Miller-Ureyev eksperiment

Stanley Miller

Miller-Ureyev eksperiment (ili Urey-Millerov eksperiment) bio je eksperiment koji je simulirao hipotetičke uvjete za koje se smatralo da su postojali na Zemlji u prvim fazama nastanka i provjeravali su mogućnost kemijskih početaka života. Ovaj eksperiment dokazao je hipotezu Aleksandra Oparina i J. B. S. Haldanea da su uvjeti na ranoj Zemlji omogućavali kemijske reakcije koje su sintetizirale organske spojeve od anorganskih. Ovaj su eksperiment 1952. godine izveli Stanley Miller i Harold Urey sa Sveučilišta u Chicagu, a njegove rezultate objavili su 1953. godine.

Eksperiment

Skica eksperimenta

U svom su eksperimentu Miller i Urey koristili vodu (H₂O), metan (CH₄), amonijak (NH₃) i vodik (H₂) u zatvorenom i steriliziranom sklopu, koji se sastojao od dvije zatvorene staklene posude povezane sustavom staklenih cijevi. U prvoj se posudi nalazila tekuća voda koja je grijanjem služila kao izvor vodene pare, dok se u drugoj nalazila navedena smjesa plinova i dvije elektrode. Električni luk stvoren od elektroda je simulirao munje u prvobitnoj atmosferi. Smjesa se potom hladila i voda se ponovo kondenzirala u prvoj posudi kako bi ponovo započela ciklus.

Nakon tjedan dana neprekidnog protoka vodene pare i plinova u nepromijenjenim uvjetima, Miller i Urey primijetili su da je 15% ugljika iz metana formiralo organske spojeve, među njima i pojedine aminokiseline, osnovne sastavne dijelove bjelančevina. (vidi tablicu niže)

Ipak, mora se naglasiti, da su stvorene aminokiseline bile L ("lijevi") i D ("desni") optički izomeri u jednakim količinama. Takva distribucija nije karakteristična za makromolekule u živim bićima kakve danas poznajemo. Bjelančevine su u svim živim bićima danas sastavljene samo od L-aminokiselina. Sama proizvodnja oba optička izomera dala je sigurnost znanstvenicima da su spojevi posljedica same kemijske reakcije, a ne proizvod kontaminacije vanjskih živih organizama.

Rezultati

Od 59.000 mikromola (µmol = 1/1.000.000 mola) CH₄ koji su ušli u reakciju, dobiveno je:

Molekula	Kemijska formula	Proizvedeno  (N° µmol)	Atomi C	Atomi C  u µmol
Mravlja kiselina	$H-COOH$	2330	1	2330
Glicin *	$H_2N-CH_2-COOH$	630	2	1260
Glikolna kiselina	$HO-CH_2-COOH$	560	2	1120
Alanin *	$H_3C-CH(NH_2)-COOH$	340	3	1020
Mliječna kiselina	$H_3C-CH(OH)-COOH$	310	3	930
ß-Alanin	$H_2N-CH_2-CH_2-COOH$	150	3	450
Octena kiselina	$H_3C-COOH$	150	2	300
Propionska kiselina	$H_3C-CH_2-COOH$	130	3	390
Iminodioctena kiselina	$HOOC-CH_2-NH-CH_2-COOH$	55	4	220
Diaminooctena kiselina	$H_3C-NH-CH_2-COOH$	50	3	150
a-amino-n-maslačna kiselina	$H_3C-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	50	4	200
a-hidroksi-n-maslačna kiselina	$H_3C-CH_2-CH(OH)-COOH$	50	4	200
Sukcinska kiselina (jantarna)	$HOOC-CH_2-CH_2-COOH$	40	4	160
Urea	$H_2N-CO-NH_2$	20	1	20
N-Metilurea	$H_2N-CO-NH-CH_3$	15	2	30
N-Metilalanin	$H_3C-CH(NH-CH_3)-COOH$	10	4	40
Glutaminska kiselina *	$HOOC-CH_2-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	6	5	30
Asparaginska kiselina *	$HOOC-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	4	4	16
a-aminoizomaslačna kiselina	$H_3C-C(CH_3)(NH_2)-COOH$	1	4	4
		Ukupno: 4916		Ukupno: 8944

* = aminokiseline koje ulaze u sastav bjelančevina

Miller je tim eksperimentom dokazao da električna pražnjenja koja simuliraju ona atmosferska, u prisutnosti vode i plinova za koje se pretpostavljalo da su bili prisutni u prvobitoj atmosferi mogu proizvesti organske molekule, među njima i aminokiseline.

Neki su dokazi nagovijestili da je Zemljina prvobitna atmosfera mogla imati drugačiji sastav plinova od onih korištenih u Miller-Ureyevom eksperimentu. Postoje dokazi o velikim vulkanskim erupcijama prije četiri milijarde godina, koje bi mogle ispustiti ugljikov(IV) oksid, dušik, sumporovodik (H₂S) i sumporov dioksid (SO₂) u atmosferu. Miller je ponovio svoj eksperiment 1958. godine, ovaj put u izmjenjenim uvjetima dodavši sumporovodik (H₂S), plin koji se oslobađa kod vulkanskih reakcija.

Poslije Milerove smrti 2007. godine, Jeffrey Bada i suradnici koji su pronašli i ispitali konzervirane uzorke eksperimenta iz 1958. godine uspjeli su dokazati da su nastale 23 različite aminokiseline u odnosu na Millerov prvobitni eksperiment. Ovo je značajno više nego što je Miller prvobitno objavio i više od 20 koji se javljaju u živim bićima. U ponovljenom eksperimentu je dokazana i sinteza 7 organskih spojeva koji sadrže sumpor (S), među kojima je i metionin, koji ulazi u sastav bjelančevina.

Tijek kemijskih reakcija

Tijekom trajanja kemijske reakcije, Miller je sakupljao uzorke i otkrio da se koncentracija amonijaka i metana postupno smanjuje i da dolazi do nastanka cijanovodične kiseline, cijanogena i formaldehida:

$\mathrm{CO_2 \longrightarrow CO+[O]}$

$\mathrm{CH_4+2[O] \longrightarrow CH_2O+H_2O}$

$\mathrm{CO+NH_3\longrightarrow HCN+H_2O}$

$\mathrm{CH_4+NH_3\longrightarrow HCN+3H_2}$ (BMA proces)

Do sinteze aminokiselina dolazilo je kasnije uz postupno smanjivanje koncentracije aldehida i cijanovodične kiseline. Time je dokazano da su aminokiseline nastale kemijskom reakcijom poznatom kao Streckerova sinteza.

$\mathrm{R{-}CHO + HCN + H_2O \longrightarrow H_2N{-}CHR{-}COOH}$

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje aminokiselina.

$\mathrm{R{-}CHO + HCN + 2 \ H_2O \longrightarrow HO{-}CHR{-}COOH + NH_3}$

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje a-hidroksi-aminokiselina.

Vanjske poveznice

• (engl.) A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (autor: Stanley L. Miller, Science, br. 117., svibanj 15, 1953.)
• (engl.) A simulation of the Miller–Urey Experiment along with a video Interview with Stanley Miller (autor: Scott Ellis iz CalSpace; UCSD)
• (engl.) Origin-Of-Life Chemistry Revisited: Reanalysis of famous spark-discharge experiments reveals a richer collection of amino acids were formed
• (engl.) Miller–Urey experiment explained