Esperimento di Miller-Urey

 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 di Miller

 Stanley Miller

Per compiere questo esperimento Miller ricreò determinate condizioni ambientali che si pensava fossero presenti a quel tempo. Partì dal presupposto che in quell'atmosfera non ci fosse ossigeno libero, quanto piuttosto abbondasse idrogeno, l'elemento più abbondante dell'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 (secondo gli scienziati) molecole più complesse. È poi da notare che il tempo a disposizione perché si potessero verificare le giuste reazioni chimiche era, nella Terra primordiale, di milioni di anni.

L'ipotesi dell'assenza di ossigeno nell'atmosfera primordiale fu commentata dallo stesso Miller due anni dopo il suo esperimento. Egli affermò: "Queste naturalmente sono congetture, in quanto non sappiamo se la Terra aveva un'atmosfera riducente al tempo della sua formazione....Non è stata ancora scoperta nessuna prova diretta." - Journal of the America Chemical Society, 12 maggio 1955

Dopo venticinque anni da quelle affermazioni, nel 1981, Robert C.Cowen riferiva: "Gli scienziati si trovano a dover rivedere alcune delle loro ipotesi....Sono emerse ben poche prove a sostegno dell'idea di un'atmosfera ricca di idrogeno e altamente riducente, mentre ci sono prove che indicano il contrario". - Technology Review, aprile 1981

Nel 1991 John Horgan ha scritto su Scientific American: "Durante gli ultimi 10 anni sono sorti alcuni dubbi circa le ipotesi sull'atmosfera di Urey e Miller. In base agli esperimenti di laboratorio e alle ricostruzioni al calcolatore dell'atmosfera...le radiazioni solari ultraviolette, che oggi sono bloccate dallo strato di ozono, avrebbero distrutto le molecole contenenti idrogeno presenti nell'atmosfera....Questo tipo di atmosfera [ricca soprattutto di anidride carbonica e azoto] non sarebbe stato favorevole alla sintesi di amminoacidi e di altri precursori delle molecole caratteristiche della materia vivente."

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 "atmosfera". Il tutto veniva poi raffreddato cosicché l'acqua potesse ricondensare e ricadere nella prima sfera per ripetere il ciclo di nuovo.

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 amminoacidi ed altri potenziali costituenti biologici, come elencati nella tabella sotto riportata.

Tuttavia deve essere notato che la sintesi di amminoacidi in laboratorio conduce alla formazione di un numero uguale di catene 'levogire' e 'destrogire'. Questo tipo di distribuzione in 'parti uguali' non è caratteristico delle forme di vita, così come le conosciamo oggi. Infatti, tutte le attuali forme di vita dipendono solamente da amminoacidi levogiri.

La sintesi in laboratorio di amminoacidi ha stimolato la ricerca e numerosi ricercatori hanno compiuto migliaia di esperimenti nel tentativo di costruire catene complesse, proteine e addirittura DNA. Il libro The Mystery of Life's Origin: Reassessing Current Theories riporta in merito la seguente affermazione: "Vi è un sorprendente contrasto fra il notevole successo nel sintetizzare amminoacidi e il costante fallimento dei tentativi di sintetizzare proteine e DNA."

Risultati

Per ogni 59.000 micromoli (μmol = 1/1.000.000 di mole) di CH₄ trasformati si sono ottenuti:

Prodotto	Formula	Produzione  (N° di μmol)	Atomi di C	Atomi di C  in μmol
Acido formico	H − COOH	2330	1	2330
Glicina *	H2N − CH2 − COOH	630	2	1260
Acido glicolico	HO − CH2 − COOH	560	2	1120
Alanina *	H3C − CH(NH2) − COOH	340	3	1020
Acido lattico	H3C − CH(OH) − COOH	310	3	930
β-Alanina	H2N − CH2 − CH2 − COOH	150	3	450
Acido acetico	H3C − COOH	150	2	300
Acido propionico	H3C − CH2 − COOH	130	3	390
Acido iminodiacetico	HOOC − CH2 − NH − CH2 − COOH	55	4	220
Acido diaminoacetico	H3C − NH − CH2 − COOH	50	3	150
Acido α-amino-n-butirrico	H3C − CH2 − CH(NH2) − COOH	50	4	200
Acido α-idrossi-n-butirrico	H3C − CH2 − CH(OH) − COOH	50	4	200
Acido succinico	HOOC − CH2 − CH2 − COOH	40	4	160
Urea	H2N − CO − NH2	20	1	20
N-Metilurea	H2N − CO − NH − CH3	15	2	30
N-Metilalanina	H3C − CH(NH − CH3) − COOH	10	4	40
Acido glutammico *	HOOC − CH2 − CH2 − CH(NH2) − COOH	6	5	30
Acido aspartico *	HOOC − CH2 − CH(NH2) − COOH	4	4	16
Acido α-aminoisobutirrico	H3C − C(CH3)(NH2) − 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 aminoacidi.

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.

In contrapposizione a questo, vi è l'ipotesi che la vita (o i mattoni indispensabili per il suo sviluppo) siano arrivati tramite un meteorite o una cometa schiantatisi sulla Terra nel corso dei suoi primi miliardi di anni di vita e contenenti molecole organiche complesse il catalizzatore dello sviluppo di organismi vitali. Per chiarire ciò, nel 2005 la sonda Deep Impact ha "sparato" un proiettile andatosi a schiantare contro la Cometa Tempel 1 per poterne analizzare il contenuto.

Reazioni chimiche ipotizzate

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.

Bibliografia

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

Voci correlate

• Origine della vita