Miller-Urey deneyi

Miller-Urey Deneyi (Urey-Miller Deneyi de denir) kimyasal evrimin oluşumunu denemek üzere, 1952'deki bilimsel görüşe göre dünyanın ilk zamanlarında var olduğu koşulların benzetim yöntemiyle oluşturulduğu bir deneydi. Bu deney, özellikle Aleksandr Ivanovich Oparin ve J. B. S. Haldane'in, ilkel dünya üzerindeki koşullarda var olan inorganik öncüllerinin kimyasal tepkimeler yoluyla organik bileşikleri sentezlediği hipotezini sınamak içindi. Abiyogenez konusunda klasik bir deney olduğu kabul edilen bu deney, 1952 yılında Stanley Lloyd Miller ve Harold Urey tarafından Chicago Üniversitesi'nde yapılmıştı.
2008 yılının Ekim ayında, yeniden analizi yapılan deneyin malzemelerinin, düzenek içinde 5 değil, 22 tane amino asit ürettiği yayınlanır. Bu düzeneğin, şimşek oluşturan bir volkan püskürmesinin benzetimini oluşturduğu sanılmaktadır. Bu yeni sonuçlar, organik moleküllerin inorganik tepkimelerin sonuçlarıyla sentezlenebileceğine ilişkin güçlü kanıtlar göstermiştir. Daha yakın tarihli kanıtlar, Dünya'nın orijinal atmosferinin Miller deneyinde kullanılan gazdan farklı bir bileşime sahip olabileceğini düşündürmektedir, ancak prebiyotik deneyler, değişen koşullar altında basit ila karmaşık bileşiklerin (siyanür gibi) rasemik karışımlarını üretmeye devam etmektedir.
Deney ve yorumu
Deney, su (H2O), metan (CH4), amonyak (NH3), hidrojen (H2) ve karbon monoksit (CO) ile yapılmıştır. Bu kimyasallar, steril cam tüp ve kaplar dizgesi içinde, dış ortamdan yalıtılmış olarak bulunuyordu. Bir cam kap yarısına kadar sıvı haldeki su ile doluydu, diğer bir cam kapta ise bir çift elektrot vardı. Su ısıtılarak buharlaşma sağlanmıştı, elektrotlar arasında ise kıvılcımlar çakması sağlanarak dünyanın atmosferindeki yıldırımların ve su buharının benzetimini sağlanmıştı. Daha sonra atmosfer tekrar soğutularak suyun yoğuşması ve damlalar halinde ilk kaba geri dönmesi ve sürekli bir döngü içinde olması sağlanmıştı.
Bir haftalık sürekli bir işlemin ardından Miller ve Urey sistemin içindeki karbonun en az %10-15 kadar bir kısmının organik bileşik oluşturduğunu gözlemlemişlerdi. Karbonun yüzde iki kadar bir kısmının da, canlıların hücrelerini oluşturan proteinlerin oluşumunda kullanılan amino asitleri, bol olarak da glisinin oluşturduğunu görmüşlerdi. Şekerler, lipitler ve nükleik asitlerin bazı yapıtaşları da oluşmuştu.
Bir röportajda Stanley Miller, "Basit bir prebiyotik deneyde kıvılcım oluşturmak bile 20 amino asidin 11'inin ortaya çıkmasını sağlar." demiştir.
Ardından yapılan bütün deneylerde de gözlendiği gibi, hem sol hem de sağ optik isomerler "rasemik" karışımın içinde yaratılmıştır.
Diğer deneyler
Bu deney birçok başka deneye esin kaynağı olmuştur. 1963'te Joan Oró, su çözeltisi içinde bulunan hidrojen siyanür (HCN) ve amonyaktan amino asitler üretilebileceğini bulmuştur. Aynı zamanda deneyinde, büyük miktarda nükleotid bazlı adenin üretildiğini de görmüştür. Daha sonra gerçekleştirilen deneyler göstermiştir ki, diğer RNA ve DNA bazları da "indirgen atmosfer" ortamında, benzetimli prebiyotik kimyasal tepkimeyle elde edilebilir.
Miller-Urey deneyinin yapıldığı dönemde Yaşamın kökenine ilişkin benzer elektrik boşalımı deneyleri yapılmıştı. 8 Mart 1953 tarihli The New York Times gazetesinde yayınlanan "Looking Back Two Billion Years" (İki Milyar Yıl Geriye Bakmak) isimli makale, Mayıs 1953'te Miller "Science" dergisinde akademik makalesini yayınlamadan önce, Wollman (William) M. MacNevin'in Ohio State Üniversitesi'ndeki çalışmasını anlatır. MacNevin 100.000 voltluk kıvılcımları metan ve su buharından geçirip "incelemesi çok zor olan katı resinler" elde etmekteydi. Aynı makalede MacNevin'in dünyanın ilk dönemlerine ilişkin deneyleri de anlatılmaktaydı. Bu deneylerden elde ettiği sonuçları bilimsel makale olarak yayınlayıp yayınlamadığı bilinmemektedir.
K. A. Wilde'ın 15 Aralık 1952 tarihinde, 14 Şubat 1953'te Miller'in Science dergisine makalesini vermeden önce, dergiye yolladığı makalesi 10 Temmuz 1953'te yayınlanmıştır. Wilde, bir akış sistemi üzerinde bulunan, karşılıklı iki karbon dioksit (CO2) ve su (H2O) karışımları üzerinde sadece 600 volta kadar çıkan akım kullanmıştır. Sadece az miktarda karbon dioksitin karbon monoksite indirgendiğini gözlemlemiş, başka önemli bir indirgeme veya yeni oluşan karbon bileşimi elde etmemiştir.
Jeffrey Bada tarafından Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, Kaliforniya'da, daha yakın zamanlarda yapılan deneyler Miller'in deneylerine benzer. Ne var ki, Bada'nın gösterdiği üzere, şimdiki modellerde oluşturulan ilk dönem dünya koşullarında karbon dioksit ve azot (N2) nitritleri oluşturmakta, bunlar da amino asitleri oluşur oluşmaz bozmaktadır. Bu durumda, ilk dönem dünyasında nitritlerin etkisini nötralize edecek önemli miktarlarda demir ve karbonat mineralleri olmalıydı. Bada, Miller'in benzeri deneyini demir ve karbonat mineralleri ekleyerek yinelediğinde sonuç ürünleri zengin amino asitler içeriyordu. Bu deneyin çıkarımına göre, karbon dioksit ve azot içeren bir atmosferi olan bir dünyada bile önemli miktarda amino asit kökeni oluşmuş olabilirdi.
2006'da başka bir deney de ilk dönem dünyasının organik bir sis tabakasıyla örtülü olabileceğini göstermiştir. İlk dönem dünyasında geniş bir alanı kaplayan metan ve karbon dioksit yoğunlukları üzerinde organik sis tabakası oluştuğu düşünülmektedir. Bu oluşumdan sonra, organik moleküller bütün dünyanın yüzeyine inerek yerkürenin her yerinde yaşamı başlatmış olmalıdır.
Deneyin kimyası
Tepkime karışımında ilk adımda hidrojen siyanürün (HCN), formaldehid ve aktif ara bileşimlerin (asetilen, siyanoasetilen, vb.) oluştuğu bilinmektedir:
CO2 - CO + [O] (atomik oksijen)
CH4 + 2[O] - CH2O + H2O
CO + NH3 - HCN + H2O
CH4 + NH3 - HCN + 3H2 (BMA prosesi)
Bu bileşimler daha sonra amino asit oluşumlarıyla ve diğer biyomoleküllerle tepkimeye girerler (Stecker sentezi).
CH2O + HCN + NH3 - NH2-CH2-CN + H2O
NH2-CH2-CN + 2H2O - NH3 + NH2-CH2-COOH (glisin)
Erken dönemde Dünya'nın atmosferi
Bazı kanıtların ışığında, dünyanın ilk atmosferinde var olan indirgen moleküllerin miktarı Miller-Urey Deneyi'nin yapıldığı zaman sanıldığından daha az olduğu düşünülmektedir. 4 milyar yıl önce, atmosfere karbon dioksit, nitrojen, hidrojen sülfit (H2S) ve Kükürt dioksit (SO2) salınımı yapan çok büyük volkanik patlamaların olduğunu destekleyen birçok kanıt vardır. Bu gazları Miller-Urey'in ilk deneylerindeki gazlarla beraber kullanan deneylerde çok daha farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bu deney rasemik (hem L hem de D enantiyomerleri olan) bir karışım yaratarak "laboratuvarda her iki versiyonun da çıkmasının olası" olduğunu göstermiştir. Buna rağmen, doğada L amino asitleri daha baskındır. Sonraki deneyler orantısız miktarlarda L ve D yönelimli enantiyomerlerin olasılığını onamıştır.
İlk başlarda ilkel ikincil atmosferin çoğunlukla amonyak ve metan içerdiği düşünülürdü. Ne var ki, atmosferdeki karbonun çok büyük bir kısmı, belki biraz karbon monoksitle birlikte karbon dioksit CO2 ve çoğunlukla nitrojen N2 idi. Uygulamada; CO, CO2, N2, vb. içeren gaz karışımları, aralarında O2 olmaması koşuluyla, CH4 ve NH3 gaz karışımlarıyla aynı ürünleri ortaya çıkarırlar. Hidrojen atomları çoğunlukla su buharından gelir. Aslında, aromatik amino asitleri ilkel dünya koşullarında üretmek için hidrojence zengin olmayan gaz karışımlarını kullanmak gerekir. Doğal amino asitler, hidroksiasitler, pürinler, pirimidinler ve şekerlerin çoğu Miller deneylerinin değişik örneklerinde elde edilmiştir.
Yakın tarihli sonuçlar bu çıkarımları sorgulamaktadır. Waterloo Üniversitesi ve Kolorado Üniversitesi 2005 yılında yaptıkları benzetim modelleriyle, dünyanın ilk atmosferinin en fazla %40 hidrojen içerdiğine, yani prebiyotik organik moleküllerin oluşumuna çok daha uygun bir çevre oluşturduğuna dikkati çektiler. Atmosferin üst katmanlarının sıcaklığı konusundaki tahminler yeniden gözden geçirildiğinde, dünyanın atmosferinden uzaya dağılan hidrojenin miktarının daha önce düşünülenin sadece yüzde biri olduğu sonucuna varıldı. Yazarlardan Owen Toon'un belirttiği gibi: "Bu yeni senaryoda ilk dönem atmosferinde organik maddeler verimli olarak üretilebilmektedir, bu da bizi organik maddelerce zengin okyanus çorbası kavramına yeniden götürür... Sanıyorum ki, Miller ve diğerlerinin deneylerini yeniden geçerli kılar." İlk dünya hakkında, kondirit model kullanarak yapılan açığa gaz çıkışı hesaplamaları, Waterloo/Kolorado sonuçlarını
bütünleyerek Miller-Urey deneyinin yeniden önemle ele alınmasını sağlar.
Bunlara rağmen, bu karışıma gaz halindeki oksijen eklenirse hiçbir organik molekül oluşmaz. Miller-Urey hipotezinin karşıtları, yakın zamanda yapılan araştırmada, suda eriyik durumdaki oksijenle taşınmış olan 3.7 Ga yaşındaki uranyum kalıntılarının bulunmasını fırsat bilmişlerdir. Bu karşıt görüşlüler, Miller-Urey benzeri bir senaryodaki gibi prebiyotik moleküllerin oluşumunun, oksijenin varlığı ile geçersiz olduğunu, abiyogenez hipotezinin geçersiz olduğunu öne sürmüşlerdir. Ama, makalenin yazarları oksijenin varlığının açık olarak fotosentez yapan organizmaların varlığını kanıtladığını söyleyerek 3.7 Ga zaman önce (ilk tahminlerden yaklaşık 200 Ma zaman önce), Miller-Urey tepkimelerinin ve abiyogenezin olduğu zaman dilimini daha geriye çekerek geçesiz kılmayacağını söylerler. Buna rağmen, her ne kadar üzerinde tartışılsa da, atmosferdeki oksijenin çok az (%0,1'den az) bir miktarı, dünyadaki en eski kaya oluşumları kadar eskidir. Yazarlar daha önce düşünülenden erken dönemde oksijence zengin atmosferin varlığını yadsımamakta, "... Aslında çoğu kanıtın söylediği gibi, oksijenli fotosentez oksijensiz atmosferin varlığının kanıtlandığı dönemlerde vardı." demektedirler.
Güneş Sistemi'nin başka kısımlarında, çoğu zaman şimşeğin yerini alan ultraviyole ışığı kimyasal tepkime için itici güç olarak kullanan, Miller-Urey deneyine benzer koşullar bulunmaktadır. 1969'da Murchison, Victoria, Avustralya yakınlarına düşen Murchison meteoritinde, 19'u dünyadaki yaşamda var olan, 90'ın üzerinde farklı amino asit bulunmuştu. Kuyruklu yıldızlar ve diğer güneş sisteminin dışından gelen buzlu cisimlerin kendi dış yüzeylerini koyulaştıran, bu tür kimyasal süreçlerle oluşmuş, büyük miktarlarda karmaşık karbon bileşimleri (örneğin tolinler) barındırdığı düşünülmektedir. İlk dönem dünyası, karmaşık organik moleküller, su ve diğer kolay buharlaşabilen maddelerle dolu kuyruklu yıldızlarla bombardıman edilmekteydi.
Yakın zamanda yapılan ilişkili çalışmalar
Geçtiğimiz yıllarda, hala var olan türlerin son evrensel atası olduğu varsayılan, birçok birbirinden çok farklı türün organizmasında ortak olan "eski" genlerin "eski" bölgelerindeki amino asit dizgelerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda, o bölgelerde ortaya çıkan ürünlerin Miller-Urey deneylerinde üreyen amino asitlerce zengin olduğunu ortaya koymuştur. Bu duruma göre kök genetik kodun temeli şimdikine değil, sadece prebiyotik doğada bulunabilen, daha az sayıdaki amino asitlere dayalıdır.
2008'de, bir grup bilim insanı Miller'in 1950'lerin başında yaptığı deneyinden arta kalan deney kaplarını inceledi. Klasik deneyin yanı sıra Miller, Charles Darwin'in "ılık küçük gölet"ini çağrıştıran, aralanda volkanik patlamaların bir benzeri olan, daha birçok deney yapmıştı. Bu deneyde boşalan elektrik akımının üzerine basınçlı buhar püskürten bir hortum ucu vardı. Yüksek performanslı sıvı kromatografi ve kütle spektrometrisi kullanarak Miller'in bulduğundan daha fazla organik molekül buldular. En ilginci, volkan benzeri deneyin en fazla organik molekülü, 22 amino asit, 5 amin ve elektriklenmiş buharın ürettiği hidroksil radikallerce üretilmiş olduğu sanılan birçok hidroksilatlı molekülü ürettiğini gördüler. Bilim adamları bu nedenle volkanik adaların organik moleküllerce zengin olduğunu öne sürerek, karbonil sülfitin varlığının bu moleküllerin peptitleri oluşturmasına yardımcı olduğunu belirttiler.