Miller–Urey-koe: koe elämän kemiallisesta alkuperästä ja aminohappojen synnystä
Miller–Urey-koe paljastaa elämän kemialliset juuret: 1953 tehty koe synnytti yli 20 aminohappoa ja valottaa alkukantaisen Maan olosuhteita ja elämän syntyä.
Miller–Urey-koe (tunnetaan myös nimellä Urey–Millerin koe) oli koe, jossa epäorgaanisista yhdisteistä valmistettiin orgaanisia yhdisteitä energian avulla. Koe suunniteltiin simuloimaan hypoteettisia olosuhteita, joiden uskottiin vallinneen maapallon varhaisvaiheessa (hadean- tai varhaisarkaani). Se oli testi elämän kemiallisesta alkuperästä ja erityisesti Alexander Oparinin ja J.B.S. Haldanen hypoteesista, jonka mukaan alkukantaisen maapallon olosuhteet suosivat kemiallisia reaktioita joissa muodostui orgaanisia yhdisteitä epäorgaanisista lähtöaineista. Koe tehtiin Chicagon yliopistossa Stanley Millerin ja Harold Ureyn johtamana vuonna 1952, ja tuloksista raportoitiin vuonna 1953 (Chicagon yliopistossa).
Mitä koetuksessa tehtiin
Käytännössä koeasetelma koostui lasiflaskeista, joissa kiersi vesihöyryn, kaasuseoksen ja sähköpurkausten muodostama suljettu kierto. Malli sisälsi:
- keitetyn veden, joka tuotti vesihöyryä;
- kaasuseoksen, jonka Miller ja Urey valitsivat kuvaamaan oletettua varhaisen Maan ilmakehää (esimerkiksi metaani CH4, ammoniakki NH3, vety H2 ja vesi H2O);
- sähköpurkauksen tai "salaman" mallina toimineet elektrodien väliset kipinät energianlähteenä;
- lauhduttimen, joka palautti höyryn vedeksi ja sijoitti muodostuneet liuenneet orgaaniset yhdisteet keräyssäiliöön.
Tavoitteena oli nähdä, syntyisikö yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä ilman eläviä organismeja pelkistä epäorgaanisista lähtöaineista ja energianlähteestä.
Tulokset
Kokeessa havaittiin, että useita yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä syntyi. Alkuperäisissä raporteissa mainittiin muun muassa aminohapot, joiden katsottiin olevan elintärkeitä proteiinien rakennusaineita. Myöhemmin, Millerin kuoleman jälkeen vuonna 2007, tutkijat analysoivat alkuperäisistä kokeista säilöttyjä sinetöityjä pulloja ja pystyivät osoittamaan, että Millerin kokeissa tuotettiin reilusti yli 20 erilaista aminohappoa. Tämä on huomattavasti enemmän kuin Miller alun perin ilmoitti, ja enemmän kuin luonnollisessa biologisessa käytössä yleisesti esiintyvä 20 aminohapon joukko.
Merkitys ja tulkinnat
Miller–Ureyn koe oli merkittävä, koska se näytti konkreettisesti, että yksinkertaisista epäorgaanisista aineista ja energialähteestä saattoi syntyä biologian kannalta tärkeitä orgaanisia molekyylejä. Koe tarjosi vahvistusta Oparinin ja Haldanen hypoteesille siitä, että elämän edeltäjätason kemia saattoi olla mahdollinen Maan varhaisessa ympäristössä.
Rajoitukset ja myöhempi keskustelu
Kritiikkiä on kohdistettu erityisesti kokeen oletuksiin varhaisen ilmakehän koostumuksesta. Millerin käyttämä voimakkaasti pelkistävä kaasuseos (metaani, ammoniaakki, vety) ei välttämättä kuvannut täsmällisesti varhaisen Maan ilmakehää; monet myöhemmät geokemialliset arviot viittaavat neutraalimpaan, hiilidioksidi-hiilimonoksidi-pitoiseen ilmakehään. Myös seuraavat seikat on huomioitu:
- Koetuotannon aminohapot olivat yleensä sekoituksia, joissa esiintyi sekä vasen- että oikeakätisiä enantiomeerejä (rasemisina seoksina), kun taas biologinen elämä käyttää pääosin yhden käden eli homokiraalisia aminohappoja.
- Koe tuotti yksittäisiä rakennuspalikoita mutta ei suoria vasteita monimutkaisten biopolymeerien, kuten proteiinien tai RNA:n, spontaaniseen muodostumiseen sellaisessa muodossa kuin ne ovat elävissä soluissa.
- Tuotokset olivat suhteellisen pieniä ja edellyttivät jatkoreaktioita ja suotuisia paikallisia olosuhteita (esimerkiksi kuivumissyklin vaikutus, pinnat, katalyytit) monimutkaisuuden kasvattamiseksi.
Seuraukset ja nykytilanne
Miller–Ureyn koe innosti koko sukupolven tutkijoita kokeilemaan erilaisia atmosfäärikoostumuksia, energialähteitä (UV-valo, vulkaaninen aktiivisuus, hydrotermiset lähteet) ja pinnallisia katalyyttisiä ympäristöjä. Sittemmin on todettu, että orgaanisia aineita voi syntyä monissa eri olosuhteissa, myös avaruudessa (kometissa, meteoriiteissa) ja hydrotermisissa ympäristöissä, mikä laajentaa käsitystä siitä, miten elämän ainesosia voi syntyä eri paikoissa.
Yhteenvetona Miller–Ureyn koe ei selitä elämän syntyä yksityiskohtaisesti, mutta se osoitti ensimmäisten onnistuneiden kokeellisten todisteiden avulla, että elämän kannalta tärkeitä orgaanisia molekyylejä voi muodostua luonnollisissa prosesseissa ilman biologista lähtökohtaa. Koe on edelleen historiallisesti ja tieteellisesti merkittävä ensimmäinen askel kohti ymmärrystä abiogeneesistä.
Koe
Historia
Miller valmistui Kalifornian yliopistosta Berkeleystä vuonna 1951 ja suoritti kemian kandidaatin tutkinnon. Sen jälkeen hän opiskeli Chicagon yliopistossa. Chicagon yliopistossa hän ilmoittautui tohtoriohjelmaan. Aluksi hän alkoi työskennellä teoreettisen fyysikon Edward Tellerin kanssa alkuaineiden synteesin parissa. Tänä aikana Miller osallistui Harold Ureyn pitämään luentoon, jonka aiheena oli aurinkokunnan synty. Urey esitti ajatuksen orgaanisten molekyylien syntetisoitumisesta Maan varhaisessa ilmakehässä. Se innoitti Milleriä suuresti. Hän kuitenkin jatkoi työskentelyä Tellerin kanssa. Kun Tellerin kanssa oli työskennelty vuoden verran tuloksettomasti ja kun oli näköpiirissä, että Teller lähtisi Chicagosta työskentelemään vetypommin parissa, Miller kääntyi syyskuussa 1952 Ureyn puoleen saadakseen uuden tutkimusprojektin. Urey oli aluksi vastahakoinen antamaan jatko-opiskelijalle tehtäväksi näin riskialttiin hankkeen, mutta lopulta hän suostui.
Kun Miller näytti tuloksensa Ureylle, tämä ehdotti, että Miller julkaisisi tulokset välittömästi. Urey kieltäytyi olemasta toinen kirjoittaja, koska hänen mielestään Miller teki kaiken työn ja Miller ei halunnut saada kunniaa. Miller toimitti käsikirjoituksen Science-lehteen 10. helmikuuta 1953. Viikkojen hiljaiselon jälkeen Urey tiedusteli asiaa ja kirjoitti 27. helmikuuta toimituskunnan puheenjohtajalle. Sitten kului kuukausi, mutta päätöstä ei vieläkään ollut. Tämän seurauksena raivostunut Urey peruutti käsikirjoituksen 10. maaliskuuta ja toimitti sen itse Journal of the American Chemical Society -lehteen 13. maaliskuuta. Siihen mennessä Science-lehden päätoimittaja, joka oli ilmeisesti ärsyyntynyt Ureyn vihjailusta, kirjoitti suoraan Millerille, että käsikirjoitus julkaistaisiin. Miller hyväksyi sen ja veti käsikirjoituksen pois Journal of the American Chemical Societyn lehdestä.
Koe
Tätä koetta varten Miller suunnitteli suljetun lasilaitteen ja simuloi sen avulla olosuhteita, jotka vallitsivat Maassa ennen elämän ilmestymistä. Siinä oli kaksi lasipulloa. Toinen oli 500 ml:n ja siihen kaadettiin 200 ml vettä. Toinen oli 5 litran pullo, jossa oli pari elektrodia. Tämä täytettiin 100 mmHg vedyllä (H2 ), 200 mmHg metaanilla (CH4 ) ja 200 mmHg ammoniakilla (NH3 ). Sateen simuloimiseksi pienemmässä pullossa olevaa vettä lämmitettiin haihtumisen aikaansaamiseksi, ja vesihöyry päästettiin suurempaan pulloon, jossa se sekoittui muiden kaasujen kanssa. Jotta vesihöyryn ja kaasujen seoksessa simuloitaisiin salamointia, elektrodien välissä ammuttiin sähkökipinöitä. Sitten vesi jäähdytettiin uudelleen ja vedestä syntyi sadetta. Tätä prosessia jatkettiin viikon ajan.
Päivän kuluttua liuos muuttui vaaleanpunaiseksi, ja viikon kuluttua liuos muuttui syvänpunaiseksi ja sameaksi. Sitten lisättiin elohopeakloridia mikrobikontaminaation estämiseksi. Reaktio pysäytettiin lisäämällä bariumhydroksidia ja rikkihappoa ja haihdutettiin epäpuhtauksien poistamiseksi. Kun Miller analysoi liuoksen, hän löysi siitä paljon aminohappoja; yksi elämän rakennusaineista.
Viimeaikaiset aiheeseen liittyvät tutkimukset
Lisäksi jotkut todisteet viittaavat siihen, että maapallon alkuperäinen ilmakehä on saattanut koostumukseltaan olla erilainen kuin Miller-Ureyn kokeessa käytetty kaasu. On runsaasti todisteita 4 miljardia vuotta sitten tapahtuneista suurista tulivuorenpurkauksista, jotka olisivat vapauttaneet ilmakehään hiilidioksidia, typpeä, rikkivetyä (H2 S) ja rikkidioksidia (SO2 ). Kokeet, joissa on käytetty näitä kaasuja alkuperäisen Miller-Ureyn kokeen kaasujen lisäksi, ovat tuottaneet monimuotoisempia molekyylejä.
Huomaa, että Maahan sataneessa meteoriittipölyssä on orgaanisia yhdisteitä, myös aminohappoja. Siksi kiinnostus abioogeneesiä ja elämän alkuperää kohtaan on siirtynyt kysymykseen siitä, miten solut ja suuret makromolekyylit ovat syntyneet.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on Miller-Ureyn koe?
V: Miller-Ureyn koe oli koe, jossa orgaanisia yhdisteitä valmistettiin epäorgaanisista yhdisteistä käyttämällä eräänlaista energiaa. Sen suorittivat vuonna 1952 ja julkaisivat vuonna 1953 Stanley Miller ja Harold Urey Chicagon yliopistossa, ja siinä testattiin Alexander Oparinin ja J.B.S. Haldanen hypoteesia, jonka mukaan alkukantaisen maapallon olosuhteet suosivat kemiallisia reaktioita, jotka syntetisoivat orgaanisia yhdisteitä epäorgaanisista lähtöaineista.
K: Mitä tutkijat pystyivät osoittamaan Millerin kuoleman jälkeen?
V: Millerin kuoltua vuonna 2007 tutkijat tutkivat alkuperäisistä kokeista säilöttyjä sinetöityjä pulloja ja pystyivät osoittamaan, että Millerin alkuperäisissä kokeissa tuotettiin reilusti yli 20 erilaista aminohappoa - huomattavasti enemmän kuin alun perin raportoitiin ja enemmän kuin ne 20, joita luonnossa esiintyy.
K: Kuka suoritti kokeen?
V: Kokeen suorittivat Stanley Miller ja Harold Urey Chicagon yliopistossa.
K: Mitä tässä kokeessa testattiin?
V: Tässä kokeessa testattiin Alexander Oparinin ja J.B.S. Haldanen hypoteesia, jonka mukaan alkukantaisen maapallon olosuhteet suosivat kemiallisia reaktioita, joissa orgaanisia yhdisteitä syntetisoitiin epäorgaanisista lähtöaineista - erityisesti siinä testattiin elämän kemiallista alkuperää alkukantaisella maapallolla (Hadeksen tai varhaisen arkeeisen kauden aikana).
K: Milloin tämä koe tehtiin?
V: Tämän kokeen suorittivat vuonna 1952 ja julkaisivat vuonna 1953 Stanley Miller ja Harold Urey Chicagon yliopistossa.
K: Kuinka monta aminohappoa tässä kokeessa tuotettiin?
V: Tutkijat havaitsivat, että tämän kokeen aikana tuotettiin reilusti yli 20 erilaista aminohappoa - huomattavasti enemmän kuin alun perin raportoitiin ja enemmän kuin ne 20, joita elämässä esiintyy luonnostaan.
K: Minkälaista energiaa käytettiin tämän kokeen aikana? V: Tämän kokeen aikana käytettiin erästä energiamuotoa, jolla epäorgaanisista yhdisteistä valmistettiin orgaanisia yhdisteitä.
Etsiä