Miller–Urey eksperiment: kuidas simuleeriti elu tekkimist varasel Maal

Milleri ja Urey katse (või Urey-Milleri katse) oli katse, mille käigus tehti anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi ühendeid, rakendades energiat. Idee oli simuleerida hüpoteetilisi tingimusi, mis arvatakse olevat valitsenud varajase Maa (Hadean või varajase arhea) ajal. See oli katse elu keemilise päritolu kohta: konkreetsemalt testiti eksperimendi käigus Aleksander Oparini ja J. B. S. Haldane'i hüpoteesi, et tingimused ürgmaal soodustasid keemilisi reaktsioone, mis sünteesivad orgaanilisi ühendeid anorgaanilistest lähteainetest. Eksperimendi viisid läbi 1952. aastal Stanley Miller ja Harold Urey Chicago ülikoolist ning avaldasid selle 1953. aastal.

Katseseade ja protseduur

Katse kasutati suhteliselt lihtsat klaasist pitseeritud aparaati. Peamised komponendid olid:

kuumutatud veeflask (esindamas ürgset ookeani),

suleeritud gaasisegu (Milleri algretseptis sisaldas see metaani, ammoniak, vesinik ja veeauru),

elektroodid, mis andsid kõrgepinge sädemet — seda peeti vasketeks ja välguks simuleerivaks energiakanaliks,

jahuti/kondensaat, mis jahtus ja laskis tekkivad lenduvad ained tagasi "ookeani".

Protseduuri käigus kuumutati vett, lasti selle aurul seguneda gaasidega, pingestati elektroodide vahel säde, ja kondenseerunud segu ringleis tagasi veeanuma. Katset lasti töötada mitu päeva kuni nädal, seejärel võeti näidised analüüsimiseks.

Tulemused

Milleri originaalanalüüsidega leiti mitmeid lihtsamaid orgaanilisi ühendeid, kõige kuulsamalt mitmed aminohapped (millelt on sõltunud hilisemad arutelud elu keemilise alguse kohta). Pärast Milleri surma 2007. aastal uurisid teadlased algsetest katsetest säilinud pitseeritud viaale ning tänapäevased analüüsimeetodid (nt kõrgtundlikud kromatograafia- ja mass-spektromeetrilised tehnikad) näitasid, et Milleri katsetes toodeti üle 20 erineva aminohappe. Lisaks aminohapetele leiti ka teisi orgaanilisi ühendeid — lihtsaid happeid, amide ja muid lämmastiku- ja süsivesinike derivaatte — mis annavad palju rikkalikuma pildi abiogeensest sünteesist kui algsed andmed.

Tõlgendused ja tähtsus

Milleri–Urey eksperiment on tähelepanuväärne mitmel põhjusel:

See näitas, et lihtsatest anorgaanilistest lähteainetest võivad saada keerulisemad orgaanilised molekulid ilma bioloogilise süsteemita — ehk abiogeenne süntees on keemiliselt võimalik.

See andis esimest korduvat laboratia katsealast tuge Oparini–Haldane'i ideele, et ürgne Maa võis olla miljöö, kus sellised reaktsioonid toimusid.

Eksperiment tõstatas ja käivitas laiaulatusliku uurimustöö elu tekkimise keemia ja prebiootiliste reaktsioonide kohta, mis on tänaseni aktiivne teadusvaldkond.

Piirangud ja hilisemad uuringud

Eksperimendi tulemused ei tõesta, et elu just nii nagu aparaadis tekkis, ning sellel on mitmeid piiranguid, mida teadlased on hiljem käsitlenud:

Atmosfääri koostis: Milleri algne gaasisegu oli tugevalt redutseeriv (rohkem vabu elektrone andev), kuid paljud tänased geokeemilised mudelid näitavad, et varajane Maa atmosfäär võis olla neutraalsema koostisega (rohkem CO2 ja N2), kus samasugune aminohapete saagikus oleks väiksem.

Energiaallikad: Vesiniksädemed ei ole ainsad võimalused — prebiootilises maailmas võisid rolli mängida ka UV-kiirgus, vulkaaniline aktiivsus, meteoriidisütted, kuumaveeallikad (hüdrotermilised vents) ja mineraalpinnad, mis kõik võivad soodustada või suunata erinevaid reaktsiooniradasid.

Kontaminatsiooni ja analüüsitehnika: varased analüüsid ei olnud nii tundlikud kui tänased; hilisemad analüüsid algsete viaalide kohta pidid hoolikalt eristama eksperimentaalset toodangut võimalikust lateraalsest saastumisest.

Jätkuv mõju ja mitmekesised mudelid elu tekkeks

Milleri–Urey katse ei ole lõplik selgitus elu tekkeks, vaid katalüsaator ideede ja eksperimentide arenguks. Tänapäevased uurimused kasutavad:

mitmesuguseid gaasikombinatsioone;

sõltumatuid energiaallikaid (UV, termiline, elektriline, mehaaniline);

mineraalseid katalüsaatoreid ja pindade mõjutust;

komplekssema analüüsi ja suurema tundlikkusega instrumente, et uurida nii lihtsaid kui ka keerukaid orgaanilisi fragmente.

Sellised tööd on laiendanud arusaamist sellest, kuidas ehitusplokid (nt aminohapped, nukleotiidide eelkäijad, lipiidid) võisid tekkida erinevates keskkondades ja hiljem liituda protsessideks, mis viisid molekulidelt raku‑sarnaste struktuurideni.

Kokkuvõte

Milleri ja Urey katse on klassikaline ja ajalooliselt oluline eksperiment, mis tõestas, et abiogeensed keemilised protsessid võivad toota eluks olulisi molekule. Kuigi tingimused ja tõlgendused on teaduse edenedes täpsustatud ja osaliselt ümber hinnatud, jääb eksperiment oluliseks verstapostiks elu tekkimise uurimisel ning lähtemudeliks paljudele hilisematele laborikatsetele ja teoreetilistele töödele.

Eksperiment

Hiljutised seotud uuringud

Lisaks sellele viitavad mõned tõendid sellele, et Maa algne atmosfäär võis olla teistsuguse koostisega kui Miller-Urey eksperimendis kasutatud gaas. On rohkesti tõendeid suurte vulkaanipursete kohta 4 miljardit aastat tagasi, mis oleksid vabastanud atmosfääri süsinikdioksiidi, lämmastikku, vesiniksulfiidi (H₂ S) ja vääveldioksiidi (SO₂ ). Katsed, milles kasutati lisaks Miller-Urey algses katses kasutatud gaasidele ka neid gaase, andsid tulemuseks mitmekesisemad molekulid.

Pange tähele, et Maale sadanud meteoriiditolm sisaldab orgaanilisi ühendeid, sealhulgas aminohappeid. Seetõttu on huvi abiogeneesi ja elu tekkimise vastu nihkunud küsimusele, kuidas tekkisid rakud ja suured makromolekulid.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Miller-Urey eksperiment?

V: Miller-Urey katse oli eksperiment, mille käigus tehti anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi ühendeid, rakendades selleks energiat. Selle viisid 1952. aastal läbi ja avaldasid 1953. aastal Stanley Miller ja Harold Urey Chicago ülikoolis ning sellega testiti Alexander Oparini ja J. B. S. Haldane'i hüpoteesi, et tingimused ürgsel Maal soodustavad keemilisi reaktsioone, mis sünteesivad anorgaanilistest lähteainetest orgaanilisi ühendeid.

K: Mida suutsid teadlased pärast Milleri surma näidata?

V: Pärast Milleri surma 2007. aastal uurisid teadlased algsetest katsetest säilinud pitseeritud viaale ja suutsid näidata, et Milleri algsetes katsetes toodeti üle 20 erineva aminohappe - tunduvalt rohkem kui algselt teatatud ja rohkem kui need 20, mis looduslikult elus esinevad.

K: Kes viis katse läbi?

V: Eksperimendi viisid läbi Stanley Miller ja Harold Urey Chicago Ülikoolis.

K: Mida selle eksperimendiga testiti?

V: Selle eksperimendiga testiti Alexander Oparini ja J. B. S. Haldane'i hüpoteesi, et tingimused Maa ürgajal soodustasid keemilisi reaktsioone, mis sünteesivad orgaanilisi ühendeid anorgaanilistest lähteainetest - täpsemalt, sellega testiti elu keemilist päritolu varajasel Maal (Hadean või varajane arhea).

K: Millal see eksperiment läbi viidi?

V: See katse viidi läbi 1952. aastal ja avaldati 1953. aastal Stanley Milleri ja Harold Urey poolt Chicago Ülikoolis.

K: Kui palju aminohappeid selle katse käigus tekkis?

V: Teadlased leidsid, et selle eksperimendi käigus toodeti üle 20 erineva aminohappe - tunduvalt rohkem kui algselt teatatud ja rohkem kui need 20, mis looduslikult elus esinevad.

K: Millist energiat kasutati selle katse ajal? V: Selle katse käigus rakendati üht liiki energiat, et anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi ühendeid valmistada.