Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Przeprowadzanie eksperymentów Millera-Ureya

71K wyświetleń

⸱

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

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

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

Natura pochodzenia życia na Ziemi pozostaje jednym z najbardziej nieprzeniknionych pytań naukowych. W latach 20. XX wieku rosyjski biolog Aleksander Oparin oraz brytyjski biolog ewolucyjny i genetyk John Haldane zaproponowali koncepcję „pierwotnej zupy”1,2, opisując prymitywne ziemskie oceany zawierające związki organiczne, które mogły ułatwić ewolucję chemiczną. Jednak dopiero w latach 50. 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 tym zakresie była synteza kwasu mrówkowego poprzez napromieniowanie wodnych roztworów CO2 w 1951 roku3.

W 1952 roku Stanley Miller, wówczas student studiów magisterskich na Uniwersytecie w Chicago, zwrócił się do Harolda Ureya z propozycją przeprowadzenia eksperymentu mającego na celu ocenę możliwości abiotycznego powstania na wczesnej Ziemi związków organicznych istotnych dla pochodzenia życia. Eksperyment przeprowadzono przy użyciu specjalnie skonstruowanego aparatu szklanego (Rycina 1A>), zaprojektowanego w celu symulacji pierwotnej Ziemi. Eksperyment Millera naśladował błyskawice poprzez działanie wyładowań elektrycznych na mieszaninę gazów reprezentujących wczesną atmosferę, w obecności zbiornika z wodą w stanie ciekłym, reprezentującego wczesne oceany. Aparatura symulowała również parowanie i opady za pomocą odpowiednio płaszcza grzejnego i chłodnicy. Szczegółowe informacje na temat urządzenia użytego przez Millera można znaleźć w innym źródle4. Po tygodniu wyładowań zawartość kolby uległa widocznej przemianie. Woda przybrała mętny, czerwonawy kolor5, a na elektrodach osadził się materiał w kolorze żółto-brązowym4. Ta przełomowa praca jest uznawana za pierwszą celową i efektywną syntezę biomolekuł w symulowanych warunkach pierwotnej Ziemi.

Schemat zestawu do reakcji elektrody wolframowej; kolby 5L i 3L, chłodnica, adapter do eksperymentów.
Rycina 1. Porównanie dwóch typów aparatury opisanych w niniejszej pracy. Klasyczna aparatura używana w oryginalnym eksperymencie Millera-Ureya (A) oraz uproszczona aparatura zastosowana w opisanym tutaj protokole (B). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.

Po publikacji wyników klasycznego eksperymentu Millera w 1953 roku przeprowadzono liczne wariacje eksperymentu z wyładowaniami iskrowymi, na przykład z wykorzystaniem innych mieszanin gazów, aby zbadać prawdopodobieństwo powstania związków organicznych istotnych dla życia w różnych możliwych warunkach panujących na wczesnej Ziemi. Przykładowo, przetestowano zdolność mieszaniny gazów CH4/H2O/NH3/H2S do wytwarzania kodowanych α-aminokwasów zawierających siarkę, choć nie zostali one wykryci6. Analiza metodą chromatografii gazowej sprzężonej z spektrometrią mas (GC-MS) mieszaniny CH4/NH3 poddanej wyładowaniu elektrycznemu wykazała syntezę α-aminonitryli, które są prekursorami aminokwasów7. W 1972 roku, stosując prostszą aparaturę, wprowadzoną po raz pierwszy przez Oró8 (Rysunek 1B), Miller i współpracownicy zademonstrowali syntezę wszystkich kodowanych α-aminokwasów9 oraz aminokwasów niebiałkowych10, które do tego czasu zidentyfikowano w meteorycie Murchison, poddając CH4, N2 oraz niewielkie ilości NH3 wyładowaniu elektrycznemu. Później, korzystając z tego samego uproszczonego schematu doświadczalnego, poddano wyładowaniom iskrowym mieszaniny gazów zawierające H2O, N2 i CH4, CO2 lub CO, aby zbadać wydajność otrzymywania cyjanku wodoru, formaldehydu i aminokwasów w funkcji stanu utlenienia gatunków węgla w atmosferze11.

Oprócz poszukiwania alternatywnych projektów eksperymentalnych na przestrzeni lat, od czasu klasycznego eksperymentu Millera nastąpił znaczny postęp w analityce, co w ostatnim czasie umożliwiło bardziej szczegółowe badania próbek z eksperymentów z wyładowaniami elektrycznymi zarchiwizowanych przez Millera, niż byłoby to możliwe przy użyciu technik dostępnych dla Millera w latach 50. XX wieku. Wykazano, że eksperyment wulkaniczny Millera12, po raz pierwszy opisany w 1955 roku4, oraz eksperyment z użyciem H2S z 1958 roku13 doprowadziły do powstania szerszego spektrum oraz większych ilości licznych aminokwasów i amin niż w eksperymencie klasycznym, w tym wielu takich, które nie zostały wcześniej zidentyfikowane w eksperymentach z wyładowaniami iskrowymi.

Opisany w niniejszej pracy eksperyment można przeprowadzić przy użyciu różnych mieszanin gazów. Zazwyczaj w takich eksperymentach wykorzystuje się co najmniej gaz zawierający węgiel, gaz zawierający azot oraz wodę. Dzięki odpowiedniemu zaplanowaniu można badać niemal każdą mieszaninę gazów, jednak istotne jest uwzględnienie niektórych aspektów chemicznych układu. Na przykład pH fazy wodnej może mieć znaczący wpływ na zachodzącą w niej chemię14.

Opisana tutaj metoda została opracowana w celu poinstruowania badaczy, jak przeprowadzać eksperymenty z wyładowaniami iskrowymi przypominające eksperyment Millera-Ureya, przy użyciu uproszczonego naczynia reakcyjnego o pojemności 3 l, zgodnie z opisem w publikacjach Millera z 1972 roku.9,10Ponieważ eksperyment ten obejmuje łuk elektryczny o wysokim napięciu oddziałujący na gazy łatwopalne, jest on kluczowy aby usunąć O2 z kolby reakcyjnej, aby wyeliminować ryzyko eksplozji, która może wystąpić w wyniku spalania zredukowanych gazów zawierających węgiel, takich jak metan lub tlenek węgla, lub reakcji H2 z tlenem.

Podczas przygotowań do przeprowadzenia opisanego tutaj eksperymentu należy wziąć pod uwagę dodatkowe szczegóły. Po pierwsze, podczas pracy z szklanymi liniami próżniowymi i gazami pod ciśnieniem istnieje nieodłączne ryzyko zarówno implozji, jak i nadciśnienia. W związku z tym przez cały czas należy nosić okulary ochronne. Po drugie, eksperyment jest zazwyczaj przeprowadzany pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego. Minimalizuje to ryzyko nadciśnienia w kolektorze i kolbie reakcyjnej. Szkło laboratoryjne może być przystosowane do pracy pod ciśnieniem atmosferycznym lub wyższym, jednak nie zaleca się stosowania ciśnień powyżej 1 atm. Ciśnienie w tych eksperymentach może wzrosnąć w wyniku wydzielania się nierozpuszczalnego w wodzie H2 z gazów zredukowanych (takich jak CH4 i NH3). Nadciśnienie może doprowadzić do nieszczelności uszczelek, co może umożliwić przedostanie się atmosferycznego O2 do kolby reakcyjnej, co z kolei może zaindukować spalanie, prowadząc do wybuchu. Po trzecie, należy pamiętać, że modyfikacja tego protokołu w celu przeprowadzenia wariantów eksperymentu wymaga starannego planowania, aby upewnić się, że nie powstaną niebezpieczne warunki. Po czwarte, potencjalnemu eksperymentatorowi zaleca się uważne przeczytanie całego protokołu kilka razy przed przystąpieniem do doświadczenia, aby upewnić się, że jest on zapoznany z potencjalnymi pułapkami oraz że cały niezbędny sprzęt jest dostępny i przygotowany. Na koniec, przeprowadzanie eksperymentów z użyciem gazów palnych wymaga przestrzegania wytycznych działu BHP (Environmental Health and Safety) instytucji goszczącej eksperymentatora. Prosimy o zastosowanie się do tych zaleceń przed rozpoczęciem jakichkolwiek doświadczeń. Wszystkie kroki szczegółowo opisane w niniejszym protokole są zgodne z wytycznymi BHP instytucji goszczącej autorów.

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

Protokół

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

Produkty syntetyzowane w eksperymentach z wyładowaniami elektrycznymi mogą być bardzo złożone, a do ich badania można zastosować liczne podejścia analityczne. W niniejszej pracy omówiono niektóre z najczęściej stosowanych w literaturze technik analizy aminokwasów. Metody chromatograficzne i spektrometry mas są niezwykle informacyjnymi technikami analizy złożonych mieszanin chemicznych otrzymywanych w eksperymentach z wyładowaniami iskrowymi typu Millera-Urey’a. Analizy aminokwasów można przeprowadzić z wykorzystaniem

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

Dyskusja

Liczne etapy opisanego tutaj protokołu są kluczowe dla bezpiecznego i prawidłowego przeprowadzenia eksperymentów typu Millera-Ureya. Po pierwsze, wszystkie wyroby szklane i narzędzia do manipulacji próbkami, które będą miały kontakt z kolbą reakcyjną lub próbką, muszą zostać wysterylizowane. Sterylizację przeprowadza się poprzez dokładne płukanie przedmiotów wodą ultraczystą (18.2 MΩ cm, <5 ppb TOC), a następnie owinięcie ich folią aluminiową przed pirolizą w powietrzu w temperaturze 500 °C przez co najmniej 3 hr. Po ...

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

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

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

  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

Tagi

Eksperyment Millera Ureyawy adowanie iskroweatmosfera pierwotnawy adowanie elektryczneanaliza aminokwas wwysokosprawna chromatografia cieczowadetekcja fluorescencyjnauk ad pr niowykolektor gazowyelektrody wolframowe
Przeprowadzanie eksperymentów Millera-Ureya
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.