La realización de experimentos de Miller-Urey
Summary
El experimento de Miller-Urey fue un estudio pionero en cuanto a la síntesis abiótica de compuestos orgánicos con posible relevancia para los orígenes de la vida. Gases simples se introdujeron en un aparato de vidrio y se sometieron a una descarga eléctrica, simulando los efectos de un rayo en el sistema atmósfera-océano primordial de la Tierra. El experimento se llevó a cabo durante una semana, después de lo cual, se analizaron las muestras tomadas de la misma para los componentes químicos de la vida.
Abstract
En 1953, Stanley Miller reportó la producción de biomoléculas a partir de materiales de partida gaseosos simples, utilizando un aparato construido para simular el sistema atmósfera-océano primordial de la Tierra. Miller introdujo 200 ml de agua, 100 mm Hg de H 2, 200 mm Hg de CH 4, y 200 mmHg de NH 3 en el aparato, después se sometió esta mezcla, bajo reflujo, a una descarga eléctrica durante una semana, mientras que el agua era simultáneamente climatizada. El propósito de este manuscrito es proporcionar al lector un protocolo experimental general que puede ser utilizado para llevar a cabo un tipo de Miller-Urey experimento descarga de chispa, usando un matraz de reacción de 3 L simplificada. Dado que el experimento consiste en exponer los gases inflamables a una descarga eléctrica de alto voltaje, hay que destacar importantes medidas que reducen el riesgo de explosión. Los procedimientos generales descritos en este trabajo se pueden extrapolar a diseñar y llevar a cabo una amplia variedad de experimentos de descarga eléctricas simulando ambientes planetarios primitivos.
Introduction
La naturaleza de los orígenes de la vida en la Tierra sigue siendo una de las cuestiones científicas más inescrutables. En la década de 1920 el biólogo ruso Alexander Oparin y British evolutiva biólogo y genetista John Haldane propusieron el concepto de una "sopa primordial" 1,2, describiendo los océanos terrestres primitivas que contienen compuestos orgánicos que puedan haber facilitado la evolución química. Sin embargo, no fue hasta la década de 1950 cuando los químicos comenzaron a realizar estudios de laboratorio deliberadas dirigidas a la comprensión de cómo las moléculas orgánicas podrían haberse sintetizado a partir de materiales de partida simples en la Tierra primitiva. Uno de los primeros informes con este fin fue la síntesis del ácido fórmico a partir de la irradiación de soluciones acuosas de CO 2 en 1951 3.
En 1952, Stanley Miller, entonces un estudiante graduado en la Universidad de Chicago, Harold Urey acercó haciendo un experimento para evaluar la posibilidad de que los compuestos orgánicosimportante para el origen de la vida pudo haber sido formado abiologically en la Tierra primitiva. El experimento se llevó a cabo utilizando un aparato de vidrio hecha a la medida (Figura 1A) diseñado para simular la Tierra primitiva. El experimento de Miller imitaba un rayo por la acción de una descarga eléctrica en una mezcla de gases que representan a la atmósfera primitiva, en presencia de un depósito de agua en estado líquido, en representación de los océanos primitivos. El aparato también simula la evaporación y la precipitación a través del uso de una manta de calefacción y un condensador, respectivamente. Detalles específicos sobre el aparato de Miller utiliza se pueden encontrar en otros lugares 4. Después de una semana de la formación de chispas, el contenido en el matraz se transforman visiblemente. El agua se volvió un color rojizo turbio 5 y el material de color amarillo-marrón acumulada en los electrodos 4. Este innovador trabajo es considerado como la primera síntesis deliberada y eficiente de biomoléculas en condiciones de la Tierra primitiva simulados. </p>
Figura 1. La comparación entre los dos tipos de aparatos discutidos en este documento. El aparato clásico usado para el experimento de Miller-Urey original (A) y el aparato simplificado utilizado en el protocolo descrito aquí (B). Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
Después de la publicación 1953 de los resultados de experimento clásico de Miller, numerosas variaciones del experimento descarga de chispa, por ejemplo el uso de otras mezclas de gases, se llevaron a cabo para explorar la plausibilidad de la producción de compuestos orgánicos importantes para la vida bajo una variedad de condiciones posibles principios de la Tierra. Por ejemplo, un CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 S mezcla de gas fue probado por su capacidad para producir los ácidos α-amino que contienen azufre codificados, aunque estos no se detectaron 6. Cromatografía de gas-espectrometría de masa (GC-MS) análisis de un CH 4 / NH mezcla 3 se somete a una descarga eléctrica mostró la síntesis de α-aminonitrilos, que se precursores de ácido 7 amino. En 1972, el uso de un aparato sencillo, primero introducido por Oró 8 (Figura 1B), Miller y sus colegas demostraron la síntesis de todos los ácidos α-amino codificados 9 y aminoácidos no proteicos 10 que habían sido identificados en el meteorito Murchison hasta la fecha, sometiendo CH 4, N 2, y pequeñas cantidades de NH 3 a una descarga eléctrica. Más tarde, con este mismo diseño experimental simplificado, mezclas de gases que contienen H 2 O, N 2 y CH 4, CO 2 o CO fueron provocados para estudiantesdy el rendimiento de cianuro de hidrógeno, formaldehído, y aminoácidos como una función del estado de oxidación de las especies de carbono en la atmósfera 11.
Además de la exploración de diseños experimentales alternativos en los últimos años, los avances analíticos significativos han ocurrido desde experimento clásico de Miller, que recientemente ayudó a investigaciones más de sondeo de muestras experimentales de descarga eléctrica archivados por Miller, que se hubiera facilitado por las técnicas Miller tenía acceso a en la década de 1950. El experimento de Miller volcánica 12, por primera vez en 1955 4, y un 1958 de H 2 S que contienen experimento 13 se demostró que han formado una variedad más amplia y mayor abundancia, de numerosos aminoácidos y aminas que el experimento clásico, incluyendo muchos de los cuales que no habían sido identificados previamente en experimentos de descarga de chispa.
El experimento descrito en este documento puede llevarse a cabo utilizandouna variedad de mezclas de gases. Típicamente, por lo menos, tales experimentos contendrán un gas de soporte de C, un gas N-cojinete, y agua. Con un poco de planificación, casi cualquier mezcla de gases puede ser explorado, sin embargo, es importante tener en cuenta algunos aspectos químicos del sistema. Por ejemplo, el pH de la fase acuosa puede tener un impacto significativo en la química que se produce allí 14.
El método descrito aquí se ha adaptado para instruir a los investigadores cómo llevar a cabo experimentos de descarga de chispa que se asemejan al experimento de Miller-Urey usando un recipiente de reacción 3 L simplificada, como se describe en las publicaciones de 1972 Miller 9,10. Desde este experimento consiste en un arco eléctrico de alta tensión que actúa sobre los gases inflamables, es crucial para eliminar O 2 del matraz de reacción para eliminar el riesgo de explosión, que puede ocurrir tras la combustión de los gases que contienen carbono reducidas tales como metano o monóxido de carbono, o o reacciónf H 2 con oxígeno.
Hay detalles adicionales que deben tenerse en cuenta cuando se prepara para realizar el experimento discutido aquí. En primer lugar, cuando el trabajo con líneas de vacío de vidrio y gases a presión, existe el peligro inherente tanto de implosión y el exceso de presionar. Por lo tanto, las gafas de seguridad deben ser usados en todo momento. En segundo lugar, el experimento se realiza típicamente a una presión inferior a la atmosférica. Esto minimiza el riesgo de sobre-presión sobre el colector y matraz de reacción. Cristalería puede estar clasificado en o por encima de la presión atmosférica, sin embargo, no se recomiendan presiones superiores a 1 atm. Las presiones pueden aumentar en estos experimentos como insoluble en agua H 2 se libera de gases reducidos (como el CH 4 y NH 3). El exceso de presionar puede conducir a la fuga por el sello, que puede permitir que la atmósfera de O 2 para entrar en el matraz de reacción, por lo que es posible para inducir la combustión, dando como resultado una explosión. En tercer lugar,hay que tener en cuenta que la modificación de este protocolo para llevar a cabo las variaciones del experimento requiere una planificación cuidadosa para garantizar condiciones de inseguridad no se crean. En cuarto lugar, es muy recomendable que el experimentador prospectivo leer a través de todo el protocolo cuidadosamente varias veces antes de intentar este experimento para asegurarse de que él o ella está familiarizado con los peligros potenciales y que todo el hardware necesario está disponible y en su lugar. Por último, la realización de experimentos que involucran gases combustibles requieren el cumplimiento de Salud y Seguridad Ambiental directrices departamentales de la institución anfitriona del experimentador. Tenga en cuenta estas recomendaciones antes de proceder con cualquier experimento. Todos los pasos que se detallan en el protocolo que aquí están en conformidad con las directrices del centro de acogida de Salud y Seguridad Ambiental de los autores.
Protocol
Representative Results
Discussion
Numerosos pasos en el protocolo descrito aquí son fundamentales para la realización de experimentos de tipo Miller-Urey forma segura y correcta. En primer lugar, todas las herramientas de cristalería y de manipulación de muestras que entrarán en contacto con el matraz de reacción o de la muestra deben ser esterilizados. La esterilización se consigue de aclarar a fondo los artículos en cuestión con agua ultrapura (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC) y luego envolver en papel de aluminio, antes de la pirólisis de a 500 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta obra fue financiada en forma conjunta por el Programa de Astrobiología de la NASA NSF y, bajo el Centro NSF para la evolución química, CHE-1004570, y el Centro Goddard de Astrobiología. ETP desea agradecer la financiación adicional proporcionada por el Programa de Prácticas de Biología Planetaria de la NASA. Los autores también desean agradecer al Dr. Asiri Galhena de inestimable ayuda en el establecimiento de las instalaciones iniciales de laboratorio.
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).
