Das Miller-Urey

Das Miller-UreyExperiment
Übersicht
► Chemische
Evolution
 Wie ist das Leben entstanden? - Bedingungen
 RNA oder Aminosäuren?
► Das
Experiment
► ISS
► Titan
Chemische Evolution
►
Hauptbestandteile der
Zellen:
 DNA & RNA
 Aminosäuren (AS)
►
►
Ansatz: vor 3,8 Mrd.
Jahren
Erste fossile Zellen: 3,5
Mrd. Jahre alt
►
Atmosphäre:
 50er Jahre: reduzierende
Atmosphäre
► Wasserstoff
(H2)
► Methan (CH4)
► Ammoniak (NH3)
► Kohlendioxid (CO2)
 Heute:
► Fast
kein Wasserstoff
► Kohlendioxid (CO2)
► Stickstoff (N2)
► Schwefeldioxid (SO2) bzw.
Schwefelwasserstoff
Chemische Evolution
► Oberfläche:
 Ton-Minerale
 Ozeane / Ursuppe
►Kochend
heiß
►Organische & anorganische lösliche Stoffe
►Salze, Mineralien
► Hoher
Luftdruck
► Keine Ozonschicht
► Sonne kühler, aber Treibhauseffekt
Chemische Evolution
► RNA
/ DNA:
 Nukleinbasen
 Zucker
 Phosphorsäure
Chemische Evolution
► RNA
/ DNA:
 Nukleinbasen
 Zucker
 Phosphorsäure
Chemische Evolution
► RNA
/ DNA:
 Nukleinbasen
 Zucker
 Phosphorsäure
Chemische Evolution
Chemische Evolution
► Proteine
 20 proteinogene
Aminosäuren
 Gleiche Grundstruktur
► Carboxygruppe
(-COOH)
► Aminogruppe (-NH2)
 Einteilung anhand der
Polaritäten der
Seitenketten
Chemische Evolution
► Proteinogene
Aminosäuren
 α-Aminosäuren (Position der Aminogruppe)
 Kohlenstoffatom ist asymmetrisches Zentrum
 chiral, 2 Entantiomere (außer Glycin)
 Die meisten haben L-Konfiguration (D)
Chemische Evolution
► Was
entstand zuerst?
► RNA:
 Phosphat wäre solide (schwerere Metall-Ionen)
 NaCl würde Polynukleotide zersetzen
 UV-Strahlung schädlich
► Aminosäure:
 Unempfindlich gegenüber UV-Strahlen
 Stabil gegen Salz
 Ton-Minerale verhindern Hydrolyse
Chemische Evolution
► Oparin:
‚genes-last-model‘
► 80er: reproduzierende Peptide
► Primitive Organismen ersetzt
► Von ein- bis mehrzelligen Organismen:
2 bis 2,5 Mrd. Jahre
► Änderung der Mechanismen des Lebens
 Kambrische Explosion der Spezies (vor ca. 500
Mio. Jahren)
► Nukleinsäure zu komplex, erst in spätem Stadium
entstanden
Das Experiment
► 1:
kochendes Wasser
(200 ml)
► 2: Gaszufuhr
 Methan (CH4)
 Ammoniak (NH3)
 Wasserstoff (H2)
► 3:
Elektroden
► 4: Kühlung
► 5: U-förmige ‚Falle‘
Das Experiment
► Basis
lieferte Urey
► 1 Woche  rot/braun
► Aminosäure &
organische Moleküle
 Glycin
 α-Alanin
 β-Alanin
► Teer
Das Experiment
► Primärprodukte:
 Blausäure
 Formaldehyde
 Weitere Aldehyde
► Sekundärprodukte:
 Aminosäuren
Blausäure
Aldehyde
Das Experiment
► Neue
Annahmen:
 Kohlendioxid (CO2) statt Methan (CH4)
 Stickstoff (N2) statt Ammoniak (NH3)
► Kaum
Wasserstoff
► Neuere Versuche: keine organischen
Substanzen
► Nach Millers Tod 2007:
 Fläschchen mit trockenen Überresten
 Zwei weitere Experimente 1953
Das Experiment
► Unterschiede:
 Zusätzliche Dampf- & Gaszufuhr
 Stille elektrische Entladung
► Simulierte
Blitze in dampfreicher Vulkanischer
Eruption
► Miller identifizierte fünf Aminosäuren und einige
Unbekannte
► Neue Analyse:
 22 Aminosäuren und 5 Amine im vulkanischen
Experiment (OH-Radikale)
 Geringere Vielfalt von AS
Das Experiment
► 2004:
Experiment mit neutraler Atmosphäre:
 Kohlendioxid, Stickstoff & Wasserdampf, 80°C
► Große
Anzahl
an organischen
Bindungen und
einige AS nach
einigen Wochen
► Auch kompliziertere Moleküle
Das Experiment
ISS-Mission
► ESA, ca. 3 Mio €
► Können Bausteine
organischer Substanzen im
Weltraum gebildet werden?
► Staubscheibe: Gase entsprechen Millers Annahme,
Staub & Eis
► Simulation: Schwerelosigkeit, niedrige Temperatur
(-5 oder tiefer), Silikatpartikel mit Eis,
Hochspannungsentladungsstrecke
► 2 Gasmischungen:
 Wasserstoff (20%), Methan (40%), Ammoniak (20%)
 Wasserstoff (60%), Kohlenmonoxid (20%), Stickstoff
(20%)
ISS-Mission
► Analyse
auf der Erde
► Piezo-Element
(„Schüttler“)
► Peltier-Element
ISS-Mission
► 70
mm3 hochreines Wasser
► +20°C
► Druck steigt von 10 mbar auf 14 mbar
► Wasser gefriert auf Partikel
► 5 mm Abstand zwischen den Elektroden
► Spannung: 1300 V
► Strom: 100 μA
ISS-Mission
► 200
Stunden Betriebszeit
► Automatischer Experimentablauf
ISS-Mission
► Rücktransport:
Passive Kühlung, (48 h)
► Flight Readiness Review Q2/2011
Titan
► Vorraussetzungen
► Sauerstoff
für Blitzentladungen
aus Eis
► Zeigen, dass mit Sauerstoff angereicherte
Bindungen entstehen können
► Stickstoff & Methan über Eisfläche
► Hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, in Eis
absorbiert
Quellen
►
►
►
►
►
►
►
►
Rode M.; The first steps of chemical evolution towards the origin of
life, Chemistry & Biodiversity, 2007
Miller S. L., A Production of Amino Acids Under Possible Primitve earth
Conditions, Science, 1953
De Duve C., Aus Staub geboren
Johnson A. P. et al., The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment,
Science, 2008
Koudelka O., Das Miller-Urey Experiment an Bord der Internationalen
Raumstation ISS, TU Graz, Joanneum Research, 2010
GEO kompakt Nr.1, Die Geburt der Erde
Schwister K., Taschenbuch der Chemie
Plankensteiner K., Discharge Experiments Simulating Chemical
Evolution on the Surface of Titan, Icarus, 2007