Condurre esperimenti Miller-Urey
Summary
L'esperimento di Miller-Urey è stato uno studio pionieristico per quanto riguarda la sintesi abiotica di composti organici con possibile rilevanza alle origini della vita. Gas semplici sono stati introdotti in un apparecchio di vetro e sottoposti ad una scarica elettrica, simulando gli effetti del fulmine nel sistema atmosfera-oceano primordiale della Terra. L'esperimento è stato condotto per una settimana, dopo di che, i campioni raccolti da esso sono stati analizzati per i mattoni chimica della vita.
Abstract
Nel 1953, Stanley Miller ha riferito la produzione di biomolecole da semplici materiali di partenza gassosi, utilizzando un apparato costruito per simulare il sistema atmosfera-oceano primordiale della Terra. Miller introdotto 200 ml di acqua, 100 mmHg di H 2, 200 mmHg di CH 4 e 200 mmHg di NH 3 nell'apparecchio, poi sottoposto questa miscela, a riflusso, ad una scarica elettrica per una settimana, mentre l'acqua era simultaneamente riscaldata. Lo scopo di questo manoscritto è di fornire al lettore un protocollo sperimentale generale che può essere utilizzato per condurre un esperimento scintilla di scarico tipo Miller-Urey, utilizzando un pallone di reazione 3 L semplificata. Poiché l'esperimento consiste nell'esporre gas infiammabili ad una scarica elettrica ad alta tensione, vale la pena evidenziare passi importanti che riducono il rischio di esplosione. Le procedure generali descritte in questo lavoro possono essere estrapolati per progettare e condurre una grande varietà di esperimento scarica elettricas simulando ambienti planetari primitivi.
Introduction
La natura delle origini della vita sulla Terra rimane una delle questioni scientifiche più imperscrutabili. Nel 1920 il biologo russo Alexander Oparin e britannici evolutiva biologo e genetista John Haldane ha proposto il concetto di "brodo primordiale" 1,2, descrivendo gli oceani terrestri primitive contenenti composti organici che possono aver facilitato l'evoluzione chimica. Tuttavia, non è stato fino al 1950 quando i chimici cominciarono a condurre studi di laboratorio deliberatamente volti a comprendere come le molecole organiche avrebbero potuto essere sintetizzato da semplici materiali di partenza sulla Terra primitiva. Uno dei primi rapporti a tal fine è stata la sintesi di acido formico dalla irradiazione di soluzioni acquose di CO 2 nel 1951 3.
Nel 1952, Stanley Miller, allora studente laureato presso l'Università di Chicago, si avvicinò Harold Urey di fare un esperimento per valutare la possibilità che i composti organiciimportante per l'origine della vita potrebbero essere stati formati abiologicamente sulla Terra primitiva. L'esperimento è stato condotto utilizzando un apparato di vetro su misura (Figura 1A) progettato per simulare Terra primitiva. L'esperimento di Miller imitato fulmine dall'azione di una scarica elettrica su una miscela di gas che rappresentano l'atmosfera primordiale, in presenza di un serbatoio di acqua liquida, che rappresenta i primi oceani. L'apparecchio anche simulato evaporazione e precipitazione mediante l'utilizzo di un mantello riscaldante e di un condensatore, rispettivamente. I dettagli specifici circa l'apparato Miller utilizzato può essere trovato altrove 4. Dopo una settimana di scintille, il contenuto del pallone erano visibilmente trasformati. L'acqua trasformato una torbida, colore rossastro 5 e il materiale giallo-marrone accumulata sugli elettrodi 4. Questo lavoro pionieristico è considerato il primo intenzionale, efficace sintesi di biomolecole in condizioni simulate primitive della Terra. </p>
Figura 1. Confronto tra i due tipi di apparecchi descritti in questo documento. Apparecchiatura classico utilizzato per l'esperimento originale Miller-Urey (A) e l'apparato semplificato utilizzato nel protocollo qui descritto (B). Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Dopo la pubblicazione di 1953 risultati classico esperimento di Miller, numerose varianti dell'esperimento scintilla di scarico, ad esempio utilizzando altre miscele di gas, sono stati eseguiti per esplorare la plausibilità di produrre composti organici importanti per la vita sotto una varietà di possibili condizioni iniziali Terra. Ad esempio, un CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 S miscela di gas è stato testato per la sua capacità di produrre gli acidi α-ammino contenenti zolfo codificati, anche se questi non sono stati rilevati 6. Cromatografia-spettrometria di massa di gas (GC-MS) analisi di un CH 4 / NH 3 miscela sottoposta ad una scarica elettrica ha mostrato la sintesi di α-aminonitriles, che sono precursori di acido ammino 7. Nel 1972, utilizzando un apparecchio semplice, introdotto da Oró 8 (Figura 1B), Miller e colleghi hanno dimostrato la sintesi di tutti gli acidi α-amminoacidi codificati 9 e amminoacidi non proteici 10 che erano stati identificati nel meteorite Murchison ad oggi, sottoponendo CH 4, N 2, e piccole quantità di NH 3 ad una scarica elettrica. In seguito, utilizzando lo stesso disegno sperimentale semplificato, miscele di gas contenenti H 2 O, N 2 e CH 4, CO 2, CO o sono stati scatenato per studentidy la resa di acido cianidrico, formaldeide, e amminoacidi in funzione dello stato di ossidazione di specie carbonio atmosferico 11.
Oltre all'esplorazione di disegni sperimentali alternativi nel corso degli anni, si sono verificati significativi progressi analitici dal classico esperimento di Miller, che ha recentemente aiutato indagini più di sondaggio di scarica elettrica campioni sperimentali archiviati da Miller, che sarebbe stato facilitato dalle tecniche Miller ha avuto accesso ad nel 1950. L'esperimento di Miller vulcanica 12, prima riportato nel 1955 4, e del 1958 H 2 S-contenenti esperimento 13 hanno mostrato di avere formato una varietà più ampia e maggiori abbondanze, di numerosi amminoacidi e ammine rispetto al classico esperimento, compresi molti dei quali che non erano stati precedentemente identificato in esperimenti di scarico scintilla.
L'esperimento descritto in questo documento può essere condotta utilizzandouna varietà di miscele di gas. Tipicamente, per lo meno, tali esperimenti contenere un gas C-cuscinetto, un gas N-cuscinetto, e acqua. Con una pianificazione, quasi qualsiasi miscela di gas può essere esplorato, tuttavia, è importante considerare alcuni aspetti chimici del sistema. Ad esempio, il pH della fase acquosa può avere un impatto significativo sulla chimica che avviene lì 14.
Il metodo qui descritto è stato adattato per istruire i ricercatori come condurre esperimenti di scarico scintilla che ricordano l'esperimento di Miller-Urey usando un recipiente di reazione 3 L semplificata, come descritto di Miller 1972 pubblicazioni 9,10. Da questo esperimento comporta un arco elettrico ad alta tensione che agisce sul gas infiammabili, è fondamentale per rimuovere O 2 dal pallone di reazione per eliminare il rischio di esplosione, che può verificarsi nella combustione di ridotte gas contenente carbonio quali metano o monossido di carbonio, o la reazione of H 2 con ossigeno.
Ci sono ulteriori dettagli che dovrebbero essere tenuti a mente quando si prepara a condurre l'esperimento discusso qui. In primo luogo, quando si lavora con le linee di vuoto di vetro e gas sotto pressione, esiste il pericolo insito sia di implosione e sovra-pressioni. Pertanto, occhiali di sicurezza devono essere indossati in ogni momento. Secondo luogo, l'esperimento è tipicamente effettuato a meno di pressione atmosferica. Ciò minimizza il rischio di sovra-pressione del collettore e pallone di reazione. Cristalleria può essere valutato pari o superiore alla pressione atmosferica, tuttavia, pressioni superiori a 1 atm non sono raccomandati. Pressioni possono aumentare in questi esperimenti come insolubile in acqua H 2 è liberato dai gas ridotte (come CH 4 e NH 3). Over-pressione può portare a perdite di tenuta, che può permettere O 2 atmosferico per entrare nel recipiente di reazione, rendendo possibile indurre combustione, con conseguente esplosione. In terzo luogo,occorre ricordare che la modifica di questo protocollo per condurre variazioni del esperimento richiede un'attenta pianificazione per garantire condizioni sicure non vengono creati. In quarto luogo, si raccomanda vivamente che il futuro sperimentatore leggere attraverso l'intero protocollo di cura più volte prima di tentare questo esperimento per essere sicuro che lui o lei ha familiarità con potenziali insidie e che tutto l'hardware necessario è disponibile e in atto. Infine, gli esperimenti che effettuano coinvolgono gas combustibili prevedono il rispetto di salute ambientale e sicurezza le linee guida dipartimentali dell'istituzione ospitante dello sperimentatore. Osservare queste raccomandazioni prima di procedere con eventuali esperimenti. Tutti i passi descritti nel protocollo qui sono in conformità con le linee guida di accoglienza Salute ambientali e di sicurezza istituzionali degli autori.
Protocol
Representative Results
Discussion
Numerosi passi nel protocollo qui descritto sono fondamentali per lo svolgimento di Miller-Urey tipo di esperimenti in modo sicuro e corretto. In primo luogo, tutti gli strumenti di vetro e di manipolazione dei campioni che entrano a contatto con il pallone di reazione o campione devono essere sterilizzati. La sterilizzazione si ottiene sciacquarle accuratamente i prodotti in questione con acqua ultrapura (18,2 mW cm, <5 ppb TOC) e poi avvolgendoli in carta stagnola, prima di pirolisi a 500 ° C in aria per almeno 3 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto congiuntamente dalla NSF e NASA Astrobiology Programma, nell'ambito del Centro NSF per Chimica Evolution, CHE-1004570, e il Centro Goddard di Astrobiologia. ETP desidera ringraziare finanziamento supplementare fornito dal Programma di Biologia Tirocinio NASA Planetary. Gli autori desiderano inoltre ringraziare il dottor Asiri Galhena per il prezioso aiuto nella creazione delle strutture di laboratorio iniziali.
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 |
References
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