Проведение Миллер-Юри эксперименты

Резюме

Эксперимент Миллера-Юри был новаторское исследование относительно абиотической синтеза органических соединений с возможной актуальности для происхождения жизни. Простые газы были введены в стеклянной аппаратуре и подвергают электрическим разрядом, имитируя эффекты: молнии в системе атмосфера-океан Изначальное Земли. Эксперимент проводили в течение одной недели, после чего образцы, собранные в нем, были проанализированы на химической строительных блоков жизни.

Аннотация

В 1953 году Стэнли Миллер сообщил производство биомолекул от простых газообразных исходных материалов, с использованием устройства, построенную для имитации системе атмосфера-океан Изначальное Земли. Miller введены 200 мл воды, 100 мм рт Н _2, 200 мм рт СН ₄ и ​​200 мм рт NH ₃ в устройство, а затем подвергают эту смесь с обратным холодильником, в электрического разряда в течение недели, в то время как вода была одновременно с подогревом. Цель этой рукописи, чтобы дать читателю общее экспериментального протокола, который можно использовать для проведения типа Миллера-Юри искрового разряда эксперимент, с использованием упрощенного 3 л реакционную колбу. Поскольку эксперимент включает воздействие легковоспламеняющиеся газы к высоковольтной электрического разряда, это следует обратить особое внимание важные шаги, которые уменьшают риск взрыва. Общие процедуры, описанные в данной работе, могут быть экстраполированы для разработки и проведения широкого спектра эксперимента электрического разрядаы имитации примитивных планетную среду.

Введение

Природа происхождения жизни на Земле остается одним из самых загадочных научных вопросов. В 1920 русский биолог Александр Опарин и британский эволюционный биолог и генетик Джон Холдейн предложил концепцию "первичного бульона" ^1,2, описывая примитивные наземные океаны, содержащие органические соединения, которые, возможно, способствовали химической эволюции. Тем не менее, он не был до 1950 года, когда химики начали проводить целенаправленные лабораторные исследования, направленные на понимание того, как органические молекулы могли были синтезированы из простых исходных материалов на ранней Земле. Одним из первых докладов этой целью был синтез муравьиной кислоты при облучении водных СО ₂ растворов в 1951 году ^3.

В 1952 году Стэнли Миллер, тогда аспирант в Университете Чикаго, подошел Гарольд Юри о выполнении эксперимент, чтобы оценить возможность того, что органические соединенияважно для возникновения жизни, возможно, были сформированы abiologically на ранней Земле. Эксперимент проводился с использованием аппарата стекла по индивидуальному заказу (рис. 1А), предназначенный для имитации первобытной Земле. Эксперимент Миллера передразнил молнии под действием электрического разряда на смеси газов, представляющих раннюю атмосферу, в присутствии резервуара жидкой воды, что составляет ранние океаны. Устройство также смоделированы испарения и осадков с использованием нагревательной рубашкой и конденсатором, соответственно. Конкретные детали о аппарата Миллер, используемой можно найти в другом месте ^4. После недели искрения, содержание в колбы заметно преобразился. Вода превратилась мутную, красноватый цвет ⁵ и желто-коричневый материал, накопленный на электродах ^4. Эта инновационная работа считается первым преднамеренное, эффективный синтез биомолекул в смоделированных примитивных земных условиях.

Рисунок 1. Сравнение между двумя типами устройств, рассмотренных в данной статье. Классический аппарат, используемый для первоначального Миллер-Юри эксперимента (А) и упрощенной установки, используемой в протоколе, изложенной здесь (В). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

После 1953 опубликования результатов от классического эксперимента Миллера, многочисленные вариации эксперимента искрового разряда, например, с помощью других газовых смесей, проводились для изучения правдоподобность получения органических соединений, важных для жизни при различных возможных досрочных земных условиях. Например, CH ₄ / H ₂ O / NH ₃ / H ₂ S газовой смеси тестировали на его способность продуцировать кодированные серосодержащие α-аминокислот, хотя они не были обнаружены ^6. Газовая хроматография-масс-спектрометрии (ГХ-МС) анализ CH ₄ / NH ₃ смеси, подвергнутой воздействию электрического разряда показали синтез α-аминонитрилы, которые амино предшественников кислот ^7. В 1972 году, используя более простое устройство, впервые введенная Oro ⁸ (рис. 1В), Миллер и его коллеги продемонстрировали синтез все кодированные α-аминокислот ⁹ и небелковых аминокислот ^10, которые были выявлены в метеорите Мерчисон на сегодняшний день, при условии CH _4, N _2, и небольшие количества NH ₃ в электрическом разряде. Позже, с помощью этого же упрощенную опытно-конструкторских, газовые смеси, содержащие H ₂ O, N ₂ и СН _4, СО ₂ или CO были вызваны к Стюйу выход цианистого водорода, формальдегида и аминокислот в зависимости от степени окисления атмосферного видов углерода ^11.

В дополнение к исследованию альтернативных экспериментальных конструкций на протяжении многих лет, значительные аналитические достижения произошли с классическом эксперименте Миллера, который недавно автоматизированного более глубокие исследования электрического разряда экспериментальных образцов архивных Миллером, чем можно было бы способствовали методов Миллер имел доступ к в 1950-х. Вулканическая эксперимент Миллера ^12, впервые сообщил в 1955 году ^4, и 1958 Н ₂ S-содержащие эксперимент ¹³ было показано, сформировали более широкое разнообразие и большие распространенность, многочисленных аминокислот и аминов, чем классический эксперимент, в том числе многие из которых, что ранее не определены в экспериментах искрового разряда.

Эксперимент, описанный в этой статье может быть проведено с использованиеммножество газовых смесей. Как правило, по крайней мере, такие эксперименты будут содержать С-подшипника газ, N-подшипник газ и воду. С некоторыми планирования, почти любой смесь газов могут быть изучены, однако, важно рассмотреть некоторые химические аспекты системы. Например, рН водной фазы может иметь существенное влияние на химию, что происходит там ^14.

Описанный здесь метод был специально поручить исследователей, как вести экспериментах искрового разряда, которые напоминают эксперимент Миллера-Юри использованием упрощенной 3 л реакционного сосуда, как описано в Миллера 1972 публикаций ^9,10. Поскольку этот эксперимент включает в себя высокого напряжения электрической дуги, действующую на горючих газов, крайне важно, чтобы удалить O ₂ из реакционной колбы, чтобы устранить опасность взрыва, который может произойти при сгорании сокращения углеродсодержащих газов, таких как метан или окиси углерода, или реакция ое Н ₂ с кислородом.

Есть дополнительные детали, которые следует иметь в виду, когда готовится к проведению эксперимента обсуждается здесь. Во-первых, всякий раз, когда работает со стеклянными вакуумными линиями и сжатых газов, существует ведет к опасности как имплозии и более-давление. Таким образом, защитные очки следует носить в любое время. Во-вторых, эксперимент обычно проводят при менее, чем атмосферное давление. Это сводит к минимуму риск чрезмерного давления на коллектор и реакционную колбу. Стеклянная посуда может быть оценено на уровне или выше атмосферного давления, однако, давление выше 1 атм не рекомендуется. Давление может увеличить в этих экспериментах в качестве нерастворимого в воде H ₂ освобождается от восстановленных газов (например, СН ₄ и ​​NH _3). Чрезмерная давление может привести к утечке кольцо, которое может позволить атмосферное O ₂ для входа в реакционную колбу, что делает возможным, чтобы вызвать сгорание, в результате чего взрыва. В-третьих,следует иметь в виду, что модификация этого протокола для проведения вариации эксперимента требует тщательного планирования, чтобы обеспечить небезопасные условия не создаются. В-четвертых, мы настоятельно рекомендуем, чтобы потенциальные экспериментатор прочитал всего протокола тщательно несколько раз, прежде чем пытаться этот эксперимент, чтобы убедиться, что он или она знакома с потенциальных ловушек и что все необходимое оборудование доступно и на месте. Наконец, проведение экспериментов по горючие газы требуют соблюдения санитарного состояния окружающей среды и труда ведомственных экспериментатора принимающей учреждения. Обратите внимание на эти рекомендации, прежде чем приступить любые эксперименты. Все шаги, подробно изложенные в протоколе здесь находятся в соответствии с принимающими ведомственным руководящим принципам авторов окружающей среды и безопасности.

протокол

1. Настройка коллектора / вакуумной системы

1. Используйте стеклянную коллектор ввести газов в реакционную колбу. Это многообразие может быть куплена или построена по установке стеклоформы, но должна включать вакуумплотной порты, которые могут быть подключены к вакуумной системе, газовых баллонов, вакуумметром, и реакционный сосуд.
   1. Используйте матового стекла суставы и стеклянные пробки с клапанами на многообразии. Убедитесь, что все уплотнительные кольца на пробками способны сделать необходимые уплотнения. При использовании стекла суставы, достаточное количество вакуумной смазки может быть применен, чтобы помочь сделать печать, если это необходимо. Кремний вакуумной смазки можно использовать, чтобы избежать возможных органических загрязнений.
   2. Используйте стеклянные запорные краны на многообразии. Нанесите минимальное количество вакуумной смазки необходимо сделать уплотнение.
   3. Измерьте многообразие громкости. Этот объем будет использоваться для расчетов, связанных с конечным давлениях газа в 3 л реакционную колбу и должны быть известны как можно точнее.
   4. Если многообразие не имеет достаточно связей, чтобы вместить всех газовых баллонов одновременно, подключите один цилиндр в то время, к коллектору. Включить в связи с этим, кран, позволяющий многообразие быть изолированы от окружающей атмосферы.
   5. Используйте подходит, чистый, инертный, и химические, и утечка стойких труб и ultratorr вакуумные фитинги для подключения газовых баллонов с коллектором. Ultratorr фитинги, если они используются, должны быть пальцев затянуты.
   6. Подключите к коллектору, вакуумным насосом, способным создания вакуума <1 мм ртутного столба. Выпускной вакуумный насос должен быть расположен в вытяжном шкафу или вентилируется с помощью других средств.
      1. Чтобы обеспечить быстрое достижение вакуума и для защиты насоса, вставьте ловушку между коллектором и вакуумным насосом. Жидкий азот от защемления пальцев рекомендуется, поскольку это будет препятствовать летучие вещества, такие как NH _3, CO _2, и H ₂ O от попадания в насос. Следует проявлять осторожность, так как летучие компоненты, на ваrming, может избыточное давление коллектор и привести к разрыву стекла.
   7. Подключите к коллектору, манометра или другого вакуумметра способного разрешением 1 мм ртутного столба, или лучше. Хотя различные устройства могут быть использованы, ртутным манометром, или MacLeod колеи, предпочтительнее, так как ртуть довольно инертен.
   8. Измерить и записать температуру окружающей среды, используя подходящий термометр.

2. Подготовка реакционную колбу

1. Нагреть все посуды при 500 ° С в течение по меньшей мере 3 ч в перед использованием воздуха, для удаления органических примесей.
   1. Очистить вольфрамовых электродов, осторожно промывание чистой лабораторных салфетки и метанолом и высушивания на воздухе.
2. Налейте 200 мл воды высокой степени очистки (18,2 МОм см, <5 частей на миллиард TOC) в 3 л реакционную колбу.
   1. Ввести предварительную очистку и стерилизованное магнитной мешалки, которая обеспечит быстрое растворение растворимых газов и смешивания реагентов во время эксэксперимент.
3. Закрепить вольфрамовых электродов в 3 л реакционную колбу с использованием минимального количества вакуумной смазки, с подсказками, разделенных примерно 1 см внутри колбы. Закрепите с клипами.
4. Вставка адаптер с встроенным запорным краном в горлышке 3 л реакционную колбу и закрепить с зажимом.
5. Прикрепите 3 L реакционную колбу в газовом коллекторе через адаптер. Используйте клип или зажим, чтобы помочь обеспечить колбу.
   1. Слегка смажьте все соединения, чтобы обеспечить хорошую вакуумное уплотнение.
6. Откройте все клапаны и запорные краны на многообразии, кроме клапан 6 и кран 1 (рис. 4), и включите вакуумный насос эвакуировать коллектор. После того, как стабильный вакуум чтение <1 мм рт.ст. было достигнуто, недалеко клапан 1 и позволяют многообразие сидеть в течение ~ 15 мин, чтобы проверить на утечки. Если ничего не обнаружено, перейдите к шагу 2.8. В противном случае устранения различных соединений, пока утечка не могут быть выявлены и исправлены.
7. pply перемешивании магнитной мешалкой в ​​реакционный сосуд. Открыть клапан 1 и Кран 1 (рис. 4) эвакуировать свободного пространства в 3 л реакционную колбу, пока давление не достигнет <1 мм ртутного столба.
8. Закройте клапан 1 (рис. 4) и контролировать давление внутри 3 л реакционную колбу. Измеренное давление должно увеличить давлению паров воды. Чтобы гарантировать, что не существует никаких утечек, ждать ~ 5 мин при этой стадии. Если давление (как читать на манометре) увеличивает в то время как клапан 1 закрыт во время этого шага, убедитесь в отсутствии протечек кран 1 и различных соединений реакционную колбу. Если никакой утечки не обнаружено, переходите к следующему шагу.

3. Введение газообразного NH ₃

1. Рассчитать необходимое давление газообразного NH _3, чтобы представить в коллектор такой, что 200 мм рт.ст. из NH ₃ будет введен в реакционную колбу. Подробнее о том, как сделать это предусмотрены в разделе обсуждения.
2. Закрыть клапаны1 и 6, а также запорный кран 1 (рис. 4) перед введением любой газ в коллектор. Оставьте остальные клапаны и кран открытым.
3. Представьте NH ₃ в коллектор, пока небольшое давление (около 10 мм рт.ст.) не будет достигнута, а затем эвакуировать коллектор под давлением <1 мм рт.ст. при открытии клапана 1 (фиг. 4). Повторите 3 раза.
4. Представьте NH ₃ в коллектор до давления, определенной на этапе 3.1.
5. Открытый Запорный кран 1 (рис. 4) ввести 200 мм рт.ст. из NH ₃ в 3 л реакционную колбу. NH ₃ будет растворяться в воде в реакционной колбе, и давление будет падать медленно.
6. Как только давление прекращается падение, близкий кран 1 (рис. 4) и записать давление считывается манометром. Это значение представляет собой давление внутри колбы и будет использоваться для вычисления давления для других газов, которые будут представлены в коллектор позже.
Открыть клапан 1 (рис. 4) эвакуировать коллектор до давления <1 мм ртутного столба.
7. Закройте клапан 2 (рис. 4) и отсоедините газовый баллон NH ₃ от коллектора.

4. Внедрение CH ₄

1. Рассчитать необходимое давление СН _4, вводимого в коллекторе такой, что 200 мм рт.ст. СН ₄ будет введен в 3 л реакционную колбу. Пример вычисления приведены в разделе обсуждения.
2. Подключите газовый баллон СН ₄ к коллектору.
3. Откройте все клапаны и запорные краны, за исключением 6 клапана и запорного крана 1 (рис. 4), и эвакуировать коллектор до давления <1 мм ртутного столба.
4. Закрыть клапан 1 раз многообразие был эвакуирован (рис. 4).
5. Представьте CH ₄ в коллектор, пока небольшое давление (около 10 мм рт.ст.) не будет получен. Это очищает линию любых загрязняющих газов фром предыдущих шагах. Откройте клапан 1 (рис. 4) эвакуировать коллектор для <1 мм ртутного столба. Повторите более 2x.
6. Представьте CH ₄ в коллектор, пока давление рассчитывается в шаге 4.1, пока не будет достигнута.
7. Открытый Запорный кран 1 (рис. 4) ввести 200 мм рт.ст. СН ₄ в 3 л реакционную колбу.
8. Закрыть запорный кран 1 раз предназначен давление CH ₄ была введена в 3 л реакционную колбу (рис. 4) и записать давление, измеренное с помощью манометра.
9. Откройте клапан 1 (рис. 4) эвакуировать коллектор для <1 мм ртутного столба.
10. Закройте клапан 2 (рис. 4) и отсоедините CH ₄ цилиндр от коллектора.

5. Введения дополнительных газов (например, N ₂₎

1. В этот момент нет необходимости вводить дополнительные газы. Однако, при желании, рекомендуется добавить 100 мм рт.ст. из N ₂. В этом случае рассчитать необходимое давление N _2, которые будут введены в коллектор такой, что 100 мм рт.ст. из N ₂ будет введен в 3 л реакционную колбу. Пример вычисления приведены в разделе обсуждения.
2. Подключите газовый баллон N ₂ к коллектору.
3. Откройте все клапаны и запорные краны, за исключением 6 клапана и запорного крана 1 (рис. 4), и эвакуировать коллектор до давления <1 мм ртутного столба.
4. Закрыть клапан 1 раз многообразие был эвакуирован (рис. 4).
5. Введение N ₂ в коллектор, пока небольшое давление (около 10 мм рт.ст.) не будет получен. Откройте клапан 1 (рис. 4) эвакуировать коллектор для <1 мм ртутного столба. Повторите более 2x.
6. Представьте N ₂ в коллектор, пока давление рассчитывается в шаге 5.1 не будет достигнута.
7. Открыть запорный кран 1 (рис. 4) ввести 100 мм рт.ст. из N ₂ в реакционную колбу.
8. Закрыть запорный кран 1 раз предназначен давление N ₂ была введена в реакционную колбу, (рис. 4) и записать давление с помощью манометра.
9. Откройте клапан 1 (рис. 4) эвакуировать коллектор для <1 мм ртутного столба.
10. Закройте клапан 2 (рис. 4) и отсоедините N ₂ цилиндр от коллектора.

6. Начала эксперимента

1. Отсоединение реакционную колбу от коллектора закрытием краном 1 и клапана 1 (рис. 4), когда все газы были введены в реакционную колбу, так что окружающий воздух может поступать в коллектор и довести коллектор до давления окружающей среды.
2. После тщательного отсоединения реакционную колбу из коллектора, установить колбу где-то он не будет возникать помехи (например, пустой внутри вытяжном шкафу).
3. Отсоедините вакуумный насос и осторожно удалите холодную ловушку и обеспечивающим вентиляцию внутри полностьюоперационная вытяжной шкаф.
4. Закрепите катушку Тесла, подключенный к высоковольтным генератором частоты искры.
5. Подключение противоположный вольфрамовым электродом к электрическому заземлению, чтобы позволить эффективное прохождение электрического тока через зазор между двумя электродами.
6. Установите выходное напряжение генератора искры примерно 30000 V, о чем подробно документов, имеющихся у производителя.
7. До начала искру, закрыть вытяжной шкаф створку, чтобы служить защитным экраном между устройством и экспериментатора. Поверните катушку Тесла на, чтобы начать эксперимент, и позволяют искрение продолжать в течение 2 недель (или другого желаемого периода) в 1 час циклов включения / выключения.

7. Конец эксперимента

1. Прекращение эксперимента путем включения и выключения катушки Тесла.
2. Открытый Запорный кран 1 (рис. 4) медленно ввести окружающего воздуха в реакционную колбу и облегчить удаление адаптером и вольфрамовых электродов так саmples могут быть собраны. Если желательно, вакуум может быть использован для эвакуации реакционную колбу вредных реакционных газов.

8. Сбор жидкого образца

1. Использование пиролизу стеклянную пипетку, удалите жидких проб из реакционной колбы, стараясь свести к минимуму воздействие загрязнителей, таких как те, которые могут быть введены, коснувшись пипетки в вакуумной смазки или других нестерильных поверхностей.
   1. Передача образца в стерильную пластиковую или стеклянную емкость. Пластиковые емкости, менее склонны к растрескиванию или нарушение при замерзании, по сравнению с стеклянных сосудов.
2. Нерпе контейнеры и хранить в морозильной камере, способной достигать температур от -20 ° С или ниже, как нерастворимых продуктов может предотвратить решение образца от замерзания при 0 ° С

9. Очистка Аппарат

1. Используйте чистую лабораторию салфетки тщательно удалить вакуумной смазки от шеи аппарата, адаптироватьэ и краны, и стекло, окружающая вольфрамовых электродов.
2. Тщательно очистите те же поверхности, описанные в шаге 9.1 с толуолом в полной мере удаления органических вакуумной смазки из стеклянной посуды. При использовании силиконовой смазки, высокого вакуума смазка может оставаться на стеклянной посуды после пиролиза, создавая проблемы в будущем, как описано в разделе обсуждения.
3. Тщательно очистите реакционную колбу с помощью кисти и следующих растворителей в порядке: сверхчистой воды (18,2 МОм см, <5 частей на миллиард TOC), сверхчистой водой (18,2 МОм см, <5 частей на миллиард TOC) с 5% моющим средством, метанол, толуол, метанол, сверхчистой воды (18,2 см МОм, <5 частей на миллиард TOC) с 5%-ным моющим средством, и, наконец сверхчистой воды (18,2 см МОм, <5 частей на миллиард TOC).
4. Обложка все открытые отверстия реакционной колбе с алюминиевой фольгой и оберните адаптер и его компонентов в алюминиевую фольгу.
5. После того как все посуда была заворачивали в алюминиевую фольгу, пиролиза, по меньшей мере 3 ч ввоздуха при 500 ° С
6. Аккуратно чистые электроды с метанолом и пусть высохнуть на воздухе.

10. Образец Анализ

Примечание: При подготовке проб для анализа, использование кислотного гидролиза протокола, такого как было описано подробно в другом месте ^15, полезно для получения более аминокислот. Гидролиз части восстановленного образца дает возможность проанализировать как свободные аминокислоты, а также их кислотно-лабильных предшественников, которые синтезированы в соответствии абиотических условий.

1. Для аминокислотного анализа, использовать соответствующую технику (например, жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии методами на основе, или другие соответствующие подходы). Такие аналитические методы включают высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуоресцентным обнаружением (ВЭЖХ-FD) ^14, и сверхвысокого жидкостной хроматографии производительности с флуоресцентным обнаружением параллельно с раз-пролетного положительного электронапыление массового ионизации спектрометрии (UHPLC-FD/ToF-MS) ^12,13. Эта рукопись описывает анализ с использованием масс-спектрометрический анализ с помощью тройного квадрупольного масс-спектрометра (QQQ-MS) в сочетании с ВЭЖХ-FD.

Результаты

Продукты, синтезированные в электрических экспериментов разряда могут быть достаточно сложными, и есть многочисленные аналитические подходы, которые могут использоваться для их изучения. Некоторые из наиболее часто используемых методов в литературе для анализа аминокислот, обсужда...

Обсуждение

Многочисленные шаги в протокол, описанный здесь имеют решающее значение для проведения экспериментов типа Миллера-Юри безопасно и правильно. Во-первых, все изделия из стекла и погрузо-образец инструменты, которые вступают в контакт с реакционной колбе или образец должны быть стерилиз...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Glass Plugs for Manifold	Chemglass	CG-983-01
High Vacuum Grease	Apiezon	N/A	Type M/N
Silicon High Vacuum Grease	Dow Corning	1597418
Teflon PFA Tubing	McMaster-Carr	51805K54
Ultra-Torr Vacuum Fittings	Swagelok	SS-4-UT-6
Dry Scroll Vacuum Pump	Edwards	A72401905
U-Tube Manometer	Alta-Robbins	100SS
Tungsten Electrodes	Diamond Ground Products	TH2-1/16	2% thoriated
Methanol	Alfa Aesar	N/A	Ultrapure HPLC Grade
Teflon-Coated Magnetic Stir Bar	McMaster-Carr	5678K127
Gaseous NH3	Airgas	AMAHLB	99.99% purity
Gaseous CH4	Airgas	ME UHP300	99.99% purity
Gaseous N2	Airgas	NI UHP300	99.999% purity
Tesla Coil	Electro-Technic Products	15001	Model BD-50E
24 hr Plug-in Basic Timer	General Electric Company	15119
Cleaning Detergent	Alconox	1104
Toluene	Thermo Fisher Scientific	N/A	Optima Grade
Luna Phenyl-Hexyl HPLC Column	Phenomenex	00G-4257-E0	Brand: Luna
Formic Acid	Sigma-Alrich	F0507	Used to make 50 mM ammonium formate