Esperimento di Miller-Urey

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 Schema dell'esperimento

L'esperimento di Miller-Urey rappresenta la prima dimostrazione che molecole organiche si possono formare spontaneamente, nelle giuste condizioni ambientali, a partire da sostanze inorganiche più semplici.

L'esperimento fu condotto negli anni 50 da Stanley Miller e dal suo docente, il premio Nobel Harold Urey, per dimostrare la teoria di Oparin e Haldane, i quali ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche conducenti alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganiche.

L'esperimento[modifica | modifica sorgente]

 Stanley Miller

Per compiere questo esperimento Miller ricreò determinate condizioni ambientali che si pensava fossero presenti nella Terra primordiale. Partì dal presupposto che in quell'atmosfera non ci fosse ossigeno libero, quanto piuttosto abbondasse idrogeno, l'elemento più diffuso nell'universo, e altri gas quali metano (CH4) e ammoniaca (NH3), oltre ad acqua (H2O). Con queste condizioni ed in presenza di una fonte di energia, come fulmini o la radiazione solare, si sarebbero potute originare molecole più complesse.

Per l'esperimento Miller e il suo professore si servirono dei gas elencati precedentemente contenuti in un sistema sterile costituito da due sfere contenenti l'una acqua allo stato liquido e l'altra due elettrodi, collegate tra loro da un sistema di tubi sigillati. L'acqua veniva scaldata per indurre la formazione di vapore acqueo mentre i due elettrodi venivano utilizzati per fornire scariche elettriche che simulavano fulmini in presenza di quella miscela gassosa. Il tutto veniva poi raffreddato cosicché l'acqua potesse ricondensare e ricadere nella prima sfera per ripetere il ciclo.

Dopo circa una settimana ininterrotta in cui le condizioni erano mantenute costanti, Miller osservò che circa il 15% del carbonio era andato a formare composti organici, tra cui alcuni aminoacidi ed altri potenziali costituenti biologici, come elencati nella tabella sotto riportata.

Risultati[modifica | modifica sorgente]

Ogni 59.000 micromoli (μmol = 1/1.000.000 di mole) di CH4 trasformati si sono ottenuti: [1]

Prodotto Formula  Produzione 
(N° di μmol)
Atomi
di C
 Atomi di C 
in μmol
Acido formico  H-COOH
2330
1
2330
Glicina *  H_2N-CH_2-COOH
630
2
1260
Acido glicolico  HO-CH_2-COOH
560
2
1120
Alanina *  H_3C-CH(NH_2)-COOH
340
3
1020
Acido lattico  H_3C-CH(OH)-COOH
310
3
930
β-Alanina  H_2N-CH_2-CH_2-COOH
150
3
450
Acido acetico  H_3C-COOH
150
2
300
Acido propionico  H_3C-CH_2-COOH
130
3
390
Acido iminodiacetico  HOOC-CH_2-NH-CH_2-COOH
55
4
220
Acido diaminoacetico  H_3C-NH-CH_2-COOH
50
3
150
Acido α-amino-n-butirrico  H_3C-CH_2-CH(NH_2)-COOH
50
4
200
Acido α-idrossi-n-butirrico  H_3C-CH_2-CH(OH)-COOH
50
4
200
Acido succinico  HOOC-CH_2-CH_2-COOH
40
4
160
Urea  H_2N-CO-NH_2
20
1
20
N-Metilurea  H_2N-CO-NH-CH_3
15
2
30
N-Metilalanina  H_3C-CH(NH-CH_3)-COOH
10
4
40
Acido glutammico *  HOOC-CH_2-CH_2-CH(NH_2)-COOH 
6
5
30
Acido aspartico *  HOOC-CH_2-CH(NH_2)-COOH
4
4
16
Acido α-aminoisobutirrico  H_3C-C(CH_3)(NH_2)-COOH
1
4
4
 
Tot. 4916
 
Tot. 8944
( * = Amminoacidi proteinogeni)

Forti di queste considerazioni, Miller e Urey svolsero un esperimento con cui poterono dimostrare che scariche elettriche (simulanti fulmini) in presenza di acqua nonché di una mistura di gas tra cui metano e ammoniaca portavano alla formazione di diverse molecole organiche tra cui alcuni amminoacidi.

Inoltre, mentre l'esperimento di Miller venne compiuto in una settimana, sulla Terra primordiale le reazioni coinvolte poterono proseguire per milioni di anni, rendendo possibile un ulteriore sviluppo delle sostanze formatesi.

In un recente studio, pubblicato su PNAS, è stata eseguita un'analisi accurata sui campioni conservati da Miller nel 1958 per mezzo di tecniche analitiche moderne, mostrando la presenza di un maggior numero di composti organici rispetto alle analisi originarie[2]. Altri studi eseguiti sulle fiale conservate da Miller hanno mostrato risultati analoghi[3][4].

Reazioni chimiche ipotizzate[modifica | modifica sorgente]

Effettuando dei prelievi durante l'esperimento, Miller ed Urey osservarono che la concentrazione di ammoniaca diminuiva progressivamente mentre le concentrazioni di acido cianidrico e di cianogeno aumentavano costantemente, come anche per le aldeidi. Gli aminoacidi comparivano più tardi a spese dell'acido cianidrico e delle aldeidi. Questo fa supporre che gli aminoacidi si siano formati a partire dalle aldeidi e dall'acido cianidrico con un meccanismo ben noto in chimica organica che prende il nome di sintesi aminoacidica di Strecker[5].

Limiti[modifica | modifica sorgente]

Le condizioni utilizzate dai due studiosi, in realtà, non riproducevano esattamente quelle dell'atmosfera primordiale, ma furono sufficienti comunque a rendere plausibile la possibilità che la vita si sia sviluppata proprio partendo dagli elementi già presenti nel pianeta.

La sintesi di amminoacidi in laboratorio conduce alla formazione di un numero uguale di enantiomeri levogiri e destrogiri. Questo tipo di distribuzione racemica non è caratteristico delle forme di vita così come le conosciamo oggi. Infatti, tutte le attuali forme di vita dipendono solamente da amminoacidi levogiri. Tuttavia, la produzione di miscele racemiche in laboratorio non preclude la formazione di strutture prebiotiche in gran parte levogire nell'ambiente naturale[6] così come non è esclusa l'azione selettiva di substrati inorganici (come le rocce)[7] nella formazione di un solo enantiomero[8].

L'interesse degli scienziati circa l'origine abiotica della vita si è spostato, in modo complementare, dal pianeta Terra allo spazio profondo. Infatti, si stanno accumulando numerose osservazioni della presenza di molecole organiche complesse nelle polveri e nelle nubi interstellari[9][10][11][12].

Esperimenti analoghi[modifica | modifica sorgente]

L'esperimento di Miller e Urey ha ispirato altri interessanti tentativi di riproduzione abiotica di molecole organiche di interesse biologico.

Nel 1961, Joan Oró realizzò una sintesi della base nucleotidica adenina a partire da acido cianidrico e ammoniaca acquosa.[13]. Nelle stesse condizioni si formarono anche diversi amminoacidi[14].

Prospettive future[modifica | modifica sorgente]

Robert Hazen, geologo della George Mason University, ha dichiarato che:

« [...] Nell'arco di circa 10.000 anni una versione moderna dell'esperimento di Urey e Miller potrebbe effettivamente produrre una rudimentale molecola autoreplicante, capace di evolvere mediante selezione naturale: in breve, la vita. [...] La spiegazione più plausibile è che le molecole autoreplicanti si siano formate prima sulla superficie delle rocce. Le superfici umide della Terra primordiale avrebbero costituito un grande laboratorio naturale, portando avanti in qualsiasi momento qualcosa come 1030 piccoli esperimenti, per un periodo durato forse da 100 a 500 milioni di anni. Un esperimento di laboratorio che duri per 10.000 anni può quindi tentare di ricreare questa situazione eseguendo un gran numero di piccoli esperimenti contemporaneamente. Dall'esterno, queste incubatrici molecolari apparirebbero come stanze piene di computer ma al loro interno ci sarebbero laboratori chimici on-chip, contenenti centinaia di pozzi microscopici, ognuno con diverse combinazioni di composti che reagiscono su una varietà di superfici minerali. [...] Sarebbe possibile ridurre il tempo necessario da milioni a migliaia di anni concentrando gli esperimenti su composti che hanno maggiori probabilità di comportarsi in modo interessante. Con un po' di fortuna, alla fine avremmo imparato abbastanza cose su come lavora la natura per riuscire a ridurre ulteriormente questo tempo a poche decine di anni[15]»

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Vol 9, pag 193
  2. ^ (EN) E. T. Parker, H. J. Cleaves, J. P. Dworkin, D. P. Glavin, M. Callahan, A. Aubrey, Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 108, nº 14, 2011, pp. 5526–5531, DOI:10.1073/pnas.1019191108.
  3. ^ Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL, The Miller volcanic spark discharge experiment in Science, vol. 322, nº 5900, ottobre 2008, p. 404, Bibcode:2008Sci...322..404J, DOI:10.1126/science.1161527, PMID 18927386.
  4. ^ 'Lost' Miller–Urey Experiment Created More Of Life's Building Blocks, Science Daily, 17 ottobre 2008. URL consultato il 18 ottobre 2008.
  5. ^ Dicherson Richard E. L'evoluzione chimica e l'origine della vita in Letture da Le Scienze, Gli albori della vita. Dalle macromolecole alle prime cellule. a cura di Alessandro Minelli, Milano 1984
  6. ^ Shosuke Kojo, Hiromi Uchino, Mayu Yoshimura and Kyoko Tanaka, Racemic D,L-asparagine causes enantiomeric excess of other coexisting racemic D,L-amino acids during recrystallization: a hypothesis accounting for the origin of L-amino acids in the biosphere in Chemical Communications, nº 19, ottobre 2004, pp. 2146–2147, DOI:10.1039/b409941a, PMID 15467844.
  7. ^ Vita dalle rocce, R. M. Hazen in Le scienze, n. 392, aprile 2001
  8. ^ Advances in the Geochemistry of Amino Acids, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Vol. 3: 183-212
  9. ^ G. Winnewisser, E. Herbst Organic molecules in space (1987), Topic in Current Chemistry, p. 119-172, vol. 139, Springer-Verlag
  10. ^ Two Highly Complex Organic Molecules Detected In Space (2009), Science Daily
  11. ^ Life In Deep Space? Organic Molecules Found In The Orion Nebula (2010), Science 2.0
  12. ^ Sugar Found In Space: A Sign of Life? (2012), National Geographic
  13. ^ Oró J, Kimball AP, Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide in Archives of biochemistry and biophysics, vol. 94, agosto 1961, pp. 217–27, DOI:10.1016/0003-9861(61)90033-9, PMID 13731263.
  14. ^ Oró J, Kamat SS, Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions in Nature, vol. 190, nº 4774, aprile 1961, pp. 442–3, Bibcode:1961Natur.190..442O, DOI:10.1038/190442a0, PMID 13731262.
  15. ^ Le scienze n. 531, novembre 2012, pag. 70

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Miller S. L., Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions in Science, 117(3046), 1953, pp. 528-529, DOI:10.1126/science.117.3046.528.
  • Miller S. L., Production of Some Organic Compounds under Possible Primitive Earth Conditions in J. Am. Chem. Soc., 77(9), 1955, pp. 2351-2361.
  • Miller S. L., The Mechanism of Synthesis of Amino Acids by Electric Discharges in Biochimica et Biophysica Acta, vol. 23, 1957, p. 480.
  • Miller S. L., and Urey H. C, Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth in Science, vol. 130, 1959, p. 245.
  • Oró J., Synthesis of Organic Compounds by Electric Discharges in Nature, vol. 197, 1963, pp. 862-867.
  • Ring D., Wolman Y., Friedmann N., and Miller S. L., Prebiotic Synthesis of Hydrophobic and Protein Amino Acids in Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 69(3), 1972, pp. 765-768.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]