Millerio–Urejaus eksperimentas: abiogenezė ir aminorūgščių sintezė
Atraskite Millerio–Urejaus eksperimentą — kaip iš neorganinių junginių susiformavo aminorūgštys ir gimė abiogenezės idėja.
Millerio ir Urey'aus eksperimentas (arba Urey-Millerio eksperimentas) buvo eksperimentas, kurio metu iš neorganinių junginių buvo gaminami organiniai junginiai naudojant tam tikrą energiją.
Buvo siekiama imituoti hipotetines sąlygas, kurios, kaip manoma, buvo ankstyvojoje Žemėje (Hadėjo arba ankstyvojo archėjo amžiuje). Tai buvo gyvybės cheminės kilmės bandymas. Eksperimentas tikrino Aleksandro Oparino ir J. B. S. Haldane'o hipotezę, kad pirmykštės Žemės sąlygos buvo palankios cheminėms reakcijoms, kurių metu iš neorganinių pirmtakų sintetinami organiniai junginiai. Klasikiniu gyvybės kilmės eksperimentu laikomas eksperimentas buvo atliktas 1952 m., o 1953 m. jį paskelbė Stanley Milleris ir Haroldas Urey iš Čikagos universiteto.
Po Millerio mirties 2007 m. mokslininkai ištyrė užplombuotus buteliukus, išsaugotus po originalių eksperimentų. Jiems pavyko įrodyti, kad pirminių Millerio eksperimentų metu buvo pagaminta daugiau kaip 20 skirtingų aminorūgščių. Tai gerokai daugiau nei iš pradžių nurodė Mileris ir daugiau nei 20 natūraliai gyvenime pasitaikančių aminorūgščių.
Eksperimento eiga ir įranga
Standartinis Millerio–Urejaus įrenginys buvo uždara stiklinė sistema, kurioje cirkuliavo vandens garai ir dujinė fazė. Sistemoje buvo sumaišyti tokie junginiai kaip metanas (CH4), amoniakas (NH3), vandenilis (H2) ir vanduo (H2O) — dujos, kurių Urey'us ir Milleris manė galėjusios vyrauti ankstyvosios Žemės atmosferoje. Elektros iškrovos (žaibų imitacija) buvo sukuramos užvedant elektrodus, taip suteikiant energijos cheminėms reakcijoms. Sistema buvo atvėsinama kondensatoriaus pagalba, kad reakcioniniai produktai (tame tarpe organiniai junginiai) nusodintųsi į surinkimo buteliuką.
Rezultatai
Po kelių dienų eksperimentų Milleris ir Urey rado, kad tirpale yra įvairių organinių molekulių, įskaitant paprasčiausias aminorūgštis, tokias kaip glicinas ir alaninas. Tai parodė, kad sudėtingesni organiniai junginiai arba jų pradinės grandys gali susidaryti savaime iš paprastų neorganinių medžiagų, jei yra tinkama energija.
Vėlesnės analizės, atliktos su išsaugotais originaliais mėginiais, panaudojo modernesnius metodus (pvz., aukštisluoksnę skysčių chromatografiją ir masių spektrometriją) ir aptiko daugiau nei 20 skirtingų aminorūgščių, įskaitant daugelį, kurios nėra tiesiogiai naudojamos baltymų sintezei (neproteinogeninės aminorūgštys). Taip pat rasta kitokių organinių junginių: organinės rūgštys, hidroksi rūgštys, purinų ir pirimidinų pirmtakai bei įvairūs nitrilo ir aldehidų junginiai.
Reikšmė abiogenezės tyrimams
Millerio–Urejaus eksperimentas parodė vieną svarbią idėją: sudėtingesni organiniai junginiai gali formuotis spontaniškai iš paprastų neorganinių medžiagų, jeigu sistemoje yra tinkami reagentai ir energijos šaltiniai. Tai netapo atsakymais į klausimą „kaip atsirado gyvybė“, bet suteikė tvirtą eksperimentinį pagrindą hipotezei, kad gyvybės statybiniai blokai (pvz., aminorūgštys) galėjo susidaryti ankstyvojoje Žemėje.
Be to, atradimas, kad meteorituose (pvz., Murchison) taip pat randama aminorūgščių, o vėlesni eksperimentai su kitokiais dujų mišiniais ar energijos formomis (UV, karščio smūgiai) taip pat generuoja organiką, sustiprino idėją, kad prebiotinė chemija galėjo būti plačiai paplitusi ir nepriklausoma nuo vienos konkrečios atmosferos sudėties.
Kritika ir ribotumai
Yra keli svarbūs apribojimai, kuriuos reikėtų paminėti:
- Atmosferos sudėtis. Verta paminėti, kad daug vėlesnių geocheminių tyrimų rodė, jog ankstyvoji Žemės atmosfera galėjo būti mažiau „redukuojanti“ (t.y. turėti daugiausiai CO2 ir N2) nei manyta Millerio laikais. Neutralus arba oksiduojantis atmosferos variantas žymiai sumažintų kai kurių produktų susidarymo efektyvumą.
- Trūksta pereinamųjų žingsnių iki gyvybės. Eksperimentas sukūrė monomerus (pvz., aminorūgštis), bet neparodė, kaip šie monomerai susijungtų į polimerus (peptidus, nukleorūgščių grandines) ir kaip formuotųsi funkcinės struktūros (pvz., membranos arba replikacijos mechanizmai).
- Raceminės mišinių buvimas. Abiogeniniai procesai paprastai duoda raceminius mišinius (lygius L ir D enantiomerų kiekius), kas skiriasi nuo gyvų organizmų, kuriuose dominuoja vienas izomeras (pvz., L-aminorūgštys). Tai rodo, kad papildomi procesai turėjo įnešti kirštingumą (homochirality).
Vėlesni tyrimai ir alternatyvos
Mokslininkai atliko daugybę variacijų: keitė dujų mišinius, energijos šaltinius, reakcijų temperatūras, įtraukė papildomus reagentus (pvz., HCN, formaldehidą) arba paviršiaus katalizatorius (molis, metalai). Kai kurie tyrimai parodė, kad net ir esant mažiau redukuojančiai atmosferai arba naudojant geothermines sąlygas (pvz., hidroterminius ventilius) galima sintezuoti svarbias prebiotines molekules. Taip pat buvo pasiūlytos scenarijų kombinacijos, pvz., organinių junginių formavimasis atmosferoje ir jų vėlesnė koncentracija bei transformacija sekliuose baseinuose ar purvuose per džiūvimo–drėkinimo ciklus, palankius polimerizacijai.
Santrauka
Millerio–Urejaus eksperimentas yra kertinis eksperimentas prebiotinės chemijos istorijoje. Jis įrodė, kad iš paprastų neorganinių medžiagų ir esant energijai gali susidaryti gyvybei svarbūs organiniai junginiai — aminorūgštys ir kiti pirmtakai. Nors eksperimentas neišsprendė visų gyvybės kilmės klausimų, jis įkvėpė tolesnius tyrimus ir parodė, kad abiogenezės tyrimas yra eksperimentaliai pagrįsta disciplina. Vėlesnės studijos bei pažangios analizės (pvz., senų mėginių peranalizė) tik sustiprino idėją, kad priešgyvybinė chemija galėjo būti turtinga ir įvairi.
Eksperimentas
Naujausi susiję tyrimai
Be to, kai kurie duomenys rodo, kad pirminė Žemės atmosfera galėjo būti kitokios sudėties nei Milerio ir Urėjaus eksperimento metu naudotos dujos. Yra daug įrodymų apie didelius ugnikalnių išsiveržimus prieš 4 mlrd. metų, dėl kurių į atmosferą galėjo patekti anglies dioksido, azoto, vandeniliosulfido (H2 S) ir sieros dioksido (SO2 ). Atliekant eksperimentus su šiomis dujomis, be tų, kurios buvo naudojamos pirminiame Millerio ir Urey'aus eksperimente, buvo gauta daugiau įvairių molekulių.
Atkreipkite dėmesį, kad į Žemę krintančiose meteoritų dulkėse yra organinių junginių, įskaitant aminorūgštis. Todėl susidomėjimas abiogeneze ir gyvybės kilme persikėlė į klausimą, kaip susiformavo ląstelės ir didelės makromolekulės.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Milerio ir Urėjaus eksperimentas?
A.: Milerio-Urėjaus eksperimentas buvo eksperimentas, kurio metu iš neorganinių junginių buvo gaminami organiniai junginiai naudojant tam tikrą energiją. Jį 1952 m. atliko ir 1953 m. paskelbė Stanley Milleris ir Haroldas Urey iš Čikagos universiteto, ir juo buvo tikrinama Aleksandro Oparino ir J. B. S. Haldane'o hipotezė, kad sąlygos pirmykštėje Žemėje buvo palankios cheminėms reakcijoms, kurių metu iš neorganinių pirmtakų sintetinami organiniai junginiai.
K: Ką mokslininkai galėjo įrodyti po Millerio mirties?
A: Po Millerio mirties 2007 m. mokslininkai ištyrė užantspauduotus buteliukus, išsaugotus po originalių eksperimentų, ir sugebėjo įrodyti, kad Millerio eksperimentų metu buvo pagaminta daugiau nei 20 skirtingų aminorūgščių - gerokai daugiau, nei buvo nurodyta iš pradžių, ir daugiau nei 20, kurios natūraliai pasitaiko gyvybėje.
K: Kas atliko eksperimentą?
A: Eksperimentą atliko Stanley Milleris ir Haroldas Urey Čikagos universitete.
K.: Kas buvo tikrinama šiuo eksperimentu?
A: Šiuo eksperimentu buvo tikrinama Aleksandro Oparino ir J. B. S. Haldane'o hipotezė, kad sąlygos pirmykštėje Žemėje buvo palankios cheminėms reakcijoms, kurių metu iš neorganinių pirmtakų buvo sintetinami organiniai junginiai, t. y. buvo tikrinama cheminė gyvybės kilmė ankstyvojoje Žemėje (Hadėjuje arba ankstyvajame archėjuje).
K: Kada buvo atliktas šis eksperimentas?
A: Šį eksperimentą 1952 m. atliko ir 1953 m. paskelbė Stanley Milleris ir Haroldas Urey iš Čikagos universiteto.
K: Kiek aminorūgščių buvo pagaminta šio eksperimento metu?
A: Mokslininkai nustatė, kad šio eksperimento metu susidarė daugiau nei 20 skirtingų aminorūgščių - gerokai daugiau, nei buvo nurodyta iš pradžių, ir daugiau nei 20, kurios natūraliai pasitaiko gyvoje gamtoje.
K: Kokio tipo energija buvo naudojama šio eksperimento metu? Atsakymas: Šio eksperimento metu buvo naudojama tam tikra energija, kad iš neorganinių junginių būtų pagaminti organiniai junginiai.
Ieškoti