Experimento de Miller e Urey

O experimento de Miller e Urey foi un experimento no que se simulaban as condicións hipotéticas existentes na Terra primitiva pouco despois da súa formación para estudar as orixes da vida. Máis especificamente, o experimento pretendía comprobar a hipótese de Alexander Oparin e J. B. S. Haldane de que as condicións existentes na Terra primitiva favorecían as reaccións químicas por medio das que se poden sintetizar de forma natural compostos orgánicos a partir de precursores inorgánicos ou moi sinxelos. O experimento realizárono Stanley Miller e Harold Urey na Universidade de Chicago en 1952 e foi publicado ao ano seguinte. Nel a partir de gases sinxelos obtiveron moléculas orgánicas como aminoácidos ou azucres.
Despois da morte de Miller en 2007, os científicos examinaron os viais selados conservados do experimento orixinal e comprobaron que neles había máis de 20 aminoácidos diferentes, o cal era considerablemente máis dos que Miller orixinalmente informara, e tamén máis que os 20 aminoácidos proteicos naturais. Por outra parte, algunhas evidencias suxiren que a atmosfera orixinal da Terra podería ter unha composición de gases diferente á usada no experimento de Miller e Urey. Hai probas abundantes dunha importante actividade volcánica na Terra hai 4 mil millóns de anos, a cal tería liberado á atmosfera dióxido de carbono (CO2), nitróxeno (N2), sulfuro de hidróxeno (H2S), e dióxido de xofre (SO2). Experimentos nos que se usaron eses gases mesturados cos do experimento de Miller e Urey orixinal produciron aínda unha maior diversidade de moléculas. O experimento
No experimento usouse auga (H2O), metano (CH4), amoníaco (NH3), e hidróxeno (H2). Estas substancias químicas foron seladas dentro dun conxunto estéril de tubos e matraces de cristal conectados entre si en circuíto cerrado. Un dos matraces estaba medio cheo de auga líquida e outro contiña un par de eléctrodos. Quentouse a auga líquida para que se evaporase, e os eléctrodos emitían descargas eléctricas no outro matraz, que atravesaban o vapor de auga e os gases do matraz, e que simulaban os lóstregos que se producirían na atmosfera da Terra primitiva. Despois, a atmosfera do experimento era arrefriada para que o vapor de auga condensase de novo e as pingas volvesen ao primeiro matraz, no que se volvía a quentar nun ciclo continuo.
Despois dunha semana de funcionamento continuo, Miller e Urey observaron que o 10–15% do carbono introducido no sistema estaba agora en forma de compostos orgánicos. Un 2% do carbono formaba parte agora de aminoácidos, que son os compoñentes das proteínas, e o atopado de forma máis abundante foi a glicina. Comprobouse que se formaran a maioría dos aminoácidos comúns nas proteínas e azucres, pero non se formaran nucleótidos nin ácidos nucleicos.
Nunha entrevista Stanley Miller afirmou: "Simplemente facendo saltar unha muxica nun experimento básico prebiótico obteranse 11 dos 20 aminoácidos. "
Como se observou en posteriores experimentos, creáronse en mestura racémica tanto os isómeros ópticos L coma os D dos compostos atopados. Nos sistemas biolóxicos a maioría dos compostos son non racémicos (teñen homoquiralidade).
O equipamento do experimento orixinal está hoxe ao coidado do profesor Jeffrey Bada, un antigo alumno de Miller e Urey, na Universidade de California, San Diego, Institución Scripps de Oceanografía. Química do experimento
A primeira fase das reaccións entre a mestura de gases do experimento orixina cianuro de hidróxeno (HCN), formaldehido (CH2O), e outros compostos activos intemedios como acetileno, cianoacetileno etc. : CO2 → CO + [O] (osíxeno atómico)
CH4 + 2[O] → CH2O + H2O
CO + NH3 → HCN + H2O
CH4 + NH3 → HCN + 3H2 (proceso BMA)
O formaldehido, amoníaco, e HCN poden despois experimentar a reacción chamada síntese de Strecker para formar aminoácidos e outras biomoléculas: CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O
NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH (glicina)
Ademais, a auga e o formaldehido poden reaccionar pola reacción de Butlerov para producir varios azucres como a ribosa. Outros experimentos contemporáneos
Na época en que Miller e Urey publicaron os seus experimentos realizáronse tamén outros relacionados coa orixe da vida, pero que non foron tan completos nin chegaron a ter tanta fama.
Un artigo publicado en The New York Times (8 de marzo de 1953: E9), titulado "Looking Back Two Billion Years" describe o traballo de Wollman M. MacNevin na Universidade do Estado de Ohio, anterior ao publicado por Miller en Science en 1953. MacNevin fixo pasar unha descarga de 100. 000 voltios a través de metano e vapor de auga e produciu "sólidos resinosos" que eran "demasiado complexos para ser analizados. " O artigo describe outros experimentos nas condicións da Terra primitiva realizados por MacNevin. Non está claro se publicou algunha vez algún dos resultados en revistas científicas de importancia. [Cómpre referencia]
K. A. Wilde enviou un documento para a súa publicación a Science o 15 de decembro de 1952, antes de que Miller enviase o seu o 14 de febreiro de 1953. O documento de Wilde publicouse o 10 de xullo de 1953. Wilde usou no seu experimento voltaxes de ata só 600 V nunha mestura binaria de dióxido de carbono (CO2) e auga nun sistema fluído. Observou só pequenas cantidades de redución do dióxido de carbono a monóxido de carbono, e ningún outro produto de redución significativo nin compostos de carbono formados novos. Outros experimentos posteriores
O experimento de Miller e Urey inspirou moitos outros. En 1961, Joan Oró encontrou que a base nitroxenada adenina podía obterse a partir de cianuro de hidróxeno (HCN) e amoníaco en solución acuosa. O seu experimento produce unha gran cantidade de adenina, cuxas moléculas se poden obter a partir de 5 moléculas de HCN. Tamén se poden formar moitos aminoácidos a partir do HCN e amoníaco nas condicións do experimento. Outros experimentos feitos posteriormente mostraron que se podían obter as outras bases nitroxenadas dos ácidos nucleicos simulando a química prebiótica nunha atmosfera redutora.
Outros investigadores estudaron a fotólise ultravioleta do vapor de auga mesturado con monóxido de carbono. Atoparon que se formaban na mestura de reacción varios alcohois, aldehidos e ácidos orgánicos.
Experimentos máis recentes realizados por Jeffrey Bada e Jim Cleaves na Institución Scripps de Oceanografía (en La Jolla, California) foron similares ao de Miller e Urey. Pero Bada sinalou que nos modelos actuais das condicións reinantes na Terra primitiva, o dióxido de carbono e o nitróxeno (N2) crean nitritos, os cales destruirían os aminoácidos máis rápido do que se formarían. Porén, a Terra primitiva podería ter cantidades significativas de ferro e minerais carbonatados que poderían neutralizar os efectos dos nitritos. Cando Bada realizou os seus experimentos do tipo do de Miller engadindo ferro e minerais carbonatados, os produtos obtidos eran ricos en aminoácidos. Isto suxire que se poderían orixinar cantidades significativas de aminoácidos na Terra primitiva mesmo se a atmosfera contiña dióxido de carbono e nitróxeno. A atmosfera terrestre inicial
Algunhas probas suxiren que a atmosfera terrestre orixinal puido conter menos cantidade de moléculas reducidas do que se pensaba nos tempos do experimento de Miller e Urey. Hai abundantes evidencias de que houbo un período de grandes erupcións volcánicas hai 4 mil millóns de anos, que seguramente liberaron cara a atmosfera dióxido de carbono, nitróxeno, sulfuro de hidróxeno (H2S), e dióxido de xofre (SO2). Experimentos nos que se engadiron estes gases aos gases orixinais do experimento de Miller e Urey produciron unha maior diversidade de moléculas. Nos produtos destes experimentos orixinábase unha mestura racémica (é dicir, que contiña tanto os isómeros L coma os D en cantidades iguais) e mostraban que "no laboratorio as dúas versións teñen a mesma probabilidade de aparecer". Porén, na natureza, os aminoácidos L son os dominantes. Posteriores experimentos confirmaron que era posible que se orixinasen cantidades desproporcionadas de isómeros L ou D.
Inicialmente pensábase que a atmosfera secundaria da Terra primitiva contiña principalmente amoníaco e metano. Porén, é probable que a maioría do carbono atmosférico fose CO2 con quizais algo de CO e o nitróxeno estaría en forma principalmente de N2. Na práctica as mesturas de gases que conteñan CO, CO2, N2 etc. dan nos experimentos esencialmente os mesmos produtos que as que conteñen CH4 e NH3 con tal de que non haxa O2. Os átomos de hidróxeno proceden principalmente do vapor de auga. De feito, para xerar aminoácidos aromáticos nas condicións da Terra primitiva é necesario usar mesturas de gases menos ricas en hidróxeno. A maioría dos aminoácidos naturais, hidroxiácidos, purinas, pirimidinas, e azucres puidéronse obter en variantes do experimento de Miller.
Resultados máis recentes poden cuestionar estas conclusións. A Universidade de Waterloo e a Universidade de Colorado realizaron simulacións en 2005 que indicaban que a atmosfera da Terra primitiva puido conter ata un 40 % de hidróxeno, o que sería un ambiente moito máis favorable para a formación de moléculas orgánicas prebióticas. Baseándose en estimacións revisadas da temperatura das capas superiores da atmosfera, o escape do hidróxeno da atmosfera terrestre ao espazo puido ter lugar a só un 1 % da velocidade que previamente se cría. Un dos investigadores, Owen Toon afirma: "Neste novo escenario, os compostos orgánicos poden producirse eficientemente na atmosfera primitiva, o que nos leva de novo ao concepto de sopa rica en compostos orgánicos no océano. .. Creo que este estudo fai que os experimentos de Miller e outros sexan relevantes outra vez". Os cálculos da emisión de gases usando un modelo condrítico para a Terra primitiva complementaron os resultados das universidades de Waterloo/Colorado no sentido de restablecer a importancia do experimento de Miller e Urey.
Condicións similares ás do experimento de Miller e Urey reinan noutras rexións do sistema solar, xeralmente substituíndo os lóstregos por radiación ultravioleta como fonte de enerxía para favorecer as reaccións químicas. O meteorito de Murchison caído en Australia en 1969 contiña uns 90 aminoácidos diferentes, 19 dos cales se atopan nos seres vivos terrestres. Os cometas e outros corpos do sistema solar (obxectos transneptunianos) pénsase que conteñen grandes cantidades de compostos carbonados complexos (como tolinas) formados por estes procesos, que escurecen as superficies destes corpos. A Terra primitiva foi intensamente bombardeada por cometas, posiblemente subministrando grandes cantidades de moléculas orgánicas complexas xunto con auga e outros volátiles. Isto foi aducido polos partidarios da hipótese da panspermia para inferir unha orixe da vida fóra da Terra.
O satélite de Saturno Titán ten unha atmosfera con moito nitróxeno que contén hidrocarburos gasosos, líquidos e sólidos a moi baixa temperatura, e na súa atmosfera teñen lugar reaccións fotoquímicas, que poderían orixinar moléculas complexas, pero ata agora foi insuficientemente estudado. Estudos recentes relacionados
Nos últimos anos, fixéronse estudos sobre a composición de aminoácidos de produtos de partes "vellas" de xenes "vellos", definidos como os produtos que son comúns a organismos de especies moi separadas filoxeneticamente, asumindo que todos eles derivan dun antecesor común ou LUCA (último antepasado común universal). Estes estudos encontraron que os produtos desas partes vellas dos xenes están enriquecidos naqueles aminoácidos que se producen máis facilmente no experimento de Miller e Urey. Isto suxire que o código xenético orixinal puido estar baseado en menos aminoácidos que o actual (só aqueles dispoñibles na natureza prebiótica).
O profesor Jeffrey Bada, que foi alumno de Miller, herdou o equipo orixinal do experimento de Miller cando este morreu en 2007. Utilizando viais selados conservados do experimento orixinal, os científicos puideron comprobar que aínda que o experimento de Miller fora un éxito, el nunca puido decatarse co equipamento do que dispoñía naquela época de que o éxito fora aínda maior. Posteriores análises das mostras puideron illar 25 aminoácidos diferentes. O profesor Bada estimou que análises aínda máis precisas poderían facilmente atopar 30 ou 40 aminoácidos máis en moi baixas concentracións, pero os investigadores non prolongaron o experimento. O experimento de Miller e Urey foi, pois, un grande éxito que demostrou a posibilidade de sintetizar moléculas orgánicas complexas a partir de compostos iniciais moi simples, especialmente considerando que todos os seres vivos usan basicamente só 20 aminoácidos diferentes.
En 2008, un grupo de científicos examinaron outros 11 viais máis do experimento de Miller orixinal. Comprobaron que ademais do experimento clásico publicado, que recordaba a "pequena poza quente" imaxinada por Charles Darwin, Miller tamén fixera outros experimentos noutras condicións, incluíndo un en condicións similares ás de erupcións volcánicas intensas. O equipamento deste experimento tiña unha boquilla que pulverizaba un chorro de vapor no momento da descarga eléctrica. Usando as técnicas de cromatografía líquida de alta resolución e espectrometría de masas, o grupo de investigadores atopou máis moléculas orgánicas que as obtidas por Miller. O máis interesante é que no experimento que simulaba condicións volcánicas se producían a maioría das moléculas orgánicas, 22 aminoácidos, 5 aminas e moitas moléculas hidroxiladas, as cales se puideron formar por radicais hidroxilo producidos polo chorro de vapor electrificado. O grupo de investigación suxeriu que sistemas de illas volcánicas da Terra primitiva se puideron enriquecer en moléculas orgánicas deste modo, e que a presenza de sulfuro de carbonilo (O C S) podería axudar a que esas moléculas formasen péptidos.