Miller–Ureyev poskus

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
(Preusmerjeno s strani Miller–Ureyev eksperiment)
Jump to navigation Jump to search
Slikovni prikaz Miller–Ureyevega poskusa

Miller–Ureyev poskus ali Miller–Ureyev eksperiment[1][2] je bil poskus, s pomočjo katerega so simulirali razmere, ki naj bi na vladale na zgodnji Zemlji, in ob tem testirali kemijski izvor življenja. Eksperiment se je v svoji osnovi opiral na hipotezo Alexandra Oparina in J. B. S. Haldana, ki sta predpostavila, da so bile na primitivni Zemlji v prednosti tiste kemijske reakcije, ki so omogočale sintezo kompleksnejših organskih molekul iz enostavnejših anorganskih predhodnikov (prekurzorjev). Poskus, ki velja za klasični eksperiment preiskovanja abiogenetskega nastanka življenja (abiogeneze), je leta 1952 izvedel Stanley Miller, čigar mentor je bil Harold Urey iz Univerze v Chicagu, skupaj sta ga objavila leto kasneje.[3][4][5]

Po Millerjevi smrti leta 2007 so strokovnjaki ponovno preučili shranjene steklenice iz originalnega eksperimenta in ob tem pokazali, da je bilo v vsebini več kot 20 različnih aminokislin, kar je precej več, kot je Miller trdil v raziskovalnem članku, in hkrati več kot tipičnih 20 aminokislin, ki se naravno pojavljajo v genetskem kodu.[6] Novejši podatki kažejo, da naj bi se prvotna Zemljina atmosfera razlikovala od tiste, ki jo je Miller uporabil v svojem poskusu, še vedno pa naj bi takšne razmere omogočale nastanek kompleksnih molekul iz enostavnejših.[7]

Opis poskusa[uredi | uredi kodo]

Videoposnetek, ki prikazuje potek poskusa.

Pri eksperimentu so bili uporabljeni voda (H2O), metan (CH4), amonijak (NH3) in vodik (H2). Kemikalije so bile neprodušno zaprte v sterilni 5-litrski steklenici, ki je bila povezana s 500-mililitersko steklenico, do polovice napolnjeno z vodo. Vodo je nato Miller segreval, da bi vzpodbudil izhlapevanje (evaporacijo), vodni hlapi, ki so ob tem nastali, pa so imeli možnost prehajanja v večjo steklenico. Med elektrodama so se nenehno prožile električne iskre, ki so simulirale nevihtne bliske primitivne Zemljine atmosfere. Zatem je bila ta simulacija prvinske atmosfere vnovič ohlajena, pri čemer je prišlo do kondenzacije vode in njenega prehajanja v stekleno cev oblike črke U, ki se je nahajala na spodnjem delu celotne aparature.[3]

Po enem dnevu se je raztopina obarvala rožnato, po enem tednu pa je spremenila svojo barvo v rdečo in postala na pogled motna. Steklenica, v kateri je bila prvotno voda, je bila nato odstranjena, dodan je bil merkurijev klorid, da ni prišlo do kontaminacije z mikroorganizmi. Ob dodatku barijevega hidroksida in žveplove kisline se je kemijska reakcija prekinila. S pomočjo papirne kromatografije je Miller v raztopini prepoznal pet različnih aminokislin: prisotnost glicina, α-alanina in β-alanina je bila potrjena, v nastali snovi pa naj bi bili tudi asparaginska kislina in α-aminomaslena kislina, četudi njuna zastopanost zaradi komaj zaznavne reakcije na kromatografskem papirju ni bila tako gotova.[3]

Spodaj je prikaz aminokislin, ki so nastale v originalni različici Miller–Ureyevega poskusa. Aminokisline so razvrščene glede na proteinogenost; proteinogene aminokisline so tiste, ki sodelujejo v biosintezi beljakovin.[8]

Aminokislina Miller–Urey
(1952)
Proteinogena
Glicin Da da
α-Alanin Da da
β-Alanin Da ne
Asparaginska kislina Da da
α-Aminomaslena kislina Da ne

Kemizem poskusa[uredi | uredi kodo]

Enostopenjske kemijske reakcije med sestavinami prvotne raztopine lahko proizvedejo vodikov cianid (HCN), formaldehid (CH2O) in ostale intermediate, kot so acetilen, cianoacetilen in drugi.[9][10]

CO2 → CO + [O] (atomarni kisik)
CH4 + 2[O] → CH2O + H2O
CO + NH3 → HCN + H2O
CH4 + NH3 → HCN + 3H2

Formaldehid, amonijak in vodikov cianid zatem medsebojno reagirajo (Streckerjeva sinteza), pri čemer nastajajo aminokisline in druge biomolekule.

CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O
NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH (glicin)

Nadalje lahko reagirata voda in formaldehid (Butlerovova reakcija) in pri tem tvorita različne enostavne ogljikove hidrate (sladkorje), kot je denimo riboza.

Millerjev poskus je pokazal, da lahko enostavne organske molekule nastajajo iz plinastih snovi pod vplivom ustreznih pogojev in dovajanja energije.[3][4][5]

Podobni poskusi[uredi | uredi kodo]

Miller–Ureyev poskus je vzpodbudil izvajanje številnih podobnih eksperimentov. Leta 1961 je Joan Oro ugotovil, da lahko dušikova baza adenin nastane iz vodikovega cianida (HCN) in amonijaka, ki se nahajata v vodnem mediju. V svojem poskusu je proizvedel velike količine adenina, čigar molekule so nastale iz samo petih molekul HCN.[11] Hkrati lahko na tak način (iz vodikovega cianida in amonijaka) nastajajo tudi številne aminokisline.[12] Eksperimenti, ki so jih izvedli nekoliko kasneje, so pokazali, da tudi ostale dušikove baze, ki jih najdemo v RNK in DNK, nastajajo v tovrstnih simulacijah primitivne Zemljine atmosfere, ki je reducirajoča.[13]

Nedavni poskusi, ki sta jih izvedla kemika Jeffrey Bada, eden izmed Millerjevih študentov, in Jim Cleaves na Univerzi Kalifornije, so bili podobni Miller–Ureyevem eksperimentu. Bistveno spoznanje njunega poskusa je bilo, da v simulaciji primitivne atmosfere ogljikov dioksid in dušik proizvedeta nitrite, ki povzročijo razpad prej nastalih aminokislin. Ko je Bada izvirnemu poskusu dodal železo in karbonatne minerale, je nastajalo veliko več aminokislin. To spoznanje kaže, da je bilo na primitivni Zemlji železo prisotno v velikih količinah in je omogočalo nastanek aminokislin, kljub ozračju, ki je vsebovalo ogljikov dioksid in dušik.[14]

Ozračje zgodnje Zemlje[uredi | uredi kodo]

Nekateri dokazi kažejo, da naj bi imela primitivna Zemljina atmosfera manj reducirajočih molekul, kot so mislili v času Miller–Ureyevega eksperimenta. Obstajajo podatki, ki nakazujejo na večje vulkanske izbruhe pred približno 4 milijardami let, posledično pa naj bi se v ozračje izločali ogljikov dioksid, dušik, vodikov sulfid (H2S) in žveplov dioksid (SO2). V poskusih, kjer so omenjene pline dodali originalnemu Miller–Ureyevemu poskusu, je nastalo več bolj raznolikih molekul. Pri tem so se pojavljali tako L kot tudi D enantiomeri, četudi v naravi običajno prevladujejo L enantiomeri aminokislin. Poznejše izvedbe enakih eksperimentov so pokazale, da v nekaterih primerih pride do manj uravnoteženega nastajanja enantiomerov.[15][16]

Prvotno je prevladovalo mišljenje, da sta se v primitivni atmosferi nahajala predvsem amonijak in metan. Danes strokovnjaki predvidevajo, da se je večina atmosferskega ogljika nahajala v obliki ogljikovega dioksida in manjši količini ogljikovega monoksida (CO), svoj delež pa je predstavljal tudi N2. V preizkusih so plinske zmesi, ki so vsebovale CO, CO2 in N2 proizvedle približno enako količino produktov, kot tiste, kjer sta bila glavni sestavini metan in amonijak. V obeh primerih ni bil prisoten dvoatomarni kisik, medtem ko so vodikovi atomi izvirali predvsem iz vodnih hlapov. Ni povsem jasno, kolikšne količine vodika so bile prisotne v zgodnjem ozračju, saj nekateri menijo, da je za nastanek aromatskih aminokislin potrebna z vodikom revna plinska mešanica, medtem ko drugi raziskovalci pravijo, da naj bi vodik zgodnje Zemlje predstavljal vse do 40 odstotkov ozračja.[7][17][18]

Glej tudi[uredi | uredi kodo]

Sklici[uredi | uredi kodo]

  1. Hill, Hugh G. M.; Nuth, Joseph A. (2003). "The catalytic potential of cosmic dust: implications for prebiotic chemistry in the solar nebula and other protoplanetary systems". Astrobiology. Vol. 3 no. 2. str. 291–304. doi:10.1089/153110703769016389. ISSN 1531-1074. PMID 14577878.
  2. Balm, S.; Hare, J. P.; Kroto, H. (1991). "The analysis of comet mass spectrometric data". doi:10.1007/BF00178408. Navedi magazine zahteva |magazine= (pomoč)
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Miller, S. L. (1953-05-15). "A production of amino acids under possible primitive earth conditions". Science (New York, N.Y.). Vol. 117 no. 3046. str. 528–529. doi:10.1126/science.117.3046.528. ISSN 0036-8075. PMID 13056598.
  4. 4,0 4,1 Miller, S. L.; Urey, H. C. (1959-07-31). "Organic compound synthesis on the primitive earth". Science (New York, N.Y.). Vol. 130 no. 3370. str. 245–251. doi:10.1126/science.130.3370.245. ISSN 0036-8075. PMID 13668555.
  5. 5,0 5,1 Lazcano, Antonio; Bada, Jeffrey L. (2003–06). "The 1953 Stanley L. Miller experiment: fifty years of prebiotic organic chemistry". Origins of Life and Evolution of the Biosphere: The Journal of the International Society for the Study of the Origin of Life. Vol. 33 no. 3. str. 235–242. doi:10.1023/a:1024807125069. ISSN 0169-6149. PMID 14515862.CS1 vzdrževanje: Date format (link)
  6. "The Spark of Life". www.bbc.co.uk. Pridobljeno dne 2021-02-22.
  7. 7,0 7,1 Bada, Jeffrey L. (2013-03-07). "New insights into prebiotic chemistry from Stanley Miller's spark discharge experiments". Chemical Society Reviews. Vol. 42 no. 5. str. 2186–2196. doi:10.1039/c3cs35433d. ISSN 1460-4744. PMID 23340907.
  8. "Proteinogenic Amino Acids | DrugBank Online". go.drugbank.com. Pridobljeno dne 2021-02-23.
  9. Council, National Research; Studies, Division on Earth Life; Technology, Board on Chemical Sciences and; Sciences, Division on Engineering Physical; Board, Space Studies; System, Task Group on Organic Environments in the Solar (2007). Read "Exploring Organic Environments in the Solar System" at NAP.edu. doi:10.17226/11860. ISBN 978-0-309-10235-3. Arhivirano iz prvotnega spletišča dne 2009-06-21. Pridobljeno dne 2008-10-25. Exploring Organic Environments in the Solar System (2007)
  10. https://www.webcitation.org/query?url=http://www.geocities.com/capecanaveral/lab/2948/orgel.html&date=2009-10-25+16:53:26 Origin of Life on Earth by Leslie E. Orgel
  11. Oró, J.; Kimball, A. P. (1961-08-01). "Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide". Archives of Biochemistry and Biophysics (angleščina). Vol. 94 no. 2. str. 217–227. doi:10.1016/0003-9861(61)90033-9. ISSN 0003-9861.
  12. Oro, J.; Kamat, S. S. (1961-04-29). "Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions". Nature. Vol. 190. str. 442–443. doi:10.1038/190442a0. ISSN 0028-0836. PMID 13731262.
  13. Oró J (1967). Fox SW (ed.). Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices. New York Academic Press. p. 137.
  14. Cleaves, H. James; Chalmers, John H.; Lazcano, Antonio; Miller, Stanley L.; Bada, Jeffrey L. (2008–04). "A reassessment of prebiotic organic synthesis in neutral planetary atmospheres". Origins of Life and Evolution of the Biosphere: The Journal of the International Society for the Study of the Origin of Life. Vol. 38 no. 2. str. 105–115. doi:10.1007/s11084-007-9120-3. ISSN 0169-6149. PMID 18204914.CS1 vzdrževanje: Date format (link)
  15. "Right-handed amino acids were left behind". New Scientist (angleščina). Pridobljeno dne 2021-02-23.
  16. Kojo, Shosuke; Uchino, Hiromi; Yoshimura, Mayu; Tanaka, Kyoko (2004-10-07). "Racemic D,L-asparagine causes enantiomeric excess of other coexisting racemic D,L-amino acids during recrystallization: a hypothesis accounting for the origin of L-amino acids in the biosphere". Chemical Communications (Cambridge, England). No. 19. str. 2146–2147. doi:10.1039/b409941a. ISSN 1359-7345. PMID 15467844.
  17. Ruiz-Mirazo, Kepa; Briones, Carlos; de la Escosura, Andrés (2014-01-08). "Prebiotic systems chemistry: new perspectives for the origins of life". Chemical Reviews. Vol. 114 no. 1. str. 285–366. doi:10.1021/cr2004844. ISSN 1520-6890. PMID 24171674.
  18. "Early Earth atmosphere favourable to life: study". web.archive.org. 2005-12-14. Pridobljeno dne 2021-02-23.