперимент, чтобы убедиться, что он или она знакома с потенциальных ловушек и что все необходимое оборудование доступно и на месте. Наконец, проведение экспериментов по горючие газы требуют соблюдения санитарного состояния окружающей среды и труда ведомственных экспериментатора принимающей учреждения. Обратите внимание на эти рекомендации, прежде чем приступить любые эксперименты. Все шаги, подробно изложенные в протоколе здесь находятся в соответствии с принимающими ведомственным руководящим принципам авторов окружающей среды и безопасности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Многочисленные шаги в протокол, описанный здесь имеют решающее значение для проведения экспериментов типа Миллера-Юри безопасно и правильно. Во-первых, все изделия из стекла и погрузо-образец инструменты, которые вступают в контакт с реакционной колбе или образец должны быть стерилиз…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была совместной поддержке со стороны NSF и астробиологии NASA программы, под NSF Центра химической эволюции, CHE-1004570, и Годдарда Центра астробиологии. ЭТП хотел бы отметить дополнительное финансирование предусмотренных программой биологии стажировки НАСА Планетарного. Авторы также хотели бы поблагодарить д-ра Asiri Galhena за неоценимую помощь в создании начальные лабораторную базу.
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).
