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Miller-Urey-Experiment
Stanley Lloyd Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago Umweltbedingungen, wie sie nach damaligem …
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Ziel und Versuchsaufbau
Das Miller-Urey-Experiment untersuchte 1953, ob unter damals angenommenen Bedingungen der frühen Erde organische Verbindungen entstehen können. Stanley Lloyd Miller und Harold Clayton Urey simulierten dafür mögliche Umweltbedingungen des späten Hadaikums. Das Experiment sollte die Hypothese stützen, dass chemische Evolution – die Bildung organischer Stoffe vor dem Leben – eine Voraussetzung für primitive einzellige Lebensformen gewesen sein könnte.
Ein Gasgemisch aus Wasser (H₂O), Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃) und Wasserstoff (H₂) wurde elektrischen Entladungen ausgesetzt. Diese Lichtbögen sollten Gewitterblitze nachbilden und die Gasmoleküle in besonders reaktive freie Radikale aufspalten. Freier Sauerstoff (O₂) durfte nicht enthalten sein.
Die Apparatur stellte den Wasserkreislauf vereinfacht dar: Wasser wurde im unteren Kolben als „Urmeer“ erhitzt und verdampfte. In der „Uratmosphäre“ reagierten die Gase durch die simulierten Blitze. Ein Kühler kondensierte den Wasserdampf zu „Regen“, der die entstandenen Stoffe zurück in den unteren Kolben transportierte. Dort sammelten sich die organischen Moleküle an. Nach einem Tag war das Wasser schwachviolett, nach einer Woche entstand eine tiefrote, trübe Suspension. Das Gemisch wurde mit Quecksilber(II)-chlorid (HgCl₂) und Bariumhydroxid (Ba(OH)₂) aufbereitet und mit Papierchromatographie untersucht.
Entstandene Stoffe und Bedeutung der Ergebnisse
Aus einer Ausgangsmenge von 59.000 μmol Methan entstanden verschiedene organische Verbindungen. Dazu gehörten Ameisensäure mit 2330 μmol, Glycin mit 630 μmol, Glycolsäure mit 560 μmol, Alanin mit 340 μmol und Milchsäure mit 310 μmol. Weitere Produkte waren unter anderem β-Alanin, Essigsäure, Propionsäure, Sarcosin, Bernsteinsäure, Harnstoff sowie geringe Mengen an Glutaminsäure und Asparaginsäure.
Die Summe der gebildeten Stoffe betrug 4916 μmol; darin waren insgesamt 8945 μmol Kohlenstoffatome enthalten. Als proteinogene Aminosäuren, also Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen, wurden Glycin, Alanin, Glutaminsäure und Asparaginsäure nachgewiesen. Insgesamt wurden 18 % der Methanmoleküle in Biomoleküle umgewandelt; aus dem übrigen Anteil entstand eine teerartige Masse.
Das Experiment wurde seit 1953 in vielen Varianten wiederholt und lieferte vergleichbare Ergebnisse. Es gilt daher als Hinweis darauf, dass organische Moleküle in der frühen Erdatmosphäre in nicht zu vernachlässigender Menge entstehen konnten. Untersuchungen der Originalgefäße im Jahr 2008 fanden außerdem acht weitere, meist hydroxylierte Aminosäuren, die mit den Analysemethoden der 1950er-Jahre nicht erkannt worden waren. Das Experiment zeigt jedoch nicht, wie sich die Moleküle zu großen Strukturen verbinden konnten.
Reaktionswege zur Bildung von Amino- und Hydroxysäuren
Als erste Zwischenprodukte entstehen Aldehyde, Verbindungen der Form R–CHO, und Blausäure beziehungsweise Cyanwasserstoff (HCN). In einer mehrstufigen Reaktion können Aldehyde mit Blausäure und Wasser zu Aminosäuren reagieren; Ammoniak wirkt dabei als Katalysator, also als Stoff, der eine Reaktion ermöglicht oder beschleunigt.
Die Summengleichung lautet:
R–CHO + HCN + H₂O → H₂N–CHR–COOH
Aus Methanal (HCHO) entsteht so Glycin, aus Ethanal (CH₃–CHO) Alanin.
Aldehyde können außerdem mit Blausäure und Wasser α-Hydroxysäuren bilden:
R–CHO + HCN + 2 H₂O → HO–CHR–COOH + NH₃
Dabei entsteht aus Methanal Glycolsäure, aus Ethanal Milchsäure und aus Propanal (CH₃–CH₂–CHO) α-Hydroxybuttersäure.
Varianten und weitere präbiotische Experimente
Bei Veränderungen der Versuchsbedingungen konnten andere Ausgangsstoffe und Energiequellen verwendet werden. Als Kohlenstoffquelle kamen Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid infrage, als Stickstoffquelle molekularer Stickstoff (N₂). Statt elektrischer Entladungen konnten UV-Licht und Feuer als Hitzequelle dienen.
Das Miller-Experiment regte weitere Untersuchungen an. Joan Oró zeigte 1961, dass die Nukleinbase Adenin aus Blausäure und Ammoniak in wässriger Lösung entstehen kann. Dabei wurden große Mengen Adenin gebildet; ein Adeninmolekül besteht dabei aus fünf Molekülen Blausäure. Unter diesen Bedingungen entstanden auch viele Aminosäuren. Spätere Experimente zeigten, dass auch die übrigen Nukleinbasen von RNA und DNA durch simulierte präbiotische Chemie in einer reduzierenden Atmosphäre entstehen können.
Grenzen und Kritik
Das Experiment erklärt nicht alle Eigenschaften des Lebens. Die Aminosäuren entstehen als 1:1-Racematgemische, also als gleich große Mengen zweier spiegelbildlicher Formen. In Organismen kommen dagegen überwiegend L-Aminosäuren vor. Mineralien als Katalysatoren könnten dieses Problem lösen, wurden von Miller aber nicht eingesetzt.
Neben biologisch genutzten Aminosäuren entstanden auch Stoffe, die in heutigen Organismen nicht vorkommen, beispielsweise β-Alanin und Sarcosin. Das Fehlen solcher Verbindungen in heutigen Organismen könnte durch Selektion während der Evolution der Stoffwechselwege erklärt werden.
Die Ergebnisse des Experiments sind reproduzierbar. Es gibt jedoch ernste Zweifel daran, ob die simulierten Bedingungen für die frühe Erde realistisch waren. Günter Wächtershäuser kritisierte die Theorie einer präbiotischen „Ursuppe“ als unlogisch, mit der Thermodynamik unvereinbar sowie chemisch, geochemisch und biologisch nicht plausibel. Auch andere Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die Bedingungen der frühen Erde nicht den im Experiment nachgestellten Bedingungen entsprachen.
