Summary
Die Miller-Urey-Experiment war eine bahnbrechende Studie über die abiotischen Synthese von organischen Verbindungen mit möglicher Relevanz für die Entstehung des Lebens. Einfache Gase wurden in einer Glasapparatur eingeführt und mit einer elektrischen Entladung ausgesetzt ist, simulieren die Wirkung von Blitz im Atmosphäre-Ozean-System des Ur-Erde. Das Experiment wurde für eine Woche durchgeführt, wonach die entnommene Proben wurden für die chemischen Bausteine des Lebens analysiert.
Abstract
Im Jahr 1953, berichtete Stanley Miller die Produktion von Biomolekülen aus einfachen gasförmigen Ausgangsstoffe, mit einer Vorrichtung gebaut, um Atmosphäre-Ozean-System des Ur-Erde zu simulieren. Miller wurden 200 ml Wasser, 100 mmHg von H 2, 200 mmHg von CH 4 und 200 mmHg von NH 3 in die Vorrichtung, dann einer dieser Mischung unter Rückfluss, um eine elektrische Entladung für eine Woche, während das Wasser gleichzeitig erhitzt. Der Zweck dieses Manuskript ist, um dem Leser ein allgemeines experimentelles Protokoll, das verwendet werden kann, um eine Funkenentladung Experiment Miller-Urey Typ durchzuführen, unter Verwendung einer vereinfachten 3 l-Reaktionskolben werden. Da das Experiment beinhaltet die Exposition brennbare Gase zu einer Hochspannungsentladung, ist es erwähnenswert wichtige Schritte, die das Risiko von Explosionen zu reduzieren. Die in dieser Arbeit beschriebenen allgemeinen Verfahren kann hochgerechnet zu entwerfen und führen eine Vielzahl von elektrischen Entladungsexperiment werdens simuliert primitive Planetenumgebungen.
Introduction
Die Art der Entstehung des Lebens auf der Erde bleibt eines der unergründlichen wissenschaftlichen Fragen. In den 1920er Jahren russische Biologe Alexander Oparin und britische Evolutionsbiologe und Genetiker John Haldane vorgeschlagen, das Konzept einer "Ursuppe" 1,2, beschreibt die primitiven irdischen Ozeane, die organische Verbindungen, die chemische Evolution erleichtert haben kann. Allerdings war es nicht bis in die 1950er Jahre, als Chemiker begann bewusste Laborstudien zu verstehen, wie organische Moleküle aus einfachen Ausgangsmaterialien wurden auf der frühen Erde synthetisiert Ziel zu führen. Einer der ersten Berichte zu diesem Zweck war die Synthese von Ameisensäure aus der Bestrahlung der wässrigen Lösungen CO 2 1951 3.
Im Jahr 1952, Stanley Miller, dann ein Student an der Universität von Chicago, näherte Harold Urey über ein Experiment, um die Möglichkeit zu bewerten, dass organische Verbindungenwichtig für die Entstehung des Lebens wurde möglicherweise abiologically auf der frühen Erde gebildet haben. Das Experiment wurde mit einem speziell angefertigten Glasapparatur (Abbildung 1A) entwickelt, um die primitive Erde zu simulieren, durchgeführt. Miller Experiment nachgeahmt Blitz durch Einwirkung einer elektrischen Entladung auf einer Mischung von Gasen in die Atmosphäre der darstellt, in Gegenwart eines flüssigen Wasserbehälter, die die frühen Ozeane. Die Vorrichtung simuliert die Verdampfung und Fällung durch die Verwendung von einem Heizmantel und einem Kühler verbunden. Konkrete Angaben über das Gerät Miller verwendet werden können, an anderer Stelle 4 gefunden werden. Nach einer Woche der Funkenbildung wurde der Inhalt im Kolben sichtbar transformiert. Das Wasser drehte sich eine trübe, rötliche Farbe 5 und auf den Elektroden angesammelt 4 gelb-braun Material. Diese bahnbrechende Arbeit gilt als die erste bewusste, effiziente Synthese von Biomolekülen unter simulierten primitiven Erde Bedingungen. 
Fig. 1 ist. Vergleich zwischen den beiden Arten von Geräten in diesem Papier diskutiert. Die klassische Gerät für den ursprünglichen Miller-Urey-Experiment (A) und der vereinfachte Vorrichtung in dem Protokoll hier (B) beschrieben verwendet. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .
Nach der Veröffentlichung der Ergebnisse 1953 von der klassischen Experiment Miller, zahlreiche Variationen der Funkenentladung Experiment, zum Beispiel mit anderen Gasgemischen, wurden durchgeführt, um die Plausibilität der Herstellung von organischen Verbindungen, die für das Leben unter einer Vielzahl von möglichen frühen Erde Bedingungen zu erforschen. Zum Beispiel kann ein CH 4 2 O / NH 3 / H 2 S-Gas-Gemisch wurde auf seine Fähigkeit, um die codierten schwefelhaltigen α-Aminosäuren zu produzieren getestet, obwohl diese nicht erkannt 6. Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS)-Analyse einer CH 4 / NH 3-Mischung auf einer elektrischen Entladung unterworfen zeigte die Synthese von α-Aminonitrile, die Aminosäurevorstufen 7 sind. 1972, mit einer einfacheren Vorrichtung, die zuerst von Oró 8 (Fig. 1B) eingebracht, Miller und Kollegen zeigten die Synthese aller kodierten α-Aminosäuren 9 und Nichtprotein-Aminosäuren, die in der 10 Murchison Meteoriten bisher identifiziert wurden, indem CH 4, N 2, und kleine Mengen an NH 3, um eine elektrische Entladung. Später, mit dem gleichen Versuchsaufbau vereinfacht, Gasgemische H 2 O, N 2 und CH 4, CO 2 oder CO wurden stu löstedy die Ausbeute an Blausäure, Formaldehyd und Aminosäuren in Abhängigkeit von der Oxidationsstufe des atmosphärischen Kohlenstoffspezies 11.
Neben der Erforschung alternativer experimentelle Designs im Laufe der Jahre wurden erhebliche analytische Fortschritte seit klassisches Experiment Miller, die vor kurzem geholfen mehr Sondierungs Untersuchungen der elektrischen Entladung experimentellen Proben von Miller archiviert aufgetreten ist, als es durch die Techniken erleichtert worden Miller Zugang hatte in den 1950er Jahren. Müllervulkan Experiment 12, erstmals 1955 4 angegeben, und 1958-H 2 S-haltigen Experiment 13 wurde gezeigt, dass eine größere Vielfalt und größere Häufigkeit von zahlreichen Aminosäuren und Amine als das klassische Experiment gebildet haben, einschließlich von denen viele, dass hatte zuvor nicht in Funkenentladung Experimenten identifiziert.
Die in diesem Papier beschriebene Experiment kann durchgeführt werden unter Verwendung voneine Vielzahl von Gasgemischen. Typischerweise wird zumindest solche Experimente eine C Trägergas, über ein N-tragende Gas und Wasser enthalten. Mit etwas Planung können nahezu beliebige Mischung von Gasen untersucht werden, jedoch ist es wichtig, einige chemischen Aspekte des Systems zu betrachten. Beispielsweise kann der pH-Wert der wässrigen Phase einen erheblichen Einfluss auf die Chemie, die dort 14 auftritt.
Die hier beschriebene Methode wurde speziell auf die Forscher, wie man Funkenentladung Experimente, die die Miller-Urey-Experiment ähneln einem vereinfachten 3 L-Reaktionsgefäß, wie in Miller 1972 Publikationen 9,10 beschrieben durchführen zu unterrichten. Da dieses Experiment beinhaltet einen Hochspannungslichtbogen über brennbare Gase wirken, ist es wichtig, O 2 aus dem Reaktionskolben zu entfernen, um die Explosionsgefahr, die bei der Verbrennung von Kohlenstoff reduziert haltigen Gasen wie Methan oder Kohlenmonoxid auftreten können, zu beseitigen, oder Reaktions of H 2 mit Sauerstoff.
Es gibt noch weitere Details, die in die Vorbereitung, um das Experiment durchzuführen hier diskutiert gehalten werden sollte. Erstens, wenn die Arbeit mit Glas Vakuumleitungen und Druckgase besteht die inhärente Gefahr der Implosion und sowohl über-Druck. Daher muss eine Schutzbrille getragen werden. Zweitens wird das Experiment in der Regel bei weniger als der Atmosphärendruck durchgeführt. Dies minimiert die Gefahr der Über Druck auf den Verteiler und Reaktionskolben. Glaswaren bei oder über Atmosphärendruck abgegeben werden, jedoch sind Drücke oberhalb von 1 atm nicht empfohlen. Drücke können in diesen Experimenten erhöhen als wasserunlösliche H 2 freigesetzt wird aus reduzierten Gase (wie CH 4 und NH 3). Over-Druck kann zu Leckage, die es erlauben kann atmosphärischen O 2 den Reaktionskolben zu geben, so dass es möglich ist, um die Verbrennung zu induzieren, was zu einer Explosion führen. Drittenses sollte bedacht werden, dass die Änderung dieses Protokoll, um Variationen des Experiment durchzuführen erfordert eine sorgfältige Planung, um sicherzustellen unsicheren Bedingungen nicht erstellt werden. Viertens ist es sehr empfehlenswert, dass der potenzielle Experimentator lesen Sie die gesamte Protokoll sorgfältig mehrmals vor dem Versuch, dieses Experiment zu sein, dass er oder sie ist mit möglichen Gefahren vertraut und dass alle notwendige Hardware zur Verfügung steht und an Ort und Stelle. Schließlich, die Durchführung von Versuchen mit brennbaren Gasen erfordern die Einhaltung der Umwelt-und Gesundheitsabteilungsrichtlinien des Experimentators Gastinstitution. Bitte beachten Sie diese Empfehlungen, bevor Sie mit Experimenten fortfahren. Alle Schritte in dem Protokoll hier beschrieben sind in Übereinstimmung mit der Autoren-Host institutionelle Umwelt, Gesundheit und Sicherheit Richtlinien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Einrichten eines Manifold / Vakuumsystem
- Verwenden Sie ein Glas Verteiler zu Gase in den Reaktionskolben einzuführen. Dieser Verteiler kann durch eine Glasbläsereinrichtung erworben werden oder ausgebildet, sondern müssen vakuumdichte Anschlüsse, die mit einem Vakuumsystem, Gaszylinder, ein Vakuummeter, und das Reaktionsgefäß angeschlossen werden kann, umfassen.
- Verwenden Schliffe und Glasstöpsel mit Ventilen am Verteiler. Stellen Sie sicher, dass alle O-Ringe an den Steckern sind in der Lage, die notwendigen Dichtungen. Bei Verwendung von Glasverbindungen kann eine ausreichende Menge von Vakuumfett aufgebracht werden, um eine Dichtung zu bilden, falls erforderlich. Silizium Vakuumfett kann verwendet werden, um potentielle organische Verunreinigung zu vermeiden.
- Verwenden Sie Glas Hähne auf dem Verteiler. Wenden Sie den Mindestbetrag von Vakuumfett notwendig, um eine Dichtung zu machen.
- Messen Sie die vielfältigen Lautstärke. Dieses Volumen wird für Berechnungen zur endgültigen Gasdrücke in der 3-L-Reaktionskolben Zusammenhang verwendet werden und sollte so genau wie möglich bekannt sein. Es sei denn, der Verteiler hat genug Anschlüsse, um alle Gasflaschen gleichzeitig aufnehmen, schließen einen Zylinder zu einem Zeitpunkt an dem Verteiler. Umfassen in diesem Zusammenhang einen Wasserhahn so dass der Verteiler von der Umgebungsatmosphäre isoliert werden.
- Verwenden Sie geeignete, sauber, inert, sowie chemische und auslaufsicher Schläuche und Armaturen ultratorr Vakuum, um die Gasflaschen an den Verteiler angeschlossen werden. Ultratorr Armaturen, wo verwendet werden, sind um den Finger fest angezogen werden.
- Verbinden Sie mit dem Verteiler, eine Vakuumpumpe, die ein Vakuum von <1 mmHg. Die Vakuumpumpe sollte im Abgasabzugshaube befinden oder durch andere Mittel richtig entlüftet.
- Um ein schnelles Erreichen des Vakuums zu sichern und um die Pumpe zu schützen, eine Falle zwischen dem Verteiler und der Vakuumpumpe einzuführen. Ein Flüssigstickstofffingerfalle empfehlenswert, da es flüchtigen Stoffen, wie NH 3, CO 2 und H 2 O in die Pumpe zu verhindern. Es sollte darauf geachtet werden, wie gefangen flüchtigen, auf warming, kann das vielfältige Überdruck und führen zu Glasbruch.
- Verbinden Sie mit dem Verteiler, einem Manometer oder andere Vakuum-Messgerät in der Lage, 1 mmHg Auflösung oder besser. Während verschiedene Vorrichtungen verwendet werden, ist ein Quecksilbermanometer oder MacLeod Gauge, vorzugsweise als Quecksilber ist relativ nicht-reaktiv.
- Messen und speichern Sie die Umgebungstemperatur mit Hilfe eines geeigneten Thermometers.
2. Herstellung von Reaktionskolben
- Erhitzen Sie alle Glaswaren bei 500 ° C für mindestens 3 Stunden in der Luft vor der Verwendung, um organische Verunreinigungen zu entfernen.
- Reinigen Sie die Wolfram-Elektroden durch vorsichtiges Waschen mit sauberem Laborwischtücher und Methanol und Trocknen an der Luft.
- Gießen Sie 200 ml Reinstwasser (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC) in den drei L-Reaktionskolben.
- Einführung eines vorgereinigt und sterilisiert Magnetrührstab, die eine schnelle Auflösung der löslichen Gase und Mischen der Reaktanten bei der Ex gewährleistenExperiment.
- Bringen Sie die Wolframelektroden in den 3 l-Reaktionskolben unter Verwendung einer minimalen Menge von Vakuumfett, mit Spitzen von ca. 1 cm innerhalb des Kolbens getrennt. Befestigung mit Clips.
- Einfügen eines Adapters mit einem integrierten Hahn in den Hals des 3 l-Reaktionskolben und mit einem Clip.
- Die 3-L-Reaktionskolben Befestigen an den Gasverteiler über den Adapter. Verwenden Sie einen Clip oder eine Klemme zu helfen, die Flasche zu sichern.
- Fetten Sie alle Anschlüsse, um eine gute Vakuumdichtung zu gewährleisten.
- Öffnen Sie alle Ventile und Hähne auf dem Verteiler, mit Ausnahme Ventil 6 und Absperrhahn 1 (Abbildung 4), und schalten Sie die Vakuumpumpe, um den Verteiler zu evakuieren. Sobald ein stabiles Vakuum Lesen von <1 mmHg erreicht wurde, in der Nähe Ventil 1 und lassen Sie die vielfältigen, für ~ 15 min sitzen, um für Vakuumlecks überprüfen. Wenn keine gefunden werden, gehen Sie zu Schritt 2.8. Andernfalls beheben die verschiedenen Verbindungen, bis die Lecks erkannt und behoben werden.
- Apply magnetischem Rühren in das Reaktionsgefäß. Offene Ventil 1 und Absperrhahn 1 (Fig. 4), um den Kopfraum der 3 l Reaktionskolben evakuiert, bis der Druck 1 mmHg erreicht hat <.
- Zu-Ventil 1 (Fig. 4) und den Druck innerhalb der 3 L Reaktionskolben überwachen. Der gemessene Druck sollte der Dampfdruck des Wassers zu erhöhen. Um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind, warten Sie ca. 5 Min. in diesem Stadium. Wenn der Druck (wie auf dem Manometer abgelesen) erhöht, während Ventil 1 wird in diesem Schritt geschlossen, auf Dichtheit prüfen in Hahn 1 und der verschiedenen Reaktionskolben-Verbindungen. Wenn kein Leck festgestellt wird, zu dem nächsten Schritt fort.
3. Einleitung von gasförmigem NH 3
- Berechnen der erforderlichen Druck des gasförmigen NH 3 in dem Verteiler, so dass 200 mmHg von NH 3 werden in den Reaktionskolben eingeführt einzuführen. Details darüber, wie dies zu tun sind in der Diskussion Abschnitt.
- Schließen Ventile1 und 6, und Absperrhahn 1 (Fig. 4) vor dem Einführen kein Gas in den Verteiler. Lassen Sie die anderen Ventile und Absperrhahn geöffnet.
- Einführung von NH 3 in dem Verteiler, bis ein geringer Druck (etwa 10 mmHg) erreicht ist, und dann den Verteiler zu evakuieren, um einen Druck von <1 mmHg durch Öffnen des Ventils 1 (Fig. 4). 3x wiederholen.
- Einführung von NH 3 in dem Verteiler, um den Druck im Schritt 3.1 bestimmt, zu erreichen.
- Absperrhahn geöffnet 1 (Fig. 4) bis 200 mmHg von NH 3 in den 3 l-Reaktionskolben eingeführt. Die NH 3 wird im Wasser in den Reaktionskolben lösen und der Druck wird langsam sinken.
- Sobald der Druck stoppt fallen, in der Nähe Absperrhahn 1 (Abbildung 4) und notieren Sie den Druck, der durch das Manometer lesen. Dieser Wert stellt den Druck im Inneren des Kolbens und wird verwendet, um die Drücke für andere Gase, die später in den Verteiler eingeführt wird, zu berechnen.
- Schließen Sie Ventil 2 (Abbildung 4) und ziehen Sie das NH 3 Gasflasche aus dem Verteiler.
4. Einführung von CH 4
- Berechnen der erforderlichen Druck von CH 4 in den Verteiler, so dass 200 mmHg von CH 4 wird in den 3 l-Reaktionskolben eingeführt werden, eingeführt werden. Beispielrechnungen sind in der Diskussion Schnitt gezeigt.
- Verbinden CH &sub4;-Gas Zylinder an dem Verteiler.
- Öffnen Sie alle Ventile und Hähne, außer Ventil 6 und Absperrhahn 1 (Abbildung 4), und räumen den Verteiler mit einem Druck von <1 mmHg.
- Zu-Ventil 1, wenn der Verteiler evakuiert worden ist (Abbildung 4).
- Einführung CH 4 in den Verteiler bis ein kleiner Druck (etwa 10 mmHg) erhalten. Dies löscht die Zeile aller Schadgase from vorhergehenden Schritte. Öffnen Sie Ventil 1 (Abbildung 4), um den Verteiler auf <1 mmHg zu evakuieren. Repeat 2x mehr.
- Einführung CH 4 in den Verteiler bis der Druck in Schritt 4.1 berechnet, erreicht wird.
- Absperrhahn geöffnet 1 (Fig. 4) bis 200 mmHg von CH 4 in den 3 l-Reaktionskolben eingeführt.
- Schließen Hahn 1, wenn die vorgesehenen Druck von CH 4 in die 3 L Reaktionskolben (Abbildung 4) eingeführt, und notieren Sie den Druck, der durch das Manometer gemessen.
- Öffnen Sie Ventil 1 (Abbildung 4), um den Verteiler auf <1 mmHg zu evakuieren.
- Schließen Sie Ventil 2 (Abbildung 4) und ziehen Sie den CH 4-Zylinder aus dem Verteiler.
5. Einführung weiterer Gase (zB N 2)
- An diesem Punkt ist es nicht erforderlich, zusätzliche Gase einzuführen. Jedoch, wenn gewünscht, ist es empfehlenswert, auf 100 mmHg N 2 hinzugefügt. In diesem Fall berechnet die notwendige Druck von N 2 in die Sammelleitung 100 mmHg, so dass der N 2 in die 3 l-Reaktionskolben eingeführt werden, eingeführt werden. Beispielrechnungen sind in der Diskussion Schnitt gezeigt.
- Verbinden der N 2-Gasflasche mit dem Verteiler.
- Öffnen Sie alle Ventile und Hähne, außer Ventil 6 und Absperrhahn 1 (Abbildung 4), und räumen den Verteiler mit einem Druck von <1 mmHg.
- Zu-Ventil 1, wenn der Verteiler evakuiert worden ist (Abbildung 4).
- Einführen N 2 in den Verteiler bis ein kleiner Druck (etwa 10 mmHg) erhalten. Öffnen Sie Ventil 1 (Abbildung 4), um den Verteiler auf <1 mmHg zu evakuieren. Repeat 2x mehr.
- Einführen N 2 in die Sammelleitung, bis der Druck in Schritt 5.1 berechnet erreicht ist.
- Absperrhahn geöffnet 1 (Fig. 4) bis 100 mmHg von N 2 in den Reaktionskolben eingeführt.
- Schließen Hahn 1, wenn die vorgesehenen Druck von N 2 wurde in den Reaktionskolben, (Abbildung 4) eingeführt, und notieren Sie den Druck mit dem Manometer.
- Öffnen Sie Ventil 1 (Abbildung 4), um den Verteiler auf <1 mmHg zu evakuieren.
- Schließen Sie Ventil 2 (Abbildung 4) und ziehen Sie das N 2-Zylinder aus dem Verteiler.
6. Versuchsbeginn
- Nehmen Sie den Reaktionskolben aus dem Verteiler durch Schließen Hahn 1 und Ventil 1 (Abbildung 4), sobald alle Gase in den Reaktionskolben eingeführt, so dass Umgebungsluft den Verteiler ein und bringen den Verteiler bis auf Umgebungsdruck.
- Nach sorgfältiger Trennen der Reaktionskolben aus dem Verteiler, stellen Sie die Flasche irgendwo wird es nicht gestört werden (z. B. in einem leeren Abzug).
- Trennen Sie die Vakuumpumpe und entfernen Sie vorsichtig die Kühlfalle und lassen Entlüftung in einem vollBetriebs Abzug.
- Sichern Sie die Tesla-Spule, um die Hochfrequenz-Funkengenerator verbunden.
- Verbinden der gegenüberliegenden Wolfram-Elektrode mit einer elektrischen Masse, um die effiziente Stromdurchgang durch den Spalt zwischen den beiden Elektroden zu ermöglichen.
- Stellen Sie die Ausgangsspannung der Funkengenerator auf etwa 30.000 V, wie Dokumente vom Hersteller beschrieben.
- Vor Beginn der Funke, schließen Sie den Abzug Schärpe, als Schutzschild zwischen dem Gerät und dem Experimentator zu dienen. Drehen Sie die Tesla-Spule auf, um das Experiment zu starten, und lassen Funkenbildung für 2 Wochen (oder anderen gewünschten Zeitraum) in 1 h Ein / Aus-Zyklen fortzusetzen.
7. Ende des Experiments
- Beenden Sie den Test durch Abschalten der Tesla-Spule.
- Absperrhahn geöffnet 1 (Fig. 4) langsam einführen Umgebungsluft in den Reaktionskolben und erleichtern das Entfernen des Adapters und die Wolframelektroden so samples gesammelt werden können. Falls gewünscht, kann ein Vakuum verwendet, um das Reaktionskolben schädliche Reaktionsgase zu evakuieren.
8. Sammeln flüssige Probe
- Mit einem pyrolisierten Glaspipette, entfernen flüssigen Proben aus dem Reaktionskolben, wobei darauf geachtet, die Exposition gegenüber Verunreinigungen, wie diejenigen, die durch Berühren der Pipette auf die Vakuumfett oder andere nicht sterile Oberflächen eingebracht werden können, zu minimieren.
- Die Probe in einem sterilen Plastik-oder Glasbehälter. Kunststoffbehältnisse sind weniger anfällig für Rissbildung oder Brechen beim Einfrieren im Vergleich zur Glasgefäße.
- Seal Probenbehältern und an einem Gefrierschrank der Lage zu erreichen Temperaturen von -20 ° C oder niedriger, als unlösliche Produkte können die Probenlösung gefriert bei 0 ° C zu verhindern
9. Reinigung der Geräte
- Verwenden Sie saubere Labor wischt sorgfältig entfernen Vakuumfett aus dem Hals des Geräts, die AnpassungER und Hahn, und das Glas umgebenden Wolframelektroden.
- Die gleichen in Schritt 9.1 mit Toluol beschriebenen Oberflächen gründlich zu reinigen, um vollständig zu entfernen organische Vakuumfett aus der Glaswaren. Bei der Verwendung von Silikonfett kann die Hochvakuumfett auf der Glaswaren nach der Pyrolyse bleiben, die Schaffung künftiger Probleme, wie in der Diskussion Abschnitt beschrieben.
- Gründlich Reaktionskolben mit einem Pinsel und der folgenden Lösungsmittel zu säubern: Reinstwasser (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC), Reinstwasser (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC) mit 5% Reinigungsmittel, Methanol, Toluol, Methanol, Reinstwasser (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC) mit 5% Reinigungsmittel und schließlich Reinstwasser (18,2 MOhm cm, <5 ppb TOC).
- Decken Sie alle offenen Öffnungen der Reaktionskolben mit Aluminiumfolie und wickeln Sie den Adapter und seiner Komponenten in Aluminiumfolie.
- Sobald alle Glaswaren in Aluminiumfolie eingewickelt wurde, zu pyrolysieren für mindestens 3 Stunden inLuft bei 500 ° C.
- Vorsichtig sauber Elektroden mit Methanol und Luft trocknen lassen.
10. Probenanalyse
Anmerkung: Bei der Herstellung von Proben für die Analyse ist die Verwendung einer sauren Hydrolyse Protokoll wie an anderer Stelle 15 beschrieben worden ist, ist nützlich für den Erhalt mehrerer Aminosäuren. Hydrolyse eines Teils des wiedergewonnenen Probe die Möglichkeit bietet, sowohl freie Aminosäuren sowie deren Säure-labilen Vorläufer, die unter abiotischen Bedingungen synthetisiert werden, zu analysieren.
- Für Aminosäureanalyse, verwenden Sie eine geeignete Technik (wie Flüssig-Chromatographie und Massenspektrometrie-basierte Methoden oder andere geeignete Ansätze). Solche Analysetechniken gehören Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie mit Fluoreszenzdetektion (HPLC-FD) 14 und Ultrahochleistungsflüssigkeits-Chromatographie mit Fluoreszenzdetektion parallel mit Time-of-Flight-positiven Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (UHPLC-FD/ToF-MS) 12,13. Dieses Manuskript beschreibt Analyse mit massenspektrometrischer Analysen über ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer (QqQ-MS) in Verbindung mit HPLC-FD.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Die elektrische Entladung in Experimenten synthetisierten Produkte können ziemlich komplex sein, und es gibt zahlreiche analytische Ansätze, die verwendet werden können, um sie zu untersuchen. Einige der am häufigsten verwendeten Techniken, die in der Literatur für die Analyse von Aminosäuren werden hier diskutiert. Chromatographischen und massenspektrometrischen Methoden sind sehr informativ Techniken für die Analyse der von Miller-Urey Funkenentladung Experimente produziert komplexe chemische Gemische. Aminosäureanalysen können mit o -phthaldialdehyde/N-acetyl-L-cysteine (OPA / NAC) 16, ein Paar, das chirale Reagenz primären Aminogruppen Tags, wodurch Fluoreszenz diastereomeren Derivaten, die an achiraler stationärer Phasen getrennt werden können. Abbildung durchgeführt werden, 2 zeigt ein Chromatogramm eines OPA / NAC-derivatisierte Aminosäure durch Standard-HPLC erhaltenen gekoppelt, um den Nachweis und QqQ-MS Fluoreszenz. Die in der Norm enthaltenen Aminosäuren umfassen jene, die typischerweise in Miller-Urey Funken dis hergestelltExperimente laden. Die Identitäten dieser Aminosäuren sind in Tabelle 1 aufgeführt. Repräsentative Fluoreszenz Spuren einer typischen Probe-und Analyse leer sind in Abbildung 3 gezeigt, was die molekulare Komplexität des Miller-Urey Art elektrische Entladung Proben. 300 mmHg von CH 4, 250 mmHg von NH 3 und 250 ml Wasser: Die Probe Chromatogramm in Fig. 3 wurde aus einer Funkenentladungsexperiment unter Verwendung der folgenden Ausgangsbedingungen hergestellt.
2. Die 3-21 min HPLC-FD/QqQ-MS Bereich der Chromatogramme aus der Analyse eines OPA / NAC-derivatisierte Aminosäure-Norm hergestellt ist. Aminosäureidentitäten Peak sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Fluoreszenzkurve ist an der Unterseite und den entsprechenden extrahierten mas gezeigtens Chromatogramme sind oben gezeigt. Die Elektrospray-Ionisation (ESI) QqQ-MS wurde im positiven Modus bedient und beobachtet einen Massenbereich von 50-500 m / z. ESI-Einstellungen waren: Desolvatisierung Gas (N 2) Temperatur: 350 ° C, 650 l / h; Kapillare Spannung: 3,8 kV; Cone-Spannung: 30 V Das unmarkierte Peaks im Chromatogramm 367 extrahierten Ionen sind die 13 C 2 Peaks 365 extrahiert Ionenchromatogramm, als Ergebnis der etwa 1% natürliche Häufigkeit von 13 C Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .
| Spitze | Aminosäure |
| 1 | D-Asparaginsäure |
| 2 | L-Asparaginsäure |
| 3 | L-Glutaminsäure |
| 4 | D-Glutaminsäure |
| 5 | D-Serin |
| 6 | L-Serin |
| 7 | Glycine |
| 8 | b-Alanin |
| 9 | D-Alanin |
| 10 | g-Amino-n-buttersäure (g-ABA) |
| 11 | L-Alanin |
| Db-Amino-n-Buttersäure (Db-ABA) | |
| 13 | a-Aminoisobuttersäure (a-AIB) |
| 14 | Lb-Amino-n-Buttersäure (Lb-ABA) |
| 15 | D / La-Amino-n-Buttersäure (D / La-ABA) |
| 16 | D-Isovalin |
| 17 | L-Isovalin |
| 18 | L-Valin |
| 19 | E-Amino-n-Capronsäure (EACA) |
| 20 | D-Valin |
| D-Isoleucin | |
| 22 | L-Isoleucin |
| 23 | D / L-Leucin |
Tabelle 1. Peak-Identitäten für Aminosäuren in der Standard-und die erkannt werden typischerweise in Miller-Urey Funkenentladung Experimente produziert.
3. Die 3-21 min Bereich der HPLC-FD-Chromatogramme Vertreter des Miller-Urey Funkenentladung Experimenten. Peaks wurden identifiziert und durch Retentionszeit und Massenanalyse von Zielverbindungen quantifiziert Vergleich zu einer Standard-und Analyse leer. Alle Ziel ana Lytes mit koeluierenden Fluoreszenzretentionszeiten getrennt und quantifiziert unter Verwendung von Massenspektrometrie, mit Ausnahme von α-AIB-und L-β-ABA (Peaks 13 und 14), und D / L-Norleucin, die mit D / L-Leucin (Peak coeluiert werden 23) unter den chromatographischen Bedingungen. D / L-Norleucin wurde als interner Standard, um Proben und Analyse Zuschnitte während der Probenvorbereitung zugesetzt. Aminosäure-Trennung wurde unter Verwendung einer 4,6 mm x 250 mm, 5 &mgr; m Teilchengrße Phenyl-Hexyl-HPLC-Säule erreicht. Die mobile Phase bestand aus: A) von ultrareinem Wasser (18,2 M &OHgr; cm, <5 ppb TOC), B) Methanol, und C) 50 mM Ammoniumformiat mit 8% Methanol bei pH 8. Der verwendete Gradient war: 0-5 min, 100% C, 5-15 min, 0 bis 83% A, 0-12% B,% C 100-5, 15-22 min, 83-75% A, 12 - 20% B, 5% C, 22-35 min, 75-35% A, B 20-60%, 5% C; 35-37 min, 35-0% A, 60-100% B, 5-0% C, 37-45 min, 100% B, 45-46 min 100-0% B, 0-100% C 46-55 min, 100% C. Die Fließgeschwindigkeit betrug 1 ml / min.hres.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Zahlreiche Schritte in der hier beschriebenen Protokoll sind entscheidend für die Durchführung von Miller-Urey-Typ Experimente sicher und korrekt. Zuerst werden alle Glasgeräte und Probenbearbeitungswerkzeuge, die in Kontakt mit dem Reaktionsgefäß oder der Probe kommen müssen sterilisiert werden. Die Sterilisation wird durch gründliches Spülen der Gegenstände in Frage, mit Reinstwasser (18.2 MOhm cm, <5 ppb TOC) und dann wickelte sie in Aluminium-Folie, vor der Pyrolyse bei 500 ° C in Luft für mindestens 3 h erreicht. Sobald das Gerät wurde pyrolysiert, und während der Herstellung von Proben für die Analyse, muss darauf geachtet werden, um organische Verunreinigungen zu vermeiden. Das Risiko einer Kontamination kann durch das Tragen von Nitril-Handschuhe, Laborkittel und Schutzbrille minimiert werden. Achten Sie darauf, mit Proben von den eigenen Körper zu arbeiten als gemeinsame Kontaminationsquellen gehören Fingerabdrücke, Haut, Haare und ausgeatmeten Luft. Kontakt mit nassen Handschuhen vermeiden und keine Latex-oder Nylon-Materialien nicht verwenden. Zweitens gründliche Entgasung von ter Reaktionskolben vor Gas zusätzlich in den Reaktionskolben ist kritisch. Die Anwesenheit von selbst geringen Mengen an molekularem Sauerstoff in dem Reaktionskolben stellt ein Explosionsrisiko, wenn der Zündfunke in brennbare Gase wie CH 4 abgegeben. Entgasen während der Kolben, wird das Wasser im Inneren des Kolbens zu kochen, was eine stabile Messung verhindert. In dieser Phase gibt es zwei Möglichkeiten: 1) entgast Kolben über Frost-Tau-Zyklen (typischerweise 3 verwendet werden), oder 2) entgast einfach die flüssige Lösung. Im letzteren Fall wird etwas Wasser verloren, jedoch wird der Betrag relativ klein sein im Vergleich zu dem Restvolumen. Drittens muss eine gut ausgestattete und effizienten Aufbau sorgfältig konstruiert werden, um eine konsistente Funken zwischen den Elektroden über die Gesamtheit des Experiments zu etablieren. BD-50E Tesla Spulen nicht für einen längeren Betrieb ausgelegt, wie sie für Vakuumleck bestimmt. Intermittierende Kühlung der Tesla-Spule ist somit für längere Betriebslebensdauer empfohlen. TherE gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen. Eine einfache Möglichkeit ist es, einen Timer in-line zwischen dem Funkentester und die Stromversorgung anschließen und den Timer programmieren, so dass sie abwechselnd in 1 Stunde auf / Aus-Zyklen. Abkühlen der Tesla-Spule mit einem kommerziellen Lüfter kann auch erforderlich sein, um die Lebensdauer der Tesla-Spule verlängern. Die Tesla-Spule Spitze sollte berühren oder fast berühren der Wolframelektroden sein, ein Abstand zwischen den beiden von etwa 1 mm oder weniger. Zusätzlich kann eine intensive Entladung mit einer Länge von leitendem Metalldraht mit einer Schleife an einem Ende leicht über die Elektrode gegenüber der einen der Tesla-Spule berührt, um zu vermeiden das Siegel auf den Inhalt drapiert erreicht werden. Es wird auch empfohlen, um eine zweite Funkengenerator in Fall vorhanden die primäre Funkengenerator durch erweiterte Nutzung nicht zu haben.
Es gibt viele weitere Hinweise wert halten, wenn die Durchführung verschiedener Schritte in der hier skizzierten Protokoll. Bei der Vorbereitung der Verteilersystem für einn experimentieren und mit einer Quecksilber-Manometer, wird allgemein zugestanden, dass eine Genauigkeit von 1 mmHg ist der beste erreichbare, aufgrund der Auflösung des menschlichen Auges. Einige Gase können Leitfähigkeit Probleme mit Widerstand-basierte Lehren zu präsentieren. Mercury Manometer vorhanden, Spill Gefahren, die im Voraus vorbereitet werden sollte.
Während der Montage der 3 l Reaktionskolben, kann der Einsatz von Silizium Vakuumfett Potential organische Verunreinigungen zu mildern, doch sollte darauf geachtet werden, diese zwischen den Läufen gründlich zu entfernen. Andernfalls wird in der Anhäufung von Kieselsäure Ablagerungen in der Hochtemperatur-Pyrolyse, die mit Vakuumdichtungen stören können, führen. Zusätzlich werden die Wolfram-Elektroden sind kommerziell als 2% thoriertem Wolfram Verfügung und sollte in halbrunden Boden Glasbeschläge geglüht werden. Die Glas-Wolfram-Elektroden ausgestattet pyrolisieren Sie nicht in einem Ofen. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wolfram und Glas verschieden sind heating von über 100 ° C kann die Dichtung um die Glas geglüht Elektroden schwächen und Lecks in das System einzuführen. Auch kann Reinstwasser in den drei L-Reaktionskolben durch Gießen, mit Sorgfalt, um Kontakt mit einem Fett auf den verwendeten Port zu vermeiden, oder durch Pipettieren, mit einer Glaspipette vorpyrolysiert eingeführt werden. Die wässrige Phase in dem Reaktionskolben gepuffert werden, falls gewünscht. Beispielsweise Miller und Kollegen 9 gepufferte Lösung, die auf pH 8,7 mit NH 3 / NH 4 Cl-Puffer. Um dies zu tun, wird die wässrige Phase vor der Einführung in den Reaktionskolben hergestellt in 0,05 M NH 4 Cl. NH 4 Cl-Reinheit von 99,5% oder mehr, verwendet werden. Der Rest des NH 3 wird dann zu dem Reaktionskolben als Gas zugegeben.
In der Vorbereitung für Gaseinleitung in den drei L-Reaktionskolben kann der Kolben auf dem Verteiler, indem der Kolben auf einem Kork-Ring gesichert werden, auf einer Hebebühne gesetzt und sanft Anhebung der Kolben Montage, bis einPassverbindung erreicht wird. Bei der Prüfung auf Dichtheit, ist es erwähnenswert, dass wahrscheinlichen Quellen von Leckagen sind schlechte Dichtungen an den Verbindungsstellen der halbrunden Glasschliffe, die die Wolfram-Elektroden in den Reaktionskolben zu befestigen, und den Hahn des Adapters an den Hals befestigt die 3 L Reaktionskolben. Wenn Undichtigkeiten aus diesen Quellen festgestellt werden, sorgfältig die 3 L Reaktionskolben aus dem Verteiler zu entfernen, wischen Sie diese Bereiche mit sauberen Labor Gewebe, erneut eine frische Beschichtung von Vakuumfett und der Kolben wieder anzubringen, um den Verteiler zur Lecksuche. Wenn keine Leckagen festgestellt, gehen, um Gase in den Reaktionskolben einzuführen.
Während Einführen von Gasen in die Vorrichtung sollte Gasflaschen sicher an einem Träger befestigt werden. Es ist darauf zu Gase langsam einzuführen. Ventile an Gasflaschen sollten während der Überwachung des Manometer Über Druck auf die Glaswaren und Beschläge angebracht vermeiden, langsam und vorsichtig geöffnet werden. Es ist wichtig zu beachten, that unter Zugabe von NH 3 in den Reaktionskolben, weil NH 3 in Wasser merklich löslich unter dem pK a von NH 4 + (~ 9,2), im wesentlichen das gesamte NH 3-Gas in den Verteiler eingeführt wird in der wässrigen Phase zu lösen, wodurch der endgültige Druck in dem Kolben und Verteiler wie der Dampfdruck von Wasser bei Umgebungstemperatur. Sobald dieser Druck erreicht ist, kann man davon ausgehen, die Übertragung abgeschlossen ist. Im Folgenden sind Beispiele für die Berechnungen, um genau vorstellen Gase in den Reaktionskolben an ihren gewünschten Drücke ausgeführt werden müssen:
Einleitung von gasförmigem NH 3
Aufgrund der Löslichkeit von NH 3, im wesentlichen alles davon wird von dem Verteiler in den Reaktionskolben übertragen und lösen sich in der wässrigen Phase, solange das NH 3 in dem Verteiler bei einem höheren Druck als dem Dampfdruck von Wasser in der ReaktionsKanne. Daher sollte die Umgebungstemperatur angemerkt werden, und der Dampfdruck von Wasser bei dieser Temperatur sollte vor dem Einleiten von NH 3 in dem Verteiler verwiesen werden. Der Solldruck des NH 3 in den Reaktionskolben eingebracht werden sollte gleich dem Solldruck des NH 3 in den 3 l-Reaktionskolben, sowie der Dampfdruck von Wasser in den Reaktionskolben zu sein, an der die Umgebungstemperatur erfasst. Beispielsweise bei 25 ° C ist der Dampfdruck von Wasser etwa 24 mmHg. Um also zu 200 mmHg von NH 3 in den Reaktionskolben eingeführt, Last etwa 225 mmHg von NH 3 in die Sammelleitung vor der Übertragung NH 3 aus dem Verteiler und in den Reaktionskolben. Dies wird in etwa 200 mmHg von NH 3 in den Reaktionskolben eingeführt führen.
Einführung von CH 4
Nach der NH 3-Zugabe und ihrer Auflösung in the wässrigen Phase, wird der Druck im Gasraum des Reaktionskolbens gleich dem Dampfdruck von Wasser bei 25 ° C, etwa 24 mmHg. Dieser Wert wird verwendet in Verbindung mit der in Fig. 4 gezeigten Beispiel Verteiler, zur Durchführung einer Berechnung, wie viel CH 4 in den Verteiler, so dass 200 mmHg von CH 4 wird in den Reaktionskolben eingeführt vorstellen:
P 1 = Gesamt durch das gesamte System, einschließlich dem Reaktionskolben gewünschten Druck
V1 = Volumen des gesamten Systems, einschließlich der Reaktionskolben
P 2 = Druck von CH 4 benötigt, um Sammlervolumen vor der Einführung in Reaktionskolben füllen
V 2 = Volumen der Gasverteiler zur Einführung verwendet
P 3 = Druck bereits in den Kopfraum der Reaktionskolben
V 3 = Volumen der Reaktionskolben
V 1 = 3,000 ml + 100 ml + 300 ml + 40 ml + 20 ml + 3,000 ml + 40 ml + 500 ml = 7,000 ml
P 2 = Druck von CH 4 berechnet
V 2 = 100 ml + 300 ml + 40 + 20 + 3000 ml + 40 ml + 500 ml = 4000 ml
P 3 = 24 mmHg von H 2 O
V 3 = 3,000 ml
Einführung von N 2
Nach Einführung von CH 4 wird der Kopfraum der Reaktionskolben von 200 mmHg von CH 4 und 24 mm Hg von H 2 O für insgesamt 224 mmHg besetzt. Dieser Wert wird verwendet, zusammen mit den Abmessungen der in Fig. 4 gezeigt ist, zu berechnen, beispielsweise t Verteilerer N 2-Druck, der in den Verteiler 100 mmHg, so dass der N 2 in das Reaktionsgefäß eingeführt werden, eingeführt werden muss:
P 1 = Gesamt durch das gesamte System, einschließlich dem Reaktionskolben gewünschten Druck
V1 = Volumen des gesamten Systems, einschließlich der Reaktionskolben
P 2 = Druck von N 2 benötigt, um Sammlervolumen vor der Einführung in Reaktionskolben füllen
V 2 = Volumen der Gasverteiler zur Einführung verwendet
P 3 = Druck bereits in den Kopfraum der Reaktionskolben
V 3 = Volumen der Reaktionskolben
P 1 = 24 mmHg von H 2 O + 200 mmHg von CH 4 + 100 mmHg N 2 = 324 mmHg
V 1 = 3,000 ml + 100 ml> + 300 ml + 40 ml + 20 ml + 3,000 ml + 40 ml + 500 ml = 7,000 ml
2 = Druck von N 2 berechnet
V 2 = 100 ml + 300 ml + 40 ml + 20 ml + 3000 ml + 40 ml + 500 ml = 4000 ml
P 3 = 200 mmHg von CH 4 + 24 mmHg von H 2 O = 224 mmHg
V 3 = 3,000 ml
4. . Manifold / Vakuum-System verwendet, um Gase in die 3 L Reaktionskolben Ventile steuern Gasstrom einführen werden als V 1 bezeichnet - V 8, während die Hähne Steuerung Gasstrom werden als S 1 und S 2 bezeichnet. Es ist erwähnenswert, dass, während die Ventile 1, 2 und 6, und Absperrhahn 1 werden nachstehend explicitly in der Protokoll-, die anderen Ventile und Hahn in der hier gezeigten Verteiler sind nützlich für das Hinzufügen oder Entfernen Volumen (dh hält Kolben) oder aus dem Verteiler. Wenn beispielsweise die Einführung von Gasen in der Sammelleitung mit relativ hohem Druck (etwa 500 mmHg oder mehr), ist es ratsam, dass der Experimentator nutzt alle Entleerungskolben an dem Verteiler angebracht, um das zugängliche Volumen des Verteilers zu erhöhen und das Risiko zu minimieren, Über Druck auf die vielfältig.
Nach dem Start des Experiments, muss das System auf regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, das Experiment richtig läuft. Dinge zu überprüfen, sind: 1) die Funkengenerator erzeugt einen Funken, und 2) der Funke wird über die Wolfram-Elektroden in einer kontinuierlichen Weise erzeugt. Wenn die oben genannten Bedingungen nicht erfüllt sind, trennen Sie die Tesla-Spule von der Stromversorgung und ersetzen Sie es mit dem Backup-Tesla-Spule. In der Zwischenzeit können Reparaturen an der Fehlfunktion Tesla-Spule hergestellt werden.Oft können die Kontaktplatten im Inneren des Funkengeneratorgehäuse korrodierte sich aus den erweiterten Einsatz und sollte poliert werden, oder ersetzt werden.
Nach Beendigung des Versuchs kann die Gase im Kopfraum reizt die Atemwege. Schädliche Gase, wie Cyanwasserstoff 4 kann durch das Experiment hergestellt werden. Wenn der Experimentator nicht Sammelgasproben zur Analyse, kann es hilfreich sein, um die Vorrichtung an eine Wasserstrahlpumpe zu verbinden, um flüchtige Bestandteile für etwa eine Stunde nach Beendigung des Experiments zu evakuieren, während die Vorrichtung bleibt in der Dunstabzugshaube vor dem Sammeln von flüssigen Proben . Aus Sicherheitsgründen ist es ratsam, dass die Vorrichtung in einem voll funktionsfähigen Abzug entlüftet. Probenentnahme sollte in einer Betriebsabzugshaube und Probenhandhabung in einer Überdruck-HEPA-Filter Strömungsbank durchgeführt werden, wird empfohlen.
Unter den zahlreichen Arten von Produkten durch Funkenentladung gebildet exVersuche sind Aminosäuren von Bedeutung. Aminosäuren werden leicht über die Strecker-Synthese 17 synthetisiert. Die Strecker-Synthese von Aminosäuren beinhaltet die Reaktion von Aldehyden oder Ketonen und Blausäure durch die Wirkung der elektrischen Entladung auf die in die Reaktionsvorrichtung, die beim Auflösen in der wäßrigen Phase kann mit Ammoniak reagieren, um α-Aminonitrile, die durchlaufen bilden eingeführten Gase erzeugt Hydrolyse zu Aminosäuren ergeben. Dies ist natürlich nur ein Mechanismus der Synthese, und andere können ebenfalls wirksam, wie die direkte Aminierung von Vorläufern einschließlich Acrylnitril zu β-Alanin-Vorläufer zu geben, oder direkte Hydrolyse der höhermolekularen Tholin artigen Material Aminosäuren direkt zu geben , unter Umgehung der Strecker-Mechanismus.
Aminosäure Kontamination der von Miller-Urey-Experimente hergestellten Proben kann auftreten, wenn die erwähnten Vorsichtsmaßnahmen nicht explizit verfolgt. Während der Probenanalyse, ist es wichtig, search auf Anzeichen von Verunreinigung, die aus terrestrischen Probenhandhabung oder Probenspeicher stammen kann. Die Verwendung von OPA / NAC 16 in Verbindung mit LC-FD-Techniken ermöglicht für die chromatographische Trennung von D-und L-Enantiomere von Aminosäuren mit chiralen Zentren und ihre jeweiligen, individuellen Quantifizierung. Chiralen Aminosäuren synthetisiert durch das Experiment sollte racemisch. Annehmbaren Versuchsfehler bei der Synthese von Aminosäuren mit chiralen Zentren im allgemeinen als ca. 10% sein. Daher chirale Aminosäure D / L-Verhältnisse andeutend Anreicherung eines Enantiomers von mehr als 10% ist eine gute Metrik, um zu bestimmen, ob die Probe verunreinigt wurde.
Die hier vorgestellten Methoden sollen anweisen, wie ein Funkenentladungsexperiment Miller-Urey Typ durchzuführen, gibt es jedoch Einschränkungen hinsichtlich der hier beschriebenen Technik, die beachtet werden sollten. Zuerst das Erhitzen des Einzel 3 L Reaktionskolben (Abbildung 1B), Wird bei der Kondensation von Wasserdampf auf die Spitzen der Elektroden führen, Feucht den Funken, und die Verringerung der Erzeugung von Radikalspezies, die viel von der Chemie statt im Experiment zu fahren. Weiterhin ist die Verwendung eines Heizmantels um die Vorrichtung zu erhitzen nicht notwendig, organische Verbindungen, wie Aminosäuren zu synthetisieren. Diese unterscheidet sich von der ursprünglichen Miller Experiment, in dem er verwendet eine komplexere, custom-built, Dual-Kolben-Vorrichtung (1A) 5 und erwärmt den kleinen Kolben an der Unterseite des Geräts, das Wasser in sich hatte (Abbildung 1A). Heizung das Gerät half mit Zirkulation der Ausgangsstoffe und zielte darauf ab, Verdampfung in einem frühen Erde System zu imitieren. Zweitens, das Protokoll detailliert hier empfiehlt eine 1 Stunde / Aus-Zyklus bei der Verwendung der Tesla-Spule, die der Höhe der Zeit ein Experiment in Anspruch nimmt effektiv verdoppelt, im Vergleich zu den Experimenten von Miller durchgeführt, wie er kontinuierlich ausge electricity in das System 4. Drittens, als Funkenerzeuger werden für die Langzeitbehandlung bestimmt, störanfällig sind sie bei längerem Gebrauch und müssen regelmäßig gewartet werden und manchmal durch einen Back-up-Einheit ersetzt, wenn die primäre Funkenerzeuger im Verlauf des Experiments nicht. Letzte, der hier beschriebenen Protokoll beinhaltet die Verwendung von Glas-Hähne, die Hochvakuumfett, geeignete Dichtungen machen müssen. Falls gewünscht, können Polytetrafluorethylen (PTFE) Hähne verwendet werden, um Fettdruck zu vermeiden. Allerdings, wenn die Prüfung dieser Hähne für mögliche Lecks mit einem Funken Leckdetektor, seien Sie vorsichtig, um das PTFE nicht überbelichtet, um den Funken, da dies die Integrität des PTFE beeinträchtigen und führen zu schlechter Dichtungen, die durch diese Hähne gemacht.
Die Bedeutung des Verfahrens hier in Bezug auf den bestehenden Techniken berichtet, liegt in seiner Einfachheit. Es verwendet einen handelsüblichen 3-l-Kolben, die auch deutlich weniger anfällig und leichter ist cleein zwischen den Experimenten als der ursprüngliche Entwurf von Miller 5 verwendet. Da die Vorrichtung weniger umständlich ist, ist es klein genug, um ein Experiment durchzuführen in einem Laborabzug.
Sobald der Technik skizzierten bewältigt wurde, kann es in einer Vielzahl von Möglichkeiten, um zahlreiche Arten von primitiven terrestrischen Umgebungen simulieren, modifiziert werden. Zum Beispiel können mehr oxidierten Gasgemische verwendet werden, 14,18,19. Außerdem wurde unter Verwendung von Modifikationen der Vorrichtung, kann die Energiequelle verändert werden kann, beispielsweise durch Verwendung einer stillen Entladung 4, UV-Licht 20, die Simulation Vulkansysteme 4,12,21 imitiert Radioaktivität aus der Erdkruste 22 und Nachahmung durch erzeugte Energie Schockwellen von Meteoriteneinschlägen 23, und auch die kosmische Strahlung 18,19.
Die klassische Miller-Urey-Experiment gezeigt, dass Aminosäuren, wichtige Bausteine von biologischen Proteinen kann synsynthetisiert mit einfachen Ausgangsmaterialien unter simulierten präbiotischen irdischen Bedingungen. Die Anregung der gasförmigen Moleküle durch elektrische Entladung führt zur Produktion von organischen Verbindungen, einschließlich Aminosäuren, unter solchen Bedingungen. Während Aminosäuren sind für die modernen Biologie stellt die Miller-Urey Experiment nur ein möglicher Mechanismus für die abiotische Synthese und nicht den Ursprung des Lebens nicht erklären, wie die Verfahren, die Anlass zu lebenden Organismen waren wahrscheinlich komplexer als die Bildung von einfachen organischen Molekülen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren erklären, keine finanziellen Interessen konkurrieren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der NSF und der NASA Astrobiology im Rahmen des NSF-Zentrum für Chemisch Evolution, CHE-1004570, und dem Zentrum für Astrobiologie Goddard unterstützt. ETP möchten, um zusätzliche Mittel von der NASA Planetary Biology Internship Program vorgesehen anzuerkennen. Die Autoren wollen auch Dr. Asiri Galhena für unschätzbare Hilfe bei der Einrichtung der ersten Laboreinrichtungen danken.
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
- Oparin, A. I. The Origin of Life. , Izd. Moskovshii Rabochii. (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).
