Der Ursprung des Lebens
Das Miller Experiment - Teil 3
Autorin: Sabine Himmelein Februar 2003

7.2.2 Die Ergebnisse und Auswertung
7.3 Der zweite Versuchslauf
7.3.2 Die Ergebnisse und Auswertung
7.4 Vergleich der Experimente
7.5 Schwierigkeiten und Probleme bei der Umsetzung des Miller-Experiments
8. Schlussfolgerung und Ausblick auf weitere Forschungen zum Ursprung des Lebens
Literaturverzeichnis
Bildnachweise

7.2.2 Die Ergebnisse und Auswertung

Es stelle sich heraus, dass die verwendete Vakuumpumpe defekt war und somit noch Luft in der Apparatur vorlag. Durch die Funkenentladungen reagierte der Luftsauerstoff mit dem zugeführten Wasserstoff oder Methan in einer stark exothermen Knallgasreaktion, die zur Explosion führte. Die so erhaltene Lösung wurde auf Aldehyde getestet, die zur Bildung von Aminosäuren nach der Strecker-Synthese benötigt werden. Zunächst wurde dazu die Fehling-Probe, eine Redoxreaktion, durchgeführt. Die Fehlingsche Lösung setzt sich aus zwei Reagenzien zusammen. Fehling I, bestehend aus verdünnter Kupfer(II)-sulfat-Lösung und Fehling II, bestehend aus einer alkalischen Kalium-Natrium-Tartrat-Lösung. Beide Lösungen werden im Verhältnis 1:1 gemischt; dabei entsteht eine tiefblaue Lösung. Die Tartrationen binden die Cu2+-Ionen komplex, sodass Cu(OH)2 in basischer Lösung nicht ausfällt. Beim Erhitzen mit Aldehyden werden die Kupfer(II)-Ionen zum ziegelroten Kupfer(I)-oxid reduziert, das je nach abgeschiedenen Mengen einen grünen, gelben bis braunroten Niederschlag ergibt.

Die Nachweisreaktion verlief positiv und es bildete sich ein roter Niederschlag (vgl. Abb.12). Außerdem wurde ein zweiter Aldehydnachweis, die Schiffsche-Probe, durchgeführt. Es handelt sich um eine Additionsreaktion, bei welcher der Triphenylfarbstoff Fuchsin mit schwefliger Säure das farblose Reagenz fuchsinschweflige Säure bildet; dieses reagiert mit Aldehyden zu einem blauroten bis rotvioletten Farbstoff.


Um zu testen ob sich außerdem Aminosäuren gebildet hatten, wurde eine Probe der Lösung mit einer Spatelspitze Ninhydrin-Pulver versetzt. Ninhydrin reagiert mit alpha-Aminosäuren unter Bildung eines blauvioletten bis rotbraunen Farbstoffes. Bei der Reaktion liegt Ninhydrin (1,2,3- Triketoindanhydrat) als 2,2-Dihydroxy-1,3-indandion vor. Die Aminosäuren werden über eine instabile Iminocarbonsäure decarboxyliert und zu einem um ein C-Atom kleineren Aldehyd oxidiert.

Die Nachweisreaktion erfolgte positiv. Zunächst färbte sich die getestet Probe gelb und unter Erhitzen bildete sich der rotbraune Farbstoff (vgl. Abb.14).

Diese Farbreaktion wird häufig auch für die Entwicklung von Aminosäuren nach chromatographischer Trennung angewandt. Um die Aminosäuren genauer zu identifizieren, habe ich außerdem ein solches Dünnschichtchromatogramm erstellt (vgl. Abb.15). Dazu wurde auf die Startlinie einer mit Kieselgel beschichteten Chromatographiefolie, neben einem Tropfen der Lösung zum Vergleich die Aminosäuren Glycin, Alanin, Valin, Serin und Asparaginsäure aufgetragen und mit dem Laufmittel (Butanol:Eisessig:Wasser im Volumenverhältnis 4:1:1) aufgetrennt. Nach dem Besprühen mit Ninhydrin bildeten die aufgetragenen Aminosäuren deutliche Flecke aus.

Auf der Laufstrecke der zu testenden Lösung (rechts) ergab sich allerdings kein Substanzfleck. Vermutlich war die Konzentration der Aminosäuren doch zu gering, sodass ein Tropfen Lösung noch keine nachweisbaren Mengen an Aminosäuren enthielt.


Bei dem durchgeführten Experiment wurden also trotz des abweichenden Versuchsverlaufs Aldehyde und in geringen Mengen Aminosäuren gebildet. Da der Versuch nur wenige Sekunden lief, können die nachgewiesenen Verbindungen aber nicht wie beim originalen Miller-Experiment bei Reaktionen entstanden sein, die durch die Funkenentladung ausgelöst wurden. In Anbetracht des Versuchsverlaufes vermute ich stattdessen, dass die Energie zur Synthese der Aminosäuren durch die Druckwelle der Explosion bereitgestellt wurde, kann aber eine Verunreinigung der Apparatur auch nicht ausschließen. Bei weiteren Recherchen fand ich zudem heraus, dass die Synthese von Aminosäuren durch Schockwellenenergie bereits erfolgreich examiniert wurde. Im Jahr 1970 führten die Wissenschaftler Nurit und Aktiva Bar-Nun ein Simulationsexperimenten unter ganz ähnlichen Annahmen zur Erdatmosphäre wie Miller und Urey durch, allerdings setzten sie die Gasmischung einem schnellen Erhitzen gefolgt von einem schnellen Abkühlen aus. Dadurch wurde eine Schockwelle ausgelöst unter deren Energie mit hoher Effizienz alpha-Aminosäuren gebildet wurden. Das Wissenschaftlerehepaar schloss daraus, dass Erschütterungen eine primäre Energiequelle für die prebiologische Synthese organischer Verbindungen auf der Urerde waren. Diese könnten von Meteoriteneinschlägen, Donner, Erdbeben oder auch Vulkaneruptionen ausgegangen sein.27
Ähnlich wie in diesem Experiment könnte bei meinem Versuch die durch die Explosion ausgelöste Schockwelle für die Bildung der Aminosäuren verantwortlich sein.


Mit dieser Vermutung wendete ich mich an das Institut für Astrobiologie der NASA. Die Mitarbeiterin Monica Byrne bestätige, dass es durch die Gasexplosion tatsächlich zur Bildung von Aldehyden und Aminosäuren kommen konnte.28
Frau Byrne vermutet, dass Formaldehyd aus H2O, NH3 und CH4 durch den Angriff von Ammoniumhydroxid an Methan entstand. Allerdings halte ich ihre weitere Ausführung für widersprüchlich, da sie zu dem Schluss kommt der pH-Wert müsste gestiegen und somit alkalisch sein, obwohl bei der von ihr vorgeschlagenen Reaktion Hydroxoniumionen (H3O+) entstehen. Für wahrscheinlicher halte ich es deshalb, dass der einfachste Aldehyd (Formaldehyd) beispielsweise direkt bei der Reaktion von Methan mit Sauerstoff entstanden ist:

Unter den gegebenen hochenergetischen Bedingungen kann es außerdem zu einer Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen den enthaltenen Molekülen H2, NH3, H2O und CH4 und auch den Bestandteilen der noch eingeschlossenen Luft O2 und N2 gekommen sein. Die Moleküle wurden zunächst in Radikale und Ionen gespalten, die dann u.a. zu Aldehyden und Blausäure weiterreagierten.29 Dabei könnten beispielsweise folgende Reaktionen abgelaufen sein:


Die entstandenen Verbindungen sammelten sich im kleinen Kolben an und konnten gemäß der Strecker-Synthese Aminosäuren bilden. Mit diesem Versuch konnte ich außerdem bestätigen, was auch schon die zahlreichen Folgeexperimente des Miller-Experiments gezeigt hatten: Die Energiequellen und die Zusammensetzung der Gase sind sehr variabel. Selbst das Vorhandensein von Sauerstoff hat sich bei diesem Versuchsverlauf positiv ausgewirkt. Durch die Knallgasreaktion war genügend Energie für die Bildung von Radikalen und Ionen in kurzer Zeit vorhanden, die dann wie beschrieben zu komplexeren Molekülen weiterreagieren konnten. Unter der Annahme, dass der gesamte freie Sauerstoff dabei in Verbindung gegangen ist, hätten die entstandenen Aminosäuren in diesem Ozean-Atmosphäre-System auch über längere Zeit hinweg bestehen können, ohne durch Oxidation zerstört zu werden. Dennoch halte ich es für eher unwahrscheinlich, dass Knallgasreaktionen auf der Urerde ablaufen konnten, da es als erwiesen gilt, dass keine wesentlichen Mengen an Sauerstoff in der frühen Atmosphäre vorhanden waren.

27 vgl. [6], S. 96-105, 115-122; [16]
28 vgl. [20]
29 vgl.[6], S.118


7.3 Der zweite Versuchslauf

7.3.1 Die Durchführung und Beobachtungen

Nachdem alle Einzelteile der Apparatur mit Formalin desinfiziert und gereinigt waren, konnte ich die Anlage wieder zusammenbauen (vgl. S.1, Anhang S.II) und mit einer zweiten Durchführung des Experiments beginnen. Im Einzelnen wurde wie beim ersten Versuch vorgegangen (vgl. 7.2.1). Mit einer funktionstüchtigen Vakuumpumpe wurde die Luft durch den Hahn am U-Rohr entzogen, da das dafür vorgesehene Ventil verstopft war. Über den gleichen Hahn wurden die Gase hinzu gegeben. Nachdem das Wasser siedete, konnte der Funkenüberschlag eingeschaltet und die Kühlung angeschlossen werden. Um eine weitere Knallgasreaktion durch das Eindringen von Luft in die Apparatur zu verhindern, wurden zuvor sämtliche Verbindungen und Übergänge dick mit Silikatfett abgedichtet. Der Versuch lief nun fünf Tage lang jeweils für einige Stunden. Im Ganzen war die Anlage etwa 15 Stunden in Betrieb. Schon nach einigen Stunden konnte man wieder eine bräunliche Verfärbung des Wassers ausmachen. Nach den fünf Tagen hatte sich außerdem eine tiefbraune Flüssigkeit im U-Rohr angesammelt. Der große Kolben wies durch die Zersetzung der Gase eine deutliche Trübung und Braunfärbung auf.


7.3.2 Die Ergebnisse und Auswertung

Die Lösungen aus Kolben und U-Rohr wurden separat wiederum mit der Fehling-Probe und der Schiffschen-Probe auf Aldehyde und mit Ninhydrin auf Aminosäuren getestet. Alle Nachweise waren positiv (vgl. Tab.2). Die Fehlingprobe mit der Lösung aus dem Kolben fiel stärker aus. Hier ergab sich ein deutlich roter Niederschlag, während sich die Probe aus dem U-Rohr grünlich verfärbte und nur Spuren eines roten Niederschlags zeigte. Im Kolben war demzufolge mehr Aldehyd enthalten als im U-Rohr. Die Schiffsche-Probe lies diesen Unterschied nicht erkennen, beide Proben färbten sich gleichermaßen rot-violett. Auch bei der Ninhydrin-Reaktion zeigten beide Lösungen einen klaren Nachweis. Bei Zugabe von Ninhydrin und unter Erhitzen färbte sich die Probe aus dem Kolben violett, während in der Lösung aus dem U-Rohr eine rot-braune Verfärbung auftrat.

Auch hier wurden die Lösungen aus Kolben und U-Rohr gesondert und wie beim ersten Versuchsdurchgang mit der Dünnschichtchromatographie auf bestimmte Aminosäuren untersucht. Die Chromatogramme ergaben folgendes (vgl. Abb. 21 und Abb.22): Man erkennt bei beiden Chromatogrammen wieder deutlich die Substanzflecken der zum Vergleich aufgetragenen Aminosäuren. Beim ersten Chromatogramm ist auf der rechten Laufstrecke, auf der ein Tropfen aus der Lösung des Kolbens aufgetragen war, aber kein Fleck zu sehen. Auch beim zweiten Chromatogramm kann man auf der äußersten Laufstrecke, auf welcher ein Tropfen aus der Lösung aus dem U-Rohr aufgetrennt wurde, keinen Substanzfleck auf Höhe einer der Aminosäuren ausmachen. Somit konnten die Ergebnisse wiederum zu keinem Nachweis bestimmter Aminosäuren führen. Auch hier nehme ich an, dass die Menge der aufgetragenen Aminosäuren in einem Tropfen der Lösungen zu gering war, um einen Nachweis zu erbringen.

Da aber der Aminosäurenachweis in einer größeren Menge der Lösungen deutlich war, sind zweifellos Aminosäuren entstanden. Mit feineren Analysemethoden wie Gaschromatographie, Massenspektroskopie oder Hochdruckflüssigkeitschromatographie hätte man die Aminosäuren wahrscheinlich identifizieren können. Dies lag allerdings nicht im Rahmen meiner Möglichkeiten. Insgesamt konnte ich mit diesem Versuch die Ergebnisse des Miller-Experiments mit seinen Annahmen zur Atmosphäre und Energiequelle aber zumindest im Ansatz nachvollziehen.


7.4 Vergleich der Experimente

Trotz des ungleichen Versuchserverlaufes brachten die durchgeführten Experimente dieselben Resultate hervor. Zwar waren die Gasgemische unterschiedlich zusammengesetzt, jedoch waren bei beiden Versuchen die Elemente H, C, O, N in den Verbindungen enthalten. Deshalb konnten aus den eingeschlossenen Molekülen sowohl durch die Gasexplosion als auch durch die elektrische Entladung Spaltprodukte gebildet werden, woraus schließlich die nachgewiesen Produkte entstanden. Ein Vergleich der pH-Werte (pHVersuch 1 = 10,5 und pHVersuch 2 = 8,5) lässt außerdem vermuten, dass beim zweiten Versuchslauf eine größere Menge an Aminosäuren entstanden ist. Bei der Reaktion zu Aminosäuren verbraucht sich der Ammoniak.30 Da die zugeführten Volumina an Ammoniak bei beiden Versuchen ungefähr gleich groß waren und der nicht umgesetzte Ammoniak mit dem Wasser alkalisch reagiert, ist der pH-Wert der Lösungen umso alkalischer, je weniger Ammoniak bei der Reaktion zu Aminosäuren umgesetzt wurde. Daraus kann man ableiten, dass die Bedingungen des zweiten Versuches, die ja auch den Annahmen von Miller und Urey entsprechen, für die Synthese von Aminosäuren geeigneter sind. Im Vergleich zu Millers Experiment, konnte ich bei beiden Versuchen allerdings nur sehr kleine Mengen an Aminosäuren synthetisieren. Teerige Verbindungen, wie sie Miller erhalten hatte, waren nicht entstanden. Wie anzunehmen ist, war die Dauer der Experimente zu kurz um diese komplexen Moleküle und größere Mengen an Verbindungen zu synthetisieren.
30 vgl. [2], S.86, Fig.7-2


7.5 Schwierigkeiten und Probleme bei der Umsetzung des Miller-Experiments

Die größte Herausforderung bei der Umsetzung des Miller-Experiments stellte die Apparatur dar. Da mir keine vorgefertigte Glasapparatur zur Verfügung stand, musste ich die Anlage aus passenden Einzelteilen zusammenbauen. Dabei wurden zur Verbindung der Kolben zunächst Gummischläuche verwendetet, die dem Vakuum nicht standhielten. Das Ersetzen durch ein Glasrohr und Vakuumschläuche löste das Problem. Außerdem gab es zwischen den Übergängen der einzelnen Teile viele Schwachstellen, durch die Luft in die Anlage eindringen konnte. Dem versuchte ich mit Schlifffett und Klebeband entgegenzuwirken (vgl. Anhang S.VI). Hinzu kommt, dass der Versuch nur wenige Stunden laufen konnte, während das Original-Experiment eine Versuchsdauer von einer Woche hat. Da aber immer die Gefahr einer Knallgasreaktion bestand, konnte das Experiment nicht unbeaufsichtigt und deshalb nicht über längere Zeiträume oder über Nacht eingeschaltet werden.


8. Schlussfolgerung und Ausblick auf weitere Forschungen zum Ursprung des Lebens

Insgesamt betrachtet ist es erstaunlich, dass die Experimente trotz der kurzen Laufdauer nachweisbare Mengen an Aminosäuren, den Grundbausteinen der Proteine erbrachten. Eher hätte man erwarten können, dass ein Chaos aller erdenkbaren Verbindungen entsteht und nicht gerade diejenigen, die in Organismen Verwendung finden. Gerade die Tatsache, dass die Synthese der Aminosäuren so einfach und unter einer Bandbreite an Bedingungen gelingt, macht es wahrscheinlich, dass die im Miller-Experiment simulierten Prozesse auch auf der Urerde abliefen. Zusätzlich hielt die frühe Erde aber noch viele weitere Möglichkeiten bereit, durch die die Synthese und Ansammlung von Biomolekülen erreicht werden konnte. Ob im Ozean, in austrocknenden Becken, an den Oberflächen von Tonen und Mineralien, in heißen Quellen oder durch Meteorite, die im All entstandene organische Moleküle zur Erde brachten - es erscheint logisch, dass organische Verbindungen unter unterschiedlichen Bedingungen und Orten auf der frühen Erde zu finden waren. Die zu klärende Frage bleibt, wie aus diesen Bausteinmolekülen schließlich selbstreplizierende, informationsspeichernde Moleküle und die ersten Zellen entstanden sind. Die Aufgabe der Wissenschafter wir es deshalb sein in weiteren Experimenten herauszufinden, wie Molekülverbände die Energie ihrer Umwelt nutzen könnten, um Proteine und Nukleinsäuren zu reproduzieren. Dazu bedarf es neuer analytischer Methoden, die es möglich machen auch sehr komplexe Ansammlungen von Molekülen zu analysieren und auf erste Anzeichen von Replikation hin zu untersuchen. Die Einführung besserer analytischer Techniken könnte es schließlich auch ermöglichen selbstreplizierende Moleküle im Labor nachzubilden. Man darf also gespannt sein, was sich in den nächsten Jahren auf dem doch noch relativ jungen Forschungsgebiet zum Ursprung des Lebens ereignen wird. Die Wissenschaftler und Kollegen von Dr. Miller Christopher Wills und Jeffrey Bada vom NSCORT (NASA Specialized Center of Research and Training ) für Exobiologie jedenfalls, sind fest davon überzeugt, dass es nur noch eine Frage der Zeit ist, bis Leben im Labor entstehen wird.31
31 vgl. [3], S.259/260


LITERATURVERZEICHNIS

Anmerkung des Webseiteninhabers: Einige nicht mehr gültige Links wurden deaktiviert.

Bücher und Zeitschriften:
[1] Miller, Stanley L.: A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Sience 1953, 117, 528-529.
[2] Miller, Stanley L. /Orgel, Leslie E.: The origins of life on the earth. Eaglewood Cliffs, New Jersey, 1974
[3] Wills, Christopher /Bada, Jeffrey: The spark of life. Darwin and the primeval soup. New York, 2000
[4] Kaplan, Reinhard W.: Der Ursprung des Lebens. Biogenetik, ein Forschungsgebiet heutiger Naturwissenschaft. Stuttgart, 1972
[5] Campbell, Neil A.: Biologie. Heidelberg, Berlin, Oxford, 1997
[6] Buvet, R./Ponnamperuma, C.: Molecular evolution I. Chemical evolution and the origin of life. Proceedings of the International Conference on the Origin of Life. Amsterdam, London, 1971
[7] Frank, Roland/Krull, Hans-Peter/Schweizer, Jürgen: Natura. Biologie für Gymnasien. Klett Verlag, Stuttgart, 1997

Internetbeiträge:
[8] Interview mit Stanley Miller http://www.accessexcellence.org/WN/NM/miller.html
[9] Chemische Evolution http://www.biokurs.de/skripten/11n/bs11-9n.htm
[10] Beiträge aus den Spektrum der Wissenschaft Online-Lexika http://www.wissenschaft-online.de
[11] Die Entwicklung der Atmosphäre aus dem Erdmantel http://www.wissenschaft-online.de/abo/spektrum/archiv/61
[12] wissenschaft-online , Nachrichtenservice, Kein Sauerstoff, viel Methan http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/612907
[13] wissenschaft-online, Nachrichtenservice, Von Leben keine Spur http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/592744
[14] wissenschaft-online, Nachrichtenservice, Ein Sonnenschutz aus Teer? http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/341093 VII
[15] Mutter Erde - älter als gedacht
www.dmg.uni-koeln.de/Presse/wdr_online.pdf
[16] Entstehung der Vorläufer der Biopolymere: Die Aminosäuren
http://astro.uibk.ac.at/astroneu/astrobiologie/biopolymere.pdf
[17] Das Leben aus der Erde: 4. Stanley Miller
http://hanskrause.de/HKHPD/index%20HKHPD%2003%2000.htm
[18] Lebendige Erde: Münchner Wissenschaftstage, 16. - 20. Oktober 2002, Umweltwissenschaften
http://www.nano.geo.unimuenchen. de/external/research/topics/selfassembly/origin_life/MoleculesA4.pdf

Beiträge aus und persönlicher Korrespondenz:
[19] Brief (Worddokument) von Professor Stanley L. Miller vom 21.11.2002 auf eine Anfrage per EMail
[20] NASA Astrobiology Institute, Antwort auf meine Frage bezüglich der Schockwellenhypothese
http://nai.arc.nasa.gov/astrobio/astrobio_detail.cfm?ID=466
[21] Aussagen des Diplom Geologen Armin Schafhauser vom Institut für Regionale Geologie an der Universität Karlsruhe nach einer Anfrage zu den Bedingungen der Urerde per E-Mail am 19.12.2002


BILDNACHWEISE

Abb.1: übernommen aus Biographie von Stanley Miller
http://scienceworld.wolfram.com/biography/Miller.html
Abb.2: übernommen aus Telepolis, Ältestes Fossil der Erde?, 07.03.2002
http://www.heise.de/tp/deutsch/html/result.xhtml?url=/tp/deutsch/inhalt/lis/12019/1.html
Abb.3: übernommen aus [10], Stichwort: Oparin
Abb.4: übernommen aus [10], Stichwort: Haldane
Abb.5: übernommen aus [10], Stichwort: Urey
Abb.6: übernommen und verändert aus [2], S.84
Abb.7: übernommen aus [3], S.45
Abb.8: übernommen aus [1]
Abb.9: übernommen aus [18]
Abb.10: eignes Bild
Abb.12: eignes Bild
Abb.13: eignes Bild
Abb.14: eignes Bild
Abb.15: eignes Bild
Abb.16: eignes Bild
Abb.17: eignes Bild
Abb.18: eignes Bild
Abbildungen in Tab.2: eigene Bilder
Abb.19: eignes Bild
Abb.20: eignes Bild

Es empfiehlt sich ein Besuch auf der Homepage der Autorin unter www.urpool.de.vu, in der neben dieser Facharbeit viele weitere Informationen zu finden sind.