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Miller-Urey-Experiment



 Das Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder Miller-Experiment) dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist.

Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde.

Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre – Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (H2) – und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels Chromatographie durchgeführt.

Inhaltsverzeichnis

Ergebnisse

Bei einer Ausgangsmenge von 59.000 Mikromol CH4 entstehen[1]:

Produkt Formel Ausbeute
(Stoffmenge in μmol)
C-Atome Stoffmenge
der C-Atome in μmol
Ameisensäure HCOOH 2330 1 2330
Glycin* H2NCH2COOH 630 2 1260
Glycolsäure HOCH2COOH 560 2 1120
Alanin* H3CCH(NH2) − COOH 340 3 1020
Milchsäure H3CCH(OH) − COOH 310 3 930
β-Alanin H2NCH2CH2COOH 150 3 450
Essigsäure H3CCOOH 150 2 300
Propionsäure H3CCH2COOH 130 3 390
Iminodiessigsäure HOOCCH2NHCH2COOH 55 4 220
Sarcosin H3CNHCH2COOH 50 3 150
α-Amino-n-buttersäure H3CCH2CH(NH2) − COOH 50 4 200
α-Hydroxy-n-buttersäure H3CCH2CH(OH) − COOH 50 4 200
Bernsteinsäure HOOCCH2CH2COOH 40 4 160
Harnstoff H2NCONH2 20 1 20
N-Methylharnstoff H2NCONHCH3 15 2 30
3-Azaadipinsäure HOOCCH2NHCH2CH2COOH 15 5 75
N-Methylalanin H3CCH(NHCH3) − COOH 10 4 40
Glutaminsäure* HOOCCH2CH2CH(NH2) − COOH 6 5 30
Asparaginsäure* HOOCCH2CH(NH2) − COOH 4 4 16
α-Aminoisobuttersäure H3CC(CH3)(NH2) − COOH 1 4 4
 
Summe:
4916   8944
dient dem Zeilenumbruch, bitte nicht entfernen

(*proteinogene Aminosäuren)

Insgesamt werden damit 18 % der Methanmoleküle in Biomoleküle umgewandelt, aus dem Rest entsteht eine teerartige Masse.

Ursprünglich im Jahr 1953 durchgeführt, hat dieses Experiment seitdem in vielen Varianten vergleichbare Ergebnisse ergeben. Es wird als Beweis dafür angesehen, dass die frühe Erdatmosphäre organische Moleküle in nicht zu vernachlässigenden Konzentrationen enthielt. Das Experiment kann aber keine Aussagen darüber machen, wie sich diese Moleküle etwa zu großen Strukturen verbunden hätten.

Abwandlungen der Versuchsbedingungen

 

  • Als Kohlenstoffquelle: Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid
  • Als Stickstoffquelle: molekularer Stickstoff N2
  • Als Energiequelle: UV-Licht

Was das Miller-Experiment allein nicht erklärt

  • Die Aminosäuren entstehen als 1:1-Racematgemische, in den Organismen sind aber überwiegend nur die L-Aminosäuren zu finden. Das Problem ist lösbar durch Mineralien als Katalysatoren, die aber von Miller nicht verwendet wurden.
  • Neben einigen Aminosäuren entstehen auch Verbindungen, die in heute lebenden Organismen nicht vorkommen, zum Beispiel die zwei zu Alanin isomeren Aminosäuren β-Alanin und Sarcosin (siehe Tabelle). Das Nichtvorhandensein dieser Verbindungen in heutigen Organismen könnte möglicherweise durch Selektion in der Evolution der Stoffwechselwege erklärt werden, wodurch alle Varianten bis auf die heute von Organismen verwendeten Aminosäuren eliminiert wurden.

Reaktionswege beim Miller-Experiment

Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-CHO) und Blausäure (Cyanwasserstoff HCN) als erste Zwischenprodukte.

In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren:

Summengleichung: R-CHO + HCN + H2O
H2N-CHR-COOH
  Aldehyd   Aminosäure

So entsteht aus dem Aldehyd Methanal (H2C=O) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal (CH3-CHO) entsteht Alanin.

Summengleichung: R-CHO + HCN + 2 H2O
HO-CHR-COOH + NH3
  Aldehyd   Aminosäure

Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-Hydroxy-ethansäure), aus Ethanal die Milchsäure (α-Hydroxy-propansäure) und aus Propanal (CH3-CH2-CHO) die α-Hydroxybuttersäure.

Literatur

Verwendete Literatur

  1. Richard E. Dickerson: Chemische Evlution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Heft 9, S. 193

Weiterführende Literatur

  • Miller, Stanley L.: A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 1953, 117, 528-529
  • S.L. Miller,and H.C. Urey, (1959) Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth Science, 130, 245
  • Thoms, Sven P.: Ursprung des Lebens. Frankfurt: Fischer, 2005, ISBN 3-5961-6128-2
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Miller-Urey-Experiment aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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