إجراء تجارب ميلر أوري
Summary
كانت تجربة ميلر أوري دراسة رائدة حول التوليف غير الحيوية من المركبات العضوية ذات الأهمية المحتملة لأصل الحياة. أدخلت الغازات بسيطة في جهاز الزجاج وتخضع لالتفريغ الكهربائي، ومحاكاة آثار البرق في نظام الغلاف الجوي والمحيطات والأرض البدائية. وقد أجريت التجربة لمدة أسبوع، وبعد ذلك، تم تحليل العينات التي تم جمعها من أنها لبنات البناء الكيميائي للحياة.
Abstract
في عام 1953، حسبما ذكرت ستانلي ميلر إنتاج الجزيئات الحيوية من المواد الأولية الغازية بسيطة، وذلك باستخدام جهاز شيدت لمحاكاة نظام الغلاف الجوي والمحيطات والأرض البدائية. قدم ميلر 200 مل من الماء، و 100 ملم زئبقي من H 2، 200 ملم زئبقي من CH 4، و 200 ملم زئبقي من NH 3 في الجهاز، ثم تعرض هذا الخليط، تحت التكثيف، إلى التفريغ الكهربائي لمدة أسبوع، في حين كان الماء في وقت واحد ساخنة. الغرض من هذا المخطوط هو تزويد القارئ مع بروتوكول التجريبية العامة التي يمكن استخدامها لإجراء نوع ميلر أوري التجربة تصريف شرارة، وذلك باستخدام مبسطة 3 L رد فعل قارورة. منذ التجربة ينطوي على تعريض غازات قابلة للاشتعال لتفريغ كهربائي عالي الجهد، يجدر تسليط الضوء على الخطوات الهامة التي تقلل من خطر الانفجار. يمكن استقراء الإجراءات العامة وصفها في هذا العمل لتصميم وإجراء مجموعة واسعة من تجربة التفريغ الكهربائيق محاكاة بيئات الكواكب البدائية.
Introduction
طبيعة أصل الحياة على الأرض لا تزال واحدة من أعقد المسائل العلمية غامض. في 1920s اقترح عالم الأحياء الروسي الكسندر Oparin والبريطانية والوراثة التطوري الأحياء جون هالدين مفهوم "الحساء البدائي" 1،2، واصفا المحيطات الأرضية البدائية التي تحتوي على المركبات العضوية التي قد تكون سهلت التطور الكيميائية. ومع ذلك، لم يكن حتى 1950s عندما بدأت الكيميائيين لإجراء الدراسات المختبرية متعمدة تهدف إلى فهم كيف يمكن أن الجزيئات العضوية قد تم تصنيعه من المواد الأولية البسيطة على الأرض في وقت مبكر. كان واحدا من التقارير الأولى لهذه الغاية تخليق حمض الفورميك من تشعيع مائي CO 2 حلول عام 1951 3.
في عام 1952، ستانلي ميلر، ثم وهو طالب دراسات عليا في جامعة شيكاغو، اقترب هارولد أوري عن القيام تجربة لتقييم إمكانية أن المركبات العضويةالمهم لأصل الحياة قد تشكلت abiologically على الأرض في وقت مبكر. وقد أجريت التجربة باستخدام جهاز الزجاج مبنية خصيصا (الشكل 1A) مصممة لمحاكاة الأرض البدائية. تجربة ميلر تحاكي البرق بفعل التفريغ الكهربائي على مزيج من الغازات التي تمثل الغلاف الجوي في وقت مبكر، في وجود خزان للمياه السائلة، التي تمثل المحيطات في وقت مبكر. أيضا محاكاة جهاز التبخر وهطول الأمطار من خلال استخدام عباءة التدفئة ومكثف، على التوالي. تفاصيل محددة عن جهاز يستخدم ميلر يمكن العثور في أي مكان آخر 4. بعد أسبوع من اثارة، تم تحويل محتويات القارورة بشكل واضح. الماء تحولت عكر، اللون المحمر 5 والأصفر والبني المواد المتراكمة على الأقطاب 4. ويعتبر هذا العمل الرائد لتكون أول المتعمد، والتوليف كفاءة من الجزيئات الحيوية في ظل ظروف الأرض البدائية المحاكاة. </ع>
الشكل 1. المقارنة بين هذين النوعين من الأجهزة التي تمت مناقشتها في هذه الورقة. الجهاز الكلاسيكية المستخدمة للتجربة ميلر أوري الأصلي (A) وأجهزة مبسطة المستخدمة في بروتوكول المذكورة هنا (B). اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
بعد نشر عام 1953 من نتائج التجربة الكلاسيكية ميلر، اختلافات عديدة من التجربة تصريف شرارة، على سبيل المثال باستخدام خليط من غازات أخرى أجريت، لاستكشاف معقولية إنتاج المركبات العضوية الهامة للحياة في إطار مجموعة من الشروط الأرض مبكرة محتملة. على سبيل المثال، CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H تم اختبار 2 خليط الغاز S لقدرته على إنتاج الأحماض المحتوية على الكبريت مشفرة α-الأمينية، وعلى الرغم من أن هذه لم يتم اكتشاف 6. أظهرت اللوني الشامل الغاز الطيف (GC-MS) تحليل لCH 4 / NH 3 خليط تخضع لتفريغ كهربائي تركيب α-aminonitriles، والتي الأمينية حمض السلائف 7. في عام 1972، وذلك باستخدام جهاز أبسط، لأول مرة من قبل ووادي الذهب 8 (الشكل 1B)، تظاهر ميلر وزملاؤه تركيب جميع الأحماض الأمينية α-9 مشفرة والأحماض الأمينية اللابروتيني 10 التي تم تحديدها في نيزك مورشيسون حتى الآن، بإخضاع CH 4، N 2، وكميات صغيرة من NH 3 إلى التفريغ الكهربائي. في وقت لاحق، وذلك باستخدام نفس هذا التصميم التجريبي مبسطة، مخاليط الغاز التي تحتوي على H 2 O، N 2، وCH 4، CO 2، CO أو وأثار لستودى العائد من سيانيد الهيدروجين، والفورمالديهايد، والأحماض الأمينية بوصفها وظيفة من الدولة أكسدة الأنواع الكربون في الغلاف الجوي 11.
بالإضافة إلى استكشاف التصاميم التجريبية البديلة على مدى السنوات، حدثت التطورات التحليلية كبيرا منذ تجربة ميلر الكلاسيكية، والتي ساعدت مؤخرا تحقيقات أكثر تفحصا من العينات التجريبية التفريغ الكهربائي أرشفة بواسطة ميلر، من شأنه أن تم بتسهيل من التقنيات كان ميلر الوصول إلى في 1950s. تجربة ميلر البركانية 12، لاول مرة في عام 1955 4، و1958 H 2 عرضت S المحتوية على تجربة 13 قد شكلت مجموعة متنوعة أوسع، وفرة أكبر، العديد من الأحماض الأمينية والأمينات من التجربة الكلاسيكية، بما في ذلك كثير منها أن لم يتم تحديدها من قبل في تجارب التفريغ شرارة.
ويمكن إجراء هذه التجربة وصفها في هذه الورقة باستخداممجموعة متنوعة من مخاليط الغاز. عادة، على أقل تقدير، سوف تحتوي على مثل هذه التجارب غاز C الحاملة، وهو غاز N-اضعة، والماء. مع بعض التخطيط، أي ما يقرب من خليط من الغازات يمكن استكشافها، ومع ذلك، فمن المهم النظر في بعض الجوانب الكيميائية للنظام. على سبيل المثال، يمكن أن درجة الحموضة من المرحلة المائية يكون لها تأثير كبير على الكيمياء التي تحدث هناك 14.
تم الطريقة الموصوفة هنا مصممة لإرشاد الباحثين كيفية إجراء تجارب التفريغ الشرارة التي تشبه التجربة ميلر أوري باستخدام مبسطة عاء التفاعل 3 L، كما هو موضح في عام 1972 المنشورات ميلر 9،10. منذ هذه التجربة ينطوي على القوس الكهربائي ذات الجهد العالي تعمل على غازات قابلة للاشتعال، لا بد من إزالة O 2 من دورق التفاعل للقضاء على خطر الانفجار، والتي يمكن أن تحدث عند احتراق خفض الغازات الحاملة للكربون مثل الميثان أو غاز أول أكسيد الكربون، أو رد فعل سو H 2 مع الأكسجين.
هناك تفاصيل إضافية التي يجب أن يوضع في الاعتبار عند إعداد لإجراء التجربة تمت مناقشتها هنا. الأولى، عندما تعمل مع خطوط فراغ الزجاج والغازات المضغوطة، هناك الخطر المتأصل في كل من الانهيار والإفراط في الضغط، لذلك، يجب إرتداء نظارات السلامة في جميع الأوقات، وثانيا، وعادة ما تجرى التجربة في أقل من الضغط الجوي. هذا يقلل من خطر الإفراط في الضغط على مشعب ودورق التفاعل. الأواني الزجاجية قد يتم تقييم عند أو فوق الضغط الجوي، ومع ذلك، لا ينصح الضغوط أعلاه 1 أجهزة الصراف الآلي. الضغوط قد تزيد في هذه التجارب كما H غير قابلة للذوبان في الماء 2 يتحرر من خفض الغازات (مثل CH 4 و NH 3). يمكن أن يؤدي الإفراط في الضغط إلى تسرب الختم، والتي يمكن أن تسمح O 2 في الغلاف الجوي للدخول في دورق التفاعل، مما يجعل من الممكن للحث على الاحتراق، مما أدى إلى انفجار. الثالثة،ينبغي أن يوضع في الاعتبار أن تعديل هذا البروتوكول لإجراء أشكال مختلفة من التجربة يتطلب التخطيط الدقيق لضمان عدم خلق ظروف غير آمنة. الرابع، يوصى بشدة أن المجرب المحتملين من خلال قراءة البروتوكول بأكمله عدة مرات بعناية قبل محاولة هذه التجربة للتأكد من انه أو انها على دراية المزالق المحتملة وأن جميع الأجهزة اللازمة متوفرة في مكان و. أخيرا، إجراء التجارب التي تنطوي على الغازات القابلة للاحتراق تتطلب الامتثال الصحة البيئية والسلامة المبادئ التوجيهية للإدارات المؤسسة المضيفة المجرب ل. يرجى مراعاة هذه التوصيات قبل الشروع في أي تجارب. جميع الخطوات المفصلة في البروتوكول هنا هي في الامتثال المضيف المبادئ التوجيهية الصحة البيئية والسلامة المؤسسية المؤلفين.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات عديدة في بروتوكول الموصوفة هنا هي الحاسمة لإجراء تجارب ميلر أوري نوع بأمان وبشكل صحيح. الأولى، وجميع الأواني الزجاجية والتعامل مع عينة الأدوات التي سوف تأتي في اتصال مع دورق التفاعل أو عينة تحتاج إلى أن تكون معقمة. ويتحقق التعقيم من قبل الشطف بدقة العناصر في ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل بشكل مشترك من قبل جبهة الخلاص الوطني وبرنامج البيولوجيا الفلكية ناسا، في إطار جبهة الخلاص الوطني مركز للتطور الكيميائي، CHE-1004570، ومركز غودارد للالبيولوجيا الفلكية. سوف ETP ترغب في الاعتراف التمويل الإضافية التي تقدمها لبرنامج علم الأحياء متدرب ناسا الكواكب. نريد الكتاب أيضا أن أشكر الدكتور عسيري Galhena للمساعدة لا تقدر بثمن في إنشاء مرافق المختبرات الأولي.
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
- Oparin, A. I. . The Origin of Life. , (1924).
- Haldane, J. B. The origin of life. Rationalist Annu. 148, 3-10 (1929).
- 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).
- Miller, S. L. Production of Some Organic Compounds under Possible Primitive Earth Conditions. J. Am. Chem. Soc. 77, 2351-2361 (1955).
- Miller, S. L. A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117, 528-529 (1953).
- 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).
- Ponnamperuma, C., Woeller, F. α-Aminonitriles formed by an electric discharge through a mixture of anhydrous methane and ammonia. Biosystems. 1, 156-158 (1967).
- Oró, J. Synthesis of Organic Compounds by Electric Discharges. Nature. 197, 862-867 (1963).
- 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).
- 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).
- 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).
- Johnson, A. P., et al. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science. 322, 404 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sagan, C., Khare, B. N. Long-Wavelength Ultraviolet Photoproduction of Amino Acids on the Primitive Earth. Science. 173, 417-420 (1971).
- Harada, K., Fox, S. W. Thermal Synthesis of Natural Amino-Acids from a Postulated Primitive Terrestrial Atmosphere. Nature. 201, 335-336 (1964).
- 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).
- 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).
