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 die Bildung von organischen Verbindungen, insbesondere Aminosäuren, als Voraussetzung für die Entstehung primitiver einzelliger Lebensformen möglich ist (chemische Evolution).

Schematischer Versuchsaufbau des Miller-Urey-Experiments

Stanley Lloyd Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago Umweltbedingungen, wie sie nach damaligem Forschungsstand in der Frühphase der Erdgeschichte (spätes Hadaikum) geherrscht haben könnten, und untersuchte, welche komplexen organischen Moleküle sich unter diesen Bedingungen bilden können. Eine erstmalige kurze Beschreibung des Experiments und seiner Ergebnisse erfolgte in dem Science-Artikel A production of amino acids under possible primitive Earth conditions (Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen der frühen Erde).

Versuchsaufbau

Im Miller-Urey-Experiment wird ein Gasgemisch, das einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre entsprechen soll – Wasser (H₂O), Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃) und Wasserstoff (H₂) – in einem Glaskolben elektrischen Entladungen (Lichtbögen) ausgesetzt. Die Lichtbögen, die Gewitterblitze auf der frühen Erde nachbilden, sollen die Gasmoleküle in hochreaktive freie Radikale aufspalten. Während Wasserdampf durch Erhitzen von Wasser in einem zweiten Kolben erzeugt wird, werden die übrigen Gase von außen zugeführt. In einem Kühler unterhalb des Kolbens, in dem die Lichtbögen erzeugt werden, wird der Wasserdampf kondensiert. Das kondensierte Wasser mit den Reaktionsprodukten wird in einem U-Stück aufgefangen und gelangt über einen Überlauf schließlich wieder in den zweiten Kolben.

Somit wird in der Versuchsapparatur der frühirdische Wasserkreislauf stark vereinfacht nachgestellt: Wasser verdunstet aus dem „Urmeer“ im Kolben und steigt in die „Uratmosphäre“ auf, wo, vermittelt durch Blitze, die atmosphärischen Gase miteinander reagieren. Das atmosphärische Wasser kondensiert schließlich zu „Regen“ und transportiert die Reaktionsprodukte zurück ins „Urmeer“. In der Apparatur darf sich, wie in der hypothetischen Uratmosphäre, kein freier Sauerstoff (O₂) befinden.

Im unteren Kolben reichern sich nach und nach organische Moleküle an, die das Wasser des simulierten Urmeers nach einem Tag schwachviolett färben und nach einer Woche schließlich in eine tiefrote trübe Suspension verwandeln. Dieses Gemisch wurde nach Abbruch des Experiments mit Quecksilber(II)-chlorid (HgCl₂) und Bariumhydroxid (Ba(OH)₂) für die Analyse aufbereitet und mittels Papierchromatographie auf seine Zusammensetzung hin analysiert.

Ergebnisse

Bei einer Ausgangsmenge von 59.000 μmol CH₄ entstanden:

Produkt	Formel	Ausbeute (Stoffmenge)	C-Atome (Anzahl)	C-Atome (Stoffmenge)
Ameisensäure	H–COOH	2330 μmol	1	2330 μmol
Glycin*	H2N–CH2–COOH	0630 μmol	2	1260 μmol
Glycolsäure	HO–CH2–COOH	0560 μmol	2	1120 μmol
Alanin*	H3C–CH(NH2)–COOH	0340 μmol	3	1020 μmol
Milchsäure	H3C–CH(OH)–COOH	0310 μmol	3	0930 μmol
β-Alanin	H2N–CH2–CH2–COOH	0150 μmol	3	0450 μmol
Essigsäure	H3C–COOH	0150 μmol	2	0300 μmol
Propionsäure	H3C–CH2–COOH	0130 μmol	3	0390 μmol
Iminodiessigsäure	HOOC–CH2–NH–CH2–COOH	0055 μmol	4	0220 μmol
Sarcosin	H3C–NH–CH2–COOH	0050 μmol	3	0150 μmol
α-Amino-n-buttersäure	H3C–CH2–CH(NH2)–COOH	0050 μmol	4	0200 μmol
α-Hydroxy-n-buttersäure	H3C–CH2–CH(OH)–COOH	0050 μmol	4	0200 μmol
Bernsteinsäure	HOOC–CH2–CH2–COOH	0040 μmol	4	0160 μmol
Harnstoff	H2N–CO–NH2	0020 μmol	1	0020 μmol
N-Methylharnstoff	H2N–CO–NH–CH3	0015 μmol	2	0030 μmol
3-Azaadipinsäure	HOOC–CH2–NH–CH2–CH2–COOH	0015 μmol	5	0075 μmol
N-Methylalanin	H3C–CH(NH–CH3)–COOH	0010 μmol	4	0040 μmol
Glutaminsäure*	HOOC–CH2–CH2–CH(NH2)–COOH	0006 μmol	5	0030 μmol
Asparaginsäure*	HOOC–CH2–CH(NH2)–COOH	0004 μmol	4	0016 μmol
α-Aminoisobuttersäure	H3C–C(CH3)(NH2)–COOH	0001 μmol	4	0004 μmol
Summe	4916 μmol		8945 μmol

(*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 in der frühen Erdatmosphäre organische Moleküle in nicht zu vernachlässigender Menge entstehen konnten.

Im Jahr 2008 durchgeführte Untersuchungen an den von Miller verwendeten Originalgefäßen führten zur Identifikation von acht weiteren, meist hydroxylierten Aminosäuren, die mit den Analysemethoden der 1950er-Jahre übersehen worden waren. Das Experiment kann aber keine Aussagen darüber machen, wie sich diese Moleküle etwa zu großen Strukturen verbunden hätten.

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:

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

Aus Methanal entsteht die Glycolsäure (α-Hydroxyethansäure), aus Ethanal die Milchsäure (α-Hydroxypropansäure) und aus Propanal (CH₃-CH₂-CHO) die α-Hydroxybuttersäure.

Abwandlungen der Versuchsbedingungen

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

Andere Experimente

Dieses Experiment inspirierte viele andere. 1961 fand Joan Oró heraus, dass die Nukleinbase Adenin aus Blausäure (HCN) und Ammoniak in einer wässrigen Lösung entstehen kann. Sein Experiment produzierte eine große Menge Adenin, dessen Moleküle aus fünf Molekülen Blausäure gebildet wurden. Außerdem werden unter diesen Bedingungen viele Aminosäuren aus Blausäure und Ammoniak gebildet. Später durchgeführte Experimente zeigten, dass die anderen RNA- und DNA-Nukleinbasen durch simulierte präbiotische Chemie in einer reduzierenden Atmosphäre entstehen können.

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.

Kritik an den Voraussetzungen

Die Ergebnisse des Experiments sind reproduzierbar. Es gibt jedoch ernste Zweifel daran, ob die Voraussetzungen für die frühe Erde realistisch sind. Der deutsche Chemiker Günter Wächtershäuser äußert sich hierzu eindeutig: „Die Theorie von der präbiotischen Ursuppe sieht sich verheerender Kritik ausgesetzt, weil sie unlogisch, mit der Thermodynamik unvereinbar, chemisch und geochemisch nicht plausibel, nicht im Einklang mit Biologie und Biochemie und experimentell widerlegt ist.“ Auch andere Wissenschaftler kommen zu dem Schluss, dass die urzeitlichen Bedingungen der frühen Erde nicht denen des im Experiment simulierten entsprachen.

Literatur

• Stanley L. Miller: A production of amino acids under possible primitive earth conditions. In: Science. Band 117 (3046), 1953, PMID 13056598; doi:10.1126/science.117.3046.528, S. 528–529
• Stanley L. Miller und Harold C. Urey: Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. In: Science. Band 130 (3370), 1959, PMID 13668555; doi:10.1126/science.130.3370.245, S. 245–251
• Sven P. Thoms: Ursprung des Lebens. Fischer, Frankfurt 2005, ISBN 3-596-16128-2.
• Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. In: Spektrum der Wissenschaft. Heft 9, 1979, S. 98–115

Weblinks

• 50 Jahre DNA-Doppelhelix und Miller-Experiment. Aus Nachrichten aus der Chemie, Juni 2003, S. 666–674 (PDF; 174 kB)
• Herunterladbare Filme, in denen Miller sein Experiment erklärt
• (Memento vom 11. Oktober 2007 im Internet Archive)
• (Memento vom 6. Dezember 2007 im Internet Archive)
• Forschungsprojekt Miller-Urey-Experiment am IKS der TU Graz

Einzelnachweise

1. S. L. Miller: A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. 1953 (siehe Literatur)
2. Miller-Experiment. In: Spektrum Online-Lexikon der Biologie, abgerufen am 1. Januar 2021
3. Richard E. Dickerson: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. In: Spektrum der Wissenschaft. Heft 9, 1979, S. 193
4. Adam P. Johnson et al. (2008): The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. In: Science. Band 322(5900); S. 404; PMID 18927386; doi:10.1126/science.1161527
5. J. Oró, A. P. Kimball: Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide. In: Archives of Biochemistry and Biophysics. 94. Jahrgang, Nr. 2, August 1961, S. 217–227, doi:10.1016/0003-9861(61)90033-9, PMID 13731263. 
6. J. Oró, S. S. Kamat: Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions. In: Nature. 190. Jahrgang, Nr. 4774, April 1961, S. 442–443, doi:10.1038/190442a0, PMID 13731262, bibcode:1961Natur.190..442O (semanticscholar.org). 
7. Zit. n. Nick Lane: Der Funke des Lebens. Konrad Theiss Verlag: Darmstadt 2017, S. 348, Anm. 24.
8. Eth Zurich: Uncovering Mysteries of Earth's Primeval Atmosphere 4.5 Billion Years Ago and the Emergence of Life, 29. November 2020. Abgerufen am 30. November 2020. 
9. Paolo A. Sossi, Antony D. Burnham, James Badro, Antonio Lanzirotti, Matt Newville, Hugh St C. O’Neill: Redox state of Earth's magma ocean and its Venus-like early atmosphere. In: Science Advances. 6. Jahrgang, Nr. 48, 1. November 2020, ISSN 2375-2548, S. eabd1387, doi:10.1126/sciadv.abd1387 (englisch, sciencemag.org).