- Urey-Miller-Versuch
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Der Versuchsaufbau des Miller-Urey-ExperimentsDas Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder Miller-Experiment) dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist.
Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde.
Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre – Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) – und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels Chromatographie durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
Ergebnisse
Bei einer Ausgangsmenge von 59.000 Mikromol CH4 entstehen:[1]
Produkt Formel Ausbeute
(Stoffmenge in μmol)C-Atome Stoffmenge
der C-Atome in μmolAmeisensäure H − COOH 2330 1 2330 Glycin* H2N − CH2 − COOH 630 2 1260 Glycolsäure HO − CH2 − COOH 560 2 1120 Alanin* H3C − CH(NH2) − COOH 340 3 1020 Milchsäure H3C − CH(OH) − COOH 310 3 930 β-Alanin H2N − CH2 − CH2 − COOH 150 3 450 Essigsäure H3C − COOH 150 2 300 Propionsäure H3C − CH2 − COOH 130 3 390 Iminodiessigsäure HOOC − CH2 − NH − CH2 − COOH 55 4 220 Sarcosin H3C − NH − CH2 − COOH 50 3 150 α-Amino-n-buttersäure H3C − CH2 − CH(NH2) − COOH 50 4 200 α-Hydroxy-n-buttersäure H3C − CH2 − CH(OH) − COOH 50 4 200 Bernsteinsäure HOOC − CH2 − CH2 − COOH 40 4 160 Harnstoff H2N − CO − NH2 20 1 20 N-Methylharnstoff H2N − CO − NH − CH3 15 2 30 3-Azaadipinsäure HOOC − CH2 − NH − CH2 − CH2 − COOH 15 5 75 N-Methylalanin H3C − CH(NH − CH3) − COOH 10 4 40 Glutaminsäure* HOOC − CH2 − CH2 − CH(NH2) − COOH 6 5 30 Asparaginsäure* HOOC − CH2 − CH(NH2) − COOH 4 4 16 α-Aminoisobuttersäure H3C − C(CH3)(NH2) − COOH 1 4 4 Summe:4916 8944 Insgesamt werden damit 18 % der Methanmoleküle in Biomoleküle umgewandelt, aus dem Rest entsteht eine teerartige Masse.
Ursprünglich im Jahr 1953 durchgeführt, hat dieses Experiment seitdem in vielen Varianten vergleichbare Ergebnisse ergeben. Es wird als Beweis dafür angesehen, dass die frühe Erdatmosphäre organische Moleküle in nicht zu vernachlässigenden Konzentrationen enthielt.
Im Jahr 2008 durchgeführte Untersuchungen an den von Miller verwendeten Originalgefäßen führten zur Identifikation von acht weiteren, meist hydroxylierten Aminosäuren, die mit den Analysemethoden der 1950er Jahre übersehen worden waren.[2]
Das Experiment kann aber keine Aussagen darüber machen, wie sich diese Moleküle etwa zu großen Strukturen verbunden hätten.
Abwandlungen der Versuchsbedingungen
- Als Kohlenstoffquelle: Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid
- Als Stickstoffquelle: molekularer Stickstoff N2
- Als Energiequelle: UV-Licht
Was das Miller-Experiment allein nicht erklärt
- Die Aminosäuren entstehen als 1:1-Racematgemische, in den Organismen sind aber überwiegend nur die L-Aminosäuren zu finden. Das Problem ist lösbar durch Mineralien als Katalysatoren, die aber von Miller nicht verwendet wurden.
- Neben einigen Aminosäuren entstehen auch Verbindungen, die in heute lebenden Organismen nicht vorkommen, zum Beispiel die zwei zu Alanin isomeren Aminosäuren β-Alanin und Sarcosin (siehe Tabelle). Das Nichtvorhandensein dieser Verbindungen in heutigen Organismen könnte möglicherweise durch Selektion in der Evolution der Stoffwechselwege erklärt werden, wodurch alle Varianten bis auf die heute von Organismen verwendeten Aminosäuren eliminiert wurden.
Reaktionswege beim Miller-Experiment
Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-CHO) und Blausäure (Cyanwasserstoff HCN) als erste Zwischenprodukte.
In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren:
Summengleichung: R-CHO + HCN + H2O → H2N-CHR-COOH Aldehyd Aminosäure So entsteht aus dem Aldehyd Methanal (H2CO) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal (CH3-CHO) entsteht Alanin.
Summengleichung: R-CHO + HCN + 2 H2O → HO-CHR-COOH + NH3 Aldehyd Aminosäure Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-Hydroxy-ethansäure), aus Ethanal die Milchsäure (α-Hydroxy-propansäure) und aus Propanal (CH3-CH2-CHO) die α-Hydroxybuttersäure.
Einzelnachweise
- ↑ Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. In: Spektrum der Wissenschaft. Heft 9, 1979, S. 193
- ↑ Adam P. Johnson, H. James Cleaves, Jason P. Dworkin, Daniel P. Glavin, Antonio Lazcano, Jeffrey L. Bada: The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. In: Science. Band 322, Ausgabe 5900. 2008
Weiterführende Literatur
- Stanley L. Miller: A production of amino acids under possible primitive earth conditions. In: Science. Band 117, 1953, S. 528–529
- S. L. Miller, H. C. Urey: Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. In: Science. Band 130, 1959, S. 245
- Sven P. Thoms: Ursprung des Lebens. Fischer, Frankfurt 2005, ISBN 3-5961-6128-2.
Weblinks
- 50 Jahre DNA-Doppelhelix und Miller-Experiment. Aus Nachrichten aus der Chemie (PDF)
- Herunterladbare Filme, in denen Miller sein Experiment erklärt
- Ein Interview mit Stanley Miller: From Primordial Soup to the Prebiotic Beach
- Leslie Orgel: Origin of Life on Earth
- Eine Facharbeit zum Miller-Experiment
- Forschungsprojekt Miller-Urey-Experiment am IKS der TU Graz
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