Miller "elveszett" kísérletei - többféle szerves molekula keletkezett a lombikban

Több mint fél évszázad elteltével kiderült, hogy Miller és Urey híres, az élet keletkezésével kapcsolatos 1953-as kísérleteinek eddig csak egy részét ismertük. A publikált klasszikus kísérlet mellett - amelyben szervetlen molekulákból elektromos kisülés hatására aminosavak keletkeztek - a kutatók elvégeztek még két rokon vizsgálatot is, de egyiket sem tették közzé. Nemrég megtalálták az e kísérletekből származó termékeket tartalmazó üvegeket, és újraelemezték a bennük lévő anyagokat. A régi-új kísérletek eredményeit a Science folyóirat legújabb száma teszi közzé.

Az amerikai kémikus, Stanley Miller a Nobel-díjas Harold Urey vezetésével végezte klasszikus kísérleteit a doktori disszertációjához választott, az élet keletkezésével kapcsolatos témában a Chicagói Egyetemen. A kísérletek bebizonyították, hogy az ősi, még élet nélküli Földön az egyszerűbb, szervetlen molekulákból bonyolultabb szerves molekulák keletkezhetnek, ami alapvető lépés volt az élet kialakulásához vezető úgynevezett prebiotikus evolúció során (lásd a keretes írást).

Nemrég azonban kiderült, hogy az egyik nem publikált kísérletében Miller sokkal többféle szerves molekulát állított elő, mint abban, amely híressé tette őt. A két kísérlet között csekély a különbség. A nem publikált kísérletben Miller egy összeszűkülő "üveglégszívót" használt, amely egyszerűen fölgyorsította a légáramlást a gömb alakú, légmentesen záródó üvegeszközben. A fokozott légáramlás dinamikusabb reakcióedényt, azaz "gőzben gazdag vulkáni feltételeket" hozott létre, állítják a mostani, újraelemző tanulmány szerzői.

Az a készülék adta a legizgalmasabb eredményeket, amelynek Miller a legkevesebb figyelmet szentelt, mondta Adam Johnson, a Bloomingtoni Egyetem biokémiai programjának doktorandusz hallgatója, a Science cikkének vezető szerzője. "Sejtésünk szerint ennek részben az volt az oka, hogy nem rendelkezett azokkal az analitikai eszközökkel, amelyeket mi használunk manapság, ezért sok minden elkerülhette a figyelmét."

Prebiotikus fejlődés

Prebiotikus időszaknak bolygónkon az élet kialakulását megelőző, annak megszületéséhez vezető kémiai átalakulások periódusát értik. Prebiotikus anyagoknak nevezik a földi élet kialakulásához szükséges molekulákat, amelyek abiogén úton, tehát az élettől független folyamatokkal jöttek létre.
Eredetük alapján három csoportra oszthatjuk őket. Első és kisebb csoportjukba lévő azon molekulák tartoznak, amelyek bolygónk összeállása és felmelegedése során nem bomlottak le. Ezzel rokonítható másik csoportot képeznek azok a molekulák, amelyek meteorikus anyagok formájában, becsapódó kisbolygók, üstökösmagok belsejében, a világűrből hullottak a már összeállt Földre. A harmadik csoportot az ősi Földön különböző kémiai reakciók során kialakuló molekulák jelentik. Utóbbiak lehetőségére elsőként az 1953-ban végrehajtott Urey-Miller-féle kísérlet hívta fel a figyelmet.

Miller több aminosavat állított elő, mint gondolta

Miller 1953. május 15-én, szintén a Science-ben megjelent Aminosavak létrehozása a lehetséges ősi földi körülmények között című cikkében csupán öt aminosavat határozott meg. Ez az öt aminosav az aszparaginsav, a glicin, az alfa-amino-vajsav és az alanin két változata volt. Az aszparaginsav, a glicin és az alanin a természetes fehérjék gyakori építőkövei. Miller úgynevezett szűrőpapíros kromatográfiás eljárásra támaszkodva határozta meg az általa előállított szerves molekulákat. Ez igencsak kezdetleges módszernek számít a mai laboratóriumi szabványokhoz viszonyítva. 1955-ös, a Journal of the American Chemical Society szaklapban megjelent cikkében Miller további vegyületek (hangyasav és hidroxisav) meghatározásáról is beszámol. Nem tudott viszont egyetlen olyan vegyületet sem kimutatni, amely csak nagyon alacsony koncentrációban volt jelen.

A közelmúltban "lomtalanítás" közben rábukkantak Miller volt laboratóriumának hűtőszekrényében az eredeti, 1950-es évekbeli kísérletekből származó néhány üvegedényre, amelyben még benne voltak a kísérletekben keletkezett vegyületek maradványai. A minták vizsgálatában Johnson mellett több neves amerikai szakember is részt vett - többek közt Jeffrey Bada, a Scripps Oceanaográfiai Intézet kémikusa és a NASA Goddard Űrkutatási Kozpontjának két asztrobiológusa, Jason Dworkin és Daniel Glavin.

A Miller-Urey kísérlet

1952-ben a Chicagói Egyetem egyik professzora, Harold C. Urey könyvet írt Az égitestek (The Planets) címmel. Szerinte a Föld ősi légköre lényegében oxigénmentes volt, s jórészt hidrogénből, metánból, ammóniából és vízgőzből állhatott. E gázkeverékből a légköri villámlások hatására egyszerű, szerves vegyületek szintetizálódhattak. Urey egyik tanítványa, Stanley L. Miller megkísérelte utánozni ezt a folyamatot. Egy lombikban vizet forralt, s ennek gőzét egy nagyobb, ötliteres palackba vezette, melybe elektródákat forrasztott be, s ezek között gyakori elektromos kisüléseket létesített. A palackból egy hűtőn keresztül vezette vissza a gázt a vizet tartalmazó lombikba. Az egész rendszerből a levegőt a feltételezett ősi légkörnek megfelelő gázkeverékkel (H₂, CH₄, NH₃) szorította ki. A víz forralásából fejlődő vízgőz a gázpalackba jutott, ahol a kisülések hatására a gázeleggyel reakcióba lépett, s a termékek a hűtőben lecsapódó vízgőzzel ismét a vizes lombikba kerültek vissza. A kísérletet két hétig folytatta, majd a termékeket vegyelemezte.

Az eredeti készülék sematikus rajza

Az eredmény meglepő volt. A metánként (CH₄) bevitt szén 15 százaléka különféle oldott, szerves anyagokká alakult át, s további jelentős része elemezhetetlen kátrányként vált ki az edény falán. A keletkezett vegyületek zöme hangyasav és más szerves savak, köztük aminosavak voltak. Bebizonyosodott tehát, hogy ilyen módon létrehozhatók a fehérjék építőkövei, az aminosavak!

A kísérlet elvégzése óta eltelt időben kiderült, hogy a Föld őslégkörére vonatkozó elképzelések részben tévesek voltak. A légköri szén túlnyomó részét nem metán, hanem szén-dioxid (CO₂) esetleg némi szén-monoxid (CO) alkotta, ammónia helyett pedig a nitrogén zömmel nitrogénmolekulaként (N₂) fordult elő. Ez azonban nem von le semmit Miller kísérleteinek korszakalkotó jellegéből, amellyel megpróbálták megmagyarázni az élet néhány alapvető szerves anyagának létrejöttét. Ráadásul, ha a kísérletet a fenti gázkeverékkel végezzük el (a hidrogén a vízgőzből származik), nagyjából ugyanazt az eredményt kapjuk, amire Miller is jutott - bár kétségtelenül jóval rosszabb hatásfokkal. Egy fontos kritérium van: a gázelegyben nem lehet jelen oxigén.

Az eredeti kísérlethez kapcsolható üvegekben is jóval több szerves molekulát találtak, mint ahányat Miller akkor észrevett: 14 aminosavat és 5 amint. Ami a legérdekesebb azonban, hogy a kutatók megtaláltak 11 üveget a nem publikált levegőáramlással serkentett kísérletből. Az ezekben lévő anyagmaradványokból 22 aminosavat és az eredeti kísérletben is föllelt 5 amint azonosítottak.

"Úgy véljük, hogy sokkal többet tanulhatunk Miller eredeti kísérletéből" - mondta Bada. "Kiderítettük, hogy a tankönyvekből mindenki számára ismerős 'vulkanikus' kísérleti berendezéssel jóval többféle vegyület állítható elő."

Johnson még hozzátette, hogy az azonosított aminosavak jó részéhez hidroxilcsoportok kapcsolódnak, ami azt jelenti, hogy sokkal reaktívabbak, és elegendő időt hagyva nagyobb valószínűséggel hoznak létre teljesen új molekulákat.

Öröm és bizonytalanság

Az újravizsgált kísérletek eredményei egyszerre töltik el örömmel és bizonytalansággal a kutatókat. Mi okozta, hogy a második kísérletben több molekula keletkezett, mint az elsőben? Vajon miért nem publikálta Miller a második kísérlet eredményeit?

Miller második, nem publikált kísérletéhez használt berendezés. A forrásban lévő víz (1) légáramlást hoz létre, amely a vízgőzt és a gázokat a szikrán át hajtja (2). Az elkeskenyedő üvegszerkezet (kinagyítva) fokozza a légáramlást. A hűtő (3) folyékony vízzé alakítja vissza a gőz egy részét, amely lecsepeg a csapdába (4), ahol leülepednek a keletkezett kémiai anyagok is (Ned Shaw, Indiana University)

Az egyik lehetséges válasz az első kérdésre az, hogy pusztán a megnövekedett áramlási ráta miatt keletkezett több szerves molekula, magyarázza Johnson. Úgy tűnik, döntő fontosságú az újonnan képződött molekulák eltávolítása a szikrák közeléből a megnövelt áramlási sebességgel. Lehetséges, hogy a gőzsugár kilöki az újonnan szintetizálódott molekulákat a kisülés útjából, mielőtt további reakciók valamilyen kevéssé érdekes vegyületté alakítanák őket. A másik elképzelés szerint egyszerűen az, hogy több víz van jelen a reakciónál, lehetővé teszi többféle kémiai reakció lezajlását.

A második kérdést illetően csak spekulációkra hagyatkozhatunk. Millert már nem lehet megkérdezni, mert 2007-ben elhunyt. Johnson és Bada azt gyanítja, hogy Millert nem nyűgözték le a második kísérlet eredményei, ezért döntött úgy, hogy az egyszerűbb első kísérlet eredményeit jelenteti meg a Science hasábjain.

Miller harmadik - szintén nem publikált - kísérletében olyan készüléket használt, amelyben volt légszívó, de úgynevezett csendes kisülést (nem elektromos szikrát) alkalmazott. Ez a berendezés a jelek szerint kevesebb féle szerves molekulát hozott létre, mint a másik kettő.

Titan: szervesanyag-szintézis a Szaturnusznál

A gyűrűs bolygó legnagyobb holdját, a Titant sűrű légkör borítja. A főleg nitrogénből és kevés metánból álló atmoszféra felső tartományában, elsősorban a Nap ultraibolya sugárzásától a metán lebomlik.
Az így keletkezett aktív, gyakran töltéssel bíró részek később egymással összekapcsolódhatnak, és bonyolult szerves molekulákat alkothatnak. A molekulák magasszintű szmogréteget képeznek, és legnagyobb képviselőik lassan ki is ülepednek a felszínre. A légkörből nitrogén is beépülhet az anyagokba, így elvileg nem lehetetlen, hogy aminosavak is képződhetnek a holdon. Az ott zajló folyamatok megfigyelése segíthet azt ősi Földön lejátszódott prebiotikus szintézis megértésében.