ביצוע ניסויי מילר יורי
Summary
ניסוי מילר יורי היה מחקר החלוצים לגבי סינתזת אביוטי של תרכובות אורגניות עם שייכות אפשרית למקורותיה של חיים. גזים פשוט הוכנסו לתוך מנגנון זכוכית ונתונים לפריקה חשמלית, לדמות את ההשפעה של ברק במערכת אווירת האוקיינוס של כדור הארץ הקדומה. הניסוי נערך במשך שבוע אחד, שלאחריו, הדגימות שנאספו מאותו נותחו לאובניים הבניין הכימי של חיים.
Abstract
ב1953, סטנלי מילר דיווח הייצור של ביומולקולות מחומרי המוצא גזים פשוטים, תוך שימוש במנגנון שנבנה כדי לדמות מערכת אווירת האוקיינוס של כדור הארץ הקדומה. מילר הציג 200 מיליליטר של מים, של H 2 100 מ"מ כספית, 200 מ"מ כספית של CH 4, ו200 מ"מ כספית של NH 3 לתוך המכשיר, ולאחר מכן נתון תערובת זו, תחת רפלוקס, לפריקה חשמלית במשך שבוע, ואילו המים היו בו זמנית מחומם. מטרתו של כתב יד זה היא לספק לקורא פרוטוקול ניסוי כללי שיכול לשמש לעריכת ניסוי ניצוץ פריקה סוג מילר יורי, באמצעות בקבוק תגובת 3 L פשוט. מאז הניסוי כרוך בחשיפה לגזים דליקים פריקה חשמלית במתח גבוה, זה שווה הדגשת צעדים חשובים המפחיתים את הסיכון לפיצוץ. הנהלים הכלליים המתוארים בעבודה זו ניתן להסיק לעצב ולנהל מגוון רחב של ניסוי פריקה חשמליזה לדמות סביבות פלנטרית פרימיטיביות.
Introduction
טבעו של מקור חיים על פני כדור הארץ נשאר אחת השאלות המדעיות הסתומות ביותר. ב1920s הביולוג הרוסי אלכסנדר Oparin ובריטי ביולוג האבולוציוני והגנטיקאי ג'ון Haldane הציעו את הרעיון של "מרק הבראשיתי" 1,2, המתארים את האוקיינוסים היבשתיים הפרימיטיביים המכילים תרכובות אורגניות שעלולות הקלו אבולוציה כימית. עם זאת, זה לא היה עד 1950s, כאשר כימאים החלו לבצע מחקרי מעבדה מכוונים שמטרתה להבין כיצד מולקולות אורגניות יכול היו מסונתז מחומרי המוצא פשוטים בכדור ארץ הצעיר. אחד הדו"חות הראשונים לשם כך היה הסינתזה של חומצה פורמית מההקרנה של 2 פתרונות CO מימיים ב1951 3.
ב1952, סטנלי מילר, אז סטודנט לתואר שני באוניברסיטה של שיקגו, ניגש הרולד יורי על עושה את ניסוי כדי להעריך את האפשרות כי תרכובות אורגניותחשוב למקור של חיים אולי נוצר abiologically בכדור ארץ הצעיר. הניסוי נערך באמצעות מנגנון שהותקן זכוכית (איור 1 א) שנועד לדמות את כדור הארץ הפרימיטיבית. הניסוי של מילר חיקה את הברקים על ידי הפעולה של פריקה חשמלית בתערובת של גזים המייצגים את האווירה מוקדם, בנוכחותו של מאגר מים נוזלי, המייצג את האוקיינוסים מוקדם. המנגנון גם מדומה אידוי ומשקעים באמצעות מעטפת חימום וקבל, בהתאמה. ניתן למצוא את הפרטים ספציפיים לגבי המנגנון מילר השתמש במקום אחר 4. אחרי שבוע של ניצוצות, את התוכן בבקבוק נהפך בעליל. המים הפכו צבע עכור, אדמדם 5 וחומר צהוב חום שהצטבר על האלקטרודות 4. עבודתו פורץ דרך זה נחשבת לסינתזה הראשונה מכוונת, היעילה של ביומולקולות בתנאי כדור הארץ פרימיטיביות מדומים. </p>
איור 1. השוואה בין שני הסוגים של מנגנונים שנדונו במאמר זה. המנגנון הקלאסי המשמש לניסוי המקורי של מילר יורי () ואת המנגנון הפשוט בשימוש בפרוטוקול שתואר כאן (ב '). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
לאחר פרסום 1953 תוצאות מהניסוי של מילר הקלאסי, וריאציות רבות של ניסוי ניצוץ הפריקה, למשל באמצעות תערובות גז אחרות, בוצעו כדי לחקור את הסבירות של ייצור תרכובות אורגניות חשובות לחיים תחת מגוון רחב של תנאי כדור הארץ מוקדמים אפשריים. לדוגמא, CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 תערובת גז S נבדקה על יכולתה לייצר חומצות אמינו-α המכיל גופרית המקודדת, אם כי אלה לא התגלו 6. ניתוח ספקטרומטריית המון גז כרומטוגרפיה (GC-MS) של 4 / NH תערובת CH 3 נתון לפריקה חשמלית הראה את הסינתזה של α-aminonitriles, אשר אמין מבשרי חומצה 7. ב1972, באמצעות מנגנון פשוט יותר, הוצג לראשונה על ידי oro 8 (איור 1 ב '), מילר ועמיתיו הוכיחו את הסינתזה של כל החומצות מקודדות α-אמינו 9 וחומצות אמינו nonprotein 10 שזוהו במטאוריט מורצ'יסון עד כה, על ידי חשיפת CH 4, N 2, וכמויות קטנות של NH 3 לפריקה חשמלית. מאוחר יותר, תוך שימוש באותו מערך ניסוי הפשוט הזה, תערובות גז המכילות H 2 O, N 2, ו4 CH, CO 2, או CO היו הציתו לסוטיםdy התשואה של המימן ציאניד, פורמלין, וחומצות אמינו כפונקציה של מצב החמצון של מיני הפחמן באטמוספרה 11.
בנוסף לבדיקה של עיצובים ניסיוניים חלופיים במהלך השנים, התקדמות אנליטיים משמעותית התרחשה מאז הניסוי הקלאסי של מילר, שלאחרונה נעזר חקירות מעמיקות יותר של דגימות ניסוי פריקה חשמלית בארכיון על ידי מילר, מזה שהיה בהנחייתם של הטכניקות היה מילר גישה ל ב1950s. הניסוי של מילר הוולקני 12, שפורסם לראשונה בשנת 1955 4, ו1958 H 2 ניסוי 13 המכיל S הוצגו יצר מגוון רחב יותר, ושכיחותם גבוהה יותר, של חומצות אמינו רבות ואמינים יותר מניסוי הקלאסי, ובם רבים מהם כי לא זוהה בעבר בניסויי ניצוץ שחרור.
הניסוי המתואר במאמר זה ניתן לבצע באמצעותמגוון רחב של תערובות גז. בדרך כלל, לכל הפחות, ניסויים כאלה יכילו גז C נושאות, גז N-ועליו, ומים. עם קצת תכנון, כמעט בכל תערובת של גזים יכולה להיות חוקרת, לעומת זאת, חשוב לשקול כמה היבטים כימיים של המערכת. לדוגמא, ה-pH של השלב המימית יכולה להיות השפעה משמעותית על הכימיה שמתרחשת שם 14.
השיטה המתוארת כאן כבר מותאמת להורות לחוקרים כיצד לבצע ניסויי ניצוץ פריקה דומים לניסוי מילר יורי באמצעות כלי תגובת 3 L פשוט, כפי שתואר בשנת 1972 הפרסומים של מילר 9,10. מאז ניסוי זה כרוך קשת חשמלית במתח גבוה הפועלת על גזים דליקים, זה הוא חיוני כדי להסיר O 2 מהבקבוק התגובה לחסל את הסיכון של פיצוץ, אשר יכול להתרחש בשריפה של גזי נושאות פחמן מופחתים כגון מתאן או פחמן חד חמצני, או O תגובהו H 2 עם חמצן.
ישנם פרטים נוספים שיש לזכור בעת נערך לביצוע הניסוי שנדון כאן. ראשית, בכל פעם שעובד עם קווי ואקום זכוכית וגזים בלחץ, קיימת סכנת קריסה של שני ולוחץ על יתר. לכן, משקפיים בטיחות חייבים להיות משוחק בכל העת. שנית, הניסוי שנערך בדרך כלל בפחות מלחץ אטמוספרי. זה ממזער את הסיכון ללחץ יתר על הסעפת ובקבוק תגובה. זכוכית עשויה להיות מדורגת בבית או מעל לחץ אטמוספרי, לעומת זאת, לחצים מעל 1 כספומט אינם מומלצים. לחצים עשויים להגדיל בניסויים אלה כH לא מסיסים במים 2 הוא משוחרר מהגזים מופחתים (כגון CH 4 ו NH 3). לוחץ יתר יכול להוביל לזליגת חותם, אשר יכולים לאפשר O אטמוספרי 2 להיכנס לבקבוק התגובה, כך שניתן לגרום לבעירה, וכתוצאה מכך לפיצוץ. שלישית,יש לזכור כי שינוי של פרוטוקול זה לנהל וריאציות של הניסוי מחייב תכנון קפדני כדי להבטיח תנאים בטוחים הם לא נוצרו. הרביעית, זה מאוד מומלץ כי הנסיין הפוטנציאלי לקרוא את הפרוטוקול כולו כמה פעמים בעיון לפני שתנסה את הניסוי הזה כדי להיות בטוח שהוא או היא מכירה את בעיות פוטנציאליות וכי כל החומרה הנדרשת יהיה זמינה ובמקומו. לבסוף, ניסויי ניצוח מעורבים גזים דליקים מחייבים עמידה בהנחיות המחלקתיות הסביבה הבריאות ובטיחות של המוסד המארח של הנסיין. שים לב, ההמלצות האלה לפני שתמשיך עם כל ניסויים. כל הצעדים שפורטו בפרוטוקול כאן עומד בהנחיות איכות הסביבה בריאות ובטיחות של המחברים מארח מוסדיות.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים רבים בפרוטוקול המתואר כאן הם קריטיים לביצוע ניסויים מסוג מילר יורי צורה בטוחה ונכון. ראשית, כל הכלים וכלי זכוכית מדגם הטיפול שיבואו במגע עם בקבוק התגובה או מדגם צריכים להיות מעוקרים. עיקור מושגת על ידי שטיפה באופן יסודי את הפריטים בשאלה עם המים ultrapure (18.2 MΩ סנטימ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה במשותף על ידי NSF ונאס"א תכנית אסטרוביולוגיה, תחת מרכז NSF לכימית אבולוציה, מל"ג-1004570, ומרכז גודארד לאסטרוביולוגיה. ETP רוצה להכיר מימון נוסף הניתן על ידי תכנית התמחות הביולוגיה נאס"א פלנטריים. המחברים גם רוצים להודות לד"ר Asiri Galhena לעזרה לא יסולא בפז בהקמת מתקני מעבדה הראשוניים.
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).
