Miller-Urey-experimentet: syntes av aminosyror och livets kemiska ursprung
Upptäck Miller-Urey-experimentet: hur aminosyror syntetiserades i labbet och vad fynden avslöjar om livets kemiska ursprung på den tidiga Jorden.
Miller-Urey-experimentet (eller Urey-Miller-experimentet) var ett experiment där man framställde organiska föreningar av oorganiska föreningar genom att använda en form av energi.
Tanken var att simulera hypotetiska förhållanden som tros ha funnits på den tidiga jorden (Hadean eller tidig arkeisk tid). Det var ett test av livets kemiska ursprung. Experimentet testade särskilt Alexander Oparins och J.B.S. Haldanes hypotes att förhållandena på den primitiva jorden gynnade kemiska reaktioner som syntetiserade organiska föreningar från oorganiska prekursorer. Experimentet, som anses vara det klassiska experimentet om livets uppkomst, genomfördes 1952 och publicerades 1953 av Stanley Miller och Harold Urey vid University of Chicago.
Efter Millers död 2007 undersökte forskare förseglade flaskor från de ursprungliga experimenten. De kunde visa att det fanns långt över 20 olika aminosyror som producerades i Millers ursprungliga experiment. Det är betydligt fler än de som Miller ursprungligen rapporterade, och fler än de 20 som naturligt förekommer i livet.
Experimentets uppställning och procedur
Millers apparat bestod av ett slutet glasrörssystem med två huvuddelar: en behållare med kokande vatten som levererade vattenånga (en modell för urhavet) och en annan del som innehöll en gasblandning som efterliknade den primitiva atmosfären. I den ursprungliga uppställningen användes en reducerande gasblandning bestående av metan (CH4), ammoniak (NH3), väte (H2) och vattenånga (H2O). En elektrisk gnista i gasblandningen efterliknade blixturladdningar som energikälla.
Vapnet kondenserades kontinuerligt så att vätska samlades i en provsamlande kolv. Experimentet kördes under flera dagar och prover togs för kemisk analys. I Millers tid användes bland annat papperskromatografi för att identifiera framställda organiska ämnen; senare analyser med modernare metoder visade ett ännu större spektrum av föreningar.
Vad bildades i experimentet?
Redan i Millers första rapport fann man bland annat enkla aminosyror som glycin och alanin. Senare analyser av ursprungsprover visade att experimentet kan ha producerat långt över 20 olika aminosyror samt en mängd andra organiska föreningar. Exempel på produkter:
- Flera aminosyror (byggstenar för proteiner).
- Små organiska syror och aldehyder.
- Urea, HCN (vätecyanid) och andra reaktiva intermediärer som kan ge upphov till mer komplexa molekyler.
- En del enkla kolväten och polymeriseringsprodukter.
Tolkning och betydelse
Resultatet visade att viktiga biomolekyler kan bildas abiogenetiskt (utan liv) under relativt enkla förhållanden, vilket gav stöd åt Oparin–Haldane-hypotesen om en kemisk utveckling mot liv. Experimentet gav ett konkret exempel på hur jordens tidiga kemi kan ha producerat byggstenar för liv, och blev snabbt en klassisk demonstration i forskning och undervisning om livets ursprung.
Begränsningar och senare kritik
Det finns flera viktiga begränsningar att ha i åtanke:
- Atmosfärens sammansättning: Många senare studier tyder på att jordens tidiga atmosfär kanske inte var så starkt reducerande (rik på CH4 och NH3) som Miller antog. En mer neutral atmosfär (koldioxid, kväve, vattenånga) ger generellt färre aminosyror i liknande experiment.
- Koncentration och polymerisation: Även om aminosyror kan bildas, kvarstår frågan hur de skulle koncentreras och polymeriseras till längre kedjor (peptider, RNA) under naturliga förhållanden.
- Racemisering: Aminosyror som bildas abiogenetiskt uppträder vanligen som racemiska blandningar (lika mycket vänster- som högerform), medan levande system använder i praktiken enbart L-formen. Processen som leder till denna asymmetri är fortfarande omdiskuterad.
Efterföljande forskning och ny analys
Efter Millers död 2007 analyserade forskare arkiverade, förseglade prover från de ursprungliga experimenten med moderna analytiska metoder (t.ex. gaskromatografi–masspektrometri). Dessa analyser visade att det fanns ett mycket större antal aminosyror än vad Miller ursprungligen rapporterade — långt över 20 olika aminosyror — vilket visar att ursprungsblandningen och förvaringsbetingelserna kunde bevara och dölja en rik kemisk mångfald som först inte detekterades.
Även om vissa senare experiment med mer neutrala atmosfärer eller andra energikällor ger färre aminosyror, har andra scenarier visat att organisk syntes också kan ske i hydrotermala miljöer, på mineralytor eller via leverans från rymden (meteoriter och kometer). Meteoriter som Murchison innehåller till exempel många organiska molekyler och aminosyror, vilket visar att syntes kan ske i olika miljöer.
Sammanfattning och arv
Millers experiment var och är viktigt eftersom det demonstrerar att enkla organiska molekyler som aminosyror kan bildas under geokemiska förhållanden utan biologiskt liv. Det var en avgörande stimulans för forskning om livets kemiska ursprung och har lett till ett mångfacetterat forskningsfält med många alternativa och kompletterande hypoteser.
Viktiga slutsatser:
- Abiogen syntes av biologiska byggstenar är möjlig under vissa förutsättningar.
- Resultaten beror kraftigt på de antagna initiala villkoren (atmosfärens sammansättning, energikällor, temperaturer).
- Flera mekanismer — inklusive atmosfäriska processer, hydrotermala system, mineralytor och yttre leverans — kan ha bidragit till den för-sbiotiska kemin som ledde fram till liv.
Millers och Ureys arbete förblir en milstolpe inom vetenskapen om livets ursprung och ett utgångspunkt för många moderna experiment och teorier.
Experimentet
Historia
Miller tog examen från University of California i Berkeley 1951 med en kandidatexamen i kemi. Därefter gick han till University of Chicago för att göra ett examensarbete. Vid University of Chicago blev han registrerad för ett doktorandprogram. Inledningsvis började han arbeta med den teoretiske fysikern Edward Teller med syntes av grundämnen. Under denna tid deltog Miller i en föreläsning av Harold Urey om solsystemets ursprung. Urey presenterade idén om att organiska molekyler syntetiseras i en tidig atmosfär på jorden. Det inspirerade Miller mycket. Han fortsatte dock att arbeta med Teller. Efter ett år av fruktlöst arbete med Teller, och med tanke på att Teller skulle lämna Chicago för att arbeta med vätgasbomben, vände sig Miller i september 1952 till Urey för att få ett nytt forskningsprojekt. Urey var först tveksam till att låta en doktorand arbeta med ett så riskabelt projekt, men till slut gick han med på det.
När Miller visade sina resultat för Urey föreslog denne att han omedelbart skulle publicera dem. Urey vägrade att vara medförfattare eftersom han ansåg att Miller hade gjort allt arbete och att Miller inte skulle få någon uppskattning. Miller lämnade in manuskriptet till Science den 10 februari 1953. Efter veckor av tystnad frågade Urey efter och skrev den 27 februari till ordföranden för redaktionen om detta. Sedan gick en månad, men fortfarande fanns inget beslut. Som ett resultat drog den rasande Urey tillbaka manuskriptet den 10 mars och lämnade själv in det till Journal of the American Chemical Society den 13 mars. Vid det laget skrev redaktören för Science, som uppenbarligen var irriterad över Ureys insinuation, direkt till Miller att manuskriptet skulle publiceras. Miller accepterade det och drog tillbaka manuskriptet från Journal of the American Chemical Society.
Försöket
För detta experiment konstruerade Miller en förseglad glasapparat och använde den för att simulera förhållandena på jorden innan livet uppstod. Den hade två två glaskolvar. Den ena var på 500 ml med 200 ml vatten hällt i den. Den andra var på 5 liter med ett par elektroder. Den här fylldes med 100 mmHg väte (H2 ), 200 mmHg metan (CH4 ) och 200 mmHg ammoniak (NH3 ). För att simulera regn värmdes vattnet i den mindre kolven för att skapa avdunstning, och vattenångan släpptes in i den större kolven där den blandades med de andra gaserna. För att simulera blixtar i vattenånga och gasblandningen avfyrades elektriska gnistor mellan elektroderna. Därefter kyldes vattnet av igen och vattnet skapade regn. Denna process fortsatte i en vecka.
Efter en dag blev lösningen rosa och efter en vecka blev lösningen djupt röd och grumlig. Därefter tillsattes kvicksilverklorid för att förhindra mikrobiell kontaminering. Reaktionen stoppades genom tillsats av bariumhydroxid och svavelsyra och avdunstades för att avlägsna föroreningar. När Miller analyserade lösningen fann han en mängd aminosyror; en av livets byggstenar.
Nyligen genomförda relaterade studier
Dessutom finns det tecken som tyder på att jordens ursprungliga atmosfär kan ha haft en annan sammansättning än den gas som användes i Miller-Urey-experimentet. Det finns många bevis för stora vulkanutbrott för 4 miljarder år sedan, som skulle ha släppt ut koldioxid, kväve, vätesulfid (H2 S) och svaveldioxid (SO2 ) i atmosfären. Experiment med dessa gaser utöver de gaser som användes i det ursprungliga Miller-Urey-experimentet har gett upphov till mer varierande molekyler.
Observera att organiska föreningar, inklusive aminosyror, finns i det meteoritdamm som regnar ner på jorden. Därför har intresset för abiogenes och livets ursprung flyttats till frågan om hur celler och stora makromolekyler bildades.
Frågor och svar
Fråga: Vad är Miller-Urey-experimentet?
S: Miller-Urey-experimentet var ett experiment där man gjorde organiska föreningar av oorganiska föreningar genom att använda en form av energi. Det utfördes 1952 och publicerades 1953 av Stanley Miller och Harold Urey vid University of Chicago och testade Alexander Oparins och J.B.S. Haldanes hypotes att förhållandena på den primitiva jorden gynnade kemiska reaktioner som syntetiserade organiska föreningar från oorganiska prekursorer.
F: Vad kunde forskarna visa efter Millers död?
S: Efter Millers död 2007 undersökte forskare förseglade flaskor som bevarats från de ursprungliga experimenten, och de kunde visa att det fanns långt över 20 olika aminosyror som producerades i Millers ursprungliga experiment - betydligt fler än de som ursprungligen rapporterades, och fler än de 20 som naturligt förekommer i livet.
F: Vem utförde experimentet?
S: Experimentet genomfördes av Stanley Miller och Harold Urey vid University of Chicago.
F: Vad testades i experimentet?
S: Experimentet testade Alexander Oparins och J.B.S. Haldanes hypotes att förhållandena på den primitiva jorden gynnade kemiska reaktioner som syntetiserade organiska föreningar från oorganiska prekursorer - närmare bestämt testade man om livet hade ett kemiskt ursprung på den tidiga jorden (Hadean eller tidigt arkeiskt område).
F: När utfördes detta experiment?
S: Experimentet genomfördes 1952 och publicerades 1953 av Stanley Miller och Harold Urey vid University of Chicago.
F: Hur många aminosyror producerades under detta experiment?
Svar: Forskarna fann att långt över 20 olika aminosyror producerades under detta experiment - betydligt fler än de som ursprungligen rapporterades, och fler än de 20 som naturligt förekommer i livet.
F: Vilken typ av energi användes under detta experiment? S: En form av energi användes under denna experimentella process för att göra organiska föreningar av oorganiska föreningar.
Sök