Was das Experiment von Stanley Miller bewies. Miller Erfahrung

Kuramshin A.I.

("HiZh", 2017, Nr. 7)

Der "Heilige Gral" der Chemiker und Biologen ist das Rätsel um die Entstehung des Lebens auf der Erde. Es gibt viele Hypothesen zu diesem Thema, aber die Hypothese der Abiogenese gilt immer noch als die harmonischste, wonach die „Substanzen des Lebens“ als Ergebnis einer komplexen Kaskade chemischer Reaktionen relativ einfacher Substanzen unter den Bedingungen der entstanden sind junge Erde. Ein gewichtiges Argument dafür war das berühmte Miller-Urey-Experiment, bei dem die Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, aus den angeblichen Bestandteilen der präbiotischen Erdatmosphäre gewonnen wurden. 65 Jahre später zeigten Forscher aus der Tschechischen Republik, dass unter ähnlichen Bedingungen auch stickstoffhaltige Basen der RNA gebildet werden können (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2017, 114, 17, 4306-4311, doi: 10.1073/pnas.1700010114 ).
1952 führten die Chemiker Stanley Miller und Harold Urey ein inzwischen klassisches Experiment durch – sie simulierten die Prozesse, die in der Atmosphäre der alten Erde ablaufen könnten, um die Möglichkeit der Abiogenese zu testen. Ein erhitztes gasförmiges Gemisch aus Wasser, Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, isoliert in einem Glaskolben, wurde elektrischen Entladungen ausgesetzt, wobei von Zeit zu Zeit neue Portionen Wasserdampf zugeführt wurden. In diesem Modus wurde die Reaktion etwa eine Woche lang durchgeführt.
Durch die Analyse der resultierenden Lösung identifizierten Miller und Urey eindeutig die darin enthaltenen Aminosäuren Glycin, α-Alanin und β-Alanin und erhielten auch Beweise für die Bildung anderer Aminosäuren, aus denen moderne Proteine ​​bestehen. Jahrzehnte später, als leistungsfähigere Instrumente in der analytischen Chemie auftauchten, wurden 18 von 20 proteinogenen Aminosäuren in genau dieser Lösung gefunden (glücklicherweise war sie die ganze Zeit und nach seinem Tod in einer versiegelten Ampulle in Yuuris Schreibtisch aufbewahrt worden , im Besitz seines Schülers). Die verbleibenden zwei, Cystein und Methionin, scheiterten einfach, weil es in den ursprünglichen Experimenten von Miller und Urey keine Schwefelquelle gab.
Obwohl diese Ergebnisse immer als starkes Argument für das Konzept der Abiogenese angesehen wurden, gab es Kritik. Die Hauptbehauptungen der Kritiker: Bei der Simulation der Atmosphäre der frühen Erde nahmen die Forscher ein Gasgemisch mit zu stark abbauenden Fähigkeiten, außerdem Aminosäuren für die Entstehung von Leben
nicht genug, wir brauchen mehr Nukleotide.
Seitdem wurden viele Experimente durchgeführt, bei denen es möglich war, sowohl stickstoffhaltige Basen als auch Nukleotide aus relativ einfachen Molekülen zu erhalten (für weitere Details s. ). Mitarbeiter des Instituts für Physikalische Chemie der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik, die unter der Leitung von Svätopluk Civish arbeiteten, beschlossen, das gute alte Experiment zu reproduzieren und seine Bedingungen leicht zu ändern. Vieles ist in der neuen Version gleich geblieben - das reduzierende Gasgemisch von NH 3 , CO und H 2 Oh, elektrische Impulse. Allerdings fügten die Forscher dem System eine Bestrahlung mit einem leistungsstarken Laser hinzu – dieser sollte ihrer Meinung nach Plasmaentladungen in der Erdatmosphäre simulieren, die durch Schockwellen entstehen, die von großen Meteoriten verursacht werden, die regelmäßig auf die Erde fallen. Dadurch gelang es ihnen, nicht nur Aminosäuren, sondern auch alle stickstoffhaltigen Basen von Ribonukleinsäuren zu erhalten.
Die im Experiment ablaufenden Reaktionen wurden von den Autoren wie folgt beschrieben. Formamid HC(O)NH 2 und Cyanwasserstoff HCN, die dann in Wechselwirkung die stickstoffhaltige Base Guanin ergeben. Andere kanonische stickstoffhaltige Basen – Uracil, Cytosin und Adenin – wurden in bescheideneren Mengen als Guanin gebildet, aber ihre Anwesenheit wurde ebenfalls bestätigt. Die Reaktionsprodukte enthielten auch Harnstoff und Aminosäuren.
Die Forscher betonen, dass ihr Experiment nicht darauf abzielte, alternative Hypothesen zur Abiogenese zu widerlegen, sondern zu zeigen, dass RNA-Bausteine ​​auf verschiedene Weise gebildet werden können.

Lebensnotwendige Moleküle könnten zu Beginn der Erdentwicklung durch chemische Reaktionen entstanden sein.

Als die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, war sie eine heiße, leblose Kugel. Heute findet man auf ihm unterschiedliche Lebensformen in Hülle und Fülle. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage: Welche Veränderungen haben sich auf unserem Planeten seit seiner Entstehung bis heute ergeben, und vor allem, wie sind die Moleküle, die lebende Organismen bilden, auf der leblosen Erde entstanden? 1953 wurde an der University of Chicago ein Experiment durchgeführt, das heute zum Klassiker geworden ist. Er zeigte Wissenschaftlern den Weg, diese grundlegende Frage zu beantworten.

1953 war Harold Urey bereits Nobelpreisträger, und Stanley Miller war nur sein Doktorand. Die Idee von Millers Experiment war einfach: In einem Labor im Halbkeller reproduzierte er die Atmosphäre der ältesten Erde, wie sie laut Wissenschaftlern war, und beobachtete von der Seite, was geschah. Mit Juris Unterstützung baute er aus einer Glaskugel und Röhren eine einfache Apparatur zusammen, in der die verdampften Substanzen in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierten, gekühlt und wieder in den Kolben zurückgeführt wurden. Miller füllte den Kolben mit Gasen, von denen Urey und der russische Biochemiker Alexander Oparin (1894–1980) glaubten, dass sie zu Beginn der Erdentstehung in der Atmosphäre vorhanden waren – Wasserdampf, Wasserstoff, Methan und Ammoniak. Um Sonnenwärme zu simulieren, erhitzte Miller den Kolben auf einem Bunsenbrenner, und um ein Analogon von Blitzen zu erhalten, führte er zwei Elektroden in ein Glasrohr ein. Nach seinem Plan musste das aus dem Kolben verdampfende Material in das Rohr gelangen und einer elektrischen Funkenentladung ausgesetzt werden. Danach musste das Material gekühlt und in den Kolben zurückgebracht werden, wo der ganze Kreislauf von neuem begann.

Nach zweiwöchigem Systembetrieb begann die Flüssigkeit im Kolben einen dunklen rotbraunen Farbton anzunehmen. Miller analysierte diese Flüssigkeit und fand darin Aminosäuren – die Grundbausteine ​​von Proteinen. Wissenschaftler haben also die Möglichkeit, die Entstehung des Lebens im Hinblick auf grundlegende chemische Prozesse zu untersuchen. Ab 1953 haben ausgeklügelte Versionen des Miller-Urey-Experiments, wie es inzwischen bekannt ist, alle Arten von biologischen Molekülen produziert – einschließlich der komplexen Proteine, die für den Zellstoffwechsel benötigt werden, und der Fettmoleküle, die als Lipide bezeichnet werden und Zellmembranen bilden. Anscheinend könnte das gleiche Ergebnis auch erzielt werden, indem anstelle von elektrischen Entladungen andere Energiequellen verwendet werden - zum Beispiel Wärme und ultraviolette Strahlung. Es besteht also fast kein Zweifel daran, dass alle für den Aufbau der Zelle notwendigen Komponenten durch chemische Reaktionen gewonnen werden konnten, die in der Antike auf der Erde stattfanden.

Der Wert des Miller-Urey-Experiments liegt darin, dass es zeigte, dass Blitze in der Atmosphäre der alten Erde über mehrere hundert Millionen Jahre die Bildung organischer Moleküle verursachen konnten, die mit Regen in die "Ursuppe" fielen ( siehe auch Evolutionstheorie). Die noch nicht nachgewiesenen chemischen Reaktionen in dieser „Brühe“ könnten zur Bildung der ersten lebenden Zellen führen. In den letzten Jahren sind ernsthafte Fragen darüber aufgekommen, wie sich diese Ereignisse entwickelt haben, insbesondere wird das Vorhandensein von Ammoniak in der Atmosphäre der ältesten Erde in Frage gestellt. Darüber hinaus wurden mehrere alternative Szenarien vorgeschlagen, die zur Bildung der ersten Zelle führen könnten, die von der enzymatischen Aktivität eines biochemischen RNA-Moleküls bis hin zu einfachen chemischen Prozessen in den Tiefen des Ozeans reichen. Einige Wissenschaftler vermuten sogar, dass der Ursprung des Lebens mit der neuen Wissenschaft komplexer adaptiver Systeme zusammenhängt und dass es möglich ist, dass Leben eine unerwartete Eigenschaft von Materie ist, die zu einem bestimmten Zeitpunkt plötzlich auftaucht und in ihren Bestandteilen fehlt. Heutzutage durchläuft dieses Wissensgebiet eine rasante Entwicklung, verschiedene Hypothesen tauchen auf und werden darin getestet. Aus diesem Strudel von Hypothesen sollte eine Theorie darüber hervorgehen, wie unsere entferntesten Vorfahren entstanden sind.

Siehe auch:

Stanley Lloyd Miller, geb. 1930

Amerikanischer Chemiker. Geboren in Oakland, Kalifornien, studierte er an der University of California in Berkeley und der University of Chicago. Ab 1960 waren Millers berufliche Aktivitäten hauptsächlich mit der University of California in San Diego verbunden, wo er die Position eines Professors für Chemie innehatte. Für seine Arbeit am Miller-Urey-Experiment wurde ihm der Titel eines Research Fellow am California Institute of Technology verliehen.

Harold Clayton-Urey, 1893-1981

Amerikanischer Chemiker. Geboren in Walkerton, Indiana, als Sohn eines Priesters. Er studierte Zoologie an der University of Montana und promovierte in Chemie an der University of California, Berkeley. Er leistete Pionierarbeit bei der Anwendung physikalischer Methoden in der Chemie und erhielt 1934 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung von Deuterium, dem schweren Wasserstoffisotop. Später war seine Arbeit hauptsächlich mit der Untersuchung von Unterschieden in der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen bei der Verwendung verschiedener Isotope verbunden.

"Biochemische Evolution von Oparin" - 2) Bildung in den Primärreservoirs der Erde aus den angesammelten organischen Verbindungen von Biopolymeren, Lipiden, Kohlenwasserstoffen. Die Essenz der Hypothese läuft auf Folgendes hinaus... Der Ursprung des Lebens auf der Erde ist ein langer evolutionärer Prozess der Bildung lebender Materie in den Tiefen der unbelebten Materie. 1) Synthese ursprünglicher organischer Verbindungen aus anorganischen Substanzen unter den Bedingungen der Primäratmosphäre der Urerde. Oparins Theorie. 1894-1980.

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"Hypothese der biochemischen Evolution" - Der Prozess, der zur Entstehung des Lebens auf der Erde führte. Ursprung des Lebens auf der Erde. Primäre Brühe. Miller, Stanley Lloyd. Oparin-Haldane-Theorie. Miller-Urey-Experiment. Verschiedene Aspekte. Bedingungen für die Entstehung des Lebens. Hypothese von A. I. Oparin. Tropfen koazervieren.

Hauptartikel: Miller-Urey-Experiment

Eine der berühmtesten Evolutionshypothesen wurde in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts vom russischen Forscher A. I. Oparin und dem britischen Forscher J. Haldane veröffentlicht. Die Theorie besagte, dass die damaligen Bedingungen auf der Erde chemische Reaktionen begünstigten. Aus anorganischen Verbindungen in der Atmosphäre und im Meer sollten komplexe organische Verbindungen synthetisiert werden. Die notwendige Energie lieferte sehr intensive ultraviolette Strahlung, die aufgrund des geringen Gehalts an O 2 und O 3 ungehindert in die Atmosphäre eindringen konnte.

1953 wurde diese Theorie von den Chemikern Stanley Miller und Harold C. Urey mit sehr guten Ergebnissen aus dem Ursuppenexperiment untermauert. Sie bewiesen experimentell, dass in einer Umgebung, die einer Umgebung mit angeblich präbiotischen Bedingungen ähnelt, durch Energiezufuhr von außen (Blitze), aus anorganischen Verbindungen (Wasser, Methan, Ammoniak und Wasserstoff), Aminosäuren und einfacheren Carbon- und Fettsäuren entstehen kann entstehen - einige der wichtigsten Bausteine ​​von Biomolekülen (außerdem zeigten moderne Untersuchungen des erhaltenen Inhalts von Millers Kolben, dass sie mehr Aminosäuren enthielten, als Miller nachweisen konnte).

In späteren, meist komplexeren Experimenten mit Urbrühe gelang es den Experimentatoren sowohl alle wichtigen Bausteine ​​der Lebewesen – Aminosäuren, Fette, Zucker, Nukleotide – als auch komplexere organische Verbindungen – Porphine und Isoprenoide [ Quelle nicht angegeben 1264 Tage] .

Laut dem Biochemiker Robert Shapiro sind die von Miller und Urey synthetisierten Aminosäuren viel weniger komplexe Moleküle als Nukleotide. Die einfachste dieser 20 Aminosäuren, die Teil natürlicher Proteine ​​sind, hat nur zwei Kohlenstoffatome, und 17 Aminosäuren derselben Gruppe haben sechs oder mehr. Aminosäuren und andere von Miller und Urey synthetisierte Moleküle enthielten nicht mehr als drei Kohlenstoffatome. Und Nukleotide im Verlauf solcher Experimente wurden erst 2009 erhalten.

Obwohl dies die Möglichkeit der natürlichen Bildung organischer Moleküle zeigte, werden diese Ergebnisse heute manchmal kritisiert. Beim Ursuppenexperiment wurde angenommen, dass die damalige Atmosphäre einen alkalischen Charakter hatte, was den damaligen wissenschaftlichen Vorstellungen entsprach. Heute geht man jedoch davon aus, dass die Atmosphäre schwach alkalisch oder sogar neutral ist, wobei die Frage noch nicht endgültig geklärt ist und auch lokale chemische Abweichungen der atmosphärischen Bedingungen diskutiert werden, beispielsweise in der Nähe von Vulkanen. Spätere Experimente bewiesen die Möglichkeit des Auftretens organischer Moleküle auch unter diesen Bedingungen, sogar solche, die sich in den ersten Experimenten nicht herausstellten, aber in viel geringeren Mengen. Dabei wird oft argumentiert, dass die Herkunft organischer Moleküle auf andere Weise zumindest eine zusätzliche Rolle gespielt hat. Theorien über den Ursprung organischer Stoffe in der Nähe hydrothermaler Quellen mittelozeanischer Rücken werden ebenfalls vorgestellt.

Als Argument gegen die Herkunft organischer Moleküle aus der Urbrühe wird manchmal die Tatsache angeführt, dass während des Experiments ein Racemat erhalten wird, dh eine gleiche Mischung der L- und D-Formen von Aminosäuren. Demnach muss es einen natürlichen Prozess gegeben haben, bei dem eine bestimmte Variante chiraler Moleküle bevorzugt wurde. Einige Weltraumbiologen argumentieren, dass es einfacher sei, die Herkunft organischer Verbindungen im Weltraum nachzuweisen, da ihrer Meinung nach photochemische Prozesse mit zirkular polarisierter Strahlung, etwa von Pulsaren, nur Moleküle einer bestimmten Rotation zerstören können. Tatsächlich wurden in Meteoriten gefundene chirale organische Moleküle von 9 % linkshändig dominiert. Allerdings im Jahr 2001 Alan Saghatelian zeigten, dass selbstreplizierende Peptidsysteme auch in der Lage sind, Moleküle einer bestimmten Rotation in einem racemischen Gemisch effizient zu selektieren, was den terrestrischen Ursprung von Polymeren aus bestimmten optischen Isomeren ermöglicht.

Lebensnotwendige Moleküle könnten zu Beginn der Erdentwicklung durch chemische Reaktionen entstanden sein.

Als die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, war sie eine heiße, leblose Kugel. Heute findet man auf ihm unterschiedliche Lebensformen in Hülle und Fülle. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage: Welche Veränderungen haben sich auf unserem Planeten seit seiner Entstehung bis heute ergeben, und vor allem, wie sind die Moleküle, die lebende Organismen bilden, auf der leblosen Erde entstanden? 1953 wurde an der University of Chicago ein Experiment durchgeführt, das heute zum Klassiker geworden ist. Er zeigte Wissenschaftlern den Weg, diese grundlegende Frage zu beantworten.

1953 war Harold Urey bereits Nobelpreisträger, und Stanley Miller war nur sein Doktorand. Die Idee von Millers Experiment war einfach: In einem Labor im Halbkeller reproduzierte er die Atmosphäre der ältesten Erde, wie sie laut Wissenschaftlern war, und beobachtete von der Seite, was geschah. Mit Juris Unterstützung baute er aus einer Glaskugel und Röhren eine einfache Apparatur zusammen, in der die verdampften Substanzen in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierten, gekühlt und wieder in den Kolben zurückgeführt wurden. Miller füllte den Kolben mit Gasen, von denen Urey und der russische Biochemiker Alexander Oparin (1894–1980) glaubten, dass sie zu Beginn der Erdentstehung in der Atmosphäre vorhanden waren – Wasserdampf, Wasserstoff, Methan und Ammoniak. Um Sonnenwärme zu simulieren, erhitzte Miller den Kolben auf einem Bunsenbrenner, und um ein Analogon von Blitzen zu erhalten, führte er zwei Elektroden in ein Glasrohr ein. Nach seinem Plan musste das aus dem Kolben verdampfende Material in das Rohr gelangen und einer elektrischen Funkenentladung ausgesetzt werden. Danach musste das Material gekühlt und in den Kolben zurückgebracht werden, wo der ganze Kreislauf von neuem begann.

Nach zweiwöchigem Systembetrieb begann die Flüssigkeit im Kolben einen dunklen rotbraunen Farbton anzunehmen. Miller analysierte diese Flüssigkeit und fand darin Aminosäuren – die Grundbausteine ​​von Proteinen. Wissenschaftler haben also die Möglichkeit, die Entstehung des Lebens im Hinblick auf grundlegende chemische Prozesse zu untersuchen. Ab 1953 haben ausgeklügelte Versionen des Miller-Urey-Experiments, wie es inzwischen bekannt ist, alle Arten von biologischen Molekülen produziert – einschließlich der komplexen Proteine, die für den Zellstoffwechsel benötigt werden, und der Fettmoleküle, die als Lipide bezeichnet werden und Zellmembranen bilden. Anscheinend könnte das gleiche Ergebnis auch erzielt werden, indem anstelle von elektrischen Entladungen andere Energiequellen verwendet werden - zum Beispiel Wärme und ultraviolette Strahlung. Es besteht also fast kein Zweifel daran, dass alle für den Aufbau der Zelle notwendigen Komponenten durch chemische Reaktionen gewonnen werden konnten, die in der Antike auf der Erde stattfanden.

Der Wert des Miller-Urey-Experiments liegt darin, dass es zeigte, dass Blitze in der Atmosphäre der alten Erde über mehrere hundert Millionen Jahre zur Bildung organischer Moleküle führen konnten, die mit Regen in die „Ursuppe“ fielen (siehe auch Evolutionstheorie). Die noch nicht nachgewiesenen chemischen Reaktionen in dieser „Brühe“ könnten zur Bildung der ersten lebenden Zellen führen. In den letzten Jahren sind ernsthafte Fragen darüber aufgekommen, wie sich diese Ereignisse entwickelt haben, insbesondere wird das Vorhandensein von Ammoniak in der Atmosphäre der ältesten Erde in Frage gestellt. Darüber hinaus wurden mehrere alternative Szenarien vorgeschlagen, die zur Bildung der ersten Zelle führen könnten, die von der enzymatischen Aktivität eines biochemischen RNA-Moleküls bis hin zu einfachen chemischen Prozessen in den Tiefen des Ozeans reichen. Einige Wissenschaftler schlagen sogar vor, dass der Ursprung des Lebens mit der neuen Wissenschaft von zusammenhängt