Dirigering Miller-ureY Experiment
Summary
Miller-Urey experiment var en banbrytande studie om abiotisk syntes av organiska föreningar med möjlig relevans för livets uppkomst. Enkla gaser infördes i en glasapparat och utsätts för en elektrisk urladdning, simulera effekterna av blixtnedslag i den ursprungliga jordens atmosfär-ocean-systemet. Experimentet utfördes under en vecka, varefter de prover som tagits från den analyserades beträffande de kemiska byggstenarna i livet.
Abstract
År 1953, Stanley Miller rapporterade produktion av biomolekyler från enkla gasformiga utgångsmaterial, med hjälp av en apparat konstruerad för att simulera den ursprungliga jordens atmosfär-ocean-systemet. Miller infördes 200 ml vatten, 100 mm Hg H 2, 200 mm Hg för CH 4 och 200 mmHg för NH 3 in i apparaten, underkastas sedan denna blandning, under återloppskokning, till en elektrisk urladdning i en vecka, under det att vattnet var samtidigt uppvärmd. Syftet med detta manuskript är att ge läsaren en allmän försöksprotokoll som kan användas för att genomföra en Miller-Urey typ gnisturladdning experiment, med användning av en förenklad 3 L reaktionskolv. Eftersom försöket är att exponera brännbara gaser till en hög spänning elektrisk urladdning, är det värt att lyfta fram viktiga steg som minskar risken för explosion. De allmänna förfaranden som beskrivs i detta arbete kan extrapoleras för att utforma och genomföra en mängd olika elektriska urladdning experiments simulera primitiva planet miljöer.
Introduction
Karaktären på livets uppkomst på jorden är fortfarande en av de mest outgrundliga vetenskapliga frågor. På 1920-talet ryska biologen Alexander Oparin och brittisk evolutionsbiolog och genetiker John Haldane föreslog begreppet "ursoppa" 1,2, som beskriver de primitiva mark haven som innehåller organiska föreningar som kan ha underlättat kemisk utveckling. Det var dock inte förrän på 1950-talet, när kemisterna började bedriva avsiktliga laboratoriestudier som syftar till att förstå hur organiska molekyler skulle kunna ha syntetiserats från enkla utgångsmaterial på den tidiga Jorden. En av de första rapporterna till denna ände var syntesen av myrsyra från bestrålningen av vattenhaltiga CO 2 lösningar i 1951 3.
År 1952, Stanley Miller, då en doktorand vid University of Chicago, närmade Harold Urey om att göra ett experiment för att utvärdera möjligheten att organiska föreningarviktigt för livets ursprung kan ha bildats abiologically på den tidiga Jorden. Experimentet utfördes med hjälp av en specialbyggd glasapparat (Figur 1A) för att simulera den primitiva jorden. Millers experiment härmas blixtar genom inverkan av en elektrisk urladdning på en blandning av gaser, som representerar den tidiga atmosfär, i närvaro av en reservoar för flytande vatten, som representerar tidiga haven. Anordningen simuleras också indunstning och utfällning med hjälp av en värmemantel och en kondensor, respektive. Specifika detaljer om apparaten Miller används kan hittas någon annanstans 4. Efter en vecka för gnistbildning, var innehållet i kolven synligt förvandlas. Vattnet vände en grumlig, rödaktig färg 5 och gulbrun material samlats på elektroderna 4. Detta banbrytande arbete anses vara den första avsiktliga, effektiv syntes av biomolekyler under simulerade primitiva jordförhållanden. </p>
Figur 1. Jämförelse mellan de två typerna av apparater som diskuteras i denna uppsats. Den klassiska apparat som används för det ursprungliga Miller-Urey experiment (A) och det förenklade apparat som används i det protokoll som beskrivs här (B). Klicka här för att visa en större bild .
Efter 1953 publicering av resultaten av Millers klassiskt experiment, många varianter av gnisturladdning experimentet, t ex med användning av andra gasblandningar, utfördes för att undersöka rimligheten i att producera organiska föreningar som är viktiga för att leva under en rad möjliga tidiga jordförhållanden. Till exempel, en CH-4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 S gasblandning testades med avseende på dess förmåga att producera de kodade svavelhaltiga α-aminosyror, även om dessa inte detekterades 6. Gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS) analys av en CH 4 / NH 3 utsattes blandningen för en elektrisk urladdning visade syntesen av α-aminonitriler, vilka aminosyraprekursorer 7. År 1972, med hjälp av en enklare apparat, först introducerades av Oro 8 (Figur 1B), Miller och kollegor visade syntesen av alla de kodade α-aminosyror 9 och icke-protein aminosyror 10 som hade identifierats i Murchison meteorit hittills, genom att utsätta CH 4, N 2, och små mängder av NH3 till en elektrisk urladdning. Senare, genom att använda denna samma förenklade experimentell design, gasblandningar innehållande H2O, N2 och CH 4, CO 2 eller CO utlöstes till STUdy utbytet av vätecyanid, formaldehyd och aminosyror som en funktion av oxidationstillståndet för atmosfäriskt kol arter 11.
Förutom utforskning av alternativa experimentell design genom åren, har betydande analytiska framsteg skett sedan Millers klassiska experiment, som nyligen hjälpt mer prob undersökningar av elektriska urladdnings experimentella prover arkiveras av Miller, än vad som skulle ha underlättats av de tekniker Miller hade tillgång till på 1950-talet. Millers vulkaniska experiment 12, rapporterades första gången 1955 4, och en 1958 H 2 S-innehållande experiment 13 visade sig ha bildat ett bredare utbud och större förekomster, för många aminosyror och aminer än den klassiska experiment, inklusive många av vilka som hade inte tidigare identifierats i experiment gnista ansvarsfrihet.
Det experiment som beskrivits i detta dokument kan utföras med användningen mängd olika gasblandningar. Typiskt, åtminstone, kommer sådana experiment innehålla en C-bärande gas, en N-bärande gas och vatten. Med lite planering, kan nästan varje blandning av gaser som skall undersökas, är det emellertid viktigt att beakta vissa kemiska aspekter av systemet. Till exempel kan pH-värdet hos den vattenhaltiga fasen har en betydande inverkan på kemin som uppstår där 14.
Den metod som beskrivs här har skräddarsytts för att instruera forskarna hur man kan bedriva gnista urladdningsexperiment som liknar Miller-Urey experiment med hjälp av en förenklad 3 L reaktionskärl, som beskrivs i Millers 1972 publikationer 9,10. Eftersom detta experiment involverar en hög spänning elektrisk ljusbåge som verkar på lättantändliga gaser, är det viktigt att avlägsna O 2 från reaktionskolven för att eliminera risken för explosion, som kan uppstå vid förbränning av reducerade kolhaltiga gaser, såsom metan eller kolmonoxid, eller reaktion ofH 2 med syre.
Det finns ytterligare detaljer som bör hållas i åtanke när man förbereder sig för att genomföra experimentet diskuteras här. Först, när du arbetar med glasvakuumledningar och trycksatta gaser, finns det en inneboende risk för både implosion och över-påtryckningar. Därför måste skyddsglasögon bäras vid alla tillfällen. För det andra försöket typiskt mindre än atmosfärstryck. Detta minimerar risken för över pressa grenröret och reaktionskolven. Glas kan vara klassad vid eller över atmosfärstryck, dock vid tryck över 1 atm rekommenderas inte. Trycken kan öka i dessa experiment som vattenolösliga H 2 frigöres från reducerade gaser (t.ex. CH 4 och NH 3). Över pressuring kan leda till tätningsläckage, som kan tillåta atmosfärs O 2 att komma in i reaktionskolven, vilket gör det möjligt att inducera förbränning, vilket resulterar i en explosion. För det tredje,bör man komma ihåg att ändringar av detta protokoll för att genomföra varianter av experimentet kräver noggrann planering för att se till osäkra förhållanden skapas inte. För det fjärde är det starkt rekommenderat att den presumtive försöks läsa igenom hela protokollet försiktigt flera gånger innan du försöker detta experiment för att vara säker på att han eller hon är förtrogen med potentiella fallgropar och att all nödvändig hårdvara finns tillgänglig och på plats. Slutligen genomför försök med brännbara gaser kräva att försöksvärdinstitutets Environmental Health and Safety avdelnings riktlinjer. Följ dessa rekommendationer innan du fortsätter med några experiment. Alla steg som beskrivs i protokollet här är i överensstämmelse med författarnas värd institutionella miljö hälsa och säkerhet riktlinjer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Många steg i det protokoll som beskrivs här är avgörande för att genomföra typ experiment Miller-Urey säkert och korrekt sätt. Det första är alla glasvaror och provhanteringsverktyg som kommer att komma i kontakt med reaktionskolven eller prov måste steriliseras. Sterilisering uppnås genom noggrant skölja produkterna i fråga med ultrarent vatten (18,2 Mohm cm, <5 ppb TOC) och sedan slå in dem i aluminiumfolie innan pyrolys vid 500 ° C i luft under minst 3 timmar. När utrustningen har pyrolyse och sam…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete gemensamt stöd från NSF och NASA Astrobiology Program, enligt NSF Centrum för kemisk evolution, CHE-1004570, och Goddard Center for Astrobiology. ETP vill tacka för ytterligare finansiering från NASA Planetary Biology Praktikprogram. Författarna vill också tacka Dr Asiri Galhena för ovärderlig hjälp med att installera de inledande laboratorielokaler.
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).
