Experimento de Miller-Urey

El experimento de Miller-Urey [1] (o el experimento de Miller ) [2] fue un experimento químico que simuló las condiciones que se pensaba en ese momento (1952) que estaban presentes en la Tierra primitiva y probó el origen químico de la vida en esas condiciones. El experimento en ese momento apoyó la hipótesis de Alexander Oparin y JBS Haldane de que las condiciones putativas en la Tierra primitiva favorecían reacciones químicas que sintetizaban compuestos orgánicos más complejos a partir de precursores inorgánicos más simples. Considerado el experimento clásico que investiga la abiogénesis., fue realizado en 1952 por Stanley Miller , supervisado por Harold Urey en la Universidad de Chicago , y publicado al año siguiente. [3] [4] [5]

El experimento

Después de la muerte de Miller en 2007, los científicos que examinaron viales sellados preservados de los experimentos originales pudieron demostrar que en realidad había más de 20 aminoácidos diferentes producidos en los experimentos originales de Miller. Eso es considerablemente más de lo que Miller informó originalmente, y más de los 20 que ocurren naturalmente en el código genético. [6] Evidencia más reciente sugiere que la atmósfera original de la Tierra podría haber tenido una composición diferente a la del gas utilizado en el experimento de Miller, pero los experimentos prebióticos continúan produciendo mezclas racémicas de compuestos simples a complejos en diversas condiciones. [7]

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Video descriptivo del experimento

El experimento utilizó agua (H 2 O), metano (CH 4 ), amoniaco (NH 3 ) e hidrógeno (H 2 ). Todos los productos químicos se sellaron dentro de un matraz de vidrio estéril de 5 litros conectado a un matraz de 500 ml medio lleno de agua. El agua del matraz más pequeño se calentó para inducir la evaporación y se dejó que el vapor de agua entrara en el matraz más grande. Se dispararon chispas eléctricas continuas entre los electrodos para simular un rayo en el vapor de agua y la mezcla gaseosa, y luego la atmósfera simulada se enfrió nuevamente para que el agua se condensara y goteara en una trampa en forma de U en la parte inferior del aparato.

Después de un día, la solución recolectada en la trampa se había vuelto de color rosa y después de una semana de operación continua, la solución era de color rojo oscuro y turbia. [3] Luego se retiró el matraz de ebullición y se añadió cloruro de mercurio para evitar la contaminación microbiana. La reacción se detuvo añadiendo hidróxido de bario y ácido sulfúrico y se evaporó para eliminar las impurezas. Utilizando cromatografía en papel , Miller identificó cinco aminoácidos presentes en la solución: glicina , α-alanina y β-alanina se identificaron positivamente, mientras que el ácido aspártico y el ácido α-aminobutírico (AABA) fueron menos seguros, debido a que las manchas eran débiles. [3]

En una entrevista de 1996, Stanley Miller recordó sus experimentos de toda la vida después de su trabajo original y declaró: "Con solo encender la chispa en un experimento prebiótico básico se obtendrán 11 de 20 aminoácidos". [8]

El experimento original permaneció en 2017 bajo el cuidado de Miller y el ex alumno de Urey, Jeffrey Bada , profesor de la UCSD , Scripps Institution of Oceanography . [9] A partir de 2013, el aparato utilizado para realizar el experimento se exhibió en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver . [10] [ necesita actualización ]

Las reacciones de un solo paso entre los componentes de la mezcla pueden producir cianuro de hidrógeno (HCN), formaldehído (CH 2 O), [11] [12] y otros compuestos intermedios activos ( acetileno , cianoacetileno , etc.): [ cita requerida ]

CO 2 → CO + [O] (oxígeno atómico)
CH 4 + 2 [O] → CH 2 O + H 2 O
CO + NH 3 → HCN + H 2 O
CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 ( proceso BMA )

Luego, el formaldehído, el amoníaco y el HCN reaccionan mediante la síntesis de Strecker para formar aminoácidos y otras biomoléculas:

CH 2 O + HCN + NH 3 → NH 2 -CH 2 -CN + H 2 O
NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O → NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH ( glicina )

Además, el agua y el formaldehído pueden reaccionar, a través de la reacción de Butlerov, para producir varios azúcares como la ribosa .

Los experimentos demostraron que se pueden formar compuestos orgánicos simples de componentes básicos de proteínas y otras macromoléculas a partir de gases con la adición de energía.

Este experimento inspiró a muchos otros. En 1961, Joan Oró descubrió que la base de nucleótidos adenina se podía fabricar a partir de cianuro de hidrógeno (HCN) y amoníaco en una solución acuosa. Su experimento produjo una gran cantidad de adenina, cuyas moléculas se formaron a partir de 5 moléculas de HCN. [13] Además, muchos aminoácidos se forman a partir de HCN y amoníaco en estas condiciones. [14] Los experimentos llevados a cabo posteriormente demostraron que las otras nucleobases de ARN y ADN podrían obtenerse mediante química prebiótica simulada con una atmósfera reductora . [15]

También hubo experimentos similares de descargas eléctricas relacionados con el origen de la vida contemporánea con Miller-Urey. Un artículo en The New York Times (8 de marzo de 1953: E9), titulado "Looking Back Two Billion Years" describe el trabajo de Wollman (William) M. MacNevin en la Universidad Estatal de Ohio , antes de que se publicara el artículo de Miller Science en mayo. 1953. MacNevin pasaba chispas de 100.000 voltios a través del metano y el vapor de agua y producía "sólidos resinosos" que eran "demasiado complejos para analizarlos". El artículo describe otros experimentos terrestres primitivos que está realizando MacNevin. No está claro si alguna vez publicó alguno de estos resultados en la literatura científica primaria. [dieciséis]

KA Wilde envió un artículo a Science el 15 de diciembre de 1952, antes de que Miller lo enviara a la misma revista el 10 de febrero de 1953. El artículo de Wilde se publicó el 10 de julio de 1953. [17] Wilde usó voltajes de hasta sólo 600 V en una mezcla binaria de dióxido de carbono (CO 2 ) y agua en un sistema de flujo. Observó solo pequeñas cantidades de reducción de dióxido de carbono a monóxido de carbono, y ningún otro producto de reducción significativo o compuestos de carbono recién formados. Otros investigadores estaban estudiando UV - fotolisis de vapor de agua con monóxido de carbono . Han descubierto que se sintetizan varios alcoholes, aldehídos y ácidos orgánicos en la mezcla de reacción. [18]

Los experimentos más recientes de los químicos Jeffrey Bada, uno de los estudiantes de posgrado de Miller, y Jim Cleaves del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California, San Diego, fueron similares a los realizados por Miller. Sin embargo, Bada señaló que en los modelos actuales de las condiciones tempranas de la Tierra, el dióxido de carbono y el nitrógeno (N 2 ) crean nitritos , que destruyen los aminoácidos tan rápido como se forman. Cuando Bada realizó el experimento tipo Miller con la adición de minerales de hierro y carbonato, los productos eran ricos en aminoácidos. Esto sugiere que el origen de cantidades significativas de aminoácidos puede haber ocurrido en la Tierra incluso con una atmósfera que contiene dióxido de carbono y nitrógeno. [19]

Alguna evidencia sugiere que la atmósfera original de la Tierra podría haber contenido menos moléculas reductoras de lo que se pensaba en el momento del experimento de Miller-Urey. Existe abundante evidencia de grandes erupciones volcánicas hace 4 mil millones de años, que habrían liberado dióxido de carbono, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y dióxido de azufre (SO 2 ) a la atmósfera. [20] Los experimentos que utilizan estos gases además de los del experimento original de Miller-Urey han producido moléculas más diversas. El experimento creó una mezcla que era racémica (que contenía enantiómeros L y D ) y los experimentos posteriores han demostrado que "en el laboratorio es igualmente probable que aparezcan las dos versiones"; [21] sin embargo, en la naturaleza, dominan los aminoácidos L. Experimentos posteriores han confirmado que son posibles cantidades desproporcionadas de enantiómeros orientados L o D. [22]

Originalmente se pensó que la atmósfera secundaria primitiva contenía principalmente amoníaco y metano. Sin embargo, es probable que la mayor parte del carbono atmosférico sea CO 2 , quizás algo de CO y el nitrógeno principalmente N 2 . En la práctica, las mezclas de gases que contienen CO, CO 2 , N 2 , etc. dan casi los mismos productos que las que contienen CH 4 y NH 3 siempre que no haya O 2 . Los átomos de hidrógeno provienen principalmente del vapor de agua. De hecho, para generar aminoácidos aromáticos en condiciones de tierra primitiva, es necesario utilizar mezclas gaseosas menos ricas en hidrógeno. La mayoría de los aminoácidos, hidroxiácidos , purinas, pirimidinas y azúcares naturales se han elaborado en variantes del experimento de Miller. [7] [23]

Los resultados más recientes pueden cuestionar estas conclusiones. La Universidad de Waterloo y la Universidad de Colorado realizaron simulaciones en 2005 que indicaron que la atmósfera primitiva de la Tierra podría haber contenido hasta un 40 por ciento de hidrógeno, lo que implica un ambiente mucho más acogedor para la formación de moléculas orgánicas prebióticas. El escape de hidrógeno de la atmósfera de la Tierra al espacio puede haber ocurrido solo al uno por ciento de la tasa que se creía anteriormente según estimaciones revisadas de la temperatura de la atmósfera superior. [24] Uno de los autores, Owen Toon, señala: "En este nuevo escenario, los orgánicos se pueden producir de manera eficiente en la atmósfera temprana, lo que nos lleva de regreso al concepto de sopa en el océano rica en orgánicos ... Creo que esto El estudio hace que los experimentos de Miller y otros sean relevantes nuevamente ". Los cálculos de desgasificación utilizando un modelo condrítico para la tierra primitiva complementan los resultados de Waterloo / Colorado y restablecen la importancia del experimento de Miller-Urey. [25]

En contraste con la noción general de la atmósfera reductora de la Tierra primitiva, los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York informaron de la posibilidad de que hubiera oxígeno disponible hace unos 4.300 millones de años. Su estudio informado en 2011 sobre la evaluación de los circones del Hades del interior de la tierra ( magma ) indicó la presencia de trazas de oxígeno similares a las lavas modernas. [26] Este estudio sugiere que el oxígeno podría haberse liberado en la atmósfera terrestre antes de lo que generalmente se cree. [27]

Condiciones similares a las de los experimentos de Miller-Urey están presentes en otras regiones del sistema solar , a menudo sustituyendo los rayos por la luz ultravioleta como fuente de energía para las reacciones químicas. [28] [29] [30] Se encontró que el meteorito Murchison que cayó cerca de Murchison, Victoria , Australia en 1969 contenía más de 90 aminoácidos diferentes, diecinueve de los cuales se encuentran en la vida terrestre. Se cree que los cometas y otros cuerpos helados del sistema solar exterior contienen grandes cantidades de compuestos complejos de carbono (como las tolinas ) formados por estos procesos, oscureciendo las superficies de estos cuerpos. [31] La Tierra primitiva fue bombardeada fuertemente por cometas, posiblemente proporcionando una gran cantidad de moléculas orgánicas complejas junto con el agua y otros volátiles que contribuyeron. [32] Esto se ha utilizado para inferir un origen de la vida fuera de la Tierra: la hipótesis de la panspermia .

En los últimos años, se han realizado estudios de la composición de aminoácidos de los productos de áreas "antiguas" en genes "antiguos", definidos como aquellos que son comunes a organismos de varias especies muy separadas , que se supone que comparten solo la última. ancestro universal (LUA) de todas las especies existentes. Estos estudios encontraron que los productos de estas áreas están enriquecidos en los aminoácidos que también se producen con mayor facilidad en el experimento de Miller-Urey. Esto sugiere que el código genético original se basó en un número menor de aminoácidos, solo los disponibles en la naturaleza prebiótica, que el actual. [33]

Jeffrey Bada , él mismo alumno de Miller, heredó el equipo original del experimento cuando Miller murió en 2007. Basándose en viales sellados del experimento original, los científicos han podido demostrar que, aunque tuvo éxito, Miller nunca pudo averiguarlo con el equipo. disponible para él, el alcance total del éxito del experimento. Los investigadores posteriores han podido aislar incluso más aminoácidos diferentes, 25 en total. Bada ha estimado que mediciones más precisas podrían sacar fácilmente 30 o 40 aminoácidos más en concentraciones muy bajas, pero desde entonces los investigadores han descontinuado las pruebas. Por lo tanto, el experimento de Miller fue un éxito notable en la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de sustancias químicas más simples, considerando que toda la vida conocida usa solo 20 aminoácidos diferentes. [6]

En 2008, un grupo de científicos examinó 11 viales que quedaron de los experimentos de Miller de principios de la década de 1950. Además del experimento clásico, que recuerda al "pequeño estanque cálido" imaginado por Charles Darwin , Miller también había realizado más experimentos, incluido uno con condiciones similares a las de las erupciones volcánicas . Este experimento tenía una boquilla que rocía un chorro de vapor en la descarga de la chispa. Mediante el uso de cromatografía líquida de alto rendimiento y espectrometría de masas , el grupo encontró más moléculas orgánicas que Miller. Descubrieron que el experimento similar a un volcán había producido la mayor cantidad de moléculas orgánicas, 22 aminoácidos, 5 aminas y muchas moléculas hidroxiladas , que podrían haberse formado por radicales hidroxilo producidos por el vapor electrificado. El grupo sugirió que los sistemas de islas volcánicas se volvieron ricos en moléculas orgánicas de esta manera, y que la presencia de sulfuro de carbonilo allí podría haber ayudado a estas moléculas a formar péptidos . [34] [35]

El principal problema de las teorías basadas en los aminoácidos es la dificultad para obtener la formación espontánea de péptidos. Desde la sugerencia de John Desmond Bernal de que las superficies de arcilla podrían haber jugado un papel en la abiogénesis , [36] los esfuerzos científicos se han dedicado a investigar la formación de enlaces peptídicos mediada por arcilla , con un éxito limitado. Los péptidos formados permanecieron sobreprotegidos y no mostraron evidencia de herencia o metabolismo. En diciembre de 2017, un modelo teórico desarrollado por Erastova y colaboradores [37] sugirió que los péptidos podrían formarse en las capas intermedias de hidróxidos dobles en capas como la roya verde en las condiciones de la tierra primitiva. Según el modelo, el secado del material estratificado intercalado debería proporcionar la energía y la co-alineación necesarias para la formación de enlaces peptídicos en forma de ribosoma , mientras que el rehumedecimiento debería permitir movilizar los péptidos recién formados y repoblar la capa intermedia con nuevos aminoácidos. Se espera que este mecanismo conduzca a la formación de péptidos de más de 12 aminoácidos en 15-20 lavados. Las investigaciones también observaron preferencias de adsorción ligeramente diferentes para diferentes aminoácidos y postularon que, si se combinaban con una solución diluida de aminoácidos mixtos, tales preferencias podrían conducir a la secuenciación.

En octubre de 2018, investigadores de la Universidad McMaster en nombre del Origins Institute anunciaron el desarrollo de una nueva tecnología, llamada Planet Simulator , para ayudar a estudiar el origen de la vida en el planeta Tierra y más allá. [38] [39] [40] [41]

En noviembre de 2020, un equipo de científicos internacionales informó estudios que sugieren que la atmósfera primitiva de la Tierra era muy diferente a las condiciones utilizadas en los estudios de Miller-Urey. [42]

A continuación se muestra una tabla de aminoácidos producidos e identificados en el experimento "clásico" de 1952, publicado por Miller en 1953, [3] el nuevo análisis de viales de 2008 del experimento de descarga de chispas volcánicas, [43] y el nuevo análisis de 2010. análisis de viales de la H 2 experimento descarga de chispa S-rico. [44]

Aminoácidos Producido en experimento Proteinogénico
Miller – Urey
(1952) 		Descarga de chispas volcánicas
(2008) 		H 2 S-rica descarga de chispa
(2010)
Glicina YesYesYessí
α-alanina YesYesYessí
β-alanina YesYesYesNo
Ácido aspártico YesYesYessí
ácido α-aminobutírico YesYesYesNo
Serina NoYesYessí
Isoserina NoYesYesNo
ácido α-aminoisobutírico NoYesYesNo
ácido β-aminoisobutírico NoYesYesNo
ácido β-aminobutírico NoYesYesNo
ácido γ-aminobutírico NoYesYesNo
Valina NoYesYessí
Isovalina NoYesYesNo
Ácido glutamico NoYesYessí
Norvaline NoYesNoNo
ácido α-aminoadípico NoYesNoNo
Homoserina NoYesNoNo
2-metilserina NoYesNoNo
ácido β-hidroxiaspártico NoYesNoNo
Ornitina NoYesNoNo
Ácido 2-metilglutámico NoYesNoNo
Fenilalanina NoYesNosí
Ácido homocisteico NoNoYesNo
S- metilcisteína NoNoYesNo
Metionina NoNoYessí
Sulfóxido de metionina NoNoYesNo
Metionina sulfona NoNoYesNo
Isoleucina NoNoYessí
Leucina NoNoYessí
Etionina NoNoYesNo
Cisteína NoNoNosí
Histidina NoNoNosí
Lisina NoNoNosí
Asparagina NoNoNosí
Pirrolisina NoNoNosí
Prolina NoNoYessí
Glutamina NoNoNosí
Arginina NoNoNosí
Treonina NoNoYessí
Selenocisteína NoNoNosí
Triptófano NoNoNosí
Tirosina NoNoNosí

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  • Una simulación del Experimento Miller-Urey junto con una entrevista en video con Stanley Miller por Scott Ellis de CalSpace (UCSD)
  • Revisión de la química del origen de la vida: un nuevo análisis de los famosos experimentos de descarga de chispas revela que se formó una colección más rica de aminoácidos.
  • Explicación del experimento de Miller-Urey
  • Experimento de Miller con ladrillos de Lego
  • "Experimento de Stanley Miller: Cómo encender los pilares de la vida" en PBS
  • El sitio web del experimento Miller-Urey
  • Cairns-Smith, AG (1966). "El origen de la vida y la naturaleza del gen primitivo". Revista de Biología Teórica . 10 (1): 53–88. doi : 10.1016 / 0022-5193 (66) 90178-0 . PMID  5964688 .
  • Detalles del nuevo análisis de 2008