Summary
ミラー·ユーリーの実験は、生命の起源への可能な関連性有機化合物の非生物的合成に関する先駆的な研究であった。単純なガスがガラス装置に導入し、原始地球の大気海洋システムにおける落雷の影響をシミュレートし、放電を行った。実験はそれから採取した試料は生命の化学的ビルディングブロックについて分析し、この後、一週間行った。
Abstract
1953年、スタンリー·ミラーは、原始地球の大気·海洋のシステムをシミュレートするために構成された装置を使用して、簡単なガス状の出発物質からの生体分子の生産を報告した。水が同時にあったミラーは、その週の放電に、還流下で、この混合物を施した、装置内に水200ミリリットル、H 2を 100 mmHgで、CH 4の200 mmHgの、およびNH 3の200 mmHgのを導入しました加熱された。本稿の目的は、単純化された3Lの反応フラスコを使用して、ミラー·ユーリー型火花放電実験を行うために使用することができる一般的な実験プロトコルを読者に提供することである。実験は、高電圧放電への可燃性ガスを暴露含まれているため、爆発の危険性を軽減する重要なステップを強調する価値がある。この研究に記載された一般的な手順は、放電実験のさまざまな設計および実施するために外挿することができる原始惑星の環境をシミュレートすることだ。
Introduction
地球上の生命の起源の性質が最も不可解な科学的問題の一つである。 1920年代にロシアの生物学者アレクサンダー·オパーリンと英国の進化生物学者と遺伝学者ジョン·ホールデンは、化学進化を促進した可能性の有機化合物を含む原始地上海を記述する、「原始スープ」 の1,2の概念を提案した。化学者は、有機分子が初期地球上で簡単な出発物質から合成されている可能性がどのように理解することを目的と意図的な実験室での研究を実施し始めたが、それは1950年代までではなかった。この目的を達成するために最初の報告の一つは、1951年3水溶液のCO 2ソリューションの照射からのギ酸を合成した。
1952年、シカゴ大学、その後の大学院生スタンレー·ミラーは、可能性を評価するための実験をすることについてハロルド·ユーリーに近づいた、有機化合物生命の起源のための重要なものは、初期地球上abiologically形成されている可能性があります。実験は、プリミティブ地球をシミュレートするように設計特注のガラス製装置（ 図1A）を用いて行った。ミラーの実験は、初期の海を表す、液体の水溜めの存在下で、初期の雰囲気を表わすガスの混合物に、放電の作用によって雷を模倣。装置はまた、それぞれ、加熱マントルおよび凝縮器の使用を介して蒸発、沈殿をシミュレートした。ミラーが使用された装置についての具体的な詳細は他の場所で4見つけることができます。スパークの週間後、フラスコ内の内容物を視覚的に形質転換した。水が濁った、赤みを帯びた色5と電極4上に蓄積黄褐色の物質に変化した。この画期的な作品は、シミュレートされた原始地球環境下での生体分子の最初の意図的な、効率的な合成であると考えられている。 
図1。このホワイトペーパーで説明の装置の2つのタイプとの比較。オリジナルのミラー·ユーリーの実験（A）と、ここで概説したプロトコル（B）に使用される単純化された装置に用いられる古典的な装置。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください 。
ミラーの古典的な実験で、火花放電実験の多数の変形、他のガス混合物を用いて、例えば、可能な初期地球の様々な条件の下で生活のための重要な有機化合物を産生する妥当性を探求するために実施した結果から1953年発行後。例えば、CH 4 6を検出しなかったが> / H 2 O / NH 3 / H 2 Sガス混合物は、符号化された硫黄含有α-アミノ酸を生産する能力について試験した。放電に付しCH 4 / NH 3混合物のガスクロマトグラフィー-質量分析（GC-MS）分析は、酸前駆体7アミノ酸れているα-アミノニトリルの合成を示した。 1972年に、最初のORO 8（ 図1B）によって導入簡単な装置を用いて、ミラーらは、これまでにマーチソン隕石で確認されたコード化されたα-アミノ酸9および非タンパク質のアミノ酸10の全ての合成を実証放電にCH 4、N 2、NH 3を少量施すことにより。以降では、この簡略化された同一の実験設計を用いて、H 2 Oを含むガス混合物は、N 2、CH 4、CO 2、またはCOを学生に引き起こした大気中の11種の酸化状態の関数として、シアン化水素、ホルムアルデヒド、及びアミノ酸の収率dyは。
年間の代替実験計画の探査に加えて、重要な分析の進歩はミラーがアクセス権を持っていた技術によって促進されていたであろうよりも、最近になってミラーによってアーカイブ放電実験サンプルのよりプロービング調査を支援ミラーの古典的な実験で、以降に発生した1950年代。ミラーの火山初めて1955 4に報告された実験12、および1958年のH 2 S含有実験13は、多種多様を形成していることが示され、大きな存在量、古典的な実験よりも、多数のアミノ酸およびアミンの、そのその多く含むた以前に火花放電実験において同定されていなかった。
このホワイトペーパーに記載した実験を用いて行うことができるガス混合物の様々な。典型的には、少なくとも、そのような実験は、C-担持ガス、N含有ガス、及び水を含有する。いくつかの計画で、ガスのほぼ任意の混合物を探索することができ、しかし、それはシステムのいくつかの化学的な側面を考慮することが重要である。例えば、水相のpHは、そこに14を発生する化学に大きな影響を持つことができます。
ここで説明する方法は、ミラー1972の刊行物9,10に記載のように、単純化された3リットルの反応容器を用いてミラー·ユーリーの実験に似て火花放電実験を実施する方法を研究者に指示するように調整されている。この実験は、可燃性ガスに作用する高電圧電気アークを伴うので、それは、例えば、メタンまたは一酸化炭素のような還元炭素含有ガスの燃焼時に発生する可能性があり、爆発の危険性を排除する反応フラスコからO 2を除去することが重要であるまたは反応oを酸素とのF、H 2。
ここで説明する実験を行う準備をする際に留意すべきである追加の詳細があります。第一のガラス真空ラインと加圧ガスを扱うときはいつでも、両方の爆縮の固有の危険性が存在すると、過加圧しているため、保護メガネを常に着用しなければならない。第二 に、実験は、通常、大気圧未満で行われる。これは、マニホールドと反応フラスコに圧力を過剰の危険性を最小にする。ガラス製品は、しかし、1気圧以上の圧力が推奨されていない、大気圧下で以上定格することができる。水不溶性のH 2が （例えば、CH 4およびNH 3など）に減少ガスから解放されるような圧力は、これらの実験で増加する可能性があります。過加することにより、爆発をもたらす燃焼を誘発すること、大気中のO 2を反応フラスコを入力できるようにすることができ、シールの漏洩につながる可能性がある。第三に、それは実験のバリエーションを実施するこのプロトコルの変更は、安全でない状況が作成されないように、慎重な計画が必要であることを心に留めておくべきである。第四に、それは非常に有望な実験者が丁寧に何回か前に彼または彼女は潜在的な落とし穴に精通しており、必要なすべてのハードウェアが利用可能で、場所にことを確認するために、この実験を試みるプロトコル全体を通読することをお勧めします。最後に、可燃性ガスを含む実施した実験では、実験者のホスト機関の環境·健康·安全部門のガイドラインへの準拠を必要とする。いずれの実験を進める前に、これらの推奨事項を遵守してください。ここプロトコルで説明するすべての手順では、著者のホスト機関の環境·健康·安全に関するガイドラインに準拠している。
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Protocol
1。マニホールド/真空システムのセットアップ
- 反応フラスコにガスを導入するために、ガラスマニホールドを使用する。このマニホールドは、購入または構築ガラス吹き込み設備により、しかし真空システム、ガスシリンダー、真空計、および反応容器に接続することができる真空気密ポートを含まなければならないことができる。
- マニホールドバルブがすりガラスのジョイントとガラスプラグを使用。プラグ上のすべてのOリングが必要なシールを作ることが可能であることを確認してください。ガラスジョイントを使用する場合、必要に応じて、真空グリース十分な量の、シールを作るために適用することができる。シリコン真空グリースは、潜在的な有機汚染を回避するために使用することができる。
- マニホールドにガラス栓を使用してください。シールを作るために必要な真空グリースの最小量を適用する。
- マニホールド体積を測定。このボリュームは、3 Lの反応フラスコ中の最終のガス圧に関連する計算に使用され、可能な限り正確に知られるべきである。 マニホールドは、同時にすべてのガスボンベを収容するのに十分な接続を持っていない限り、マニホールドに一度に1シリンダーに接続します。この接続は、マニホールドは、周囲の雰囲気から単離することを可能にするタップ挙げられる。
- 適切なクリーンな不活性、および化学物質を使用し、マニホールドにガスボンベを接続する抵抗性チューブとultratorr真空用継手を漏らす。 Ultratorr継手は、使用される場合には、指で締めなければならない。
- マニホールド、<1 20mmHgの真空を確立することができる真空ポンプに接続します。真空ポンプ排気はヒュームフード内に配置され、又は他の手段によって適切に通気されるべきである。
- 真空の迅速な達成を確実にするために、ポンプを保護するために、マニホールドと真空ポンプの間にトラップを挿入します。それがポンプに入るの例えばNH 3、CO 2およびH 2 Oのような揮発性物質を防ぐことができますように、液体窒素フィンガートラップが推奨されます。ケアはワシントンの際、トラップされた揮発性物質として、注意が必要ですrming、マニホールドを過圧とガラスの破裂の原因となります。
- マニホールド、1 mmHgの解像度以上が可能な圧力計や他の真空計に接続します。様々な装置を用いることができるが、水銀はかなり非反応性であるように、水銀血圧計、又はマクラウドゲージが好ましい。
- 測定し、適切な温度計を用いて周囲温度を記録します。
2。反応フラスコの調製
- 有機汚染物質を除去するために、使用前に空気中で少なくとも3時間、500℃ですべてのガラス器具を加熱する。
- 優しくきれいな実験室でのワイプおよびメタノールで洗浄し、空気中で乾燥させることによりタングステン電極を清掃してください。
- 3 Lの反応フラスコに超純水200ml（18.2MΩcmで、<5ppb以下のTOC）を注ぐ。
- EX中に水溶性のガスや反応物の混合の迅速な溶解を確保する前洗浄、滅菌、電磁撹拌棒を導入periment。
- フラスコ内の約1cmで区切られたヒントを、真空グリース最小限の量を使用した3リットルの反応フラスコにタングステン電極を取り付けます。クリップで固定します。
- 3リットルの反応フラスコの首に内蔵のコックをアダプタを挿入し、クリップで固定します。
- アダプタを介してガスマニホールドに3リットルの反応フラスコに取り付けます。フラスコの安全を守るため、クリップやクランプを使用してください。
- 軽く良好な真空シールを確保するためにすべての接続をグリース。
- バルブ6とコック1（ 図4）を除いて、多様体上のすべての弁やコックを開き、マニホールドを排気する真空ポンプの電源をオンにします。 1 mmHgの<の安定した真空測定値が達成された後、開閉弁1とマニホールド、真空漏れがないかチェックするために〜のために15分を座ってすることができます。何も検出されなかった場合、2.8に進む。漏れが特定され、固定されるまで、それ以外の場合は様々な接続のトラブルシューティングを行います。
- A反応容器に、磁気撹拌をpply。開放バルブ1及び止めコック1圧力は<1mmHgまでに達するまで、3 Lの反応フラスコのヘッドスペースを排気する（ 図4）。
- （ 図4）バルブ1を閉め、3リットルの反応フラスコ内の圧力を監視します。測定された圧力は、水の蒸気圧を増やす必要があります。漏れがないことを確実にするために、この段階では〜5分待ってください。バルブ1は、このステップの間、閉鎖されている間の圧力（圧力計で読むように）が増加する場合は、コック1のリークや、様々な反応フラスコの接続を確認してください。リークが検出されない場合は、次のステップに進みます。
3。 NH 3ガスの導入
- NH 3の200 mmHgの反応フラスコ中に導入されるようマニホールドに導入するガス状NH 3のに必要な圧力を計算する。これを行う方法の詳細については、ディスカッションセクションで提供されています。
- 開閉弁マニホールドに任意のガスを導入する前に、1〜6、及び止めコック1（ 図4）。他のバルブとストップコックを開いたままにしておきます。
- 小さ な圧力（約10 mmHgの）まで、マニホールドに、NH 3を導入達し、その後バルブ1（ 図4）を開くことにより、<1 20mmHgの圧力にマニホールドを避難されています。 3回繰り返します。
- ステップ3.1で決定された圧力に達するようにマニホールドに、NH 3を導入。
- 3 Lの反応フラスコにNH 3が200mmHgを導入するための開いた止めコック1（ 図4）。 NH 3を反応フラスコ中の水に溶解すると、圧力が徐々に低下する。
- 圧力が落下、近くコック1（ 図4）を停止し、圧力計で読み取る圧力を記録する。この値は、フラスコ内部の圧力を表し、それ以降のマニホールドに導入される他のガスの圧力を計算するために使用される。
- （ 図4）バルブ2を閉じ、マニホールドから、NH 3ガスシリンダーを外します。
4。 CH 4の導入
- CH 4の200 mmHgの3 Lの反応フラスコ中に導入されるように、マニホールドに導入されるCH 4の必要な圧力を計算する。例の計算は、ディスカッションのセクションに示されています。
- マニホールドに、CH 4ガスシリンダーを接続します。
- バルブ6とコック1（ 図4）を除いて、すべてのバルブとストップコックを開き、<1 20mmHgの圧力にマニホールドを避難。
- 開閉弁1マニホールド（ 図4）避難された後。
- 小さ な圧力（約10 mmHgで）が得られるまでマニホールドにCH 4を導入する。これは、任意の汚染ガスがFRのラインをパージOMのステップの前にある。 <1 mmHgのマニホールドを排気するバルブ1（ 図4）を開きます。 2Xよりを繰り返します。
- ステップ4.1で算出した圧力に到達するまでマニホールドにCH 4を導入する。
- 3 Lの反応フラスコにCH 4が200mmHgを導入するための開いた止めコック1（ 図4）。
- CH 4の意図された圧力一旦閉じるコック1は、3 Lの反応フラスコ（ 図4）に導入し、圧力計によって測定された圧力を記録されている。
- <1 mmHgのマニホールドを排気するバルブ1（図4）を開きます。
- （ 図4）バルブ2を閉じ、マニホールドからのCH 4気筒を外します。
5。さらにガス（ 例えば N 2）の導入
- この時点で、追加のガスを導入する必要がない。しかし、必要に応じて、それは、N 2の100 mmHgのを追加することをお勧めします。この場合、N 2の100mmHgの3 Lの反応フラスコ中に導入されるように、マニホールドに導入されるN 2に必要な圧力を計算する。例の計算は、ディスカッションのセクションに示されています。
- マニホールドにN 2ガ スシリンダーを接続します。
- バルブ6とコック1（ 図4）を除いて、すべてのバルブとストップコックを開き、<1 20mmHgの圧力にマニホールドを避難。
- 開閉弁1マニホールド（ 図4）避難された後。
- 小さ な圧力（約10 mmHgで）が得られるまでマニホールドにN 2を導入する。 <1 mmHgのマニホールドを排気するバルブ1（ 図4）を開きます。 2Xよりを繰り返します。
- ステップ5.1で算出した圧力に達するまでマニホールドにN 2を導入する。
- 反応フラスコにN 2を100 mmHgのを導入するための開いた止めコック1（ 図4）。
- N 2の意図された圧力一旦閉じるコック1は、反応フラスコに導入した（ 図4）および圧力計を使用して圧力を記録されている。
- <1 mmHgのマニホールドを排気するバルブ1（ 図4）を開きます。
- （ 図4）バルブ2を閉じ、マニホールドからのN 2シリンダーを外します。
6。実験を開始
- 周囲空気はマニホールドに入り、周囲圧力までマニホールドをもたらすことができるように（ 図4）コック1とバルブ1を閉じることによってマニホールドから反応フラスコを取り外す一度全てのガスは、反応フラスコ中に導入されている。
- 慎重にマニホールドから反応フラスコを外した後、どこか（ 例えば 、空のヒュームフードの内側に）邪魔されることはありませんフラスコを設定します。
- 真空ポンプを取り外し、慎重にコールドトラップを取り外して、完全に内部の通気を許可運用ヒュームフード。
- 高周波スパーク発生器に接続されているテスラコイルを固定します。
- 両電極間のギャップを横切る電流の効率的な通過を可能にするために、電気的接地に反対タングステン電極を接続する。
- 製造業者から入手可能な文書によって詳述され、約30,000 Vのスパーク発生器の出力電圧を設定。
- 火花を開始する前に、装置と実験者間の安全シールドとして機能するように、ヒュームフードのサッシを閉じます。実験を開始するためにテスラコイルをオンにし、スパークが発生したオン/オフサイクルで1時間で2週間（または他の所望の期間）継続することができます。
7。実験終了
- テスラコイルをオフにすることによって、実験を停止します。
- オープンストップコック1をゆっくりと反応フラスコに外気を導入し、アダプターの除去およびタングステン電極を容易にする（ 図4）saのようmplesを収集することができる。所望であれば、真空が有害反応ガスの反応フラスコを排気するために使用することができる。
8。液体試料を収集する
- 熱分解されたガラスピペットを用いて、反応フラスコから液体サンプルを除去し、例えば真空グリースまたは他の非無菌面にピペットをタッチすることにより導入され得るものなど、汚染物質への暴露を最小限に抑えるように注意しながら。
- 滅菌プラスチックまたはガラスの容器にサンプルを転送します。プラスチック容器はガラス製の容器に比べて、凍結時に割れや破損の可能性も低くなります。
- の-20℃以下であり、温度に到達することができる冷凍庫でシールサンプル容器や店舗不溶性生成物を0℃で凍結から試料溶液を防ぐ可能性がある
9。装置のクリーニング
- きれいな実験室を使用し丁寧に装置の首から真空グリースを除去するためのワイプ、適応小胞体及びストップコック、およびタングステン電極を取り囲むガラス。
- 徹底的に完全にガラス製品から有機真空グリースを除去してトルエンでステップ9.1で説明したのと同じ表面を洗浄。シリコングリスを使用する場合は、高真空グリースは、ディスカッションのセクションで説明するように、将来の問題を作成し、熱分解した後、ガラス製品に残る場合があります。
- 徹底的に順番にブラシと以下の溶媒で反応フラスコをきれい：5％洗浄洗剤を超純水（18.2MΩセンチ、<5 PPBのTOC）、超純水（18.2MΩセンチ、<5 PPBのTOC）、メタノール、トルエン、メタノール、5％の洗浄洗剤を超純水（18.2MΩセンチ、<5 PPBのTOC）、最後に超純水（18.2MΩセンチ、<5 ppbの目次）。
- アルミ箔で反応フラスコの開いているすべての開口部をカバーし、アルミホイルでアダプタとそのコンポーネントをラップします。
- すべてのガラス製品は、アルミ箔に包まれたされた後では、少なくとも3時間、熱分解500℃の空気
- 優しくきれいなメタノールと電極と空気が乾燥してみましょう。
10。試料分析
注：分析用の試料を調製する場合、例えば、酸加水分解プロトコルの使用が他の場所15について詳細に説明したが、それ以上のアミノ酸を得るために有用である。回収されたサンプルの一部を加水分解すると遊離アミノ酸ならびに非生物的条件下で合成され、それらの酸に不安定な前駆体の両方を分析する機会を提供する。
- アミノ酸分析については、（例えば、液体クロマトグラフィーおよび質量分析ベースの方法として、または他の適切なアプローチ）の適切な技術を用いる。そのような分析技術は、蛍光検出（HPLC-FD）14と、飛行時間型ポジティブエレクトロスプレーイオン化質量分析（UHPLと並列に蛍光検出を有する超高性能液体クロマトグラフィー、高性能液体クロマトグラフィーを含むC-FD/ToF-MS）12,13。本稿では、質量分析を用いて分析を記載するHPLC-FDと一緒に三連四重極質量分析計（QQQ-MS）によって解析する。
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Representative Results
放電実験で合成された生成物は、非常に複雑であることができ、それらを研究するために使用することができる多数の分析的アプローチが存在する。アミノ酸を分析するための文献では、より一般的に使用される技術のいくつかは、ここで議論されている。クロマトグラフィーおよび質量分析法は、ミラー·ユーリー型火花放電実験によって生成され、複雑な化学的混合物を分析するための非常に有益な技術である。アミノ酸分析は-phthaldialdehyde/N-acetyl-L-cysteine（OPA / NAC）16、アキラル固定相上で分離することができる蛍光性ジアステレオマー誘導体を得、第一級アミノ基にタグキラル試薬対oを用いて行うことができる。 図図2は、検出およびQQQ-MSを蛍光に結合されたHPLCによって得られたOPA / NAC-誘導体化アミノ酸標準のクロマトグラムを示す。標準に含まれるアミノ酸は、典型的には、ミラー·ユーリー式火花·ディスプレイで生産されるものが挙げられる実験を充電。これらのアミノ酸の同一性を表1に示す。典型的なサンプルとブランク分析の代表的な蛍光トレースは、ミラー·ユーリー型放電試料の分子の複雑さを示す、 図3に示されている。 CH 4の300 mmHgで、NH 3の250 mmHgの、250mlの水： 図3の試料クロマトグラムを以下の出発条件を用いて火花放電実験から製造した。
図2。 OPA / NAC-誘導体化アミノ酸の標準の分析から生成さHPLC-FD/QqQ-MSクロマトグラムの3月21日分域 。アミノ酸ピーク同一性を表1に示す。蛍光トレースがボトムとそれに対応する抽出されたMASで示されているSクロマトグラムを上に示している。エレクトロスプレーイオン化（ESI）QQQ-MS、陽性モードで操作し、50〜500メートル/ zの質量範囲をモニターした。 ESIの設定であった：脱溶媒ガス（N 2）温度：350℃、650リットル/時間、キャピラリー電圧：3.8 kVの、コーン電圧：30 Vの367抽出イオンクロマトグラムの非標識のピークは、13 C 2ピークはからです365抽出イオンクロマトグラムは、13℃での約1％天然存在の結果として、より大きな画像を見るにはここをクリックしてください 。
| ピーク | アミノ酸 |
| 1 | D-アスパラギン酸 |
| 2 | L-アスパラギン酸 |
| 3 | L-グルタミン酸 |
| 4 | D-グルタミン酸 |
| 5 | D-セリン |
| 6 | L-セリン |
| 7 | グリシン |
| 8 | B-アラニン |
| 9 | D-アラニン |
| 10 | γ-アミノ-n-酪酸（γ-ABA） |
| 11 | L-アラニン |
| デシベル - アミノ-n-酪酸（Dbは-ABA） | |
| 13 | - アミノイソブチル酸（-AIB） |
| 14 | ポンド - アミノ-n-酪酸（Lbは-ABA） |
| 15 | D /ラ - アミノ-n-酪酸（D /ラ-ABA） |
| 16 | D-イソバリン |
| 17 | L-イソバリン |
| 18 | L-バリン |
| 19 | E-アミノ-n-カプロン酸（EACA） |
| 20 | D-バリン |
| D-イソロイシン | |
| 22 | L-イソロイシン |
| 23 | D / L-ロイシン |
表1。アミノ酸の同一性のピークは、標準的に検出され、その典型ミラー·ユーリー型火花放電実験で製造される。
図3。ミラー·ユーリー型火花放電実験のHPLC-FDクロマトグラムを表すの3-21分の領域は、ピークを同定し、標準および分析用ブランクと比較して保持時間および標的化合物の質量分析により定量した。すべてのターゲットANA lytesは、共溶出蛍光保持時間で分離することができ、α-AIBおよびL-β-ABA D / L-ロイシン（ピークと共溶出（ピーク13および14）、およびD / L-ノルロイシン、を除いて、質量分析を用いて定量23）、クロマトグラフィー条件下で使用される。 D / L-ノルロイシン、サンプル調製時のサンプルとブランク分析の内部標準として添加した。アミノ酸の分離は4.6ミリメートル×250ミリメートル、5μmの粒子サイズフェニル - ヘキシルHPLCカラムを使用して達成された。 A）超純水（18.2MΩcmで、<5ppb以下のTOC）、B）メタノール、およびpH 8で8％メタノールC）50mMのギ酸アンモニウム、移動相を構成した。用いた勾配であった：0〜5分、100％のC、5〜15分間、0から83パーセントのA ,0-12％のB、Cの100から5%、15〜22分間、83から75パーセントのA、12 - 20％B、5％C; 22-35分間、75から35パーセントA、20〜60％のB、5％C; 35〜37分間、35から0パーセントA、60〜100％のB、5から0パーセントC; 37-45分間、100％B; 45-46分間、100から0パーセントのB、0〜100％のC 46-55分間、100％C.、流量は1ml /分であった。hres.jpg "ターゲット=" _blank ">拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。
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Discussion
ここに記載されているプロトコルにおける多くの工程を安全に正しくミラー·ユーリー型実験を行うために重要である。まず、反応フラスコまたは試料と接触するすべてのガラス器具およびサンプル処理ツールは、滅菌される必要がある。殺菌前に少なくとも3時間、空気中500℃で熱分解し、徹底的に超純水（18.2MΩセンチ、<5 PPBのTOC）で、問題の項目を洗浄した後、アルミ箔でそれらをラップすることによって達成される。機器は、熱分解されており、分析のためのサンプルを準備しながら、お手入れには、有機汚染を避けるために注意する必要があります一度。汚染の危険性は、ニトリル手袋、実験室コート、保護メガネを着用することによって最小限に抑えることができる。汚染の一般的な原因は、指紋、皮膚、毛髪、および呼気を含めるように離れて自分の体からのサンプルで動作するようにしてください。濡れた手袋との接触を避け、あらゆるラテックスまたはナイロン素材を使用していません。 Tの第二の、徹底した脱彼の前に反応フラスコにガス添加に反応フラスコは非常に重要です。スパークは、例えばCH 4のような可燃性ガス中に排出されたときに反応フラスコ中の分子状酸素の少量でも存在すると爆発のリスクをもたらす。フラスコを脱気しながら、フラスコ内の水が安定した読み取りを防ぐことができます、これ沸騰する。 1）凍結融解サイクルからフラスコを脱気（通常は3）が使用されている、または2）単純に液体溶液を脱気：この段階で2つのオプションがあります。後者の場合、一部の水は、しかし、その量は、残りの容積に比べて比較的軽微であるように、失われる。第三に設備の整った、効率的なセットアップは、注意深く実験の全体にわたって電極間に一貫性の火花を確立するために構築されなければならない。 BD-50Eテスラコイルは、それらが真空漏れの検出のために意図されているように、長時間の操作のために設計されていない。テスラコイルの断続的な冷却は、このように拡張された動作寿命をお勧めします。 THEReは、これを達成する複数の方法である。一つの簡単な方法は、スパークテスターとその電源との間にインラインタイマーを取り付け、それがオン/オフのサイクルで、1時間で交互になるようにタイマをプログラムすることである。商業的なファンをテスラコイルを冷却してもテスラコイルの寿命を延ばすことが必要であり得る。テスラコイル先端が接触またはほぼタングステン電極の一方に触れるべきである;約1mm以下の二つの間の距離。さらに、激しい放電がコンテンツに開封を避けるためにテスラコイルに触れる1対向電極上に軽くドレープ一端でループを有する導電性の金属線の長さを用いて達成することができる。また、一次スパーク発生器が原因で長時間使用に障害が発生した場合に利用可能な第二のスパーク発生器を持っていることをお勧めします。
ここに概説したプロトコルの様々な工程を実施する際に念頭に置いておく価値多くの追加の注意事項があります。マニホールドシステムを準備するときnは実験および水銀血圧計を使用し、それは一般的に1 10mmHgの精度が原因で人間の目の解像度に、最高の達成可能であることを認めている。一部のガスは、抵抗ベースのゲージと導電率の問題を提示することができる。水銀マノメータを事前にのために準備する必要がある現在の潜在的な流出の危険性、。
3リットルの反応フラスコを組み立てながら、シリコン真空グリースの使用は、潜在的な有機汚染を改善することができますが、注意が実行の間徹底的にこれを削除するために注意する必要があります。これを怠ると、真空シールを妨害する可能性が高温熱分解、中のシリカの堆積物の蓄積をもたらすでしょう。さらに、タングステン電極を2％トリエーテッドタングステンなどの市販されており、半円 形のすりガラス継手にアニールされるべきである。オーブンでガラス装着タングステン電極を熱分解しないでください 。タングステンとガラスの熱膨張係数が異なっているheati100℃以上のNGはガラスをアニール電極の周りにシールを弱め、システムに漏れが生じる可能性があります。また、超純水を注いで使用するポート上の任意のグリースとの接触を避けるように注意を使用して、またはピペッティングすることにより、prepyrolyzedガラスピペットを用いて3Lの反応フラスコに導入することができる。所望であれば、反応フラスコ中の水相は、緩衝化され得る。例えば、ミラーや同僚9は、NH 3 / NH 4 Cl緩衝液でpH約8.7に緩衝溶液。これを行うために、水相を反応フラスコに導入するNH 4 Cl を 0.05 Mの前に行われる。純度99.5％、またはそれ以上のNH 4 Clを使用すべきである。 NH 3の残りは、次いで、ガスとして反応フラスコに添加する。
3 Lの反応フラスコへのガス導入の準備のために、フラスコは、コルク環上にフラスコを置くことによって、マニホールドの上に固定することができるラボジャッキの上にセットし、穏やかになるまでフラスコ組立体を上昇させるぴったりと接続が達成される。漏れがないか確認したところ、リークの可能性が高いソースが悪い反応フラスコにタングステン電極を取り付け、半円形のすりガラス継手の接合部におけるシール、およびの首に装着アダプターのストップコックが含まれていることは注目に値する3 Lの反応フラスコ。これらのソースからのリークが検出された場合は、慎重にマニホールドから3リットルの反応フラスコを取り外し、真空グリースの新鮮なコーティングを再適用し、漏れを検索するためにマニホールドにフラスコを再接続し、きれいな実験室の組織とこれらの領域を拭いてください。漏れが検出されなかった場合、反応フラスコにガスを導入するために進む。
装置にガスを導入しながら、ガスボンベがしっかりサポートに固定する必要があります。ケアは、ゆっくりとガスを導入する注意が必要です。過剰圧力をかけたガラス器具や付属金具を避けるために、圧力計を監視しながら、ガスシリンダー上のバルブはゆっくりと慎重に開けなければならない。これは、THAに注意することが重要であるのt NH 3のpK aより下、水にかなり溶解性であるため、NH 4 +（〜9.2）を、本質的にマニホールド内に導入NH 3ガスの全てが水相に溶解する、反応フラスコにNH 3を添加するレンダリング中周囲温度での水の蒸気圧などのフラスコおよびマニホールド内の最終圧力。この圧力が達成されると、人は、転送が完了したと仮定してもよい。以下は、正確にそれらの所望の圧力で反応フラスコにガスを導入するために実行されなければならない計算の例である。
NH 3ガスの導入
によるNH 3の溶解度に、本 質的にその全てを反応フラスコにマニホールドから転送されかつ限りマニホールド内のNH 3は反応における水の蒸気圧よりも高い圧力になるように水相に溶解するフラスコ。したがって、周囲温度が留意されるべきであり、その温度における水の蒸気圧は、従来マニホールドにNH 3を導入する参照されるべきである。反応フラスコに導入されるNH 3の目標圧力を記録し、周囲温度で、3 Lの反応フラスコ中のNH 3の目標圧力に加え、反応フラスコ中の水の蒸気圧に等しくなければならない。例えば、25℃で、水の蒸気圧は約24 mmHgである。従って、反応フラスコにNH 3の200 mmHgのを導入するために、負荷前のマニホールドから、反応フラスコ中にNH 3を移送するマニホルドへのNH 3の約225 mmHgで。これは、反応フラスコ中に導入されるNH 3の約200 mmHgのもたらす。
CH 4の導入
NH 3添加と目での溶解した後電子水性相を、反応フラスコのヘッドスペース内の圧力は、25°C、約24 mmHgでの水の蒸気圧に等しくなる。この値は、CH 4の200 mmHgの反応フラスコ中に導入されるように、マニホールドに導入するどのくらいのCH 4についての計算を行うために、 図4に示す例マニホールドと組み合わせて、使用される。
反応フラスコを含むシステム全体を通じて必要なP 1 =全圧、
反応フラスコを含むシステム全体のV 1 =総量、
反応フラスコに導入する前に、マニホールド容積を充填するのに必要なCH 4のP 2 =圧力
ガス導入のために使用されるマニホールドのV 2 =ボリューム
既に反応フラスコのヘッドスペース中のP 3 =圧力
反応フラスコのV 3 =ボリューム
V 1 = 3000ミリリットル+ 100ミリリットル+ 300ミリリットル+ 40ミリリットル+ 20ミリリットル+ + 3000ミリリットル+ 40ミリリットル+ 500ミリリットル= 7000ミリリットル
CH 4のP 2 =圧力が計算されている
V 2 = 100ミリリットル+ 300ミリリットル+ 40 + 20 + 3000ミリリットル+ 40ミリリットル+ 500ミリリットル= 4000ミリリットル
H 2 OのP 3 = 24 mmHgの
V 3 = 3000ミリリットル
N 2の導入
CH 4を導入した後、反応フラスコのヘッドスペースは、224 mmHgの合計H 2 OのCH 4および24 10mmHgのが200mmHgで占められている。この値は、tは計算するために、 図4に示す例マニホールドの寸法と共に、使用され彼N 2の100mmHgの反応フラスコ中に導入されるように、マニホールドに導入される必要があるN 2圧：
反応フラスコを含むシステム全体を通じて必要なP 1 =全圧、
反応フラスコを含むシステム全体のV 1 =総量、
反応フラスコに導入する前に、マニホールド容積を充填するのに必要なN 2の圧力P 2 =
ガス導入のために使用されるマニホールドのV 2 =ボリューム
既に反応フラスコのヘッドスペース中のP 3 =圧力
反応フラスコのV 3 =ボリューム
H 2、N 2 = 324 mmHgでのCH 4 + 100 10mmHgのO + 200 20mmHgのP 1 = 24 mmHgの
V 1 = 3000ミリリットル+ 100ミリリットル> + 300ミリリットル+ 40ミリリットル+ 20ミリリットル+ + 3000ミリリットル+ 40ミリリットル+ 500ミリリットル= 7000ミリリットル
2の2 =圧力が計算されている
V 2 = 100ミリリットル+ 300ミリリットル+ 40ミリリットル+ 20ミリリットル+ + 3000ミリリットル+ 40ミリリットル+ 500ミリリットル= 4000ミリリットル
H 2 OのCH 4 + 24 mmHgの= 224 mmHgでのP 3 = 200 mmHgの
V 3 = 3000ミリリットル
図4。 3 Lの反応フラスコにガスを導入するために使用されるマニホールド/真空システム 、ガスの流れを制御するバルブはV 1と表示されている- 。ガスの流れを制御する栓がS 1およびS 2としてラベル付けされているが、V 8。バルブ1,2、および6、及び止めコック1はexplicitlと呼ばれている間ことは注目に値することであるプロトコルのY、ここで示したマニホールド内の他のバルブとストップコックマニホールドまたはから（ つまり、フラスコを保持している）ボリュームを追加または除去するのに有用である。比較的高い圧力（約500 mmHgの以上）でマニホールドにガスを導入する場合などには、実験者は、マニホールドのアクセス可能なボリュームを増加させ、リスクを最小限に抑えるためにマニホールドに接続されたすべてパージフラスコを使用することをお勧めします過剰加圧マニホールドの。
実験を開始した後、システムは、実験が正常に動作していることを確認するために定期的にチェックする必要があります。チェックする事が含まれる：1）スパーク発生器、スパークを生成し、2）スパークが連続的にタングステン電極間に発生している。上記の条件が満たされない場合、その電源からテスラコイルを切断し、バックアップテスラコイルに置き換える。一方、誤動作テスラコイルの修理を行うことができる。多くの場合、スパーク発生器ハウジング内部の接触板が長時間の使用から腐食になることができますし、研磨、または交換する必要があります。
実験が完了すると、ヘッドスペース内のガスは、呼吸器系を刺激することができる。例えば、シアン化水素4などの有害ガスが、実験によって製造することができる。実験者は、分析用ガス試料を収集されていない場合、装置は、従来の液体サンプルを収集し、ヒュームフード内に残り、それは、実験終了後の約1時間のために揮発性物質を排出する水アスピレーターに装置を接続するために有用であり得る。安全上の理由から、装置が完全に機能ドラフト内で排出されることをお勧めします。サンプル採取は、正圧HEPAフィルターフローベンチに稼動ヒュームフードとサンプルの取り扱いに行われるべきであることをお勧めします。
火花放電EXによって形成された製品の数々の種類の中periments、アミノ酸は重要である。アミノ酸は、ストレッカー合成17を介して容易に合成される。アミノ酸のストレッカー合成は、水相中に溶解する際に受けるα-アミノニトリルを形成するために、アンモニアと反応し得る反応装置に導入されたガスに放電が作用によって生成されたアルデヒド又はケトンとHCNとの反応を含むアミノ酸を得た加水分解。これはもちろんであるが、合成のいずれかの機構、その他は直接アミノ酸を与えるようなβ-アラニンの前駆体を得たアクリロニトリルを含む前駆体の直接アミノ化、又はより高い分子量tholin状物質の直接の加水分解などの、動作可能である、バイパッシングトレッカーメカニズムを。
前述の予防策が明示的に従わない場合、ミラー·ユーリーの実験によって作製した試料のアミノ酸の汚染が発生する可能性があります。サンプル分析中に、サイト検索に重要ですサンプルの取り扱いやサンプルストレージから発信された可能性地上波汚染の兆候H。 LC-FD技術と組み合わせてOPA / 16 NACの使用は、D-及びキラル中心を有するアミノ酸のL-鏡像異性体およびそれらのそれぞれは、個々の定量のクロマトグラフィー分離を可能にする。実験で合成されたキラルなアミノ酸は、ラセミ体である必要があります。キラル中心を有するアミノ酸の合成の際に許容される実験誤差は、一般に約10％であると考えられる。したがって10％以上一方の鏡像異性体で富化を示唆するキラルなアミノ酸のD / Lの比は、試料が汚染されているかどうかを決定することにより、良好な測定基準である。
ここに提示される方法は、ミラー·ユーリー型火花放電実験を実施する方法を指示することが意図されているが、注目すべきである、ここに記載の技術には限界がある。まず、単3 Lの反応フラスコを加熱する（ 図1B）、スパークを減衰し、化学実験内で起こるの多くを駆動するラジカル種の発生を低減、電極の先端に水蒸気の凝縮をもたらすであろう。さらに、装置を加熱する加熱マントルの使用は、アミノ酸などの有機化合物を合成する必要がない。これは彼が、より複雑な、特注の、二重のフラスコ装置（ 図1A）5 を使用し、その中に水を持っていた装置の底部（ 図1A）にある小さなフラスコを加熱してミラーの元の実験とは異なります。装置を加熱して出発物質の循環に貢献し、初期地球システムにおける蒸発を模倣することを目的とした。第二に、ここでは詳細なプロトコルは、彼は継続的にエレメントを排出するようにミラーの実験に比べて効果的に実験が完了するのにかかる時間の長さを倍にテスラコイルを、使用してオン/オフサイクル1時間を推奨していますシステム4にctricity。スパーク発生器は、長期使用のために意図されていないように第三に、それらは、長期間の使用中に誤動作しやすく、主要なスパーク発生器は、実験の経過中に失敗した場合、定期的に保守、時にはバックアップ部によって置換されなければならない。最終ここで説明するプロトコルは、適切なシールを作るために高真空グリースを必要とし、ガラス栓の使用を含む。所望ならば、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）栓は、真空グリースを回避するために使用することができる。しかし、スパーク漏れ検出器の潜在的なリークのためにこれらのコックを調べる場合、これはPTFEの完全性が損なわれると、これらのコックによって作られている貧しい人々のシールにつながる可能性として火花をPTFE露出オーバーしないように注意が必要です。
既存の技術に対して、ここで報告された方法の重要性は、その単純さの範囲内にある。また、かなり少ない脆弱でCLEが容易になり、商業的に入手可能な3リットルのフラスコを使用していますミラー5で使用され、元のデザインよりも実験間。装置がより少ない厄介であるので、ヒュームフードの内側実験を行うのに十分に小さい。
ここで概説する技術が習得されると、プリミティブの地上環境の多数のタイプをシミュレートするために種々の方法で修飾することができる。例えば、より酸化性ガス混合物が14,18,19を使用することができる。さらに、装置の変形を用いて、エネルギー源は、例えば、無声放電4、紫外線20を用いて、火山システムの4,12,21をシミュレートし、地球の地殻22からの放射能を模倣し、によって生成されるエネルギーを模倣することによって、変更することができる隕石の影響23、また宇宙線18,19から衝撃波。
古典的なミラー·ユーリーの実験は、アミノ酸、タンパク質の生物学的に重要なビルディングブロックは、シンすることができることを実証シミュレートされたプレバイオ地上波の条件で、単純な出発物質を使用してthesized。放電による気体分子の励起は、このような条件下で、アミノ酸を含む有機化合物の産生をもたらす。アミノ酸は、現代生物学のための重要ですが、ミラー·ユーリーの実験は彼らの非生物を合成するための一つの可能なメカニズムを提供し、生物を引き起こすプロセスは可能性が高いの形成よりも複雑だったように、生命の起源を説明していません単純な有機分子。
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Disclosures
著者らは、競合する経済的利益を宣言していません。
Acknowledgments
この作品は、共同で化学進化、CHE-1004570、および宇宙生物学のためのゴダードセンターのNSFセンターの下に、NSFと、NASA宇宙生物学プログラムによってサポートされていました。 ETPは、米航空宇宙局（NASA）惑星生物学インターンシッププログラムによって提供される追加資金調達を承認したいと思います。著者はまた、最初の実験施設をセットアップする非常に貴重な助けを博士ゴルフアシリGalhenaに感謝したいと思います。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Glass Plugs for Manifold | Chemglass | CG-983-01 | |
| High Vacuum Grease | Apiezon | N/A | Type M/N |
| Silicon High Vacuum Grease | Dow Corning | 1597418 | |
| Teflon PFA Tubing | McMaster-Carr | 51805K54 | |
| Ultra-Torr Vacuum Fittings | Swagelok | SS-4-UT-6 | |
| Dry Scroll Vacuum Pump | Edwards | A72401905 | |
| U-Tube Manometer | Alta-Robbins | 100SS | |
| 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 | |
| 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 hr Plug-in Basic Timer | General Electric Company | 15119 | |
| Cleaning Detergent | Alconox | 1104 | |
| 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
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