Miller-Ureyev eksperiment

Miller-Ureyev eksperiment^[1] (ili Urey-Millerov eksperiment)^[2] bio je eksperiment koji je simulirao hipotetičke uvjete za koje se smatralo da su postojali na Zemlji u prvim fazama nastanka i provjeravali su mogućnost kemijskih početaka života. Ovaj eksperiment dokazao je hipotezu Aleksandra Oparina i J. B. S. Haldanea da su uvjeti na ranoj Zemlji omogućavali kemijske reakcije koje su sintetizirale organske spojeve od anorganskih. Ovaj su eksperiment 1952. godine izveli Stanley Miller i Harold Urey sa Sveučilišta u Chicagu,^[3] a njegove rezultate objavili su 1953. godine.^[4]^[5]^[6]

Eksperiment

U svom su eksperimentu Miller i Urey koristili vodu (H₂O), metan (CH₄), amonijak (NH₃) i vodik (H₂) u zatvorenom i steriliziranom sklopu, koji se sastojao od dvije zatvorene staklene posude povezane sustavom staklenih cijevi. U prvoj se posudi nalazila tekuća voda koja je grijanjem služila kao izvor vodene pare, dok se u drugoj nalazila navedena smjesa plinova i dvije elektrode. Električni luk stvoren od elektroda je simulirao munje u prvobitnoj atmosferi. Smjesa se potom hladila i voda se ponovo kondenzirala u prvoj posudi kako bi ponovo započela ciklus.

Nakon tjedan dana neprekidnog protoka vodene pare i plinova u nepromijenjenim uvjetima, Miller i Urey primijetili su da je 15%-20% ugljika iz metana formiralo organske spojeve, među njima i pojedine aminokiseline, osnovne sastavne dijelove bjelančevina. (vidi tablicu niže)

Ipak, mora se naglasiti, da su stvorene aminokiseline bile L ("lijevi") i D ("desni") optički izomeri u jednakim količinama. Takva distribucija nije karakteristična za makromolekule u živim bićima kakve danas poznajemo. Bjelančevine su u svim živim bićima danas sastavljene samo od L-aminokiselina. Sama proizvodnja oba optička izomera dala je sigurnost znanstvenicima da su spojevi posljedica same kemijske reakcije, a ne proizvod kontaminacije vanjskih živih organizama.^[4]

Rezultati

Od 59.000 mikromola (µmol = 1/1.000.000 mola) CH₄ koji su ušli u reakciju, dobiveno je:^[7]

Molekula	Kemijska formula	Proizvedeno (N° µmol)	Atomi C	Atomi C u µmol
Mravlja kiselina	$H-COOH$	2330	1	2330
Glicin *	$H_{2}N-CH_{2}-COOH$	630	2	1260
Glikolna kiselina	$HO-CH_{2}-COOH$	560	2	1120
Alanin *	$H_{3}C-CH(NH_{2})-COOH$	340	3	1020
Mliječna kiselina	$H_{3}C-CH(OH)-COOH$	310	3	930
ß-Alanin	$H_{2}N-CH_{2}-CH_{2}-COOH$	150	3	450
Octena kiselina	$H_{3}C-COOH$	150	2	300
Propionska kiselina	$H_{3}C-CH_{2}-COOH$	130	3	390
Iminodioctena kiselina	$HOOC-CH_{2}-NH-CH_{2}-COOH$	55	4	220
Diaminooctena kiselina	$H_{3}C-NH-CH_{2}-COOH$	50	3	150
a-amino-n-maslačna kiselina	$H_{3}C-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	50	4	200
a-hidroksi-n-maslačna kiselina	$H_{3}C-CH_{2}-CH(OH)-COOH$	50	4	200
Sukcinska kiselina (jantarna)	$HOOC-CH_{2}-CH_{2}-COOH$	40	4	160
Urea	$H_{2}N-CO-NH_{2}$	20	1	20
N-Metilurea	$H_{2}N-CO-NH-CH_{3}$	15	2	30
N-Metilalanin	$H_{3}C-CH(NH-CH_{3})-COOH$	10	4	40
Glutaminska kiselina *	$HOOC-CH_{2}-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	6	5	30
Asparaginska kiselina *	$HOOC-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	4	4	16
a-aminoizomaslačna kiselina	$H_{3}C-C(CH_{3})(NH_{2})-COOH$	1	4	4
		Ukupno: 4916		Ukupno: 8944

* = aminokiseline koje ulaze u sastav bjelančevina

Miller je tim eksperimentom dokazao da električna pražnjenja koja simuliraju ona atmosferska, u prisutnosti vode i plinova za koje se pretpostavljalo da su bili prisutni u prvobitoj atmosferi mogu proizvesti organske molekule, među njima i aminokiseline.

Neki su dokazi nagovijestili da je Zemljina prvobitna atmosfera mogla imati drugačiji sastav plinova od onih korištenih u Miller-Ureyevom eksperimentu. Postoje dokazi o velikim vulkanskim erupcijama prije četiri milijarde godina, koje bi mogle ispustiti ugljikov(IV) oksid, dušik, sumporovodik (H₂S) i sumporov dioksid (SO₂) u atmosferu. Miller je ponovio svoj eksperiment 1958. godine, ovaj put u izmijenjenim uvjetima dodavši sumporovodik (H₂S), plin koji se oslobađa kod vulkanskih reakcija.^[5]

Poslije Milerove smrti 2007. godine, Jeffrey Bada i suradnici koji su pronašli i ispitali konzervirane uzorke eksperimenta iz 1958. godine uspjeli su dokazati da su nastale 23 različite aminokiseline u odnosu na Millerov prvobitni eksperiment. Ovo je značajno više nego što je Miller prvobitno objavio i više od 20 koji se javljaju u živim bićima. U ponovljenom eksperimentu je dokazana i sinteza 7 organskih spojeva koji sadrže sumpor (S), među kojima je i metionin, koji ulazi u sastav bjelančevina.^[8]

Tijek kemijskih reakcija

Tijekom trajanja kemijske reakcije, Miller je sakupljao uzorke i otkrio da se koncentracija amonijaka i metana postupno smanjuje i da dolazi do nastanka cijanovodične kiseline, cijanogena i formaldehida:

\mathrm {CO_{2}\longrightarrow CO+[O]}

\mathrm {CH_{4}+2[O]\longrightarrow CH_{2}O+H_{2}O}

\mathrm {CO+NH_{3}\longrightarrow HCN+H_{2}O}

\mathrm {CH_{4}+NH_{3}\longrightarrow HCN+3H_{2}}

(Proces BMA)

Do sinteze aminokiselina dolazilo je kasnije uz postupno smanjivanje koncentracije aldehida i cijanovodične kiseline. Time je dokazano da su aminokiseline nastale kemijskom reakcijom poznatom kao Streckerova sinteza.

\mathrm {R{-}CHO+HCN+H_{2}O\longrightarrow H_{2}N{-}CHR{-}COOH}

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje aminokiselina.

\mathrm {R{-}CHO+HCN+2\ H_{2}O\longrightarrow HO{-}CHR{-}COOH+NH_{3}}

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje a-hidroksi-aminokiselina.

Izvori

↑ Hill HG, Nuth JA. 2003. The catalytic potential of cosmic dust: implications for prebiotic chemistry in the solar nebula and other protoplanetary systems. Astrobiology. svezak 3 (broj 2): str. 291.–304. doi:10.1089/153110703769016389. PMID 14577878
↑ Balm SP, Hare J.P., Kroto HW. 1991. The analysis of comet mass spectrometric data. Space Science Reviews. svezak 56: str. 185.–189. Bibcode:1991SSRv...56..185B. doi:10.1007/BF00178408CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑ Bada, Jeffrey L. 2000. Stanley Miller's 70th Birthday (PDF). Origins of Life and Evolution of the Biosphere. izdavač Kluwer Academic Publishers. Netherlands. svezak 30: str. 107.–112. doi:10.1023/A:1006746205180. Inačica izvorne stranice (PDF) arhivirana 27. veljače 2009. Pristupljeno 14. kolovoza 2011.
↑ ^a ^b Miller, Stanley L. Svibanj 1953. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF). Science. svezak 117 (3046): str. 528. doi:10.1126/science.117.3046.528. PMID 13056598
↑ ^a ^b Miller, Stanley L.; Urey, Harold C. Srpanj 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science. svezak 130 (3370): str. 245. doi:10.1126/science.130.3370.245. PMID 13668555 Miller states that he made "A more complete analysis of the products" in the 1953 experiment, listing additional results.
↑ A. Lazcano, J. L. Bada. Lipanj 2004. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. svezak 33 (3): str. 235.–242. doi:10.1023/A:1024807125069. PMID 14515862
↑ Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979.,svezak 9, str. 193.
↑ Parker ET, Bada JL. 21. ožujka 2011. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS,. doi:10.1073/pnas.1019191108CS1 održavanje: dodatna interpunkcija (link)

Vanjske poveznice

(engl.) A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions Arhivirana inačica izvorne stranice od 28. veljače 2008. (Wayback Machine) (autor: Stanley L. Miller, Science, br. 117., svibanj 15, 1953.)
(engl.) A simulation of the Miller–Urey Experiment along with a video Interview with Stanley Miller (autor: Scott Ellis iz CalSpace; UCSD)
(engl.) Origin-Of-Life Chemistry Revisited: Reanalysis of famous spark-discharge experiments reveals a richer collection of amino acids were formed
(engl.) Miller–Urey experiment explained Arhivirana inačica izvorne stranice od 21. kolovoza 2009. (Wayback Machine)

[1] Hill HG, Nuth JA. 2003. The catalytic potential of cosmic dust: implications for prebiotic chemistry in the solar nebula and other protoplanetary systems. Astrobiology. svezak 3 (broj 2): str. 291.–304. doi:10.1089/153110703769016389. PMID 14577878

[2] Balm SP, Hare J.P., Kroto HW. 1991. The analysis of comet mass spectrometric data. Space Science Reviews. svezak 56: str. 185.–189. Bibcode:1991SSRv...56..185B. doi:10.1007/BF00178408CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[3] Bada, Jeffrey L. 2000. Stanley Miller's 70th Birthday (PDF). Origins of Life and Evolution of the Biosphere. izdavač Kluwer Academic Publishers. Netherlands. svezak 30: str. 107.–112. doi:10.1023/A:1006746205180. Inačica izvorne stranice (PDF) arhivirana 27. veljače 2009. Pristupljeno 14. kolovoza 2011.

[miller-4] Miller, Stanley L. Svibanj 1953. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF). Science. svezak 117 (3046): str. 528. doi:10.1126/science.117.3046.528. PMID 13056598

[miller2-5] Miller, Stanley L.; Urey, Harold C. Srpanj 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science. svezak 130 (3370): str. 245. doi:10.1126/science.130.3370.245. PMID 13668555 Miller states that he made "A more complete analysis of the products" in the 1953 experiment, listing additional results.

[6] A. Lazcano, J. L. Bada. Lipanj 2004. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. svezak 33 (3): str. 235.–242. doi:10.1023/A:1024807125069. PMID 14515862

[7] Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979.,svezak 9, str. 193.

[8] Parker ET, Bada JL. 21. ožujka 2011. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS,. doi:10.1073/pnas.1019191108CS1 održavanje: dodatna interpunkcija (link)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]