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Experimento de Miller-Urey

El experimento

El experimento Miller-Urey [1] (o experimento Miller [2] ) fue un experimento de síntesis química llevado a cabo en 1952 que simuló las condiciones que se pensaba que estaban presentes en la atmósfera de la Tierra primitiva y prebiótica . Se considera uno de los primeros experimentos exitosos que demuestra la síntesis de compuestos orgánicos a partir de constituyentes inorgánicos en un escenario del origen de la vida . El experimento utilizó metano (CH 4 ), amoníaco (NH 3 ), hidrógeno (H 2 ), en una proporción de 2:2:1, y agua (H 2 O). La aplicación de un arco eléctrico (este último simulando un rayo) dio como resultado la producción de aminoácidos .

Se considera un experimento innovador y el experimento clásico que investiga el origen de la vida ( abiogénesis ). Fue interpretada en 1952 por Stanley Miller , supervisada por el premio Nobel Harold Urey en la Universidad de Chicago , y publicada al año siguiente. En ese momento, apoyó la hipótesis de Alexander Oparin y JBS Haldane de que las condiciones en la Tierra primitiva favorecían reacciones químicas que sintetizaban compuestos orgánicos complejos a partir de precursores inorgánicos más simples. [3] [4] [5]

Después de la muerte de Miller en 2007, los científicos que examinaron los viales sellados conservados de los experimentos originales pudieron demostrar que se produjeron más aminoácidos en el experimento original de los que Miller pudo informar con cromatografía en papel . [6] Si bien la evidencia sugiere que la atmósfera prebiótica de la Tierra podría haber tenido típicamente una composición diferente a la del gas utilizado en el experimento de Miller, los experimentos prebióticos continúan produciendo mezclas racémicas de compuestos orgánicos simples a complejos, incluidos aminoácidos, en condiciones variables. [7] Además, los investigadores han demostrado que las atmósferas transitorias ricas en hidrógeno, propicias para la síntesis de Miller-Urey, se habrían producido después de grandes impactos de asteroides en la Tierra primitiva. [8] [9]

Historia

Fundamentos de la síntesis orgánica y el origen de la vida.

Hasta el siglo XIX , hubo una aceptación considerable de la teoría de la generación espontánea , la idea de que los animales "inferiores", como los insectos o los roedores, surgían de la materia en descomposición. [10] Sin embargo, varios experimentos realizados en el siglo XIX, en particular el experimento del matraz con cuello de cisne de Louis Pasteur en 1859 [11] , refutaron la teoría de que la vida surgió de la materia en descomposición. Charles Darwin publicó ese mismo año El origen de las especies , describiendo el mecanismo de la evolución biológica . [12] Si bien Darwin nunca escribió públicamente sobre el primer organismo en su teoría de la evolución, en una carta a Joseph Dalton Hooker , especuló:

Pero si (y qué gran si) pudiéramos concebir en algún pequeño estanque cálido con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc., que se formara químicamente un compuesto proteico, listo para sufrir cambios aún más complejos. [...]” [13]

Fotografía de retrato de Alexander Oparin

En este punto, se sabía que se podían formar moléculas orgánicas a partir de materiales de partida inorgánicos, como Friedrich Wöhler había descrito la síntesis de Wöhler de urea a partir de cianato de amonio en 1828. [14] Siguieron varios otros trabajos pioneros en el campo de la síntesis orgánica , entre ellos La síntesis de Alexander Butlerov de azúcares a partir de formaldehído y la síntesis de Adolph Strecker del aminoácido alanina a partir de acetaldehído , amoníaco y cianuro de hidrógeno . [15] En 1913, Walther Löb sintetizó aminoácidos exponiendo formamida a una descarga eléctrica silenciosa , [16] por lo que los científicos estaban comenzando a producir los componentes básicos de la vida a partir de moléculas más simples, pero no pretendían simular ningún esquema prebiótico ni siquiera se consideraban relevantes para las preguntas sobre el origen de la vida. [15]

La literatura científica de principios del siglo XX , sin embargo, contenía especulaciones sobre el origen de la vida. [15] [17] En 1903, el físico Svante Arrhenius planteó la hipótesis de que las primeras formas microscópicas de vida, impulsadas por la presión de radiación de las estrellas, podrían haber llegado a la Tierra desde el espacio en la hipótesis de la panspermia . [18] En la década de 1920, Leonard Troland escribió sobre una enzima primordial que podría haberse formado por casualidad en el océano primitivo y catalizado reacciones, y Hermann J. Muller sugirió que la formación de un gen con propiedades catalíticas y autorreplicativas podría haber fijado la evolución en movimiento. [19] Casi al mismo tiempo, estaban surgiendo las ideas de la " sopa primordial " de Alexander Oparin y JBS Haldane, que planteaban la hipótesis de que una atmósfera químicamente reductora en la Tierra primitiva habría sido propicia para la síntesis orgánica en presencia de luz solar o rayos, concentrando gradualmente la océano con moléculas orgánicas aleatorias hasta que surgió la vida. [20] De esta manera, los marcos para el origen de la vida se fueron uniendo, pero a mediados del siglo XX, las hipótesis carecían de evidencia experimental directa.

Stanley Miller y Harold Urey

Stanley Miller en 1999, posó con un aparato como el utilizado en el experimento original.

En el momento del experimento Miller-Urey, Harold Urey era profesor de química en la Universidad de Chicago y tenía una carrera muy reconocida, incluida la recepción del Premio Nobel de Química en 1934 por su aislamiento del deuterio [21] y los esfuerzos líderes utilizar la difusión gaseosa para el enriquecimiento de isótopos de uranio en apoyo del Proyecto Manhattan . [22] En 1952, Urey postuló que las altas temperaturas y energías asociadas con grandes impactos en la historia temprana de la Tierra habrían proporcionado una atmósfera de metano (CH 4 ), agua (H 2 O), amoníaco (NH 3 ) e hidrógeno ( H 2 ), creando el entorno reductor necesario para el escenario de la "sopa primordial" de Oparin-Haldane. [23]

Stanley Miller llegó a la Universidad de Chicago en 1951 para realizar un doctorado. bajo la dirección del físico nuclear Edward Teller , otra figura destacada del Proyecto Manhattan. [24] Miller comenzó a trabajar sobre cómo se formaron diferentes elementos químicos en el universo temprano, pero, después de un año de progreso mínimo, Teller se fue a California para establecer el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y continuar con la investigación de armas nucleares. [24] Miller, después de haber visto a Urey dar una conferencia sobre su artículo de 1952, se le acercó sobre la posibilidad de un experimento de síntesis prebiótica. Si bien Urey inicialmente desanimó a Miller, aceptó permitirle intentarlo durante un año. [24] En febrero de 1953, Miller había enviado por correo un manuscrito como único autor informando los resultados de su experimento a Science . [25] Urey se negó a aparecer en el manuscrito porque creía que su estatus haría que otros subestimaran el papel de Miller en el diseño y realización del experimento y, por lo tanto, alentó a Miller a atribuirse todo el crédito por el trabajo. A pesar de esto, todavía se hace referencia más comúnmente a la configuración que incluye los nombres de ambos. [25] [26] Después de no tener noticias de Science durante algunas semanas, Urey, furioso, escribió al consejo editorial exigiendo una respuesta, afirmando: "Si Science no desea publicar esto rápidamente, lo enviaremos al Journal of the American". Sociedad Química ." [25] El manuscrito de Miller finalmente se publicó en Science en mayo de 1953. [25]

Experimento

Vídeo descriptivo del experimento.

En el experimento original de 1952, se sellaron metano (CH 4 ), amoníaco (NH 3 ) e hidrógeno (H 2 ) en una proporción de 2:2:1 (1 parte de H2 ) dentro de un matraz de vidrio estéril de 5 litros. conectado a un matraz de 500 ml medio lleno de agua (H 2 O). La cámara de gas pretendía representar la atmósfera prebiótica de la Tierra , mientras que el agua simulaba un océano. El agua del matraz más pequeño se hirvió de modo que el vapor de agua entrara en la cámara de gas y se mezclara con la "atmósfera". 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 . Un condensador debajo de la cámara de gas permitió que la solución acuosa se acumulara en una trampa en forma de U en la parte inferior del aparato, de la que se tomaron muestras.

Después de un día, la solución que se había acumulado en la trampa era rosada, y después de una semana de funcionamiento continuo, la solución era de color rojo intenso y turbia , lo que Miller atribuyó a la materia orgánica adsorbida en sílice coloidal . [3] Luego se retiró el matraz de ebullición y se añadió cloruro de mercurio (un veneno) para evitar la contaminación microbiana. La reacción se detuvo añadiendo hidróxido de bario y ácido sulfúrico y se evaporó para eliminar las impurezas. Utilizando cromatografía en papel , Miller identificó cinco aminoácidos presentes en la solución: la glicina , la α-alanina y la β-alanina se identificaron positivamente, mientras que el ácido aspártico y el ácido α-aminobutírico (AABA) fueron menos seguros debido a que las manchas eran débiles. [3]

Los materiales y muestras de los experimentos originales permanecieron en 2017 bajo el cuidado del ex alumno de Miller, Jeffrey Bada , profesor de la UCSD , Instituto Scripps de Oceanografía que también lleva a cabo investigaciones sobre el origen de la vida. [27] A partir de 2013 , el aparato utilizado para realizar el experimento estaba en exhibición en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver . [28]

química del experimento

En 1957, Miller publicó una investigación que describía los procesos químicos que ocurrían dentro de su experimento. [29] Se demostró que el cianuro de hidrógeno (HCN) y los aldehídos (p. ej., formaldehído) se forman como intermediarios al principio del experimento debido a la descarga eléctrica. [29] Esto concuerda con la comprensión actual de la química atmosférica , ya que el HCN generalmente puede producirse a partir de especies radicales reactivas en la atmósfera que surgen cuando el CH 4 y el nitrógeno se separan bajo la luz ultravioleta (UV) . [30] De manera similar, los aldehídos pueden generarse en la atmósfera a partir de radicales resultantes de la descomposición de CH 4 y H 2 O y otros intermedios como el metanol . [31] Varias fuentes de energía en las atmósferas planetarias pueden inducir estas reacciones de disociación y la posterior formación de cianuro de hidrógeno o aldehído, incluidos los rayos, [32] la luz ultravioleta, [30] y los rayos cósmicos galácticos . [33]

Por ejemplo, aquí hay un conjunto de reacciones fotoquímicas de especies en la atmósfera de Miller-Urey que pueden resultar en formaldehído: [31]

H 2 O + hv → H + OH [34]
CH4 + OH → CH3 + HOH [ 35]
CH3 + OH → CH3OH [ 36 ]
CH 3 OH + hv → CH 2 O (formaldehído) + H 2 [37]
A) Esquemas de cianhidrina (arriba) y Strecker (abajo) para la síntesis de hidroxiácidos y aminoácidos, respectivamente. B) Concentraciones de amoníaco , aldehídos , cianuro de hidrógeno y aminoácidos durante un experimento de Miller-Urey, reproducido de Miller (1957) [29] por Cleaves (2012). [38] Las concentraciones de aldehídos y cianuro de hidrógeno durante la producción de aminoácidos en solución acuosa proporcionaron pruebas sólidas de que la síntesis de Strecker se produce en entornos químicos de Miller-Urey. También es probable que se produzca la producción de hidroxiácidos a través del esquema de cianhidrina. De: Cleaves, HJ Química prebiótica: lo que sabemos, lo que no. Divulgación Evo Edu 5, 342–360 (2012). Licenciado bajo CC-BY 2.0 .

Una ruta fotoquímica hacia el HCN desde NH 3 y CH 4 es: [39]

NH3 + hv → NH2 + H
NH2 + CH4 → NH3 + CH3​
NH2 + CH3 → CH5N​​
CH5N + hv → HCN + 2H2

Se han detectado otros compuestos intermedios activos ( acetileno , cianoacetileno , etc.) en la solución acuosa de experimentos tipo Miller-Urey, [40] pero la producción inmediata de HCN y aldehído, la producción de aminoácidos que acompaña a la meseta en las concentraciones de HCN y aldehído , y la desaceleración de la tasa de producción de aminoácidos durante el agotamiento de HCN y aldehído proporcionaron pruebas sólidas de que la síntesis de aminoácidos de Strecker estaba ocurriendo en la solución acuosa. [29]

La síntesis de Strecker describe la reacción de un aldehído, amoníaco y HCN a un aminoácido simple a través de un intermediario aminoacetonitrilo :

CH 2 O + HCN + NH 3 → NH 2 -CH 2 -CN (aminoacetonitrilo) + H 2 O
NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O → NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH ( glicina )

Además, el agua y el formaldehído pueden reaccionar mediante la reacción de Butlerov para producir varios azúcares como la ribosa . [41]

Los experimentos demostraron que compuestos orgánicos simples, incluidos los componentes básicos de proteínas y otras macromoléculas, pueden formarse abióticamente a partir de gases añadiendo energía.

Experimentos relacionados y trabajo de seguimiento.

Experimentos contemporáneos

La superficie de Titán vista desde el módulo de aterrizaje Huygens . Las tolinas , partículas complejas formadas por la irradiación ultravioleta en la atmósfera de N 2 y CH 4 , son probablemente la fuente de la neblina rojiza.

Hubo algunos experimentos similares de descarga de chispas contemporáneos a Miller-Urey. Un artículo en The New York Times (8 de marzo de 1953) titulado "Mirando hacia atrás dos mil millones de años" describe el trabajo de Wollman M. MacNevin en la Universidad Estatal de Ohio , antes de que se publicara el artículo de Miller Science en mayo de 1953. MacNevin estaba pasando los 100.000 V. Chispea a través de metano y vapor de agua y produce " sólidos resinosos " que son "demasiado complejos para el análisis". [25] [42] [43] Además, KA Wilde envió un manuscrito a Science el 15 de diciembre de 1952, antes de que Miller enviara su artículo a la misma revista en febrero de 1953. El trabajo de Wilde, publicado el 10 de julio de 1953, utilizó voltajes de hasta a sólo 600 V en una mezcla binaria de dióxido de carbono (CO 2 ) y agua en un sistema de flujo y no observó ningún producto de reducción significativo. [44] Según algunos, los informes de estos experimentos explican por qué Urey estaba apresurando el manuscrito de Miller en Science y amenazando con enviarlo al Journal of the American Chemical Society. [25]

Al introducir un marco experimental para probar la química prebiótica, el experimento Miller-Urey allanó el camino para futuras investigaciones sobre el origen de la vida. [45] En 1961, Joan Oró produjo miligramos de la nucleobase adenina a partir de una solución concentrada de HCN y NH 3 en agua. [46] Oró descubrió que también se formaban varios aminoácidos a partir de HCN y amoníaco en esas condiciones. [47] Los experimentos realizados más tarde demostraron que las otras nucleobases de ARN y ADN se podían obtener mediante química prebiótica simulada con una atmósfera reductora . [48] ​​[49] Otros investigadores también comenzaron a utilizar la fotólisis UV en esquemas prebióticos, ya que el flujo de UV habría sido mucho mayor en la Tierra primitiva. [50] Por ejemplo, se descubrió que la fotólisis UV del vapor de agua con monóxido de carbono producía diversos alcoholes , aldehídos y ácidos orgánicos . [51] En la década de 1970, Carl Sagan utilizó reacciones de tipo Miller-Urey para sintetizar y experimentar con partículas orgánicas complejas denominadas " tolinas ", que probablemente se asemejan a partículas formadas en atmósferas brumosas como la de Titán . [52]

Experimentos modificados de Miller-Urey

Desde la década de 1950 se ha trabajado mucho para comprender cómo se comporta la química de Miller-Urey en diversos entornos ambientales. En 1983, al probar diferentes composiciones atmosféricas, Miller y otro investigador repitieron experimentos con proporciones variables de H2 , H2O , N2 , CO2 o CH4 y , a veces, NH3 . [53] Descubrieron que la presencia o ausencia de NH 3 en la mezcla no afectaba significativamente el rendimiento de aminoácidos, ya que NH 3 se generaba a partir de N 2 durante la descarga de chispa. [53] Además, el CH 4 demostró ser uno de los ingredientes atmosféricos más importantes para obtener altos rendimientos, probablemente debido a su papel en la formación de HCN. [53] Se obtuvieron rendimientos mucho más bajos con más especies de carbono oxidadas en lugar de CH 4 , pero se pudieron alcanzar rendimientos similares con una alta relación H 2 /CO 2 . [53] Por lo tanto, las reacciones de Miller-Urey también funcionan en atmósferas de otras composiciones, dependiendo de la proporción de gases reductores y oxidantes. Más recientemente, Jeffrey Bada y H. James Cleaves, estudiantes graduados de Miller, plantearon la hipótesis de que la producción de nitritos, que destruyen los aminoácidos, en atmósferas ricas en CO 2 y N 2 puede explicar los bajos rendimientos de aminoácidos. [54] En una configuración de Miller-Urey con una atmósfera menos reductora (CO 2 + N 2 + H 2 O), cuando agregaron carbonato de calcio para amortiguar la solución acuosa y ácido ascórbico para inhibir la oxidación, los rendimientos de aminoácidos aumentaron considerablemente. , lo que demuestra que aún se pueden formar aminoácidos en atmósferas más neutras bajo las condiciones geoquímicas adecuadas . [54] En un contexto prebiótico, argumentaron que el agua de mar probablemente aún estaría amortiguada y el hierro ferroso podría inhibir la oxidación. [54]

En 1999, después de que Miller sufriera un derrame cerebral, donó el contenido de su laboratorio a Bada. [27] En una vieja caja de cartón, Bada descubrió muestras no analizadas de experimentos modificados que Miller había realizado en la década de 1950. [27] En un aparato " volcánico ", Miller había modificado una boquilla de aspiración para disparar un chorro de vapor a la cámara de reacción. [7] [55] Utilizando cromatografía líquida de alto rendimiento y espectrometría de masas , el laboratorio de Bada analizó muestras antiguas de una serie de experimentos que Miller realizó con este aparato y encontró rendimientos más altos y un conjunto más diverso de aminoácidos. [7] [55] Bada especuló que inyectar vapor en la chispa podría haber dividido el agua en radicales H y OH, lo que habría llevado a más aminoácidos hidroxilados durante la síntesis de Strecker. [7] [55] En un conjunto separado de experimentos, Miller agregó sulfuro de hidrógeno (H 2 S) a la atmósfera reductora, y los análisis de Bada de los productos sugirieron rendimientos más altos en un orden de magnitud, incluidos algunos aminoácidos con restos de azufre . [7] [56]

Un trabajo de 2021 destacó la importancia de los electrones libres de alta energía presentes en el experimento. Son estos electrones los que producen iones y radicales, y representan un aspecto del experimento que necesita comprenderse mejor. [57]

Después de comparar los experimentos de Miller-Urey realizados en cristalería de borosilicato con los realizados en aparatos de teflón , un artículo de 2021 sugiere que el recipiente de reacción de vidrio actúa como un catalizador mineral , lo que implica que las rocas de silicato son superficies importantes en las reacciones prebióticas de Miller-Urey. [58]

La atmósfera prebiótica de la Tierra primitiva

Si bien faltan observaciones geoquímicas para limitar la composición exacta de la atmósfera prebiótica, modelos recientes apuntan a una atmósfera temprana "débilmente reductora"; es decir, la atmósfera de la Tierra primitiva probablemente estaba dominada por CO 2 y N 2 y no por CH 4 y NH 3 como se utilizaron en el experimento original de Miller-Urey. [59] [60] Esto se explica, en parte, por la composición química de la desgasificación volcánica. El geólogo William Rubey fue uno de los primeros en recopilar datos sobre los gases emitidos por los volcanes modernos y concluyó que son ricos en CO 2 , H 2 O y probablemente N 2 , con cantidades variables de H 2 , dióxido de azufre (SO 2 ), y H 2 S. [60] [61] Por lo tanto, si el estado redox del manto de la Tierra , que dicta la composición de la desgasificación, ha sido constante desde su formación , entonces la atmósfera de la Tierra primitiva probablemente se estaba reduciendo débilmente, pero existen algunos argumentos. para una atmósfera más reductora durante los primeros cientos de millones de años. [60]

Si bien la atmósfera prebiótica podría haber tenido una condición redox diferente a la de la atmósfera de Miller-Urey, los experimentos modificados de Miller-Urey descritos en la sección anterior demostraron que los aminoácidos aún pueden producirse abióticamente en atmósferas menos reductoras bajo condiciones geoquímicas específicas. [7] [53] [54] Además, volviendo a la hipótesis original de Urey de una atmósfera reductora " posterior al impacto ", [23] un estudio reciente de modelización atmosférica ha demostrado que un impactador rico en hierro con una masa mínima de alrededor de 4× 10 20 – 5×10 21 kg serían suficientes para reducir transitoriamente toda la atmósfera prebiótica, lo que daría como resultado una atmósfera dominada por H 2 , CH 4 y NH 3 al estilo Miller-Urey que persiste durante millones de años. [9] Trabajos anteriores han estimado a partir del registro de cráteres lunares y la composición del manto terrestre que entre cuatro y siete de estos impactadores alcanzaron la Tierra Hadeana. [8] [9] [62]

Figura conceptual de Wogan et al. (2023) [9] que representa tres etapas de la química atmosférica después del impacto de un gran asteroide en la Tierra Hadeana . En la fase 1, el impactador vaporiza el océano y se genera H2 después de que el hierro liberado por el impactador reacciona con vapor caliente . En la fase 2, el H 2 reacciona con el CO 2 para producir CH 4 mientras la atmósfera se enfría durante miles de años y el vapor se condensa formando un océano. La fase 3 representa la atmósfera de Miller-Urey que persiste durante millones de años, donde la fotoquímica de N 2 y CH 4 genera HCN. La atmósfera regresa a una atmósfera dominada por CO 2 y N 2 después de que el H 2 escapa de la Tierra al espacio. De: Nicholas F. Wogan et al 2023 Planet. Ciencia. J. 4 169. Licenciado bajo CC-BY 4.0 .

Un factor importante que controla el balance redox de la atmósfera primitiva de la Tierra es la tasa de escape atmosférico de H2 después de la formación de la Tierra. El escape atmosférico, común en los planetas rocosos jóvenes , ocurre cuando los gases en la atmósfera tienen suficiente energía cinética para superar la energía gravitacional . [63] Generalmente se acepta que la escala de tiempo del escape de hidrógeno es lo suficientemente corta como para que el H 2 constituya <1% de la atmósfera de la Tierra prebiótica, [60] pero, en 2005, un modelo hidrodinámico de escape de hidrógeno predijo tasas de escape de dos órdenes de magnitud más bajas de lo que se pensaba anteriormente, manteniendo una proporción de mezcla de hidrógeno del 30%. [64] Una atmósfera prebiótica rica en hidrógeno tendría grandes implicaciones para la síntesis de Miller-Urey en el Hadeano y el Arcaico , pero trabajos posteriores sugieren que las soluciones en ese modelo podrían haber violado la conservación de la masa y la energía. [63] [65] Dicho esto, durante el escape hidrodinámico, las moléculas más ligeras como el hidrógeno pueden "arrastrar" moléculas más pesadas con ellas a través de colisiones, y modelos recientes de escape de xenón han señalado una proporción de mezcla atmosférica de hidrógeno de al menos 1% o más en tiempos durante el Arcaico. [66]

En conjunto, generalmente se respalda la opinión de que la atmósfera de la Tierra primitiva se estaba reduciendo débilmente, con casos transitorios de composiciones altamente reductoras después de grandes impactos. [9] [23] [60]

Fuentes extraterrestres de aminoácidos

Una muestra del meteorito Murchison en exhibición en el Museo Nacional de Historia Natural , Washington, DC

Condiciones similares a las de los experimentos de Miller-Urey están presentes en otras regiones del Sistema Solar , a menudo sustituyendo los rayos por luz ultravioleta como fuente de energía para reacciones químicas. [67] [68] [69] Se descubrió que el meteorito Murchison que cayó cerca de Murchison, Victoria , Australia en 1969 contenía una distribución de aminoácidos notablemente similar a los productos de descarga de Miller-Urey. [27] El análisis de la fracción orgánica del meteorito Murchison con espectrometría de masas de resonancia ciclotrón de iones transformada de Fourier detectó más de 10.000 compuestos únicos, [70] aunque en concentraciones muy bajas ( ppb – ppm ). [71] [72] De esta manera, la composición orgánica del meteorito Murchison se considera evidencia de la síntesis de Miller-Urey fuera de la Tierra.

Se cree que los cometas y otros cuerpos helados del sistema solar exterior contienen grandes cantidades de compuestos complejos de carbono (como las tolinas) formados por procesos similares a las configuraciones de Miller-Urey, que oscurecen las superficies de estos cuerpos. [52] [73] Algunos argumentan que los cometas que bombardearon la Tierra primitiva podrían haber proporcionado una gran cantidad de moléculas orgánicas complejas junto con el agua y otros volátiles, [74] [75] sin embargo, concentraciones muy bajas de material biológicamente relevante combinadas con la incertidumbre Los factores que rodean la supervivencia de la materia orgánica tras el impacto hacen que esto sea difícil de determinar. [15]

Relevancia para el origen de la vida.

El experimento Miller-Urey fue una prueba de que los componentes básicos de la vida podían sintetizarse abióticamente a partir de gases e introdujo un nuevo marco de química prebiótica a través del cual estudiar el origen de la vida. Las simulaciones de secuencias de proteínas presentes en el último ancestro común universal (LUCA), o el último ancestro compartido de todas las especies existentes en la actualidad, muestran un enriquecimiento en aminoácidos simples que estaban disponibles en el entorno prebiótico según la química de Miller-Urey. Esto sugiere que el código genético a partir del cual evolucionó toda la vida estaba arraigado en un conjunto de aminoácidos más pequeño que los que se utilizan hoy en día. [76] Por lo tanto, si bien los argumentos creacionistas se centran en el hecho de que los experimentos de Miller-Urey no han generado los 22 aminoácidos codificados genéticamente , [77] esto en realidad no entra en conflicto con la perspectiva evolutiva sobre el origen de la vida. [76]

Figura conceptual de Ozturk y Sasselov (2022) [78] de un escenario prebiótico plausible con un sesgo enantioselectivo . La irradiación de magnetita magnetizada con luz ultravioleta genera electrones selectivos de espín. La helicidad de los electrones conduce a diferentes velocidades de reacción redox con diferentes estereoisómeros, lo que da lugar a productos enantioselectivos. Mecanismos como estos significan que Miller-Urey y otras síntesis prebióticas no necesitan ser enantioselectivas, ya que el ambiente puede introducir homoquiralidad. De: Ozturk, SF y Sasselov, DD Sobre los orígenes de la homoquiralidad de la vida: inducir un exceso enantiomérico con electrones polarizados por espín. Actas de la Academia Nacional de Ciencias 119 (28) e2204765119 (2022). Licenciado bajo CC-BY 4.0 .

Otro error común es que la mezcla racémica (que contiene enantiómeros L y D ) de aminoácidos producida en un experimento de Miller-Urey también es problemática para las teorías de la abiogénesis, [77] ya que la vida en la Tierra hoy utiliza L-aminoácidos. [79] Si bien es cierto que las configuraciones de Miller-Urey producen mezclas racémicas, [80] el origen de la homoquiralidad es un área separada en la investigación del origen de la vida. [81]

Trabajos recientes demuestran que las superficies minerales magnéticas como la magnetita pueden ser plantillas para la cristalización enantioselectiva de moléculas quirales, incluidos los precursores de ARN , debido al efecto de selectividad de espín inducida por quiral (CISS) . [82] [83] Una vez que se introduce un sesgo enantioselectivo, la homoquiralidad puede propagarse a través de sistemas biológicos de varias maneras. [84] De esta manera, no se requiere síntesis enantioselectiva de las reacciones de Miller-Urey si otros procesos geoquímicos en el medio ambiente están introduciendo homoquiralidad.

Finalmente, Miller-Urey y experimentos similares se ocupan principalmente de la síntesis de monómeros ; La polimerización de estos componentes básicos para formar péptidos y otras estructuras más complejas es el siguiente paso de los esquemas de química prebiótica. [85] La polimerización requiere reacciones de condensación , que son termodinámicamente desfavorables en soluciones acuosas porque expulsan moléculas de agua. [86] Científicos que se remontan a John Desmond Bernal a finales de la década de 1940 especularon que las superficies arcillosas desempeñarían un papel importante en la abiogénesis, ya que podrían concentrar monómeros. [87] Han surgido varios modelos de este tipo para la polimerización mediada por minerales, como las capas intermedias de hidróxidos dobles en capas como el óxido verde sobre ciclos húmedo-seco. [88] Se han propuesto algunos escenarios para la formación de péptidos que son incluso compatibles con soluciones acuosas, como la interfaz hidrofóbica aire-agua [86] y un nuevo esquema de " ligación de α-aminonitrilo mediada por sulfuro ", donde los precursores de aminoácidos se unen. para formar péptidos. [89] La polimerización de los componentes básicos de la vida es un área activa de investigación en la química prebiótica.

Aminoácidos identificados

A continuación se muestra una tabla de aminoácidos producidos e identificados en el experimento "clásico" de 1952, analizado por Miller en 1952 [3] y más recientemente por Bada y sus colaboradores con espectrometría de masas moderna, [7] el reanálisis de 2008 de viales de el experimento de descarga de chispas volcánicas, [7] [55] y el reanálisis de 2010 de viales del experimento de descarga de chispas rico en H 2 S. [7] [56] Si bien no todos los aminoácidos proteinogénicos se han producido en experimentos de descarga de chispas, generalmente se acepta que en los primeros años de vida se utilizaba un conjunto más simple de aminoácidos disponibles prebióticamente. [76]

Referencias

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