Expérience Miller-Urey - Miller–Urey experiment

L'expérience

L' expérience Miller-Urey (ou expérience Miller ) était une expérience chimique qui simulait les conditions que l'on croyait à l'époque (1952) présentes sur la Terre primitive et testait l' origine chimique de la vie dans ces conditions. L'expérience de l'époque soutenait l' hypothèse d' Alexander Oparin et de JBS Haldane selon laquelle les conditions putatives sur la Terre primitive favorisaient des réactions chimiques synthétisant des composés organiques plus complexes à partir de précurseurs inorganiques plus simples. Considérée comme l'expérience classique d'investigation de l' abiogenèse , elle a été réalisée en 1952 par Stanley Miller, supervisé par Harold Urey à l' Université de Chicago , et publié l'année suivante.

Après la mort de Miller en 2007, les scientifiques examinant des flacons scellés préservés des expériences originales ont pu montrer qu'il y avait en fait bien plus de 20 acides aminés différents produits dans les expériences originales de Miller. C'est considérablement plus que ce que Miller a rapporté à l'origine, et plus que les 20 qui se produisent naturellement dans le code génétique. Des preuves plus récentes suggèrent que l'atmosphère d'origine de la Terre aurait pu avoir une composition différente du gaz utilisé dans l'expérience de Miller, mais les expériences prébiotiques continuent de produire des mélanges racémiques de composés simples à complexes, tels que le cyanure, dans des conditions variables.

Expérience

Vidéo descriptive de l'expérience

L'expérience a utilisé de l' eau (H 2 O), du méthane (CH 4 ), de l' ammoniac (NH 3 ) et de l' hydrogène (H 2 ). Les produits chimiques ont tous été scellés à l'intérieur d'un flacon en verre stérile de 5 litres relié à un flacon de 500 ml rempli à moitié d'eau. L'eau dans le plus petit flacon a été chauffée pour induire l' évaporation , et la vapeur d'eau a été autorisée à entrer dans le plus grand flacon. Des étincelles électriques continues ont été tirées entre deux électrodes, dans le plus grand ballon, pour simuler la foudre dans la vapeur d'eau et le mélange gazeux, puis l'atmosphère simulée a été à nouveau refroidie de sorte que l'eau se condensait et ruisselait dans un piège en forme de U au fond de le dispositif.

Au bout d'une journée, la solution recueillie au niveau du piège avait viré au rose, et après une semaine de fonctionnement continu, la solution était rouge foncé et trouble. Le ballon d'ébullition a ensuite été retiré et du chlorure mercurique a été ajouté pour empêcher la contamination microbienne. La réaction a été arrêtée en ajoutant de l'hydroxyde de baryum et de l'acide sulfurique, et évaporée pour éliminer les impuretés. En utilisant la chromatographie sur papier , Miller a identifié cinq acides aminés présents dans la solution : la glycine , la -alanine et la -alanine ont été positivement identifiés, tandis que l'acide aspartique et l'acide α-aminobutyrique (AABA) étaient moins certains, en raison de la faible luminosité des taches.

Dans une interview de 1996, Stanley Miller s'est souvenu de ses expériences de toute une vie à la suite de son travail original et a déclaré : "Le simple fait d'allumer l'étincelle dans une expérience prébiotique de base produira 11 acides aminés sur 20."

L'expérience originale est restée en 2017 sous la responsabilité de l'ancien étudiant de Miller et Urey, Jeffrey Bada , professeur à l' UCSD , Scripps Institution of Oceanography . En 2013, l'appareil utilisé pour mener l'expérience était exposé au Denver Museum of Nature and Science .

Chimie de l'expérience

Les réactions en une étape entre les composants du mélange peuvent produire du cyanure d'hydrogène (HCN), du formaldéhyde (CH 2 O) et d'autres composés intermédiaires actifs ( acétylène , cyanoacétylène , etc.) :

CO 2 → CO + [O] (oxygène atomique)
CH 4 + 2[O] → CH 2 O + H 2 O
CO + NH 3 → HCN + H 2 O
CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 ( procédé BMA )

Le formaldéhyde, l'ammoniac et le HCN réagissent ensuite par synthèse de Strecker pour former des acides aminés et d'autres biomolécules :

CH 2 O + HCN + NH 3 → NH 2 -CH 2 -CN + H 2 O
NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O → NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH ( glycine )

De plus, l'eau et le formaldéhyde peuvent réagir, via la réaction de Butlerov, pour produire divers sucres comme le ribose .

Les expériences ont montré que des composés organiques simples de blocs de construction de protéines et d'autres macromolécules peuvent être formés à partir de gaz avec l'ajout d'énergie.

D'autres expériences

Cette expérience en a inspiré bien d'autres. En 1961, Joan Oró a découvert que l' adénine de base nucléotidique pouvait être fabriquée à partir de cyanure d'hydrogène (HCN) et d' ammoniac dans une solution aqueuse. Son expérience a produit une grande quantité d'adénine, dont les molécules étaient formées de 5 molécules de HCN. En outre, de nombreux acides aminés sont formés à partir de HCN et d'ammoniac dans ces conditions. Des expériences menées plus tard ont montré que les autres bases nucléiques d'ARN et d'ADN pouvaient être obtenues par simulation de la chimie prébiotique avec une atmosphère réductrice .

Il y avait également eu des expériences de décharge électrique similaires liées à l' origine de la vie contemporaine de Miller-Urey. Un article du New York Times (8 mars 1953 : E9), intitulé « Looking Back Two Billion Years » décrit le travail de Wollman (William) M. MacNevin à l'Ohio State University , avant la publication de l'article de Miller Science en mai. 1953. MacNevin faisait passer des étincelles de 100 000 volts à travers du méthane et de la vapeur d'eau et produisait des "solides résineux" qui étaient "trop ​​complexes pour être analysés". L'article décrit d'autres premières expériences terrestres effectuées par MacNevin. Il n'est pas clair s'il a déjà publié l'un de ces résultats dans la littérature scientifique primaire.

KA Wilde a soumis un article à Science le 15 décembre 1952, avant que Miller ne soumette son article à la même revue le 10 février 1953. L'article de Wilde a été publié le 10 juillet 1953. Wilde a utilisé des tensions jusqu'à 600 V seulement sur un mélange binaire. de dioxyde de carbone (CO 2 ) et d'eau dans un système d'écoulement. Il n'a observé que de petites quantités de réduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, et aucun autre produit de réduction significatif ou composé de carbone nouvellement formé. D' autres chercheurs ont étudié UV - photolyse de la vapeur d'eau avec du monoxyde de carbone . Ils ont découvert que divers alcools, aldéhydes et acides organiques étaient synthétisés dans le mélange réactionnel.

Des expériences plus récentes menées par les chimistes Jeffrey Bada, l'un des étudiants diplômés de Miller, et Jim Cleaves de la Scripps Institution of Oceanography de l' Université de Californie à San Diego étaient similaires à celles réalisées par Miller. Cependant, Bada a noté que dans les modèles actuels des conditions terrestres primitives, le dioxyde de carbone et l' azote (N 2 ) créent des nitrites , qui détruisent les acides aminés aussi vite qu'ils se forment. Lorsque Bada a effectué l'expérience de type Miller avec l'ajout de minéraux de fer et de carbonate, les produits étaient riches en acides aminés. Cela suggère que l'origine de quantités importantes d'acides aminés peut avoir eu lieu sur Terre même avec une atmosphère contenant du dioxyde de carbone et de l'azote.

L'atmosphère primitive de la Terre

Certaines preuves suggèrent que l'atmosphère d'origine de la Terre aurait pu contenir moins de molécules réductrices qu'on ne le pensait au moment de l'expérience Miller-Urey. Il existe de nombreuses preuves d'éruptions volcaniques majeures il y a 4 milliards d'années, qui auraient libéré du dioxyde de carbone, de l'azote, du sulfure d'hydrogène (H 2 S) et du dioxyde de soufre (SO 2 ) dans l'atmosphère. Des expériences utilisant ces gaz en plus de celles de l'expérience originale de Miller-Urey ont produit des molécules plus diverses. L'expérience a créé un mélange qui était racémique (contenant à la fois des énantiomères L et D ) et des expériences ont depuis montré que "en laboratoire, les deux versions sont également susceptibles d'apparaître" ; cependant, dans la nature, les acides aminés L dominent. Des expériences ultérieures ont confirmé que des quantités disproportionnées d'énantiomères orientés L ou D sont possibles.

À l'origine, on pensait que l' atmosphère secondaire primitive contenait principalement de l'ammoniac et du méthane. Cependant, il est probable que la majeure partie du carbone atmosphérique était du CO 2 , avec peut-être un peu de CO et l'azote principalement du N 2 . En pratique, les mélanges gazeux contenant du CO, CO 2 , N 2 , etc. donnent sensiblement les mêmes produits que ceux contenant du CH 4 et du NH 3 tant qu'il n'y a pas d'O 2 . Les atomes d'hydrogène proviennent principalement de la vapeur d'eau. En effet, pour générer des acides aminés aromatiques dans des conditions terrestres primitives, il est nécessaire d'utiliser des mélanges gazeux moins riches en hydrogène. La plupart des acides aminés naturels, des hydroxyacides , des purines, des pyrimidines et des sucres ont été fabriqués dans des variantes de l'expérience de Miller.

Des résultats plus récents peuvent remettre en cause ces conclusions. L'Université de Waterloo et l'Université du Colorado ont mené des simulations en 2005 qui ont indiqué que l'atmosphère primitive de la Terre aurait pu contenir jusqu'à 40 % d'hydrogène, ce qui implique un environnement beaucoup plus hospitalier pour la formation de molécules organiques prébiotiques. La fuite d'hydrogène de l'atmosphère terrestre vers l'espace peut s'être produite à seulement un pour cent du taux précédemment estimé sur la base des estimations révisées de la température de la haute atmosphère. L'un des auteurs, Owen Toon, note : « Dans ce nouveau scénario, les matières organiques peuvent être produites efficacement dans l'atmosphère primitive, ce qui nous ramène au concept de soupe riche en matières organiques dans l'océan... Je pense que cette étude rend le expériences de Miller et d'autres encore pertinentes." Les calculs de dégazage utilisant un modèle chondritique pour la terre primitive complètent les résultats de Waterloo/Colorado en rétablissant l'importance de l'expérience Miller-Urey.

Contrairement à la notion générale de l'atmosphère réductrice de la Terre primitive, des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute de New York ont ​​signalé la possibilité d'oxygène disponible il y a environ 4,3 milliards d'années. Leur étude publiée en 2011 sur l'évaluation des zircons Hadéens de l'intérieur de la Terre ( magma ) a indiqué la présence de traces d'oxygène similaires aux laves modernes. Cette étude suggère que l'oxygène pourrait avoir été libéré dans l'atmosphère terrestre plus tôt qu'on ne le croit généralement.

En novembre 2020, une équipe de scientifiques internationaux a rendu compte de son étude sur l'oxydation du magma il y a environ 4,5 milliards d'années, suggérant que l'atmosphère d'origine de la Terre contenait peu d'oxygène et pas de méthane ni d'ammoniac, comme le présumait l'expérience Miller-Urey. Le CO 2 était probablement le composant le plus abondant, avec l'azote et l'eau comme composants supplémentaires. Cependant, le méthane et l'ammoniac auraient pu apparaître un peu plus tard lorsque l'atmosphère est devenue plus réductrice. Ces gaz étant instables ont été progressivement détruits par le rayonnement solaire (photolyse) et ont duré une dizaine de millions d'années avant d'être finalement remplacés par l'hydrogène et le CO 2 .

Sources extraterrestres

Des conditions similaires à celles des expériences Miller-Urey sont présentes dans d'autres régions du système solaire , substituant souvent la lumière ultraviolette à la foudre comme source d'énergie pour les réactions chimiques. La météorite de Murchison qui est tombée près de Murchison, Victoria , Australie en 1969 s'est avérée contenir de nombreux types d'acides aminés différents. On pense que les comètes et autres corps glacés du système solaire externe contiennent de grandes quantités de composés carbonés complexes (tels que les tholins ) formés par ces processus, assombrissant les surfaces de ces corps. La Terre primitive a été lourdement bombardée par des comètes, fournissant peut-être une grande quantité de molécules organiques complexes ainsi que l'eau et d'autres substances volatiles qu'elles contribuaient. Cela a été utilisé pour déduire une origine de la vie en dehors de la Terre : l' hypothèse de la panspermie .

Études connexes récentes

Ces dernières années, des études ont été menées sur la composition en acides aminés des produits des "anciennes" zones dans les "anciennes" gènes, définies comme celles qui se sont avérées communes à des organismes de plusieurs espèces largement séparées , supposées ne partager que la dernière ancêtre universel (LUA) de toutes les espèces existantes. Ces études ont révélé que les produits de ces zones sont enrichis en ces acides aminés qui sont également le plus facilement produits dans l'expérience de Miller-Urey. Cela suggère que le code génétique d'origine était basé sur un plus petit nombre d'acides aminés - uniquement ceux disponibles dans la nature prébiotique - que l'actuel.

Jeffrey Bada , lui-même élève de Miller, a hérité de l'équipement d'origine de l'expérience lorsque Miller est décédé en 2007. Sur la base de flacons scellés de l'expérience d'origine, les scientifiques ont pu montrer que, bien que réussi, Miller n'a jamais pu le découvrir, avec l'équipement à sa disposition, toute l'étendue du succès de l'expérience. Des chercheurs ultérieurs ont pu isoler encore plus d'acides aminés différents, 25 au total. Bada a estimé que des mesures plus précises pourraient facilement faire ressortir 30 ou 40 acides aminés supplémentaires à de très faibles concentrations, mais les chercheurs ont depuis interrompu les tests. L'expérience de Miller a donc été un succès remarquable dans la synthèse de molécules organiques complexes à partir de produits chimiques plus simples, étant donné que toute vie connue n'utilise que 20 acides aminés différents.

En 2008, un groupe de scientifiques a examiné 11 flacons restants des expériences de Miller du début des années 1950. En plus de l'expérience classique, rappelant le "petit étang chaud" imaginé par Charles Darwin , Miller avait également effectué d'autres expériences, dont une dans des conditions similaires à celles des éruptions volcaniques . Cette expérience avait une buse pulvérisant un jet de vapeur à la décharge de l'étincelle. En utilisant la chromatographie liquide à haute performance et la spectrométrie de masse , le groupe a trouvé plus de molécules organiques que Miller n'en avait. Ils ont découvert que l'expérience de type volcan avait produit les molécules les plus organiques, 22 acides aminés, 5 amines et de nombreuses molécules hydroxylées , qui auraient pu être formées par des radicaux hydroxyles produits par la vapeur électrifiée. Le groupe a suggéré que les systèmes insulaires volcaniques devenaient ainsi riches en molécules organiques et que la présence de sulfure de carbonyle aurait pu aider ces molécules à former des peptides .

Le principal problème des théories basées sur les acides aminés est la difficulté d'obtenir la formation spontanée de peptides. Depuis la suggestion de John Desmond Bernal selon laquelle les surfaces argileuses pourraient avoir joué un rôle dans l' abiogenèse , les efforts scientifiques ont été consacrés à l'étude de la formation de liaisons peptidiques induites par l'argile , avec un succès limité. Les peptides formés sont restés surprotégés et n'ont montré aucun signe de transmission ou de métabolisme. En décembre 2017, un modèle théorique développé par Erastova et ses collaborateurs a suggéré que des peptides pourraient se former au niveau des couches intermédiaires d' hydroxydes doubles en couches tels que la rouille verte dans les premières conditions terrestres. Selon le modèle, le séchage du matériau stratifié intercalé devrait fournir l'énergie et le co-alignement requis pour la formation de liaisons peptidiques à la manière d'un ribosome , tandis que le remouillage devrait permettre de mobiliser les peptides nouvellement formés et de repeupler l'intercalaire avec de nouveaux acides aminés. Ce mécanisme devrait conduire à la formation de peptides de plus de 12 acides aminés en 15 à 20 lavages. Les recherches ont également observé des préférences d'adsorption légèrement différentes pour différents acides aminés et ont postulé que, si elles sont couplées à une solution diluée d'acides aminés mélangés, de telles préférences pourraient conduire à un séquençage.

En octobre 2018, des chercheurs de l'Université McMaster, au nom de l' Origins Institute, ont annoncé le développement d'une nouvelle technologie, appelée Planet Simulator , pour aider à étudier l' origine de la vie sur la planète Terre et au-delà.

Acides aminés identifiés

Vous trouverez ci-dessous un tableau des acides aminés produits et identifiés dans l'expérience "classique" de 1952, telle que publiée par Miller en 1953, la réanalyse de 2008 des flacons de l'expérience de décharge d'étincelles volcaniques et la réanalyse de 2010 des flacons du H 2 Expérience de décharge d'étincelle riche en S.

Acide aminé Produit en expérimentation Protéinogène
Miller-Urey
(1952)
Décharge d'étincelles volcaniques
(2008)
Décharge par étincelle riche en H 2 S
(2010)
Glycine Oui Oui Oui Oui
-alanine Oui Oui Oui Oui
-alanine Oui Oui Oui Non
L'acide aspartique Oui Oui Oui Oui
Acide α-aminobutyrique Oui Oui Oui Non
Sérine Non Oui Oui Oui
Isosérine Non Oui Oui Non
Acide α-aminoisobutyrique Non Oui Oui Non
Acide β-aminoisobutyrique Non Oui Oui Non
Acide β-aminobutyrique Non Oui Oui Non
Acide γ-aminobutyrique Non Oui Oui Non
Valine Non Oui Oui Oui
Isovaline Non Oui Oui Non
Acide glutamique Non Oui Oui Oui
Norvaline Non Oui Non Non
Acide α-aminoadipique Non Oui Non Non
Homosérine Non Oui Non Non
2-Méthylsérine Non Oui Non Non
Acide β-hydroxyaspartique Non Oui Non Non
Ornithine Non Oui Non Non
Acide 2-méthylglutamique Non Oui Non Non
Phénylalanine Non Oui Non Oui
Acide homocystéique Non Non Oui Non
S -Méthylcystéine Non Non Oui Non
Méthionine Non Non Oui Oui
Sulfoxyde de méthionine Non Non Oui Non
Méthionine sulfone Non Non Oui Non
Isoleucine Non Non Oui Oui
Leucine Non Non Oui Oui
Éthionine Non Non Oui Non
Cystéine Non Non Non Oui
Histidine Non Non Non Oui
Lysine Non Non Non Oui
Asparagine Non Non Non Oui
Pyrolysine Non Non Non Oui
Proline Non Non Oui Oui
Glutamine Non Non Non Oui
Arginine Non Non Non Oui
thréonine Non Non Oui Oui
Sélénocystéine Non Non Non Oui
Tryptophane Non Non Non Oui
Tyrosine Non Non Non Oui

Les références

Liens externes