밀러-우레이 실험

Miller–
실험이

밀러-우레이 실험[1](또는 밀러 실험[2])은 1952년에 수행된 화학 실험으로, 그 조건에서 생명체의 화학적 기원에 대한 가설을 시험하기 위해 초기의 프리바이오틱 지구 대기에 존재하는 것으로 당시에 생각되었던 조건을 시뮬레이션했습니다. 실험은 물(HO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 수소(H2), 전기 아크(후자는 가정된 번개)를 사용했습니다. CHNH4,3, H는2 2:2:1의 비율로 취했습니다.

당시, 그것은 알렉산더 오파린과 J. B. S. 할데인의 가설을 지지했습니다. 원시 지구의 조건이 더 단순한 무기 전구체로부터 더 복잡한 유기 화합물을 합성하는 화학 반응을 선호한다는 것입니다. 획기적인 실험이자, 생물 발생을 조사하는 고전적인 실험으로 평가받고 있습니다. 1952년에 스탠리 밀러에 의해 공연되었고, 시카고 대학의 해롤드 우레이에 의해 감독되었고, 이듬해에 출판되었습니다.[3][4][5]

2007년 밀러가 사망한 후, 원래 실험에서 보존된 밀봉된 바이알을 조사한 과학자들은 밀러의 원래 실험에서 생성된 20개가 훨씬 넘는 다른 아미노산이 있다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 이는 밀러가 원래 보고했던 것보다 상당히 많은 것이며, 유전자 코드에서 자연적으로 발생하는 20개보다 더 많은 것입니다.[6] 더 최근의 증거들은 지구의 원래 대기가 밀러 실험에 사용된 가스와는 다른 구성을 가졌을 수도 있다는 것을 암시하지만, 프리바이오틱 실험은 다양한 조건에서 시안화물과 같은 단순한 화합물에서 복잡한 화합물의 라세미 혼합물을 계속해서 만들어내고 있습니다.[7]

실험.

실험을 묘사한 비디오

메탄(CH4), 물(HO2), 암모니아(NH3), 수소(H2)는 모두 물이 반으로 채워진 500ml 플라스크에 연결된 멸균된 5리터 유리 플라스크 안에 2:2:1(1부 H)의2 비율로 함께 밀봉되었습니다. 작은 플라스크의 물을 약간 가열하여 증발을 유도하고 수증기가 큰 플라스크에 들어가도록 했습니다. 더 큰 플라스크에 있는 한 쌍의 전극 사이에 연속적인 전기 스파크가 방출되었습니다. 이 불꽃은 가스와 수증기의 혼합물을 통과하여 가정된 지구의 원시 대기에서 번개를 모의 실험했습니다. 그런 다음 장치를 냉각하여 물이 응축되어 바닥에 있는 U자형 트랩으로 흘러들도록 했습니다.

하루가 지난 후 트랩에 모인 용액은 분홍색이었고, 일주일 동안 계속 작동한 후 용액은 짙은 빨간색과 탁했습니다.[3] 그다음 끓는 플라스크를 제거하고 염화수은을 넣어 미생물 오염을 막았습니다. 수산화바륨과 황산을 첨가하여 반응을 정지시키고, 증발시켜 불순물을 제거하였습니다. Miller는 종이 크로마토그래피를 사용하여 용액에 존재하는 5개의 아미노산을 확인했습니다: 글리신, α-알라닌 및 β-알라닌은 양성으로 확인된 반면, 아스파르트산 및 α-아미노부티르산(AABA)은 반점이 희미하기 때문에 덜 확실합니다.[3]

1996년 인터뷰에서 스탠리 밀러는 자신의 독창적인 작업 후 평생에 걸친 실험을 회상하며 "생물학 이전의 기본적인 실험에서 불을 켜는 것만으로도 20개의 아미노산 중 11개를 생산할 수 있습니다."라고 말했습니다.[8]

원래의 실험은 2017년에도 UCSD, 스크립스 해양학 연구소의 교수인 밀러와 우레이의 전 제자 제프리 바다의 보살핌 아래 남아 있었습니다.[9] 2013년 현재, 이 실험을 수행하는 데 사용된 장치는 덴버 자연 과학 박물관에 전시되어 있습니다.[10][needs update]

실험화학

혼합물 성분 중에서 1단계 반응은 시안화수소(HCN), 포름알데히드(CHO2) 및 [11]기타 활성 중간 화합물(아세틸렌, 시아노아세틸렌 등)을 생성할 수 있습니다.[12][further explanation needed]

CO → CO + [O] (atomic 산소)
CH + 2[O] → CHO + HO
CO + NH → HCN + HO
CH + NH → HCN + 3H (BMA 공정)

그런 다음 포름알데히드, 암모니아, HCN이 스트레커 합성에 의해 반응하여 아미노산 및 기타 생체 분자를 형성합니다.

CHO + HCN + NH → NH-CH-CN(amino아세토니트릴) + HO
NH-CH-CN + 2HO → NH + NH-CH-COOH (glyc성)

또한 물과 포름알데히드는 버틀러로프의 반응을 통해 리보스와 같은 다양한 당을 생성할 수 있습니다.

이 실험들은 단백질과 다른 거대 분자들의 빌딩 블록들의 단순한 유기 화합물들이 에너지의 추가로 가스로부터 형성될 수 있다는 것을 보여주었습니다.

기타실험

이 실험은 다른 많은 사람들에게 영감을 주었습니다. 1961년, 조안 오로는 뉴클레오티드 염기 아데닌이 수용액에서 시안화수소와 암모니아로부터 만들어질 수 있다는 것을 발견했습니다. 그의 실험은 많은 양의 아데닌을 생산했고, 그 분자들은 5개의 HCN 분자로부터 형성되었습니다.[13] 또한 이러한 조건에서 HCN과 암모니아로부터 많은 아미노산이 생성됩니다.[14] 나중에 수행된 실험은 환원 분위기를 가진 모의 프리바이오틱 화학을 통해 다른 RNA와 DNA 핵염기를 얻을 수 있음을 보여주었습니다.[15]

밀러-우레이와 동시대의 생명의 기원과 관련된 유사한 전기 방전 실험도 있었습니다. 뉴욕 타임즈 기사 (1953년 3월 8일)"20억년을 돌아보다"라는 제목의 E9)는 1953년 5월 밀러 사이언스 논문이 발표되기 전, 오하이오 주립 대학의 Wollman(윌리엄) M. MacNevin(맥네빈)의 연구를 묘사하고 있습니다. MacNevin은 메탄과 수증기를 통해 100,000 볼트의 불꽃을 통과시키고 "분석하기에는 너무 복잡한" "수지 고체"를 생성했습니다. 이 기사는 맥네빈에 의해 행해지고 있는 다른 초기 지구 실험들에 대해 설명하고 있습니다. 그가 이러한 결과 중 하나를 1차 과학 문헌에 발표한 적이 있는지는 확실하지 않습니다.[16]

K. A. Wilde는 1952년 12월 15일 사이언스에 논문을 제출했고, 밀러는 1953년 2월 10일 같은 저널에 논문을 제출했습니다. 와일드의 논문은 1953년 7월 10일에 발표되었습니다.[17] Wilde는 유동 시스템에서 이산화탄소(CO2)와 물의 이진 혼합물에 600V까지의 전압을 사용했습니다. 그는 소량의 이산화탄소가 일산화탄소로 환원되는 것만 관찰했고, 다른 중요한 환원 생성물이나 새로 형성된 탄소 화합물은 관찰하지 않았습니다. 다른 연구원들은 일산화탄소와 함께 수증기의 UV 광분해를 연구하고 있었습니다. 그들은 다양한 알코올, 알데히드 및 유기산이 반응 혼합물에서 합성된다는 것을 발견했습니다.[18]

밀러의 대학원생 중 한 명인 화학자 제프리 바다(Jeffrey Bada)와 샌디에고(San Diego) 캘리포니아 대학의 스크립스 해양학 연구소(Scripps Institute of Oceanography)의 짐 클리브스(Jim Cleaves)의 최근 실험은 밀러가 수행한 실험과 유사했습니다. 그러나 바다는 초기 지구 조건의 현재 모델에서 이산화탄소와 질소(N2)는 아질산염을 생성하고, 이것은 아미노산이 형성되는 대로 빠르게 파괴된다고 언급했습니다. 바다가 철과 탄산염 광물을 첨가한 밀러형 실험을 했을 때 제품들은 아미노산이 풍부했습니다. 이는 이산화탄소와 질소가 포함된 대기에서도 상당량의 아미노산이 지구에서 발생했을 수 있음을 시사합니다.[19]

지구의 초기 대기

참고 항목: 프리바이오틱 분위기

몇몇 증거들은 지구의 원래 대기가 밀러 당시에 생각되었던 것보다 더 적은 수의 환원 분자를 포함하고 있었을지도 모른다는 것을 암시합니다.우레이 실험. 이산화탄소, 질소, 황화수소(HS2), 이산화황(SO2)을 대기 중으로 방출했을 40억 년 전 대규모 화산 폭발의 증거가 풍부합니다.[20] 원래 밀러에 있는 가스 외에 이 가스들을 사용한 실험들-Urey 실험은 더 다양한 분자를 만들어냈습니다. 이 실험은 라세미성 혼합물(L과 Denaniomer 둘 다 포함)을 만들었고 "실험실에서 두 가지 버전이 똑같이 나타날 가능성이 있다"[21]는 것을 보여준 이후로 실험은 L 아미노산을 지배합니다. 이후 실험에서 불균형한 양의 L 또는 D 배향 거울상이성질체가 가능하다는 것이 확인되었습니다.[22]

원래 원시적인 2차 대기에는 암모니아와 메탄이 대부분 포함되어 있다고 생각했습니다. 그러나 대기 중의 탄소는 대부분 CO였을2 가능성이 있으며, 아마도 약간의 CO와 질소는 대부분2 N일 것입니다. CO, CO2, N2 등을 포함하는 가스 혼합물은 O가2 없는 한 CH4 및 NH를3 포함하는 것과 거의 동일한 제품을 제공합니다. 수소 원자는 대부분 수증기에서 나옵니다. 사실 원시 지구 조건에서 방향족 아미노산을 생성하기 위해서는 수소가 풍부한 기체 혼합물을 덜 사용해야 합니다. 천연 아미노산, 하이드록시산, 퓨린, 피리미딘, 당의 대부분은 밀러 실험의 변형으로 만들어졌습니다.[7][23]

보다 최근의 결과는 이러한 결론에 의문을 제기할 수 있습니다. 워털루 대학과 콜로라도 대학은 2005년에 초기 지구 대기가 최대 40%의 수소를 함유하고 있을 수 있다는 시뮬레이션을 실시했는데, 이는 프리바이오틱 유기 분자의 형성에 훨씬 더 적합한 환경을 의미합니다. 지구 대기에서 우주로 수소가 빠져나가는 것은 대기 상층부의 온도에 대한 수정된 추정치를 바탕으로 이전에 믿었던 비율의 1%에서만 일어났을 수 있습니다.[24] 저자 중 한 명인 오웬 툰(Owen Toon)은 "이 새로운 시나리오에서는 초기 대기에서 유기물질을 효율적으로 생산할 수 있으며, 이는 유기농이 풍부한 바다 수프 개념으로 돌아가게 합니다. 저는 이 연구가 밀러와 다른 사람들의 실험들을 다시 관련성을 갖게 한다고 생각합니다." 초기 지구에 대한 콘드리치 모델을 사용한 가스 배출 계산은 워털루/콜로라도를 보완하여 밀러의 중요성을 재정립하는 결과를 낳습니다.우레이 실험.[25]

초기 지구 대기의 감소라는 일반적인 개념과 대조적으로, 뉴욕의 렌셀레어 폴리테크닉 연구소의 연구원들은 약 43억년 전에 산소를 이용할 수 있는 가능성을 보고했습니다. 2011년 지구 내부(마그마)의 하데스 지르콘 평가에 대해 보고된 그들의 연구는 현대의 용암과 유사한 산소 흔적의 존재를 나타냈습니다.[26] 이 연구는 산소가 일반적으로 생각되는 것보다 더 일찍 지구 대기에서 방출되었을 수 있다는 것을 암시합니다.[27]

2020년 11월, 한 국제 과학자 팀은 약 45억년 전 마그마의 산화에 대한 그들의 연구를 보고했는데, 이는 지구의 원래 대기에는 산소가 거의 포함되어 있지 않으며 밀러에서 추정한 바와 같이 메탄이나 암모니아가 포함되어 있지 않다는 것을 시사합니다.우레이 실험.[28] CO는2 질소와 물을 추가적인 성분으로 하여 가장 풍부한 성분일 가능성이 높습니다.[29] 하지만 대기가 더 환원되면서 메탄과 암모니아가 조금 더 늦게 나타날 수도 있었습니다. 불안정한 이 가스들은 태양 복사(광분해)에 의해 점차 파괴되어 약 천만 년 동안 지속되다가 결국 수소와2 CO로 대체되었습니다.[30]

외계 정보원

밀러의 조건과 유사한 조건-Urey 실험은 태양계의 다른 지역에도 존재하며, 종종 화학 반응의 에너지원으로 번개 대신 자외선을 대체합니다.[31][32][33] 1969년 호주 빅토리아주 머치슨 근처에 떨어진 머치슨 운석은 다양한 아미노산 종류를 포함하고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 혜성과 다른 차가운 태양계 바깥쪽 천체들은 이러한 과정에 의해 형성된 복잡한 탄소 화합물(톨린과 같은)을 다량 포함하고 있는 것으로 생각되고 있으며, 이들 천체의 표면을 어둡게 합니다.[34] 초기 지구는 혜성의 폭격을 많이 받아 복잡한 유기 분자를 물과 다른 휘발성 물질과 함께 대량으로 공급했을 가능성이 있습니다.[35] 이것은 지구 밖의 생명체의 기원을 추론하는 데 사용되었습니다: 팬스페르미아 가설.

최근 관련 연구

최근 몇 년 동안, 현존하는 모든 종의 마지막 보편적 조상(LUA)만을 공유하는 것으로 추정되는 여러 광범위하게 분리된 종의 유기체에 공통적인 것으로 밝혀진 "오래된" 유전자의 "오래된" 영역 생성물의 아미노산 구성에 대한 연구가 이루어졌습니다. 이 연구들은 이 지역의 산물들이 밀러에서 가장 쉽게 생산되는 아미노산들이 풍부하다는 것을 발견했습니다.우레이 실험. 이것은 원래의 유전 암호가 현재보다 더 적은 수의 아미노산을 기반으로 한다는 것을 암시합니다 –[36] 오직 프리바이오틱 자연에서 이용할 수 있는 것들.

밀러의 제자였던 제프리 바다는 2007년 밀러가 사망했을 때 이 실험에서 원래의 장비를 물려받았습니다. 원래의 실험에서 나온 밀봉된 바이알을 바탕으로, 과학자들은 밀러가 비록 성공적이기는 했지만, 그가 사용할 수 있는 장비로는 그 실험의 성공의 전모를 알아낼 수 없었다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 후대의 연구자들은 모두 25개의 훨씬 더 많은 다른 아미노산을 분리할 수 있었습니다. 바다는 더 정확한 측정이 매우 낮은 농도에서 30개 또는 40개의 아미노산을 쉽게 꺼낼 수 있다고 추정했지만, 연구원들은 그 이후로 실험을 중단했습니다. 따라서 밀러의 실험은 알려진 모든 생명체가 단 20개의 다른 아미노산을 사용한다는 점을 고려할 때 더 단순한 화학물질로부터 복잡한 유기 분자를 합성하는 데 놀라운 성공을 거두었습니다.[6]

2008년, 한 과학자 그룹은 1950년대 초 밀러의 실험에서 남겨진 11개의 바이알을 조사했습니다. 찰스 다윈이 구상한 "따뜻한 작은 연못"을 연상시키는 고전적인 실험 외에도 밀러는 화산 폭발과 유사한 조건을 가진 실험을 포함하여 더 많은 실험을 수행했습니다. 이 실험은 노즐이 스파크 방전에 증기를 분사하는 방식이었습니다. 고성능 액체 크로마토그래피와 질량 분석법을 사용하여 그룹은 밀러가 가지고 있는 것보다 더 많은 유기 분자를 발견했습니다. 그들은 화산과 같은 실험이 가장 많은 유기 분자, 22개의 아미노산, 5개의 아민, 그리고 많은 하이드록실화된 분자를 만들어냈다는 것을 발견했는데, 이것은 전기화된 증기에 의해 생성된 하이드록실 라디칼에 의해 형성되었을 수 있습니다. 이 그룹은 화산섬 시스템이 이러한 방식으로 유기 분자가 풍부해졌으며, 그곳에 있는 카르보닐 설파이드의 존재가 이러한 분자들이 펩티드를 형성하는 데 도움이 되었을 수 있다고 제안했습니다.[37][38]

아미노산을 중심으로 한 이론들의 가장 큰 문제점은 펩타이드의 자발적인 형성을 얻기 어렵다는 것입니다. 클레이 표면이 생체 생성에 역할을 했을 수 있다는 John Desmond Bernal의 제안 이후,[39] 과학적 노력은 클레이 매개 펩티드 결합 형성을 조사하는 데 전념해 왔으며, 성공은 제한적이었습니다. 형성된 펩티드는 과보호 상태를 유지했으며 유전이나 대사의 증거를 나타내지 않았습니다. 2017년 12월 발렌티나 에라스토바(Valentina Erastova)와 공동[40] 연구자들이 개발한 이론적 모델은 초기 지구 조건에서 녹색 녹과 같은 층상 이중 수산화물의 층간에서 펩티드가 형성될 수 있다고 제안했습니다. 모델에 따르면, 삽입된 층상 물질의 건조는 리보솜과 같은 방식으로 펩티드 결합 형성에 필요한 에너지 및 공배향을 제공하고, 재습윤은 새로 형성된 펩티드를 동원하고 새로운 아미노산으로 층간을 다시 채워야 합니다. 이 메커니즘은 15-20회 세척 내에 12+ 아미노산 길이의 펩티드를 형성할 것으로 예상됩니다. 연구들은 또한 서로 다른 아미노산에 대해 약간 다른 흡착 선호도를 관찰했으며, 만약 혼합된 아미노산의 희석된 용액에 결합된다면 그러한 선호도가 시퀀싱으로 이어질 수 있다고 가정했습니다.

2018년 10월, Origines Institute를 대표하여 McMaster University의 연구원들은 행성 지구와 그 너머에 있는 생명체의 기원을 연구하는 데 도움이 되는 Planet Simulator라고 불리는 새로운 기술의 개발을 발표했습니다.[41][42][43][44]

확인된 아미노산

참고 항목: 범주:아미노산의 화학적 합성

아래는 1953년 Miller에 의해 발표된 "고전적인" 1952년 실험에서 생성되고 확인된 아미노산의 표이며,[3] 2008년 화산 스파크 방전 실험의 바이알의 재분석,[45] 2010년 HS-풍부2 스파크 방전 실험의 바이알의 재분석입니다.[46]

아미노산 실험에서 생산됨 단백생성
밀러-우레이
(1952) 		화산 스파크 방전
(2008) 		HS가2 풍부한 스파크 방전
(2010)
글리신 Yes Yes Yes 네.
α-알라닌 Yes Yes Yes 네.
β-알라닌 Yes Yes Yes 아니요.
아스파르트산 Yes Yes Yes 네.
α-아미노부티르산 Yes Yes Yes 아니요.
세린 No Yes Yes 네.
이소세린 No Yes Yes 아니요.
α-아미노부티르산 No Yes Yes 아니요.
β-아미노부티르산 No Yes Yes 아니요.
β-아미노부티르산 No Yes Yes 아니요.
γ-Aminobutyric acid No Yes Yes 아니요.
발린. No Yes Yes 네.
이소발린 No Yes Yes 아니요.
글루탐산 No Yes Yes 네.
노르발린 No Yes No 아니요.
α-아미노아디프산 No Yes No 아니요.
호모세린 No Yes No 아니요.
2-Methylserine No Yes No 아니요.
β-하이드록시아스파르트산 No Yes No 아니요.
오르니틴 No Yes No 아니요.
2-메틸글루탐산 No Yes No 아니요.
페닐알라닌 No Yes No 네.
호모시스테산 No No Yes 아니요.
S-메틸시스테인 No No Yes 아니요.
메티오닌 No No Yes 네.
메티오닌설폭사이드 No No Yes 아니요.
메티오닌술폰 No No Yes 아니요.
이소류신 No No Yes 네.
류신 No No Yes 네.
에티오닌 No No Yes 아니요.
시스테인 No No No 네.
히스티딘 No No No 네.
라이신 No No No 네.
아스파라긴 No No No 네.
Pyrrolysine No No No 네.
프롤린 No No No 네.
글루타민 No No No 네.
아르기닌 No No No 네.
트레오닌 No No No 네.
셀레노시스테인 No No No 네.
트립토판 No No No 네.
티로신 No No No 네.

참고문헌

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