Miller-Urey deneylerini
Summary
Miller-Urey deneyinin, yaşamın kökeni mümkün alaka ile organik bileşiklerin abiyotik sentezi konusunda öncü bir çalışma oldu. Basit gazlar, bir cam aygıt içine verilmekte ve ilkel dünyanın atmosferi-okyanus sisteminde yıldırım etkilerini taklit eden, bir elektrik deşarjı tabi tutuldu. Deney ondan toplanan numuneler yaşam kimyasal yapı taşları için analiz edildi, daha sonra, bir hafta boyunca gerçekleştirilmiştir.
Abstract
1953 yılında Stanley Miller, ilkel dünya atmosfer-okyanus sistemini simüle etmek için yapılmış bir aparat kullanılarak, basit gaz başlangıç malzemelerinden biyomoleküllerin üretimi bildirdi. Su aynı anda iken Miller, daha sonra bir hafta için bir elektrik deşarjı, geri akış altında, bu karışım tabi aygıt içine 200 ml su, 2 H, 100 mmHg, CH 4 200 mmHg ve NH 3 200 mmHg tanıtılan ısıtıldı. Bu yazının amacı, basitleştirilmiş 3 L reaksiyon şişesi kullanarak, Miller-Urey tip kıvılcım deşarj deney yapmak için kullanılan genel bir deneysel protokol ile okuyucuya sunmaktır. Deney bir yüksek gerilim elektrik deşarjı yanıcı gazlar açığa içerdiğinden, patlama riskini azaltmak önemli adımlar vurgulayarak değer. Bu çalışmada tarif edilen genel prosedürler elektrik deşarj deney geniş bir yelpazede tasarım ve yapmak için ekstrapole edilebilirilkel gezegen ortamlar simüle var.
Introduction
Yeryüzünde yaşamın kökeni doğası en anlaşılmaz bilimsel sorulardan biri olmaya devam etmektedir. 1920'lerde Rus biyolog Alexander Oparin ve İngiliz evrimci biyolog ve genetikçi John Haldane kimyasal evrimi kolaylaştırmış olabilir organik bileşikleri içeren ilkel karasal okyanusları anlatan, bir "ilkel çorba" 1,2 kavramını önerdi. Kimyagerler Dünya'nın erken dönemlerinde basit başlangıç maddelerinden sentezlenmiş olabileceğini nasıl organik moleküller anlamaya yönelik kasıtlı laboratuvar çalışmaları yürütmek başladı Ancak, 1950'lere kadar değildi. Bu amaçla ilk raporlar biri 1951 3 sulu CO2 çözeltilerin radyasyondan sonra formik asit sentezi oldu.
1952 yılında, Chicago Üniversitesi'nde daha sonra bir yüksek lisans öğrencisi Stanley Miller, olasılığını değerlendirmek için bir deney yapmayı Harold Urey yaklaştı organik bileşikleryaşamın kökeni için önemli erken Dünya'da abiologically oluşmuş olabilir. Deney ilkel dünyayı taklit etmek için tasarlanmış özel inşa cam aparatı (Şekil 1A) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Miller deneyi erken okyanuslar temsil eden, bir sıvı su deposu mevcudiyetinde, erken atmosfer temsil eden bir gaz karışımı bir elektrik deşarj hareketiyle yıldırım taklit. Cihaz, aynı zamanda, sırasıyla, bir ısıtma mantosu kullanımı ve bir kondansatör ile buharlaştırma ve çökeltme simüle edilmiştir. Miller kullanılan cihaz hakkında belirli ayrıntıları başka bir yerde 4 bulunabilir. Kıvılcım bir hafta sonra, şişeye içerikleri de gözle görülür bir şekilde dönüştürülmüştür. Su, bulanık, kırmızımsı bir renk 5 ve elektrotlar 4 üzerinde biriken Sarı-kahverengi bir malzeme döndü. Bu çığır açan çalışma taklit ilkel Dünya koşullarda biyomoleküllerin ilk kasıtlı, verimli sentezi olarak kabul edilir. </p>
Şekil 1. Bu yazıda tartışılan aparatlar iki tip arasında karşılaştırma. Orijinal Miller-Urey deneyinin (A) ve buradan (B) ana hatlarıyla protokolünde kullanılan basitleştirilmiş aygıtı için kullanılan klasik bir cihaz. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Miller klasik deneyde, kıvılcım deşarj deney sayısız varyasyonları, diğer gaz karışımları kullanarak, örneğin, olası erken Toprak çeşitli koşullar altında yaşam için önemli organik bileşiklerin üretilmesi inandırıcılığını keşfetmek için yapılmıştır sonuçlarının 1953 yayımlanmasından sonra. Örneğin, 4 CH </sub> / H 2 O / NH, bu 6 tespit edilmemiştir, ancak 2 S gaz karışımı, kodlanmış kükürt içeren α-amino asitleri üretmek yeteneği için test edilmiştir 3 / H. Bir elektrik deşarj tabi bir CH 4 / NH3 karışımının gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi (GC-MS) analizi, 7 amino asit öncüleri olan α-amino nitril, sentezini göstermektedir. 1972 yılında ilk oro 8 (Şekil 1 B) tarafından sunulan daha basit bir cihaz kullanılarak, Miller ve arkadaşları, bugüne kadar Murchison göktaşı tespit edilmiş olan kodlanmış α-amino asit 9 ve protein olmayan amino asitler 10 tüm sentezini göstermiştir bir elektrik deşarj CH 4, n'nin 2, 3, NH, küçük miktarlarda tabi tutulmasıyla. Daha sonra, bu aynı basitleştirilmiş bir deney tasarımı kullanılarak, 2 H, O içeren gaz karışımları, N 2 ve 4 CH, CO 2 ya da CO Stu yol açtı edildiatmosferik karbon türlerinin 11 oksidasyon durumunun bir fonksiyonu olarak, hidrojen siyanür, formaldehit, ve amino asitlerin verimini dy.
Yılda alternatif deneysel tasarımların araştırmaya ek olarak, önemli bir analitik gelişmeler son zamanlarda Miller tarafından arşivlenen elektrik deşarj Deney örneklerinin daha sondalama soruşturma destekli Miller klasik deneyde, beri meydana gelmiş, teknikleri kolaylaştırdı olurdu daha Miller erişimi vardı 1950'lerde. Miller volkanik ilk 1.955 4 bildirilen deney 12, ve bir 1958 H 2 S-ihtiva-eden deney 13 çok hangi de dahil olmak üzere, klasik bir deney daha çok sayıda amino asitler ve aminlerin daha geniş bir ve daha fazla zengindi, oluşmuş olduğu gösterildi Daha önce kıvılcım deşarj deneylerinde tespit olmasaydı.
Bu yazıda tarif edilen deney kullanılarak yapılabilirgaz karışımları çeşitli. Tipik olarak, en azından, örneğin deneyleri, C-taşıyıcı gaz, bir N-içeren gazlar, ve su içerir. Bazı planlama ile, gazların hemen hemen herhangi bir karışımı ancak, sistemin bazı kimyasal yönlerini dikkate almak önemlidir, keşfedilmeyi olabilir. Örneğin, sulu fazın pH'ı, orada 14 oluşur kimyası üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir.
Burada açıklanan yöntem Miller 1972 yayınlarında 9,10 tarif edildiği gibi, basitleştirilmiş bir 3 L tepkime kabı kullanılarak Miller-Urey deneyi benzer kıvılcım deşarj deneyler nasıl araştırmacılar talimat için özel olmuştur. Bu deneyde, yanıcı gazlar üzerine etki eden bir yüksek gerilim elektrik ark içerdiğinden, bu, örneğin metan veya karbon monoksit gibi düşük karbon taşıyan gazların yanması sırasında oluşabilir patlama riskini ortadan kaldırmak için, reaksiyon şişesinden O 2 çıkarmak için çok önemlidir veya reaksiyon ooksijen ile f H 2.
Burada tartışılan deney yapmaya hazırlanırken akılda tutulmalıdır ek ayrıntılar vardır. Cam vakum hatları ve basınçlı gazlar ile çalışan her Birincisi, orada bölünmesi hem doğasında tehlike var ve aşırı baskı. Nedenle, gözlük her zaman giyilmelidir. İkincisi, deney genellikle atmosfer basıncından daha düşük gerçekleştirilir. Bu manifoldu ve reaksiyon balon baskı aşırı riskini en aza indirir. Züccaciye ancak, 1 atm basınç yukarıda tavsiye edilmez, atmosfer basıncında ya da üstünde puan olabilir. Suda çözünmeyen H 2 (örneğin, 4 CH ve NH 3 gibi) azaltılmış gazlar serbest olduğu basınçlar, bu deneylerde artabilir. Aşırı baskı atmosferik O 2 mümkün bir patlamayla sonuçlanabilecek, yanma neden yapma, reaksiyon şişesi girmesine izin verebilirsiniz mühür sızıntı yol açabilir. Üçüncü olarak,bu deney varyasyonları yapmak için bu protokolün değişiklik güvensiz koşulları oluşturulan değildir sağlamak için dikkatli bir planlama gerektirir akılda olmalıdır. Dördüncü, son derece muhtemel deneyci dikkatle birkaç kez önceden o potansiyel tuzaklar ile tanıdık ve gerekli tüm donanım mevcuttur ve yerinde olduğundan emin olmak için, bu deney denemeden tüm protokol okumanızı tavsiye edilir. Son olarak, yanıcı gazlar içeren deneyleri yürütmek deneycinin ev sahibi kurumun Çevre Sağlığı ve Güvenliği bölüm kurallarına uyulmasını. Herhangi deneyler başlamadan önce bu önerileri dikkate alınız. Burada protokolde ayrıntılı tüm adımlar yazarların konak kurumsal Çevre Sağlığı ve Güvenliği kurallarına uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan protokol sayısız adımlar güvenli ve doğru Miller-Urey tip deneyler için kritik öneme sahiptir. İlk olarak, reaksiyon şişesine ya da numune ile temas edecek tüm cam ve numune alma araçları sterilize edilmesi gerekmektedir. Sterilizasyon iyice ultra-saf su (M 18.2 cm, <5 ppb TOC) ile, söz konusu ürün, durulama ve daha sonra önce en az 3 saat süreyle hava içinde 500 ° C sıcaklık tesiriyle için bir alüminyum folyo içinde sarılması ile elde edilir. Ekipman piroliz edilmiş ve …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma ortaklaşa Kimyasal Evrim, YÖK-1004570, ve Astrobiyoloji için Goddard Merkezi için NSF Merkezi altında, NSF ve NASA Astrobiyoloji Programı tarafından desteklenmiştir. ETP NASA Gezegensel Biyoloji Staj Programı tarafından sağlanan ek finansman kabul etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca ilk laboratuvar tesisleri kurma paha biçilmez yardım için Dr Asiri Galhena teşekkür etmek istiyorum.
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).
