Miller-Urey deneyi

Miller-Urey deneyi

03 Ekim 2019 • Eftal Gezer

1953’te Stanley L. Miller ve Harold C. Urey’in gerçekleştirdiği kıvılcım deşarj deneyleri, olası ilkel Dünya koşullarında abiyotik organik sentezin mümkün olduğunu göstererek yaşamın kimyasal kökenine ilişkin deneysel araştırmaların önünü açtı.

Oparin–Haldane çizgisinin öngördüğü indirgenmiş ortam fikirleri, 20. yüzyıl ortasında laboratuvar sistemlerine aktarılabilir hâle geldi. Miller–Urey düzeneği, buhar dolaşımı ve kıvılcım deşarjını kullanarak basit inorganik gazlardan amino asitlerin üretilebildiğini deneysel olarak gösterdi [1]. Böylece yaşamın kökeni probleminde “teorik olan”, ilk kez sistematik ve tekrarlanabilir bir deney düzenine kavuştu [2].

Orijinal Deney (1953): Düzeneğin Mantığı ve Bulgular

Düzeneğin “okyanus” kolunda su ısıtılıp buharlaştırılır; “atmosfer” kolunda CH4–NH3–H2–H2O karışımı üzerinden kıvılcım boşaltılır; yoğuşturucu ile devridaim sağlanır. Birkaç gün içinde çözelti kahverengimsi renk alır ve analitik incelemeler glisin, alanin (α ve β) ve aspartik asit gibi amino asitlerin oluştuğunu gösterir [1]. Bu bulgular, “canlı olmayan süreçler” ile biyomonomer üretiminin mümkün olduğuna dair güçlü kanıt sundu.

1953–2019 Arası Başlıca Varyantlar

Varyant Yıl / Kaynak Ana Değişken Sonuç
Miller–Urey orijinali 1953, Science 117 CH₄–NH₃–H₂ + elektrik 5–6 amino asit
UV ışınım deneyleri 1987, Stribling & Miller UV yerine elektrik HCN, formaldehit sentezi
Şok sentezi 1998, Kobayashi et al. Meteorit darbe koşulları Amino asit + heterosiklik bileşik
Hidrotermal menfez 2002, Miyakawa et al. Fe–Ni sülfür + basınç Amino asit + nükleobaz
Donmuş çözelti 1980, Orgel & Miller HCN polimerizasyonu Nükleotid öncüleri
Arşiv numune analizi 2008, Bada et al. Eski numunelerin yeniden incelenmesi 20+ amino asit türü

UV fotokimyası ve öncül karbon bileşikleri

Elektrik deşarjına alternatif olarak Güneş’in erken dönem morötesi akısını taklit eden UV deneylerinde, hidrojen siyanür (HCN) ve formaldehit (H2CO) gibi öncül moleküllerin verimli üretimi gösterildi; bunlar nükleotid ve şeker sentez yollarının giriş bileşikleridir [2].

Şok/darbe sentezi: Çarpma plazmaları

Meteorik çarpmaların yarattığı kısa süreli, yüksek sıcaklık ve basınç koşullarının abiyotik sentezleri tetikleyebileceği, şok tüp ve darbe deneyleriyle gösterildi; homojen koşullarda α-amino asit üretiminde anlamlı enerji verimleri raporlandı [3]. Bu yaklaşım, erken Dünya organiklerinin envanterini endojen üretim, eksojen teslim ve çarpma şoku çerçevesinde birlikte değerlendiren bir bakış açılarını besledi [4].

“Volkanik sıcak sis” ve arşiv numunelerinin yeniden analizi

Miller’in 1950’lerde gerçekleştirdiği, literatürde daha az bilinen “volkanik” kıvılcım deneylerinin arşiv numuneleri modern kütle spektrometrisiyle yeniden incelendi ve klasik düzeneğe kıyasla daha geniş amino asit çeşitliliği saptandı (22 amino asit ve beş amin) [5]. Bulgular, indirgenmiş gazların volkanik ortamlarda yıldırımla etkileşimi altında yerel “organik fabrikalar” oluşturabileceğini destekler.

H2S-zengin kıvılcım deneyleri: Kükürtlü amino asitlere giden yol

1958’e ait H2S içeren arşiv numunelerinin yeniden analizi, kükürtçe zengin kıvılcım koşullarında metiyonin gibi kükürtlü amino asitler de dâhil olmak üzere 23 amino asit ve dört aminin (yedi organokükürt bileşiği) oluştuğunu ortaya koydu [6] [7]. Kiral merkez içerenlerin rasemik dağılımı abiyotik kökenle uyumludur.

Mineral yüzeyler ve polimerleşme

Mineral yüzey katalizi, monomerlerden fonksiyonel polimerlere geçişte kritik olabilir. Montmorillonit kilinde aktive nükleotidlerin sulu ortamda RNA oligomerlerine polimerleşmesi deneysel olarak gösterildi ve kinetiği incelendi [8] [9] [10].

Alternatif atmosferler ve hidrotermal senaryolar

Erken atmosferin indirgenme derecesi tartışmalıdır. Kapsamlı bir Science derleme yazısı, serbest O2’nin düşük olduğunu ancak modern volkanik gazların görece oksitlenmiş (CO2, N2 ağırlıklı) bileşimler sunduğunu vurgular [11]. Buna karşın CO ve/veya CO2 ağırlıklı karışımlarda ve hidrotermal koşulları taklit eden sistemlerde de öncül organiklerin üretilmesi mümkündür [12]. 2010’larda yayımlanan geniş derlemeler, farklı çevresel nişlerin (UV, şok, volkanik, buz, hidrotermal) birbirini tamamlayabileceğini öne çıkarır [13].

Astrobiyolojiye Etkiler ve Sınırlar

Kıvılcım, UV, şok ve hidrotermal benzetimler; indirgenmiş lokal atmosfer pencereleri ile eksojen katkıları birlikte ele alan çok-kanallı bir kimyasal evrim çerçevesine işaret eder [4] [5] [7] [11] [13]. Bununla birlikte çalışmalar çoğunlukla monomer ve kısa oligomer düzeyinde kalır; yaygın biyopolimerleşme, seçici L-homokiralite ve metabolik ağların ortaya çıkışı, açık araştırma alanları olarak varlığını sürdürür [8] [9] [10] [13].

Sonuç

1953’te bir cam düzeneğin içinde başlayan bu serüven, 2019’a kadar çoklu enerji girdileri ve çeşitli jeokimyasal ortamlarda tekrarlanan abiyotik sentez kanıtlarıyla olgunlaştı. Tek bir “evrensel senaryo” yerine, farklı yerel koşulların eşzamanlı çalışabildiği mozaik bir kimyasal evrim resmi öne çıkmaktadır. Deneyin modern türevleri artık laboratuvarla sınırlı değildir: meteoritlerde, yıldızlararası buzlarda ve gezegen uydularında benzer kimyasal süreçlerin gözlendiği bilinmektedir. Miller–Urey deneyi, yaşamın kimyasal evriminin olabildiğini kanıtlamış; 21. yüzyıl astrobiyolojisi ise bunun evrende nerelerde gerçekleştiğini araştırmaktadır.

Kaynakça

  1. Miller, S. L. (1953). A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science, 117(3046), 528–529.
  2. Stribling, R., & Miller, S. L. (1987). Energy yields for hydrogen cyanide and formaldehyde syntheses. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 17, 261–273.
  3. Bar-Nun, A., Bar-Nun, N., Bauer, S. H., & Sagan, C. (1970). Shock Synthesis of Amino Acids in Simulated Primitive Environments. Science, 168, 470–472.
  4. Chyba, C. F., & Sagan, C. (1992). Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: An inventory for the origins of life. Nature, 355, 125–132.
  5. Johnson, A. P. et al. (2008). The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science, 322(5900), 404.
  6. Parker, E. T. et al. (2011). Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS, 108(14), 5526–5531.
  7. Parker, E. T. et al. (2010). Prebiotic Synthesis of Methionine and Other Sulfur-Containing Organic Compounds. Astrobiology, 10(10), 965–971.
  8. Ferris, J. P., Hill, A. R., Liu, R., & Orgel, L. E. (1996). Synthesis of long prebiotic oligomers on mineral surfaces. Nature, 381, 59–61.
  9. Ferris, J. P., & Ertem, G. (1996). Formation of RNA oligomers on montmorillonite: site of catalysis. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 26, 391–410.
  10. Ferris, J. P. (1993). Montmorillonite-catalyzed formation of RNA oligomers in aqueous solution. J. Am. Chem. Soc., 115, 12270–12275.
  11. Kasting, J. F. (1993). Earth’s Early Atmosphere. Science, 259(5097), 920–926.
  12. Miyakawa, S., Cleaves, H. J., & Miller, S. L. (2002). Prebiotic synthesis from CO atmospheres. PNAS, 99(23), 14628–14631.
  13. Kitadai, N., & Maruyama, S. (2018). Origins of building blocks of life: A review. Geoscience Frontiers, 9(4), 1117–1153.