Millera-Ureja eksperiments: organisko savienojumu sintēze agrīnā Zemē

Millera-Ureja eksperiments: kā agrīnajā Zemē sintēzētas organiskās vielas un aminoskābes — jaunākais skatījums uz dzīvības ķīmisko izcelsmi.

Millera un Ureja eksperiments (jeb Ureja un Millera eksperiments) bija eksperiments, kurā no neorganiskiem savienojumiem tika izveidoti organiski savienojumi, izmantojot enerģijas veidu.

Ideja bija simulēt hipotētiskus apstākļus, kas, domājams, bija agrīnajā Zemes periodā (Hadeja vai agrīnajā arheā). Tā bija pārbaude par dzīvības ķīmisko izcelsmi. Konkrētāk, eksperimentā tika pārbaudīta Aleksandra Oparina un J. B. S. Haldana hipotēze, ka pirmatnējās Zemes apstākļi veicināja ķīmiskās reakcijas, kas sintezēja organiskos savienojumus no neorganiskiem prekursoriem. Eksperimentu, kas tiek uzskatīts par klasisko eksperimentu par dzīvības rašanos, 1952. gadā veica un 1953. gadā publicēja Stenlijs Millers un Harolds Urejs no Čikāgas Universitātes.

Pēc Millera nāves 2007. gadā zinātnieki pārbaudīja aizzīmogotas ampulas, kas saglabājušās no sākotnējiem eksperimentiem. Viņi varēja pierādīt, ka Millera sākotnējos eksperimentos tika iegūtas vairāk nekā 20 dažādas aminoskābes. Tas ir krietni vairāk nekā tās, par kurām sākotnēji ziņoja Millers, un vairāk nekā 20, kas dabiski sastopamas dzīvajā dabā.

Eksperimenta ierīce un gaita

Millera–Ureja aparāts bija slēgta stikla sistēma, kas imitēja Zemes agrīno atmosfēru un hidrosfēru. Galvenās sastāvdaļas un darbības soļi:

• svaiga ūdens kolba, kas tika sildīta, lai radītu tvaiku (simulēja okeānu iztvaikošanu);
• gāzu maisījums — sākotnēji tajā bija metāns (CH4), amonjaks (NH3) un ūdeņradis (H2) (kopā ar ūdens tvaiku);
• elektrodi, kas radīja regulārus elektriskus lokus (simulēja zibens);
• kondensators, kas atdzesēja tvaikus un lika šķidrumam atgriezties ūdens kolbā, nodrošinot nepārtrauktu ciklu;
• eksperiments tika darbināts vairākas dienas līdz nedēļām, pēc tam analizēja šķidrumu.

Elektriskā izlāde nodrošināja enerģiju ķīmiskajām reakcijām, un kondensāts ļāva uzkrāt un analizēt radušos organiskos savienojumus.

Rezultāti

Sākotnējā Millera publikācijā tika ziņots par vairākiem organiskajiem savienojumiem, tostarp vienkāršām aminoskābēm (piemēram, glicīns). Vēlāk, pēc viņa saglabāto ampulu analīzes (pēc Millera nāves), atklāja, ka eksperimentā radušās vairāk nekā 20 aminoskābes — daudzas no tām gan proteīnos netipiskas. Bez aminoskābēm Millera–Ureja un līdzīgos atkārtotos eksperimentos tika iegūtas arī organiskās skābes, aldehīdi, alkoholi, HCN (cianūdeņradis) un citi prekursori, kas varētu piedalīties sarežģītākas prebiotiskās ķīmijas ceļā.

Nozīme zinātnē

Eksperiments parādīja, ka sarežģītāki organiskie savienojumi var rasties spontāni no vienkāršiem neorganiskiem komponentiem, ja pieejama enerģija. Tas deva spēcīgu atbalstu Oparina–Haldana idejai, ka dzīvei piemērotu organisko vielu rašanās agrīnajā Zemes vēsturē ir ķīmiski reālistiska. Millera–Ureja darbs arī iedvesmoja plašu prebiotiskās ķīmijas pētījumu lauku — sākot no aminoskābju savienošanās līdz lipīdu veidošanai un pirmo pašorganizējošo struktūru («protobižu») izpētei.

Kritika, ierobežojumi un turpmākie pētījumi

Tomēr eksperimentam ir vairāki ierobežojumi un kritiski aspekti:

• agrīnās Zemes atmosfēras sastāvs nav pilnīgi zināms — ja tā bija mazāk reducējoša (vairāk CO2 un N2 nekā CH4 un NH3), organisko produktu raža būtu bijusi daudz mazāka;
• eksperimentā radušās aminoskābes bija rases (racemic) maisījumi — dzīvajām sistēmām nepieciešama homohiralitāte (viena enantiomēra pārsvars), un tas pamatā paliek neatrisināta problēma;
• lielākas biomolekulas (piem., olbaltumvielas, RNS, DNS) nevar vienkārši rasties no aminoskābēm bez papildu kondensācijas mehānismiem un katalizatoriem;
• citviet piedāvātas alternatīvas dzīvības izcelsmes vides — piemēram, hidrotermālās atveres (siltumnīcas pie jūras grunts) vai meteorītu un komētu piegādātie organiskie savienojumi (piemēram, Murchison meteoritā atrastie organiskie materiāli).

Tāpēc mūsdienu pētījumi izmanto dažādas variācijas uz Millera–Ureja tēmas: citādi gāzu maisījumi, citi enerģijas avoti (UV starojums, siltums, ķīmiskās reakcijas uz minerālu virsmām), kā arī jaunākas metodes, kas spēj sintezēt nukleotīdu prekursorus un cukurus, kas ir svarīgi RNA pasaules hipotezei (piem., Sutherland grupas darbs).

Secinājums

Millera–Ureja eksperiments bija pagrieziena punkts zinātnē, kas parādīja — pat elementāros apstākļos organiskie savienojumi var rasties no neorganiskiem prekursoriem, ja pieejama enerģija. Lai gan eksperiments neatrisināja visus jautājumus par dzīvības izcelsmi, tas ieviesa skaidru eksperimentālu pieeju prebiotiskajai ķīmijai un atklāja virkni pētījumu ceļu, kuri tiek aktīvi izpētīti līdz šai dienai.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Millera-Ureja eksperiments?

J: Ko zinātnieki varēja pierādīt pēc Millera nāves?

J: Kas veica eksperimentu?

J: Ko pārbaudīja šajā eksperimentā?

J: Kad tika veikts šis eksperiments?

Jautājums: Cik aminoskābju tika saražotas šī eksperimenta laikā?

Meklēt pēc burta