Artykuł metodologiczny

Przeprowadzanie eksperymentów Millera-Ureya

DOI:

10.3791/51039

⸱

21 stycznia 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, 2Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, 3Institute for Advanced Study, 4Astromaterials Research and Exploration Science Directorate, NASA Johnson Space Center, 5Goddard Center for Astrobiology, NASA Goddard Space Flight Center, 6Geosciences Research Division, Scripps Institution of Oceanography, University of California at San Diego

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Eksperyment Millera-Ureya był pionierskim badaniem dotyczącym abiotycznej syntezy związków organicznych o możliwym związku z początkami życia. Proste gazy zostały wprowadzone do szklanego aparatu i poddane wyładowaniu elektrycznemu, symulując skutki wyładowań atmosferycznych w pierwotnym układzie atmosfera-ocean Ziemi. Eksperyment prowadzono przez tydzień, po czym pobrane z niego próbki analizowano pod kątem chemicznych cegiełek życia.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W 1953 roku Stanley Miller opisał produkcję biomolekuł z prostych gazowych materiałów wyjściowych, używając aparatury skonstruowanej do symulacji pierwotnego systemu atmosfera-ocean Ziemi. Miller wprowadził do aparatu 200 ml wody, 100 mmHgH2, 200 mmHg CH4 i 200 mmHg NH3, a następnie poddał tę mieszaninę, pod refluksem, wyładowaniu elektrycznemu przez tydzień, podczas gdy woda była jednocześnie podgrzewana. Celem tego manuskryptu jest dostarczenie czytelnikowi ogólnego protokołu eksperymentalnego, który może być wykorzystany do przeprowadzenia eksperymentu z wyładowaniem iskrowym typu Millera-Ureya, przy użyciu uproszczonej kolby reakcyjnej o pojemności 3 litrów. Ponieważ eksperyment polega na wystawieniu gazów palnych na działanie wyładowania elektrycznego o wysokim napięciu, warto zwrócić uwagę na ważne kroki, które zmniejszają ryzyko wybuchu. Ogólne procedury opisane w tej pracy mogą być ekstrapolowane do projektowania i przeprowadzania szerokiej gamy eksperymentów z wyładowaniami elektrycznymi symulujących prymitywne środowiska planetarne.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Natura pochodzenia życia na Ziemi pozostaje jednym z najbardziej nieodgadnionych pytań naukowych. W latach dwudziestych XX wieku rosyjski biolog Aleksander Oparin oraz brytyjski biolog ewolucyjny i genetyk John Haldane zaproponowali koncepcję "pierwotnej zupy"1,2, opisując prymitywne oceany lądowe zawierające związki organiczne, które mogły ułatwić ewolucję chemiczną. Jednak dopiero w latach pięćdziesiątych XX wieku chemicy zaczęli prowadzić celowe badania laboratoryjne mające na celu zrozumienie, w jaki sposób cząsteczki organiczne mogły zostać zsyntetyzowane z prostych materiałów wyjściowych na wczesnej Ziemi. Jednym z pierwszych doniesień w tej sprawie była synteza kwasu mrówkowego w wyniku napromieniania wodnych roztworów CO2 w 1951 r.3.

W 1952 roku, Stanley Miller, wówczas doktorant na Uniwersytecie w Chicago, zwrócił się do Harolda Ureya z propozycją przeprowadzenia eksperymentu w celu oceny możliwości, że związki organiczne ważne dla powstania życia mogły powstać abiologicznie na wczesnej Ziemi. Eksperyment przeprowadzono przy użyciu specjalnie skonstruowanego szklanego aparatu (Rysunek 1A) zaprojektowanego do symulacji prymitywnej Ziemi. Eksperyment Millera naśladował pioruny poprzez działanie wyładowania elektrycznego na mieszaninę gazów reprezentujących wczesną atmosferę, w obecności zbiornika ciekłej wody, reprezentującego wczesne oceany. Aparatura symulowała również parowanie i wytrącanie za pomocą odpowiednio płaszcza grzewczego i skraplacza. Szczegółowe informacje na temat aparatury używanej przez Millera można znaleźć w innym miejscu4. Po tygodniu iskrzenia zawartość kolby uległa widocznej przemianie. Woda zmieniła kolor na mętny, czerwonawy5 i żółto-brązowy materiał nagromadzony na elektrodach4. Ta przełomowa praca jest uważana za pierwszą celową, wydajną syntezę biomolekuł w symulowanych prymitywnych warunkach ziemskich.

Schemat reaktora chemicznego; elektrody wolframowe, kolby 5L i 3L, kondensator, konfiguracja sprzętu.
Rysunek 1. Porównanie pomiędzy dwoma typami aparatów omówionych w niniejszej pracy. Klasyczna aparatura użyta w oryginalnym eksperymencie Millera-Ureya (A) oraz uproszczona aparatura użyta w opisanym tutaj protokole (B). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większy obraz.

Po opublikowaniu w 1953 roku wyników klasycznego eksperymentu Millera, przeprowadzono liczne warianty eksperymentu z wyładowaniami iskrowymi, na przykład z użyciem innych mieszanin gazów, w celu zbadania prawdopodobieństwa produkcji związków organicznych ważnych dla życia w różnych możliwych warunkach wczesnej Ziemi. Na przykład mieszaninę gazów CH4/H2O/NH3/H2S przetestowano pod kątem zdolności do wytwarzania kodowanych α-aminokwasów zawierających siarkę, chociaż nie wykryto ich6. Analiza metodą chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC-MS) mieszaniny CH4/NH3 poddanej wyładowaniu elektrycznemu wykazała syntezę α-aminonitryli, które są prekursorami aminokwasów7. W 1972 roku, używając prostszego aparatu, po raz pierwszy wprowadzonego przez Oró8 (Rysunek 1B), Miller i współpracownicy zademonstrowali syntezę wszystkich zakodowanych α-aminokwasów9 i aminokwasów niebiałkowych10, które zostały zidentyfikowane do tej pory w meteorycie Murchison, poddając CH4, N2 i niewielkie ilości NH3 wyładowaniu elektrycznemu. Później, korzystając z tego samego uproszczonego projektu eksperymentalnego, mieszaniny gazów zawierająceH2O, N2 i CH4, CO2 lub CO zostały wywołane w celu zbadania wydajności cyjanowodoru, formaldehydu i aminokwasów w funkcji stopnia utlenienia atmosferycznych form węgla11.

Oprócz eksploracji alternatywnych projektów eksperymentalnych na przestrzeni lat, od klasycznego eksperymentu Millera nastąpił znaczący postęp analityczny, który ostatnio pomógł w bardziej wnikliwych badaniach próbek eksperymentalnych wyładowań elektrycznych zarchiwizowanych przez Millera, niż byłoby to ułatwione przez techniki, do których Miller miał dostęp w latach 50. Eksperyment wulkaniczny Millera12, po raz pierwszy zgłoszony w 1955 r.4 i eksperyment z 1958 r. zawierający H2S13 wykazały, że utworzyły szerszą różnorodność i większą obfitość licznych aminokwasów i amin niż w klasycznym eksperymencie, w tym wiele z nich, które nie zostały wcześniej zidentyfikowane w eksperymentach z wyładowaniami iskrowymi.

Eksperyment opisany w tym artykule może być przeprowadzony przy użyciu różnych mieszanin gazów. Zazwyczaj, przynajmniej, takie eksperymenty będą zawierały gaz z łożyskiem C, gaz z łożyskiem N i wodę. Przy odrobinie planowania można zbadać prawie każdą mieszaninę gazów, jednak ważne jest, aby wziąć pod uwagę pewne aspekty chemiczne systemu. Na przykład pH fazy wodnej może mieć znaczący wpływ na zachodzącą tam chemię14.

Opisana tutaj metoda została dostosowana do instruowania badaczy, jak przeprowadzać eksperymenty z wyładowaniami iskrowymi, które przypominają eksperyment Millera-Ureya przy użyciu uproszczonego 3-litrowego naczynia reakcyjnego, jak opisano w publikacjach Millera z 1972 roku9,10. Ponieważ eksperyment ten obejmuje łuk elektryczny o wysokim napięciu działający na gazy łatwopalne, kluczowe znaczenie ma usunięcieO2 z kolby reakcyjnej, aby wyeliminować ryzyko wybuchu, który może wystąpić w wyniku spalania zredukowanych gazów zawierających węgiel, takich jak metan lub tlenek węgla, lub reakcjiH2 z tlenem.

Są dodatkowe szczegóły, które powinny być brane pod uwagę podczas przygotowań do przeprowadzenia omawianego tutaj eksperymentu. Po pierwsze, podczas pracy ze szklanymi przewodami próżniowymi i gazami pod ciśnieniem istnieje nieodłączne niebezpieczeństwo zarówno implozji, jak i nadmiernego ciśnienia. Dlatego przez cały czas należy nosić okulary ochronne. Po drugie, eksperyment jest zwykle przeprowadzany przy ciśnieniu niższym niż atmosferyczne. Minimalizuje to ryzyko nadmiernego ciśnienia w kolektorze i kolbie reakcyjnej. Naczynia szklane mogą być oceniane na poziomie lub wyższym od ciśnienia atmosferycznego, jednak ciśnienie powyżej 1 atm nie jest zalecane. Ciśnienie może wzrosnąć w tych eksperymentach, ponieważ nierozpuszczalny w wodzie H2 jest uwalniany ze zredukowanych gazów (takich jak CH4 i NH3). Nadmierne ciśnienie może prowadzić do nieszczelności uszczelnienia, co może umożliwić przedostanie się atmosferycznegoO2 do kolby reakcyjnej, co umożliwia wywołanie spalania, co prowadzi do wybuchu. Po trzecie, należy pamiętać, że modyfikacja tego protokołu w celu przeprowadzenia zmian eksperymentu wymaga starannego planowania, aby zapewnić, że nie zostaną stworzone niebezpieczne warunki. Po czwarte, zdecydowanie zaleca się, aby potencjalny eksperymentator przeczytał uważnie cały protokół kilka razy przed przystąpieniem do tego eksperymentu, aby upewnić się, że jest zaznajomiony z potencjalnymi pułapkami i że cały niezbędny sprzęt jest dostępny i na miejscu. Wreszcie, przeprowadzanie eksperymentów z udziałem gazów palnych wymaga zgodności z wytycznymi departamentu zdrowia i bezpieczeństwa środowiskowego instytucji goszczącej eksperymentatora. Prosimy o zapoznanie się z tymi zaleceniami przed przystąpieniem do jakichkolwiek eksperymentów. Wszystkie kroki wyszczególnione w niniejszym protokole są zgodne z wytycznymi instytucji goszczącej autorów w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa środowiskowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Konfiguracja kolektora/systemu próżniowego

  1. Za pomocą szklanego kolektora wprowadzić gazy do kolby reakcyjnej. Kolektor ten może być zakupiony lub zbudowany przez zakład szkła, ale musi zawierać próżnioszczelne porty, które można podłączyć do systemu próżniowego, butli gazowych, wakuometru i naczynia reakcyjnego.
    1. Stosować szlifowane złącza szklane i szklane korki z zaworami na kolektorze. Upewnij się, że wszystkie O-ringi na korkach są w stanie wykonać niezbędne uszczelki. W przypadku stosowania połączeń szklanych można nałożyć wystarczającą ilość smaru próżniowego, aby w razie potrzeby pomóc w uszczelnieniu. Silikonowy smar próżniowy może być stosowany w celu uniknięcia potencjalnego zanieczyszczenia organicznego.
    2. Użyj szklanych kurków na kolektorze. Nałożyć minimalną ilość smaru próżniowego niezbędną do wykonania uszczelnienia.
    3. Zmierz objętość kolektora. Objętość ta zostanie wykorzystana do obliczeń związanych z końcowym ciśnieniem gazu w kolbie reakcyjnej o pojemności 3 l i powinna być znana tak dokładnie, jak to możliwe.
    4. Jeśli kolektor nie ma wystarczającej liczby połączeń, aby pomieścić wszystkie butle gazowe jednocześnie, podłączaj jedną butlę na raz do kolektora. W tym połączeniu należy dołączyć kran umożliwiający odizolowanie kolektora od otaczającej atmosfery.
    5. Do podłączenia butli gazowych do kolektora należy użyć odpowiednich, czystych, obojętnych i odpornych na chemikalia i przeciekanie rurek oraz złączek próżniowych ultratorr. Złączki Ultratorr, jeśli są używane, należy dokręcać palcami.
    6. Podłączyć do kolektora, pompę próżniową zdolną do wytworzenia podciśnienia <1 mmHg. Wylot pompy próżniowej powinien znajdować się w okapie wyciągowym lub być odpowiednio odpowietrzony w inny sposób.
      1. Aby zapewnić szybkie osiągnięcie podciśnienia i chronić pompę, należy umieścić syfon między kolektorem a pompą próżniową. Zalecana jest pułapka palcowa z ciekłym azotem, ponieważ zapobiegnie ona przedostawaniu się substancji lotnych, takich jak NH3, CO2 iH2Odo pompy. Należy zachować ostrożność, ponieważ uwięzione substancje lotne po podgrzaniu mogą spowodować nadciśnienie w kolektorze i spowodować pęknięcie szkła.
    7. Podłączyć do kolektora, manometru lub innego wakuometru o rozdzielczości 1 mmHg lub lepszej. Chociaż można używać różnych urządzeń, preferowany jest manometr rtęciowy lub miernik MacLeoda, ponieważ rtęć jest dość niereaktywna.
    8. Zmierz i zapisz temperaturę otoczenia za pomocą odpowiedniego termometru.

2. Przygotowanie kolby reakcyjnej

  1. Przed użyciem podgrzej wszystkie szklane naczynia w temperaturze 500 °C przez co najmniej 3 godziny na powietrzu, aby usunąć zanieczyszczenia organiczne.
    1. Wyczyść elektrody wolframowe, delikatnie myjąc je czystymi chusteczkami laboratoryjnymi i metanolem, a następnie susząc na powietrzu.
  2. Wlać 200 ml ultraczystej wody (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC) do 3 l kolby reakcyjnej.
    1. Wprowadź wstępnie oczyszczone i wysterylizowane mieszadło magnetyczne, które zapewni szybkie rozpuszczenie rozpuszczalnych gazów i wymieszanie reagentów podczas eksperymentu.
  3. Podłączyć elektrody wolframowe do kolby reakcyjnej o pojemności 3 l, używając minimalnej ilości smaru próżniowego, z końcówkami oddalonymi od siebie o około 1 cm wewnątrz kolby. Zapnij za pomocą klipsów.
  4. Włożyć adapter z wbudowanym kranem do szyjki kolby reakcyjnej o pojemności 3 litrów i zabezpieczyć klipsem.
  5. Przymocować 3-litrową kolbę reakcyjną do kolektora gazowego za pomocą adaptera. Użyj klipsa lub zacisku, aby zabezpieczyć kolbę.
    1. Lekko nasmaruj wszystkie połączenia, aby zapewnić dobre uszczelnienie próżniowe.
  6. Otwórz wszystkie zawory i zawory odcinające na kolektorze, z wyjątkiem zaworu 6 i zaworu odcinającego 1 (rysunek 4), a następnie włącz pompę próżniową, aby opróżnić kolektor. Po osiągnięciu stabilnego odczytu podciśnienia <1 mmHg zamknij zawór 1 i pozostaw kolektor na ~15 minut, aby sprawdzić, czy nie ma wycieków podciśnienia. Jeśli nie zostaną wykryte, przejdź do kroku 2.8. W przeciwnym razie rozwiąż problemy z różnymi połączeniami, aż wycieki zostaną zidentyfikowane i naprawione.
  7. Zastosować mieszanie magnetyczne do naczynia reakcyjnego. Otworzyć zawór 1 i zawór odcinający 1 (rysunek 4), aby opróżnić przestrzeń nad głową 3-litrowej kolby reakcyjnej, aż ciśnienie osiągnie <1 mmHg.
  8. Zamknąć zawór 1 (rysunek 4) i monitorować ciśnienie wewnątrz kolby reakcyjnej o pojemności 3 l. Zmierzone ciśnienie powinno wzrosnąć do prężności pary wodnej. Aby upewnić się, że nie ma wycieków, odczekaj na tym etapie ~5 minut. Jeśli ciśnienie (odczytane na manometrze) wzrośnie, gdy zawór 1 jest zamknięty na tym etapie, sprawdź, czy nie ma wycieków w kurku 1 i różnych połączeniach kolby reakcyjnej. Jeśli nie zostanie znaleziony wyciek, przejdź do następnego kroku.

3. Wprowadzenie gazowego NH3

  1. Obliczyć ciśnienie niezbędne do wprowadzenia gazowego NH3 do kolektora, tak aby 200 mmHg NH3 zostało wprowadzone do kolby reakcyjnej. Szczegółowe informacje o tym, jak to zrobić, znajdują się w sekcji Dyskusja.
  2. Zamknij zawory 1 i 6 oraz zawór odcinający 1 (rysunek 4) przed wprowadzeniem jakiegokolwiek gazu do kolektora. Pozostaw pozostałe zawory i kran otwarty.
  3. Wprowadzić NH3 do kolektora, aż do osiągnięcia małego ciśnienia (około 10 mmHg), a następnie opróżnić kolektor do ciśnienia <1 mmHg, otwierając zawór 1 (rysunek 4). Powtórz 3 razy.
  4. Wprowadzić NH3 do kolektora, aby osiągnąć ciśnienie określone w kroku 3.1.
  5. Otworzyć zawór odcinający 1 (rysunek 4), aby wprowadzić 200 mmHg NH3 do kolby reakcyjnej o pojemności 3 l. NH3 rozpuści się w wodzie w kolbie reakcyjnej, a ciśnienie będzie powoli spadać.
  6. Gdy ciśnienie przestanie spadać, zamknij zawór odcinający 1 (rysunek 4) i zapisz ciśnienie odczytane przez manometr. Wartość ta reprezentuje ciśnienie wewnątrz kolby i zostanie wykorzystana do obliczenia ciśnienia dla innych gazów, które zostaną później wprowadzone do kolektora.
  7. Otwórz zawór 1 (rysunek 4), aby opróżnić kolektor do ciśnienia <1 mmHg.
  8. Zamknij zawór 2 (Rysunek 4) i odłącz butlę z gazem NH3 od kolektora.

4. Wprowadzenie CH4

  1. Obliczyć niezbędne ciśnienie CH4 do wprowadzenia do kolektora w taki sposób, aby 200 mmHg CH4 zostało wprowadzone do kolby reakcyjnej o pojemności 3 l. Przykładowe obliczenia znajdują się w sekcji Dyskusja.
  2. Podłączyć butlę z gazem CH4 do kolektora.
  3. Otworzyć wszystkie zawory i zawory odcinające, z wyjątkiem zaworu 6 i zaworu odcinającego 1 (rysunek 4), a następnie opróżnić kolektor do ciśnienia <1 mmHg.
  4. Zamknij zawór 1 po opróżnieniu kolektora (Rysunek 4).
  5. Wprowadzić CH4 do kolektora, aż do uzyskania niewielkiego ciśnienia (około 10 mmHg). To oczyszcza linię z wszelkich gazów zanieczyszczających z poprzednich etapów. Otwórz zawór 1 (rysunek 4), aby opróżnić kolektor do <1 mmHg. Powtórz jeszcze 2 razy.
  6. Wprowadzić CH4 do kolektora, aż do osiągnięcia ciśnienia obliczonego w kroku 4.1.
  7. Otworzyć zawór odcinający 1 (rysunek 4), aby wprowadzić 200 mmHg CH4 do kolby reakcyjnej o pojemności 3 l.
  8. Zamknąć zawór odcinający 1 po wprowadzeniu zamierzonego ciśnienia CH4 do 3-litrowej kolby reakcyjnej (rysunek 4) i zanotować ciśnienie zmierzone przez manometr.
  9. Otwórz zawór 1 (rysunek 4), aby opróżnić kolektor do <1 mmHg.
  10. Zamknij zawór 2 (Rysunek 4) i odłącz cylinder CH4 od kolektora.

5. Wprowadzenie innych gazów (np. N2)

  1. W tym momencie nie jest konieczne wprowadzanie dodatkowych gazów. Jednak w razie potrzeby zaleca się dodanie 100 mmHg N2. W takim przypadku należy obliczyć niezbędne ciśnienieN2, które należy wprowadzić do kolektora, tak aby 100 mmHgN2 zostało wprowadzone do kolby reakcyjnej o pojemności 3 l. Przykładowe obliczenia znajdują się w sekcji Dyskusja.
  2. Podłączyć butlę z gazem N2 do kolektora.
  3. Otworzyć wszystkie zawory i zawory odcinające, z wyjątkiem zaworu 6 i zaworu odcinającego 1 (rysunek 4), a następnie opróżnić kolektor do ciśnienia <1 mmHg.
  4. Zamknij zawór 1 po opróżnieniu kolektora (Rysunek 4).
  5. Wprowadzić N2 do kolektora, aż do uzyskania niewielkiego ciśnienia (około 10 mmHg). Otwórz zawór 1 (rysunek 4), aby opróżnić kolektor do <1 mmHg. Powtórz jeszcze 2 razy.
  6. Wprowadzić N2 do kolektora, aż do osiągnięcia ciśnienia obliczonego w kroku 5.1.
  7. Otwórz zawór odcinający 1 (rysunek 4), aby wprowadzić 100 mmHg N2 do kolby reakcyjnej.
  8. Zamknąć zawór odcinający 1 po wprowadzeniu do kolby reakcyjnej zamierzonego ciśnienia N2 (rysunek 4) i zapisać ciśnienie za pomocą manometru.
  9. Otwórz zawór 1 (rysunek 4), aby opróżnić kolektor do <1 mmHg.
  10. Zamknij zawór 2 (Rysunek 4) i odłącz cylinder N2 od kolektora.

6. Rozpoczęcie eksperymentu

  1. Odłączyć kolbę reakcyjną od kolektora, zamykając zawór odcinający 1 i zawór 1 (rysunek 4) po wprowadzeniu wszystkich gazów do kolby reakcyjnej, tak aby powietrze z otoczenia mogło dostać się do kolektora i doprowadzić kolektor do ciśnienia otoczenia.
  2. Po ostrożnym odłączeniu kolby reakcyjnej od kolektora, należy ustawić kolbę w miejscu, w którym nie będzie zakłócana (np. wewnątrz pustego dygestoria).
  3. Odłącz pompę próżniową i ostrożnie wyjmij wymrażarkę oraz pozwól na odpowietrzenie wewnątrz w pełni sprawnego dygestoria.
  4. Zabezpiecz cewkę Tesli podłączoną do generatora iskier wysokiej częstotliwości.
  5. Podłącz przeciwległą elektrodę wolframową do uziemienia elektrycznego, aby umożliwić wydajny przepływ prądu elektrycznego przez szczelinę między dwiema elektrodami.
  6. Ustaw napięcie wyjściowe generatora iskier na około 30 000 V, zgodnie z dokumentami dostępnymi u producenta.
  7. Przed zainicjowaniem iskry należy zamknąć skrzydło dygestoriów, aby służyło jako osłona bezpieczeństwa między aparaturą a eksperymentatorem. Włącz cewkę Tesli, aby rozpocząć eksperyment i pozwól, aby iskrzenie trwało przez 2 tygodnie (lub inny pożądany okres) w 1-godzinnych cyklach włączania/wyłączania.

7. Koniec eksperymentu

  1. Zatrzymaj eksperyment, wyłączając cewkę Tesli.
  2. Otwórz zawór odcinający 1 (rysunek 4), aby powoli wprowadzić powietrze z otoczenia do kolby reakcyjnej i ułatwić wyjęcie adaptera i elektrod wolframowych, aby można było pobrać próbki. W razie potrzeby można użyć próżni do opróżnienia kolby reakcyjnej ze szkodliwych gazów reakcyjnych.

8. Pobieranie próbki cieczy

  1. Za pomocą pipety ze szkła pirolizowanego usuń próbki cieczy z kolby reakcyjnej, uważając, aby zminimalizować narażenie na zanieczyszczenia, takie jak te, które mogą zostać wprowadzone przez dotknięcie pipety tłuszczem próżniowym lub innymi niesterylnymi powierzchniami.
    1. Przenieść próbkę do sterylnego plastikowego lub szklanego pojemnika. Pojemniki plastikowe są mniej podatne na pękanie lub pękanie po zamrożeniu w porównaniu z pojemnikami szklanymi.
  2. Szczelnie zamykać pojemniki na próbki i przechowywać w zamrażarce umożliwiającej osiągnięcie temperatury -20 °C lub niższej, ponieważ produkty nierozpuszczalne mogą uniemożliwić zamarznięcie roztworu próbki w temperaturze 0 °C.

9. Czyszczenie aparatury

  1. Użyj czystych chusteczek laboratoryjnych, aby ostrożnie usunąć tłuszcz próżniowy z szyjki aparatu, adaptera i kranu oraz szkła otaczającego elektrody wolframowe.
  2. Dokładnie oczyść te same powierzchnie, które opisano w kroku 9.1, za pomocą toluenu, aby całkowicie usunąć organiczny tłuszcz próżniowy ze szkła. W przypadku stosowania smaru silikonowego, smar wysokopróżniowy może pozostać na naczyniu szklanym po pirolizie, powodując przyszłe problemy, jak opisano w sekcji Dyskusja.
  3. Dokładnie wyczyść kolbę reakcyjną szczotką i następującymi rozpuszczalnikami w kolejności: woda ultraczysta (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC), woda ultraczysta (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC) z 5% detergentem czyszczącym, metanolem, toluenem, metanolem, wodą ultraczystą (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC) z 5% detergentem czyszczącym i na koniec woda ultraczysta (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC).
  4. Przykryj wszystkie otwarte otwory kolby reakcyjnej folią aluminiową i owiń adapter i jego elementy w folię aluminiową.
  5. Gdy wszystkie naczynia szklane zostaną owinięte folią aluminiową, należy je syrolizować przez co najmniej 3 godziny na powietrzu w temperaturze 500 °C.
  6. Delikatnie oczyść elektrody metanolem i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu.

10. Przykładowa analiza

Uwaga: Podczas przygotowywania próbek do analizy, użycie protokołu hydrolizy kwasowej, takiego jak szczegółowo opisany gdzieindziej 15, jest przydatne do uzyskania większej ilości aminokwasów. Hydroliza części odzyskanej próbki daje możliwość analizy zarówno wolnych aminokwasów, jak i ich labilnych kwasowo prekursorów, które są syntetyzowane w warunkach abiotycznych.

  1. Do analizy aminokwasów należy użyć odpowiedniej techniki (takiej jak chromatografia cieczowa i metody oparte na spektrometrii mas lub inne odpowiednie podejścia). Takie techniki analityczne obejmują wysokosprawną chromatografię cieczową z detekcją fluorescencji (HPLC-FD)14 oraz ultrawysokosprawną chromatografię cieczową z detekcją fluorescencji równolegle ze spektrometrią mas z dodatnią izonatryskową i jonizacją w czasie przelotu (UHPLC-FD/ToF-MS)12,13. W artykule opisano analizę z wykorzystaniem analiz spektrometrycznych mas za pomocą potrójnego kwadrupolowego spektrometru mas (QqQ-MS) w połączeniu z HPLC-FD.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Produkty syntetyzowane w eksperymentach z wyładowaniami elektrycznymi mogą być dość skomplikowane i istnieje wiele podejść analitycznych, które można wykorzystać do ich badania. Omówiono tutaj niektóre z częściej stosowanych w literaturze technik analizy aminokwasów. Metody chromatograficzne i spektrometryczne mas są wysoce pouczającymi technikami analizy złożonych mieszanin chemicznych wytwarzanych w eksperymentach z wyładowaniami iskrowymi typu Millera-Ureya. Analizy aminokwasów można przeprowadzać przy użyciu dialdehy...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wiele kroków w opisanym tutaj protokole ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i prawidłowego przeprowadzania eksperymentów typu Miller-Urey. Po pierwsze, wszystkie naczynia szklane i narzędzia do przenoszenia próbek, które będą miały kontakt z kolbą reakcyjną lub próbką, muszą zostać wysterylizowane. Sterylizację uzyskuje się poprzez dokładne spłukanie przedmiotowych przedmiotów ultraczystą wodą (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC), a następnie owinięcie ich w folię aluminiową, przed pirolizą w temperaturze 500 °C na powietrzu p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prace te były wspólnie wspierane przez NSF i NASA Astrobiology Program, w ramach NSF Center for Chemical Evolution, CHE-1004570 i Goddard Center for Astrobiology. E.T.P. pragnie podziękować za dodatkowe fundusze zapewnione przez NASA Planetary Biology Internship Program. Autorzy pragną również podziękować dr Asiri Galhenie za nieocenioną pomoc w tworzeniu pierwszych laboratoriów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zatyczki szklane do kolektoraChemglassCG-983-01
Smar wysokopróżniowyApiezonN/ATyp M/N
Silikonowy smar wysokopróżniowyDow Corning1597418
Teflonowe rurki PFAMcMaster-Carr51805K54
Złączki próżniowe Ultra-TorrSwagelokSS-4-UT-6
Dry Scroll Pompa próżniowaEdwardsA72401905
Manometr U-TubeAlta-Robbins100SS
Elektrody wolframoweDiamentowe produkty mieloneTH2-1 / 162% torowany
metanolAlfa AesarN/AUltraczysty
mieszadło magnetyczne powlekane teflonemMcMaster-Carr5678K127
Gazowy NH3AirgasAMAHLB99,99% czystości
Gazowy CH4 AirgasME UHP300Czystość 99,99%
Gazowy N2AirgasNI UHP30099,999% czystości
Cewka TeslaProdukty elektrotechniczne15001Model BD-50E
24-godzinny podstawowy zegar wtykowyGeneral Electric Company15119
Detergent czyszczącyAlconox1104
ToluenThermo Fisher ScientificN/AOptima Grade
Luna Phenyl-Hexyl HPLC ColumnPhenomenex00G-4257-E0Marka: Luna
Kwas mrówkowySigma-AlrichF0507Służy do produkcji 50 mM mrówczanu amonu
klasy HPLC

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Oparin, A. I. The Origin of Life. , Izd. Moskovshii Rabochii. (1924).
  2. Haldane, J. B. The origin of life. Rationalist Annu. 148, 3-10 (1929).
  3. 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).
  4. Miller, S. L. Production of Some Organic Compounds under Possible Primitive Earth Conditions. J. Am. Chem. Soc. 77, 2351-2361 (1955).
  5. Miller, S. L. A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117, 528-529 (1953).
  6. 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).
  7. Ponnamperuma, C., Woeller, F. α-Aminonitriles formed by an electric discharge through a mixture of anhydrous methane and ammonia. Biosystems. 1, 156-158 (1967).
  8. Oró, J. Synthesis of Organic Compounds by Electric Discharges. Nature. 197, 862-867 (1963).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Johnson, A. P., et al. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science. 322, 404 (2008).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Sagan, C., Khare, B. N. Long-Wavelength Ultraviolet Photoproduction of Amino Acids on the Primitive Earth. Science. 173, 417-420 (1971).
  21. Harada, K., Fox, S. W. Thermal Synthesis of Natural Amino-Acids from a Postulated Primitive Terrestrial Atmosphere. Nature. 201, 335-336 (1964).
  22. 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).
  23. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Miller Urey ExperimentSpark DischargePrimordial AtmosphereElectric DischargeAmino Acid AnalysisHigh Performance Liquid ChromatographyFluorescence DetectionVacuum SystemGas ManifoldTungsten Electrodes

Powiązane artykuły