Experimento de Miller-Urey

El experimento

El experimento de Miller-Urey (o experimento de Miller) es un famoso experimento de química que simuló las condiciones que en ese momento (1952) se pensaba que estaban presentes en la atmósfera de la Tierra primitiva, prebiótica, para probar la hipótesis del origen químico de la vida en esas condiciones. El experimento utilizó agua (H₂O), metano (CH₄), amoníaco (NH₃), hidrógeno (H₂ ), y un arco eléctrico (este último simulando un rayo hipotético).

En ese momento, apoyaba la hipótesis de Alexander Oparin y J. B. S. Haldane de que las condiciones hipotéticas en la Tierra primitiva favorecían las reacciones químicas que sintetizaban compuestos orgánicos más complejos a partir de precursores inorgánicos más simples. Uno de los experimentos más famosos de todos los tiempos, se considera innovador y el experimento clásico que investiga la abiogénesis. Fue interpretada en 1953 por Stanley Miller, supervisada por Harold Urey en la Universidad de Chicago, y publicada al año siguiente.

Después de la muerte de Miller en 2007, los científicos que examinaron los viales sellados conservados 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. La evidencia más reciente sugiere que la atmósfera original de la Tierra podría haber tenido una composición diferente del gas utilizado en el experimento de Miller, pero los experimentos prebióticos continúan produciendo mezclas racémicas de compuestos simples a complejos, como el cianuro, en condiciones variables..

Experimento

Metano (CH₄), agua (H₂O), amoníaco (NH₃) e hidrógeno (H ₂) fueron sellados juntos 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 permitió que el vapor de agua entrara en el matraz más grande. Se descargó una chispa eléctrica continua entre un par de electrodos en el matraz más grande. La chispa atravesó la mezcla de gases y vapor de agua, simulando un rayo en la hipotética atmósfera primordial de la tierra. Luego, el aparato se enfrió para que el agua se condensara y goteara en una trampa en forma de U en la parte inferior.

Después de un día, la solución que se había acumulado en la trampa era de color rosa, y después de una semana de operación continua, la solución era de un rojo intenso y turbia. A continuación, 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. Usando cromatografía en papel, Miller identificó cinco aminoácidos presentes en la solución: la glicina, la α-alanina y la β-alanina fueron identificadas positivamente, mientras que el ácido aspártico y el ácido α-aminobutírico (AABA) fueron menos seguros debido a que las manchas eran débiles.

En una entrevista de 1996, Stanley Miller recordó los experimentos de toda su vida después de su trabajo original y afirmó: "Simplemente encender la chispa en un experimento prebiótico básico producirá 11 de 20 aminoácidos."

El experimento original permaneció en 2017 bajo el cuidado del ex alumno de Miller y Urey, Jeffrey Bada, profesor de la Institución Scripps de Oceanografía de la UCSD. A partir de 2013, el aparato utilizado para realizar el experimento estaba en exhibición en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver.

Química del experimento

Las reacciones de un solo paso entre los componentes de la mezcla pueden producir cianuro de hidrógeno (HCN), formaldehído (CH₂O) y otros compuestos intermedios activos (acetileno, cianoacetileno, etc.):

CO₂ → CO + [O] (Oxigeno atómico)

CH₄ + 2[O] → CH₂O + H₂O

CO + NH₃ → HCN + H₂O

CH₄ + NH₃ → HCN + 3H₂ (Proceso BMA)

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

CH₂O + HCN + NH₃ → NH₂- CH₂-CN + H₂O

NH₂- CH₂-CN + 2H₂O → NH₃ + NH₂- CH₂- 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 los compuestos orgánicos simples de los componentes básicos de las proteínas y otras macromoléculas se pueden formar a partir de gases con la adición de energía.

Otros experimentos

Este experimento inspiró a muchos otros. En 1961, Joan Oró descubrió que la base nucleotídica adenina podía obtenerse 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. Además, muchos aminoácidos se forman a partir de HCN y amoníaco en estas condiciones. Los experimentos realizados posteriormente demostraron que las otras nucleobases de ARN y ADN podían obtenerse mediante química prebiótica simulada con una atmósfera reductora.

También se habían realizado experimentos similares de descargas eléctricas relacionados con el origen de la vida en la época contemporánea de Miller-Urey. Un artículo en The New York Times (8 de marzo de 1953:E9), titulado "Mirando hacia atrás dos mil millones de años" 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 de 1953. MacNevin pasaba chispas de 100 000 voltios a través de metano y vapor de agua y producía "sólidos resinosos" que eran "demasiado complejos para el análisis". El artículo describe otros experimentos terrestres primitivos realizados por MacNevin. No está claro si alguna vez publicó alguno de estos resultados en la literatura científica primaria.

K. A. Wilde envió un artículo a Science el 15 de diciembre de 1952, antes de que Miller enviara su artículo a la misma revista el 10 de febrero de 1953. El artículo de Wilde se publicó el 10 de julio de 1953. Wilde usó voltajes de hasta solo 600 V en una mezcla binaria de dióxido de carbono (CO₂) 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 la fotólisis UV del vapor de agua con monóxido de carbono. Han descubierto que se sintetizaron varios alcoholes, aldehídos y ácidos orgánicos en la mezcla de reacción.

Experimentos más recientes realizados por 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 en San Diego, fueron similares a los realizados por Miller. Sin embargo, Bada señaló que en los modelos actuales de las condiciones de la Tierra primitiva, el dióxido de carbono y el nitrógeno (N₂) 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 pudo haber ocurrido en la Tierra incluso con una atmósfera que contenía dióxido de carbono y nitrógeno.

La atmósfera primitiva de la Tierra

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 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 (H₂S) y dióxido de azufre (SO₂) a la atmósfera. 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"; sin embargo, en la naturaleza dominan los aminoácidos L. Experimentos posteriores han confirmado que son posibles cantidades desproporcionadas de enantiómeros orientados L o D.

Originalmente se pensó que la atmósfera secundaria primitiva contenía principalmente amoníaco y metano. Sin embargo, es probable que la mayor parte del carbono atmosférico fuera CO₂, quizás algo de CO y el nitrógeno principalmente N₂. En la práctica, las mezclas de gases que contienen CO, CO₂, N₂, etc. dan prácticamente los mismos productos que las que contienen CH₄ y NH₃ siempre que no haya O₂. Los átomos de hidrógeno provienen en su mayoría del vapor de agua. De hecho, para generar aminoácidos aromáticos en las condiciones primitivas de la Tierra es necesario utilizar mezclas gaseosas menos ricas en hidrógeno. La mayoría de los aminoácidos, hidroxiácidos, purinas, pirimidinas y azúcares naturales se han obtenido en variantes del experimento de Miller.

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 entorno mucho más hospitalario para la formación de moléculas orgánicas prebióticas. El escape de hidrógeno de la atmósfera de la Tierra hacia el espacio puede haber ocurrido a solo el uno por ciento de la tasa que se creía anteriormente según las estimaciones revisadas de la temperatura de la atmósfera superior. Uno de los autores, Owen Toon, señala: "En este nuevo escenario, los compuestos orgánicos se pueden producir de manera eficiente en la atmósfera primitiva, lo que nos lleva de vuelta al concepto de sopa en el océano rica en materia orgánica... Creo que esto El estudio hace que los experimentos de Miller y otros vuelvan a ser relevantes." Los cálculos de desgasificación utilizando un modelo condrítico para la Tierra primitiva complementan los resultados de Waterloo/Colorado al restablecer la importancia del experimento de Miller-Urey.

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 4300 millones de años. Su estudio informó en 2011 sobre la evaluación de los circones Hadeanos del interior de la Tierra (magma) indicó la presencia de rastros de oxígeno similares a las lavas modernas. Este estudio sugiere que el oxígeno podría haberse liberado en la atmósfera terrestre antes de lo que generalmente se cree.

En noviembre de 2020, un equipo de científicos internacionales informó sobre su estudio sobre la oxidación del magma hace unos 4500 millones de años, lo que sugiere que la atmósfera original de la Tierra contenía una pequeña cantidad de oxígeno y nada de metano o amoníaco, como se suponía en el Miller-Urey. experimento. El CO₂ fue probablemente el componente más abundante, con nitrógeno y agua como constituyentes adicionales. Sin embargo, el metano y el amoníaco podrían haber aparecido un poco más tarde cuando la atmósfera se volvió más reductora. Estos gases, al ser inestables, fueron destruidos gradualmente por la radiación solar (fotólisis) y duraron unos diez millones de años antes de que finalmente fueran reemplazados por hidrógeno y CO₂.

Fuentes extraterrestres

Condiciones similares a las de los experimentos de Miller-Urey están presentes en otras regiones del Sistema Solar, a menudo sustituyendo la luz ultravioleta por rayos como fuente de energía para las reacciones químicas. Se descubrió que el meteorito Murchison que cayó cerca de Murchison, Victoria, Australia en 1969, contenía muchos tipos diferentes de aminoácidos. Se cree que los cometas y otros cuerpos helados del sistema solar exterior contienen grandes cantidades de compuestos de carbono complejos (como las tolinas) formados por estos procesos, que oscurecen las superficies de estos cuerpos. La Tierra primitiva fue fuertemente bombardeada por cometas, lo que posiblemente proporcionó una gran cantidad de moléculas orgánicas complejas junto con el agua y otros volátiles que aportaron. Esto se ha utilizado para inferir un origen de la vida fuera de la Tierra: la hipótesis de la panspermia.

Estudios recientes relacionados

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

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

En 2008, un grupo de científicos examinó 11 viales sobrantes 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 rociaba 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 las que había encontrado Miller. Descubrieron que el experimento similar a un volcán había producido la mayoría de las 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 podría haber ayudado a que estas moléculas formaran péptidos.

El principal problema de las teorías basadas en 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 desempeñado un papel en la abiogénesis, 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 Valentina Erastova y sus colaboradores sugirió que los péptidos podrían formarse en las capas intermedias de hidróxidos dobles en capas, como el óxido verde, en condiciones terrestres tempranas. Según el modelo, el secado del material intercalado en capas debería proporcionar la energía y la alineación necesarias para la formación de enlaces peptídicos de forma similar a los ribosomas, mientras que la rehumectación debería permitir la movilización de 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 de longitud en 15-20 lavados. Los investigadores también observaron preferencias de adsorción ligeramente diferentes para diferentes aminoácidos y postularon que, si se acoplan a 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 Instituto Origins anunciaron el desarrollo de una nueva tecnología, llamada Simulador de planetas, para ayudar a estudiar el origen de la vida en el planeta Tierra y más allá.

Aminoácidos identificados

A continuación se muestra una tabla de aminoácidos producidos e identificados en el "clásico" experimento de 1952, según lo publicado por Miller en 1953, el nuevo análisis de viales del experimento de descarga de chispas volcánicas de 2008 y el nuevo análisis de viales del experimento de descarga de chispas rico en H₂S en 2010.

Aminoácido	Producido en experimento			Proteinógeno
	Miller-Urey (1952)	Descarga de chispa volcánica (2008)	H2Graciosa descarga de chispa (2010)
Glycine				Sí.
α-Alanina				Sí.
β-Alanina				No
Ácido aspartico				Sí.
ácido aminobutírico				No
Serine				Sí.
Isoserine				No
Ácido α-Aminoisobutírico				No
β-Aminoisobutírico ácido				No
Ácido β-Aminobutírico				No
γ-Aminobutírico ácido				No
Valine				Sí.
Isovaline				No
Ácido glutamico				Sí.
Norvaline				No
α-Aminoadipic acid				No
Homoserine				No
2-Metilserine				No
β-Hydroxyaspartic acid				No
Ornithine				No
2-Acido metilglutamico				No
Fenilalanina				Sí.
Ácido homocísico				No
S-Methylcysteine				No
Metionina				Sí.
Sulfóxido de metionina				No
Metionina sulfone				No
Isoleucine				Sí.
Leucine				Sí.
Ethionine				No
Cysteine				Sí.
Histidina				Sí.
Lysine				Sí.
Asparagine				Sí.
Pirrolysine				Sí.
Proline				Sí.
Glutamina				Sí.
Arginine				Sí.
Threonine				Sí.
Selenocysteine				Sí.
Tryptophan				Sí.
Tyrosine				Sí.