Gjennomføre Miller-Urey Eksperimenter

Summary

Den Miller-Urey eksperimentet var en banebrytende studie om abiotiske syntese av organiske forbindelser med mulig relevans for livets opprinnelse. Enkle gasser ble introdusert i et glass apparat og utsatt for en elektrisk utladning, simulere effektene av lyn i primordial Jordens atmosfære-hav system. Forsøket ble gjennomført i en uke, etter som de prøver samlet inn fra det ble analysert for de kjemiske byggesteinene i livet.

Abstract

I 1953 rapporterte Stanley Miller produksjon av biomolekyler fra enkle gassformede utgangsmaterialer, ved hjelp av en anordning konstruert for å simulere den opprinnelige jordatmosfæren-hav system. Miller innføres 200 ml vann, 100 mmHg fra H _2, 200 mmHg for _CH4 og 200 mmHg til NH ₃ inn i apparatet, og deretter underkastes denne blanding, under tilbakeløp, i en elektrisk utladning i en uke, mens vannet ble samtidig oppvarmet. Hensikten med dette manuskriptet er å tilveiebringe leseren med en generell forsøksprotokoll som kan brukes for å gjennomføre en Miller-Urey typen tenn utladning eksperiment, ved bruk av et forenklet 3 l kolbe. Siden forsøket innebærer å utsette brennbare gasser til en høyspent elektrisk utladning, er det verdt å fremheve viktige skritt som reduserer risikoen for eksplosjon. De generelle prosedyrer beskrevet i dette arbeidet kan ekstrapoleres til å utforme og drive en rekke forskjellige elektriske utladning eksperiments simulere primitive planet miljøer.

Introduction

Naturen av livets opprinnelse på jorda er fortsatt en av de mest uransakelige vitenskapelige spørsmål. På 1920-tallet russiske biologen Alexander Oparin og britiske evolusjonsbiolog og genetiker John Haldane foreslo konseptet med en "primordial suppe" ^1,2, som beskriver de primitive terrestriske havene inneholder organiske forbindelser som kan ha tilrettelagt kjemisk evolusjon. Men det var ikke før på 1950-tallet da kjemikere begynte å drive bevisst laboratoriestudier for å forstå hvordan organiske molekyler kunne ha blitt syntetisert fra enkle startmaterialer på tidlig Earth. En av de første meldinger til dette formål var syntese av maursyre fra bestråling av vandige CO _to løsninger i 1951 ^3.

I 1952, Stanley Miller, deretter en graduate student ved University of Chicago, nærmet Harold Urey om å gjøre et eksperiment for å vurdere muligheten for at organiske forbindelserviktig for livets opprinnelse kan ha blitt dannet abiologically på tidlig Earth. Forsøket ble utført ved bruk av en spesialbygd glassapparat (figur 1A) er utformet for å simulere den primitive jorden. Miller eksperiment lignet lyn ved virkningen av en elektrisk utladning i en gassblanding som representerer den tidlige atmosfære, i nærvær av et flytende vannreservoar, som representerer begynnelsen av havene. Anordningen har også simulert fordampning og utfelling ved hjelp av en varmekappe og en kondensator, henholdsvis. Spesifikke detaljer om apparatet Miller pleide kan finnes andre steder ^fire. Etter en uke med gnistdannelse, ble innholdet i kolben synlig transformert. Vannet viste en grumsete, rødlig farge ⁵ og gul-brun materialet samlet seg på elektrodene ^fire. Denne banebrytende arbeid er ansett å være den første bevisst, effektiv syntese av biomolekyler under simulerte primitive Earth forhold. </p>

Figur 1. Sammenligning mellom de to typer apparater som omtales i denne artikkelen. Den klassiske apparat som brukes for den originale Miller-Urey eksperimentet (A) og den forenklede apparat som brukes i protokollen skissert her (B). Klikk her for å se større bilde .

Etter 1953 offentliggjøring av resultater fra Millers klassisk eksperiment, mange varianter av tenn utslippet eksperiment, for eksempel ved hjelp av andre gassblandinger, ble utført for å utforske plausibility produsere organiske forbindelser som er viktige for livet under en rekke mulige tidlige Earth forhold. For eksempel, en CH ₄ </sub> / H ₂ O / NH ₃ / H ₂ S gassblanding ble testet for sin evne til å produsere de kodede svovelholdige α-amino-syrer, selv om disse ikke ble detektert ^6.. Gasskromatografi-massespektrometri (GC-MS)-analyse av en CH ₄ / NH ₃ blandingen utsettes for en elektrisk utladning viser syntesen av α-aminonitriles, som aminosyre-forløpere ^7. I 1972, ved hjelp av en enklere apparatur, først introdusert av oro ⁸ (figur 1B), Miller og medarbeidere demonstrerte syntese av alle de kodede α-aminosyrer ⁹ og nonprotein aminosyrene ¹⁰ som hadde blitt identifisert i Murchison meteoritten hittil ved å utsette _{CH4, N2,} og små mengder av _NH3 til en elektrisk utladning. Senere, ved hjelp av den samme forenklede eksperimentell design, gassblandinger som inneholder H ₂ O, N ₂ og CH _4, CO _2, eller CO ble utløst til study utbyttet av hydrogencyanid, formaldehyd og aminosyrer som en funksjon av oksydasjonstilstanden av atmosfæriske karbonarter ^11.

I tillegg til utforskning av alternative eksperimentelle design i løpet av årene, har betydelige analytiske fremskritt skjedd siden Miller klassiske eksperiment, som nylig hjulpet mer utprøvende undersøkelser av elektrisk utladning eksperimentelle prøver arkivert av Miller, enn det ville ha vært tilrettelagt av teknikkene Miller hadde tilgang til i 1950. Miller vulkansk eksperiment ^12, først rapportert i 1955 ^4, og en 1,958 H ₂ S-inneholdende eksperiment ¹³ ble vist å ha dannet et bredere utvalg, og større Forekomsten, av en rekke aminosyrer og aminer enn den klassiske eksperimentet, inklusive mange av dem som hadde ikke tidligere blitt identifisert i gnistutladningsforsøk.

Eksperimentet som er beskrevet i denne artikkelen kan bli utført ved hjelpen rekke gassblandinger. Vanligvis er i det minste, vil slike eksperimenter inneholde et C-holdig gass, en N-bærende gass, og vann. Med noen planlegging, kan nesten en hvilken som helst blanding av gasser som blir utforsket, er det imidlertid viktig å vurdere noen kjemiske aspekter ved systemet. For eksempel kan pH-verdien i den vandige fase har en betydelig innvirkning på den kjemi som oppstår det ^14.

Metoden som beskrives her har blitt skreddersydd for å instruere forskere hvordan å gjennomføre gnist utslipps eksperimenter som minner om Miller-Urey eksperimentet ved hjelp av en forenklet tre L reaksjon fartøy, slik det er beskrevet i Millers 1972 publikasjoner ^9,10. Siden dette forsøk innebærer en høyspent elektrisk lysbue som opptrer på brennbare gasser, er det avgjørende for å fjerne O ₂ fra reaksjonskolben for å eliminere risikoen for eksplosjon, som kan oppstå ved forbrenningen av reduserte karbonbærende gasser som for eksempel metan eller karbonmonoksid, eller reaksjon of H ₂ med oksygen.

Det er flere detaljer som bør holdes i bakhodet når du forbereder å gjennomføre eksperimentet diskutert her. Først, når det arbeider med glass-vakuum-linjer og trykksatte gasser, eksisterer den iboende fare for både implosjon og over-presse. Derfor må vernebriller kan brukes til enhver tid. Det andre er typisk eksperiment utført ved mindre enn atmosfærisk trykk. Dette minimerer risikoen for over-presse manifolden og reaksjonskolben. Glass kan bli vurdert ved eller over atmosfærisk trykk, men er trykk over 1 atm ikke anbefalt. Trykket kan øke i disse eksperimentene som vannuoppløselig H ₂ er frigjort fra reduserte gasser (slik som CH ₄ og NH _3). Over-presse kan føre til at tetningslekkasje, noe som kan tillate atmosfærisk O ₂ for å gå inn i reaksjonskolben, noe som gjør det mulig å indusere forbrenning, noe som resulterer i en eksplosjon. Tredje,det bør være oppmerksom på at endring av denne protokollen til å gjennomføre varianter av forsøket krever nøye planlegging for å sikre usikre forhold er ikke skapt. Fjerde, er det sterkt anbefalt at den potensielle eksperimentator lese gjennom hele protokollen nøye flere ganger før du prøver dette eksperimentet for å være sikker på at han eller hun er kjent med potensielle fallgruver, og at all nødvendig maskinvare er tilgjengelig og på plass. Til slutt, gjennomføre eksperimenter som involverer brennbare gasser krever overholdelse av eksperimentator mange institusjonens miljø helse og sikkerhet avdelings retningslinjer. Vennligst følg disse anbefalingene før du fortsetter med noen eksperimenter. Alle tiltakene beskrevet i protokollen her er i samsvar med forfatternes verts institusjonelle miljø helse og sikkerhet retningslinjer.

Protocol

En. Sette opp en Manifold / Vacuum System Bruke et glass-manifold for å innføre gass inn i reaksjonskolben. Denne manifold kan kjøpes eller konstruert av et glass-blåsing anlegget, men må bestå av vakuum-tett porter som kan bli koblet til et vakuumsystem, gassflasker, en vakuummåler, og reaksjonskaret. Bruk bakken glass ledd og glassplugger med ventiler på manifolden. Sørg for at alle o-ringene på pluggene er i stand til å gjøre de nødvendige pakninger. Ved bruk av glass-leddene, kan en …

Representative Results

Produktene syntetisert i elektriske utladningsforsøk kan være ganske komplisert, og det er mange analytiske metoder som kan brukes til å studere dem. Noen av de mest vanlige teknikker i litteraturen for å analysere aminosyrer er diskutert her. Kromatografiske og massespektrometri metoder er svært informative teknikker for å analysere komplekse kjemiske blandinger produsert av Miller-Urey typen gnist utladningseksperimenter. Aminosyre-analyser kan bli utført ved hjelp av o -phthaldialdehyde/N-acetyl-L-cys…

Discussion

Mange skritt i protokollen beskrevet her er kritisk for å gjennomføre Miller-Urey typen eksperimenter trygt og riktig. Først må alle glass og prøvehåndteringsverktøy som vil komme i kontakt med reaksjonskolben eller prøven trenger å bli sterilisert. Sterilisering skjer ved grundig rensing elementene i spørsmålet med ultrarent vann (18,2 MΩ cm, <5 ppb TOC) og deretter pakkes i aluminiumsfolie, før pyrolyzing ved 500 ° C i luft i minst 3 timer. Når utstyret er pyrolysert og samtidig forberede prøver for…

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