Millerův–Ureyův experiment

Schéma experimentu

Millerův–Ureyův experiment[1] nebo pouze Millerův experiment byl experiment, který se snažil navodit podmínky, které měla Země zhruba před 3,5 miliardami let, a zkoumat možnost vzniku života chemickými procesy. Konkrétně testoval hypotézu Alexandra Oparina a J. B. S. Haldaneho, která navrhovala postupný vznik života z anorganických látek chemickými reakcemi. Byl proveden v roce 1952[2] a publikován roku 1953 Stanleyem Millerem a Haroldem Ureyem pracujícími na Chicagské univerzitě.[3][4][5]

Pozdější zkoumání

Po smrti Stanleyho Millera v roce 2007 vědci zkoumali ampulky se vzorky z původního experimentu a našli v nich více než 20 různých aminokyselin. To je podstatně více, než Miller publikoval, a také více než 20 přirozeně se vyskytujících aminokyselin.[6] Navíc některé důkazy naznačují, že původní atmosféra Země měla jiné složení než plyn použitý v Millerově–Ureyově experimentu. Existují důkazy, že před 4 miliardami let na Zemi probíhaly silné sopečné erupce, které do ovzduší uvolnily oxid uhličitý (CO2), dusík, sulfan (H2S) a oxid siřičitý (SO2). Experimenty používající navíc tyto plyny přinesly jiné výsledky.[7]

Experiment

V experimentu byly použity voda (H2O), methan (CH4), amoniak (NH3) a vodík (H2). Tyto chemikálie byly uzavřeny do řady sterilních skleněných trubiček a baněk, které byly spojeny ve smyčku. Jedna baňka byla z půlky naplněná kapalnou vodou a v druhé byla dvojice elektrod. Voda byla nejprve zahřáta, aby se vypařila. Mezi elektrodami pak přeskakovaly jiskry, které simulovaly blesky procházející atmosférou a vodní párou. Ovšem podle dnešních poznatků nelze takovou aktivitu blesků v minulosti předpokládat.[8] Nakonec se atmosféra zchladila, aby voda kondenzovala a dostala se znovu do první baňky. Tím se kruh uzavřel a proces pak probíhal stále dokola.

Po jednom týdnu trvání experimentu Miller a Urey pozorovali, že 10–15 % uhlíku se přeměnilo v organické sloučeniny. Ze dvou procent se staly aminokyseliny, z kterých se vytvářejí bílkoviny v živých buňkách, s tím, že nejhojnější aminokyselinou byl glycin. Vznikly i sacharidy. Nevytvořily se žádné nukleové kyseliny, ale vzniklo všech 20 běžných aminokyselin.

Chemické procesy během experimentu

Jednokroková reakce přítomných chemikálií může vytvořit kyselinu kyanovodíkovou (HCN), formaldehyd (HCHO),[9][10] a další sloučeniny (např. ethyn nebo kyanoacetylen):

CO2 → CO + [O] (atomární kyslík)
CH4 + 2 [O] → HCHO + H2O
CO + NH3 → HCN + H2O
CH4 + NH3 → HCN + H2

Formaldehyd, amoniak a kyanovodík spolu poté reagují a vytvářejí aminokyseliny a jiné biomolekuly:

HCHO + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O
NH2-CH2-CN + 2 H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH (glycin)

Voda a formaldehyd spolu navíc mohou reagovat (Butlerova reakce) a vytvořit různé sacharidy (např. ribózu).

Jiné experimenty

Tento experiment inspiroval další vědce. V roce 1961 Joan Oró objevil, že z kyanovodíku (HCN) a amoniaku může ve vodě vzniknout adenin, stavební báze nukleotidů. V experimentu se mu podařilo vytvořit adenin, jehož molekula se skládá z pěti molekul HCN.[11] V těchto podmínkách také z HCN a amoniaku vznikne mnoho aminokyselin.[12]

Pozdější experimenty Jeffreyho Bady ze Scrippsova institutu oceánografie byly podobné tomu původnímu, ale zjistil, že v současném modelu atmosféry mladé Země tvoří oxid uhličitý (CO2) a dusík (N2) dusitany, které aminokyselinu hned po jejím vzniku zničí. Nicméně mladá Země mohla obsahovat značné množství železa a uhlíkatých minerálů, které jsou schopny neutralizovat efekty dusitanů. Když Bada zopakoval experiment s železem a uhlíkatými minerály, vzniklo několik aminokyselin. To naznačuje, že původ nezanedbatelného množství aminokyselin mohl nastat, i když v zemské atmosféře byly oxid uhličitý a dusík.[13]

Atmosféra mladé Země

Výše uvedené experimenty naznačují, že před 4 miliardami let procházela Země obdobím silných sopečných erupcí, které do atmosféry vypouštěly oxid uhličitý, dusík, sulfan a oxid siřičitý. Tyto prvky Miller s Ureyem v původním experimentu nepoužili. Z experimentů, ve kterých se s těmito plyny počítalo, vzešly rozmanitější molekuly. Vytvořila se při nich racemická směs, která obsahovala L i D enantiomery ve stejném poměru.[7] V přírodě se ale L aminokyseliny vyskytují častěji; pozdější experimenty ukázaly, že lze dosáhnout i odlišného poměru L a D enantiomerů.[14]

Podobné podmínky, jako použili Miller a Urey, se nacházejí v různých oblastech sluneční soustavy. Murchisonský meteorit, který v roce 1969 dopadl do jižní Austrálie, obsahoval více než 90 různých aminokyselin, z čehož devatenáct se nachází také v živých organismech na Zemi. Byly v něm také objeveny stopy po drobných zrnech materiálu („kosmického prachu“), který je starší než celá Sluneční soustava (stáří tohoto materiálu vzniklého explozemi dávných hvězd je odhadováno přibližně na 7 miliard let).[15] Předpokládá se, že na kometách a některých dalších tělesech se vyskytují velká množství složitých uhlíkatých sloučenin (jako např. tholin), které ztmavují jejich povrch.[16] Mladá Země byla často bombardována kometami, které mohly dodávat množství složitých organických sloučenin spolu s vodou. Z této myšlenky vznikla hypotéza panspermie.

Novější studie

Když v roce 2007 Stanley Miller umřel, jeho student Jeffrey Bada získal vzorky z původního experimentu. Vědci zjistili, že Miller s tehdejšími technologiemi nedokázal zjistit kompletní výsledek svého experimentu.[6]

V roce 2008 skupina vědců zkoumala 11 ampulek z Millerova experimentu z padesátých let. Pomocí kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie objevili více organických molekul než on, nejvíce 22 aminokyselin, 5 aminů a mnoho hydroxylovaných molekul.[17][18]

V následujících letech se jim dařilo izolovat další aminokyseliny, skončili na čísle 25. Profesor Bada odhadl, že přesnější měření by mohla odhalit až o 40 více aminokyselin ve velmi malých koncentracích, ale vědci se zkoumáním přestali.[6]

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Miller–Urey experiment na anglické Wikipedii.

  1. ↑ Balm SP, Hare J.P., Kroto HW. The analysis of comet mass spectrometric data. Space Science Reviews. 1991, s. 185–9. DOI 10.1007/BF00178408. Bibcode 1991SSRv...56..185B. (anglicky) 
  2. ↑ BADA, Jeffrey L. Stanley Miller's 70th Birthday. Origins of Life and Evolution of the Biosphere. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2000, s. 107–12. Dostupné v archivu pořízeném dne 2009-02-27. DOI 10.1023/A:1006746205180. (anglicky)  Archivovaná kopie. www.issol.org [online]. [cit. 2011-05-22]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2009-02-27. 
  3. ↑ MILLER, Stanley L. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 1953, s. 528. Dostupné online. DOI 10.1126/science.117.3046.528. PMID 13056598. (anglicky) 
  4. ↑ MILLER, Stanley L., Harold C. Urey. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science. 1959, s. 245. DOI 10.1126/science.130.3370.245. PMID 13668555. (anglicky)  Miller states that he made "A more complete analysis of the products" in the 1953 experiment, listing additional results.
  5. ↑ A. Lazcano, J. L. Bada. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. 2004, s. 235–242. DOI 10.1023/A:1024807125069. PMID 14515862. (anglicky) 
  6. ↑ a b c BBC: The Spark of Life. TV Documentary, BBC 4, 26 August 2009.
  7. ↑ a b Right-handed amino acids were left behind. New Scientist. Reed Business Information Ltd, 2006-06-02, s. 18. Dostupné online [cit. 2008-07-09]. (anglicky) 
  8. ↑ https://phys.org/news/2022-04-early-earth-atmosphere-conducive-lightning.html - Early Earth's atmosphere was less conducive to lightning
  9. ↑ https://web.archive.org/web/19991127110130/http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/2948/orgel.html Origin of Life on Earth by Leslie E. Orgel
  10. ↑ http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=11860&page=85 Exploring Organic Environments in the Solar System (2007)
  11. ↑ Oró J, Kimball AP. Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide. Archives of biochemistry and biophysics. 1961, s. 217–27. DOI 10.1016/0003-9861(61)90033-9. PMID 13731263. (anglicky) 
  12. ↑ Oró J, Kamat SS. Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions. Nature. 1961, s. 442–3. DOI 10.1038/190442a0. PMID 13731262. (anglicky) 
  13. ↑ FOX, Douglas. Primordial Soup's On: Scientists Repeat Evolution's Most Famous Experiment. Scientific American. Scientific American Inc., 2007-03-28. Dostupné online [cit. 2008-07-09]. (anglicky) 
  14. ↑ KOJO, Shosuke, Hiromi Uchino, Mayu Yoshimura and Kyoko Tanaka. Racemic D,L-asparagine causes enantiomeric excess of other coexisting racemic D,L-amino acids during recrystallization: a hypothesis accounting for the origin of L-amino acids in the biosphere. Chemical Communications. 2004, s. 2146–2147. DOI 10.1039/b409941a. PMID 15467844. (anglicky) 
  15. ↑ http://www.osel.cz/10981-novy-nejstarsi-material-na-zemi-je-mnohem-starsi-nez-slunecni-soustava.html
  16. ↑ Thompson WR, Murray BG, Khare BN, Sagan C. Coloration and darkening of methane clathrate and other ices by charged particle irradiation: applications to the outer solar system. Journal of geophysical research. 1987, s. 14933–47. DOI 10.1029/JA092iA13p14933. PMID 11542127. Bibcode 1987JGR....9214933T. (anglicky) 
  17. ↑ Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL. The Miller volcanic spark discharge experiment. Science. 2008, s. 404. DOI 10.1126/science.1161527. PMID 18927386. (anglicky) 
  18. ↑ 'Lost' Miller–Urey Experiment Created More Of Life's Building Blocks. www.sciencedaily.com. Science Daily, October 17, 2008. Dostupné online [cit. 2008-10-18]. (anglicky) 

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Miller-Urey experiment-en.svg
Autor: W3C-validity not checked., Licence: CC BY-SA 3.0
Miller-Urey experiment (1953).