Mener des expériences de Miller-Urey
Summary
L'expérience de Miller-Urey était une étude pionnière en ce qui concerne la synthèse abiotique de composés organiques avec pertinence possible aux origines de la vie. Gaz simples ont été introduites dans un appareil de verre et soumis à une décharge électrique, simulant les effets de la foudre dans le système atmosphère-océan de la Terre primordiale. L'expérience a été menée pendant une semaine, après quoi, les échantillons prélevés ont été analysés pour qu'il les blocs de construction chimiques de la vie.
Abstract
En 1953, Stanley Miller a rapporté la production de biomolécules à partir de matériaux de départ gazeux simples, utilisant un appareil construit pour simuler le système atmosphère-océan primordial de la Terre. Miller a introduit 200 ml d'eau, 100 mm de Hg de H 2, 200 mm de Hg, de CH 4 et de 200 mm de Hg de NH 3 dans l'appareil, puis soumis ce mélange au reflux, à une décharge électrique pendant une semaine, tandis que l'eau était simultanément chauffée. Le but de ce manuscrit est de fournir au lecteur un protocole expérimental général qui peut être utilisé pour effectuer un essai de décharge d'étincelle de type Miller-Urey d', en utilisant un ballon de 3 litres simplifié de la réaction. Depuis l'expérience consiste à exposer des gaz inflammables à une décharge électrique à haute tension, il convient de souligner les étapes importantes qui réduisent le risque d'explosion. Les modes opératoires généraux décrits dans ces travaux peuvent être extrapolés à concevoir et à réaliser une grande variété d'expérience à décharge électriques simulant des environnements planétaires primitifs.
Introduction
La nature des origines de la vie sur Terre reste l'une des questions scientifiques les plus impénétrables. Dans les années 1920 biologiste russe Alexander Oparin et de la Colombie évolution biologiste et généticien John Haldane proposé le concept d'une "soupe primordiale" 1,2, décrivant les océans terrestres primitives contenant des composés organiques qui ont pu faciliter l'évolution chimique. Cependant, il a fallu attendre les années 1950, lorsque les chimistes ont commencé à mener des études de laboratoire délibérées visant à comprendre comment les molécules organiques auraient pu être synthétisés à partir de matières premières simples sur la Terre primitive. L'un des premiers rapports à cette fin est la synthèse de l'acide formique à partir de l'irradiation de deux solutions aqueuses de CO en 1951 3.
En 1952, Stanley Miller, un étudiant de troisième cycle à l'Université de Chicago, Harold Urey approché de faire une expérience pour évaluer la possibilité que les composés organiquesimportant pour l'origine de la vie peut avoir été formé abiologically sur la Terre primitive. L'expérience a été effectuée en utilisant un appareil en verre sur mesure (Figure 1A) conçu pour simuler la Terre primitive. L'expérience de Miller foudre imité par l'action d'une décharge électrique sur un mélange de gaz représentant la première atmosphère, en présence d'un réservoir d'eau liquide, ce qui représente le début des océans. L'appareil simule aussi l'évaporation et la précipitation à l'aide d'une enveloppe chauffante et d'un condenseur, respectivement. Des détails précis sur l'appareil utilisé Miller peuvent être trouvés ailleurs 4. Après une semaine de production d'étincelles, le contenu du ballon a été visiblement transformées. L'eau s'est un trouble, couleur rougeâtre 5 et matériel jaune-brun accumulée sur les électrodes 4. Ce travail de pionnier est considéré comme le premier délibéré, synthèse efficace de biomolécules dans des conditions terrestres primitives simulées. </p>
Figure 1. La comparaison entre les deux types d'appareils décrits dans ce document. L'appareil classique utilisé pour l'expérience originale de Miller-Urey (A) et l'appareil simplifié utilisé dans le protocole décrit ici (B). Cliquez ici pour agrandir l'image .
Après la publication 1953 de résultats d'expérience classique de Miller, de nombreuses variantes de l'expérience de décharge d'étincelle, par exemple en utilisant d'autres mélanges gazeux, ont été effectuées pour étudier la plausibilité des éléments de production de composés organiques importants pour la vie sous une variété de conditions éventuelles de la terre au début. Par exemple, un CH 4 </sub> / H 2 O / NH 3 / H 2 gazeux en mélange S a été testé pour sa capacité à produire des acides α-aminés contenant du soufre codées, même si ceux-ci n'ont pas été détectés 6. chromatographie-spectrométrie de masse en phase gazeuse (GC-MS) analyse d'un CH 4 / NH 3, le mélange est soumis à une décharge électrique a montré la synthèse d'α-aminonitriles, qui sont des précurseurs d'acide aminé 7. En 1972, en utilisant un appareil simple, d'abord introduit par Oró 8 (figure 1B), Miller et ses collègues ont démontré la synthèse de tous les acides codés d'α-amino-9 et les acides aminés non protéiques 10 qui avaient été identifiées dans la météorite Murchison à jour, en soumettant le CH 4, N 2, et de petites quantités de NH 3 à une décharge électrique. Ensuite, en utilisant ce même protocole expérimental simplifié, des mélanges gazeux contenant H 2 O, N 2 et CH 4, CO 2, CO ou ont été déclenchées à étudy le rendement en cyanure d'hydrogène, le formaldéhyde et les acides aminés en fonction de l'état des espèces de carbone dans l'atmosphère 11 d'oxydation.
En plus de l'exploration de modèles expérimentaux d'autres au cours des années, des progrès analytiques importantes ont eu lieu depuis expérience classique de Miller, qui a récemment aidé des enquêtes d'approfondissement de décharge électrique échantillons expérimentaux archivées par Miller, celui qui aurait été facilité par les techniques Miller a eu accès à dans les années 1950. Volcanique expérience de Miller 12, la première fois en 1955 4, et un 1958 H 2 S contenant expérience 13 ont été montrés pour avoir formé une plus grande variété et une plus grande abondance, de nombreux acides aminés et les amines de l'expérience classique, y compris beaucoup qui n'avaient pas été précédemment identifiée dans les expériences de décharge d'étincelle.
L'expérience décrite dans le présent document peut être réalisée en utilisantune variété de mélanges de gaz. En général, à tout le moins, ces expériences contiennent un gaz C-palier, un gaz N porteuses, et de l'eau. Avec un peu de planification, presque n'importe quel mélange de gaz peut être exploré, cependant, il est important de tenir compte de certains aspects chimiques du système. Par exemple, le pH de la phase aqueuse peut avoir un impact significatif sur la chimie qui se produit là 14.
La méthode décrite ici a été adapté pour instruire les chercheurs la façon de mener des expériences de décharge d'étincelles qui ressemblent à l'expérience de Miller-Urey en utilisant un récipient de 3 L de réaction simplifiée, comme décrit dans 1 972 publications de Miller 9,10. Etant donné que cette expérience implique un arc électrique à haute tension agissant sur les gaz inflammables, il est essentiel d'éliminer O 2 à partir du ballon de réaction pour éliminer le risque d'explosion, ce qui peut se produire lors de la combustion de gaz contenant du carbone réduits tels que le méthane ou le monoxyde de carbone, ou réaction of H 2 avec de l'oxygène.
Il ya des détails supplémentaires qui doivent être gardés à l'esprit lors de la préparation pour mener l'expérience discutée ici. Tout d'abord, lorsque vous travaillez avec des lignes à vide de verre et de gaz sous pression, il existe le danger inhérent à la fois de l'implosion et sur-pression. Par conséquent, des lunettes de sécurité doit être porté en tout temps. Deuxièmement, l'expérience est généralement effectuée au moins à la pression atmosphérique. Cela réduit le risque de sur-pression sur le collecteur et ballon de réaction. Verrerie peut être évalué à ou au-dessus de la pression atmosphérique, cependant, des pressions supérieures à 1 atm ne sont pas recommandés. Les pressions peuvent augmenter dans ces expériences comme insoluble dans l'eau H 2 est libéré de gaz réduits (tels que CH 4 et NH 3). Sur-pression peut conduire à des fuites d'étanchéité, ce qui peut permettre O 2 atmosphérique pour entrer dans le ballon de réaction, ce qui permet d'induire la combustion, ce qui entraîne une explosion. En troisième lieu,il convient de garder à l'esprit que la modification de ce protocole pour mener des variations de l'expérience nécessite une planification rigoureuse pour assurer des conditions dangereuses ne sont pas créés. Quatrièmement, il est fortement recommandé que l'expérimentateur prospective lire à travers l'ensemble du protocole soigneusement plusieurs fois avant de tenter cette expérience pour être sûr qu'il ou elle connaît les pièges potentiels et que tout le matériel nécessaire est disponible et en place. Enfin, des expériences impliquant des conducteurs gaz combustibles exigent le respect des lignes directrices du ministère de la santé et de la sécurité de l'environnement de l'établissement d'accueil de l'expérimentateur. S'il vous plaît respecter ces recommandations avant de procéder à des expériences. Toutes les étapes décrites dans le protocole ici sont en conformité avec les directives institutionnelles accueil santé et la sécurité de l'environnement de l'auteur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De nombreuses étapes dans le protocole décrit ici sont essentielles pour la réalisation de Miller-Urey expériences de type sûre et correcte. Tout d'abord, tous les verres et la manipulation des échantillons des outils qui viendront en contact avec le ballon de réaction ou de l'échantillon doivent être stérilisés. La stérilisation est obtenue en rinçant abondamment les articles en question avec de l'eau ultra-pure (18,2 MQ cm, COT <5 ppb), puis les envelopper dans du papier d'aluminium, av…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé conjointement par la NSF et le programme d'astrobiologie de la NASA, dans le cadre du Centre de la NSF pour l'évolution chimique, CHE-1004570, et le Centre Goddard pour l'astrobiologie. ETP tient à remercier financement supplémentaire fourni par le Programme de stages de biologie planétaire de la NASA. Les auteurs souhaitent également remercier le Dr Asiri Galhena de l'aide inestimable dans la mise en place des installations de laboratoire initiales.
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
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