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Experimentos de Miller

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Experimentos de Miller – O que foi

Em 1954, o cientista norte-americano Stanley L. Miller construiu um aparelho onde reuniu metano, amônia, hidrogênio e vapor de água, numa tentativa de recriar, em laboratório, as prováveis condições reinantes na atmosfera primitiva.

Imaginando que as descargas elétricas poderiam ter constituído uma fonte de energia capaz de promover o rompimento de ligações químicas das moléculas dos “gases primitivos”, Miller submeteu os gases, reunidos, a faíscas elétricas de alta intensidade.

Depois de algum tempo, observou o acúmulo de substâncias orgânicas numa determinada região do aparelho, entre as quais encontrou vários aminoácidos.

Pouco anos depois (1957), baseando-se nos experimentos de Miller, Sidney Fox, também norte-americano, aqueceu uma mistura seca de aminoácidos.

Fox partiu da suposição de que os compostos orgânicos caídos com as chuvas formavam massas secas sobre as rochas quentes, após a evaporação da água.

Ao final de sua experiência constatou a presença de proteinóides (moléculas de natureza protéica constituídas por alguns poucos aminoácidos), numa evidência de que os aminoácidos teriam se unido através de ligações peptídica, numa síntese por desidratação.

Melvin Calvin, outro cientista norte-americano, realizou experiências semelhantes à de Miller, bombardeando os gases primitivos com radiações altamente energéticas e obteve, entre outros, compostos orgânicos do tipo carboidrato.

Todas essas experiências demonstraram a possibilidade da formação de compostos orgânicos antes do surgimentos de vida na Terra.

Isso veio favorecer a hipótese heterotrófica, uma vez que a existência prévia de matéria orgânica é um requisito básico não só para a alimentação dos primeiros heterótrofos, como também para sua própria formação.

Experimentos de Miller – Origem da vida

Na década de 1950, os cientistas foram em perseguição da origem da vida.

Em todo o mundo, a comunidade científica estava examinando o tipo de ambiente que seria necessário para permitir o início da vida.

Em 1953, Stanley L. Miller e Harold Urey C., trabalhando na Universidade de Chicago, realizaram uma experiência que iria mudar a abordagem de investigação científica sobre a origem da vida.

Experimento de Miller: elaborou um aparelho que simulava as condições primitivas do planeta; comprovando o surgimento espontâneo de compostos orgânicos a partir da mistura de gases proposta por Oparin.

Hipótese Heterotrófica: Acreditava que os primeiros organismos eram estruturalmente muito simples, e é de se supor que as reações químicas em suas células também o fossem. Eles viviam em uma ambiente aquático, rico em substâncias nutritivas, mas não havia oxigênio na atmosfera, nem dissolvido na água dos mares.

Nessas condições, é possível supor que, tendo alimento abundante ao seu redor, esses primeiros seres teriam utilizado esse alimento já pronto como fonte de energia e matéria prima.

Hipótese Autotrófica: tende a substituir a Hipótese Heterotrófica.

A principal evidência a favor dessa hipótese foi a descoberta das bactérias quimiolitoautotróficas que utilizam a energia liberada por reações químicas entre componentes inorgânicos da crosta terrestre para fabricar suas próprias substâncias alimentares.

QUÍMICA DA VIDA NA TERRA

Antigamente, acreditava-se que as bactérias nasciam espontaneamente de seres não vivos, o que mais tarde foi provado ser errado por Pasteur com a sua famosa experiência com uma retorta.

Ironicamente hoje compreendemos que a primeira vida na Terra foi na realidade originada em ambientes abióticos. De fato, moléculas orgânicas foram geradas com sucesso de elementos abióticos pelos cientista Miller e Urey.

A evolução da vida química abiótica segue quatro etapas principais:

1. A síntese abiótica e acumulação de moléculas orgânicas ou monômeros como os aminoácidos e nucleótidos.
2. A junção de monômeros em polímeros íncluindo proteínas e ácidos nucleicos.
3. A agregação de moléculas produzidas abioticamente em dropletos, protobiontes que tinham característica químicas diferentes do seu meio.
4. Origem da hereditariedade.

Para compreender como ocorreu esta criação de vida a partir de material abiótico temos de considerar duas idéias muito importantes:

1. A extensão da idéia de seleção natural para nível químico.

2. A compreensão de que o estado do mundo primitivo quanto a vida primitiva apareceu devia ser muito diferente do presente:

a) Atmosfera não oxidante: o presente nível de oxigênio que se começou a acumular há cerca de dois bilhões anos atrás com a presença de cianobactérias, deveria ter sido mortal para o organismo primitivo.
b)
 Recursos abundantes produzidos não biologicamente.
c)
 Uma grande escala de tempo muito elevada.

Experimentos de Miller
Explosão Molecular

Experimentos de Miller
DNA

A experiência de Miller: síntese abiótica de moléculas orgânicas

Já na primeira metade deste século foram realizados algumas tentativas de simulação laboratorial do ambiente da terra primitiva, todavia os resultados não foram em geral encorajadores.

Em princípios da década de cinquenta, Harold Urey, que estudava então as atmosferas redutoras, estava também fortemente convencido, tal como Oparin, de que a atmosfera gasosa terrestre primitiva era fortemente redutora e continha essencialmente metano, hidrogênio, amoníaco e vapor de água.

Foi a partir desta mistura que Stanley Miller, então joven colaborador, montou um dispositivo idêntico ao representado na figura ao lado e simulou nele algumas condições que se admitia, segundo o modelo de Oparin-Haldane, terem existido na atmosfera primitiva.

Miller, com a mistura de metano, amoníaco, vapor de água e hidrogénio que preparou, simulava a atmosfera primitiva terrestre submetendo-a a descargas eléctricas de alta vontagem.

A ideia básica desta experiência era fornecer energia a essa mistura gasosa e verificar se se produziam moléculas orgânicas.

Os gases, depois de terem sido submetidos a descargas eléctricas na ampola, passam ao longo de um condensador onde eram refrigerados, formando-se uma solução na qual são possíveis outras reações.

Como algumas fontes de energia tendem a destruir as moléculas formadas, os investigadores, fazendo circular os gases, retiram as moléculas produzidas da fonte de energia, evitando assim a sua destruição.

Depois de uma série de descargas eléctricas, o líquido, inicialmente incolor, passou a um castanho-alaranjado, o que mostra que possivelmente novas moléculas se haviam formado.

Miller, empregando uma técnica analítica de cromatografia em papel, analisou a composição da mistura verificando que se tinha produzido grande número de compostos orgânicos, entre as quais vários aminoácidos e outros moléculas básicas da vida.

Algumas pistas moleculares da origem da vida na terra:

As moléculas de organismos vivos são ricas em compostos de hidrogênio e carbono. Isto sugere que existia pouco ou nenhum oxigênio molecular na Terra primitiva.

Todos os aminoácidos existem tanto no estado destrógino e no estado levógino. Contudo só 20 aminoácidos da variedade levógino são usados pelos organismos vivos em proteínas. Tal sugere que houve uma única origem da vida.

DNA e RNA são a base universal de todas as formas de vida da terra.

Em qualquer célula, os primeiros passos do metabolismo de carbohidratos sugere uma mesma origem.

Conduzindo Experimentos Miller-Urey

A natureza das origens da vida na Terra continua sendo uma das questões científicas mais inescrutáveis.

Na década de 1920, o biólogo russo Alexander Oparin e o biólogo evolucionista britânico e geneticista John Haldane propuseram o conceito de uma “sopa primordial”, descrevendo os oceanos terrestres primitivos contendo compostos orgânicos que podem ter facilitado a evolução química.

No entanto, só na década de 1950 os químicos começaram a conduzir estudos de laboratório deliberados com o objetivo de compreender como as moléculas orgânicas poderiam ter sido sintetizadas a partir de materiais iniciais simples na Terra primitiva.

Um dos primeiros relatos com esse fim foi a síntese de ácido fórmico a partir da irradiação de soluções aquosas de CO2 em 1951.

Em 1952, Stanley Miller, então estudante graduado na Universidade de Chicago, abordou Harold Urey sobre fazer um experimento para avaliar a possibilidade de que compostos orgânicos importantes para a origem da vida pudessem ter sido formados abiologicamente na Terra primitiva.

O experimento foi conduzido usando um aparelho de vidro customizado (Figura abaixo) projetado para simular a Terra primitiva.

O experimento de Miller imitou um raio pela ação de uma descarga elétrica em uma mistura de gases representando a atmosfera primitiva, na presença de um reservatório de água líquida, representando os oceanos primitivos. O aparelho também simulou evaporação e precipitação por meio de manta de aquecimento e condensador, respectivamente.

Detalhes específicos sobre o aparelho que Miller usou podem ser encontrados em outro lugar. Após uma semana de faíscas, o conteúdo do frasco estava visivelmente transformado. A água ficou turva, com coloração avermelhada e material amarelo-acastanhado nos eletrodos. Este trabalho inovador é considerado a primeira síntese deliberada e eficiente de biomoléculas sob condições simuladas da Terra primitiva.

O aparelho clássico usado para o experimento Miller-Urey original (A) e
o aparelho simplificado usado no protocolo descrito aqui (B)

Após a publicação dos resultados do experimento clássico de Miller em 1953, numerosas variações do experimento de descarga de faísca, por exemplo usando outras misturas de gases, foram realizadas para explorar a plausibilidade de produzir compostos orgânicos importantes para a vida sob uma variedade de possíveis condições primitivas da Terra.

Por exemplo, uma mistura de gás CH4/H2O/NH3/H2S foi testada quanto à sua capacidade de produzir os a-aminoácidos contendo enxofre codificados, embora estes não tenham sido detectados.

A análise por cromatografia gasosa-espectrometria de massa (GC-MS) de uma mistura CH4/NH3 submetida a uma descarga elétrica mostrou a síntese de a-aminonitrilas, que são precursores de aminoácidos.

Em 1972, usando um aparelho mais simples, introduzido pela primeira vez por Oró, Miller e colegas demonstraram a síntese de todos os a-aminoácidos codificados e aminoácidos não proteicos que haviam sido identificados no meteorito de Murchison até o momento, submetendo CH4, N2 e pequenas quantidades de NH3 a uma descarga elétrica.

Posteriormente, usando este mesmo projeto experimental simplificado, misturas de gases contendo H2O, N2 e CH4, CO2 ou CO foram acionadas para estudar o rendimento de cianeto de hidrogênio, formaldeído e aminoácidos em função do estado de oxidação das espécies de carbono atmosféricas.

Além da exploração de projetos experimentais alternativos ao longo dos anos, avanços analíticos significativos ocorreram desde o experimento clássico de Miller, que recentemente ajudou mais investigações de sondagem de amostras experimentais de descarga elétrica arquivadas por Miller, do que teria sido facilitado pelas técnicas às quais Miller teve acesso na década de 1950.

O experimento vulcânico de Miller, relatado pela primeira vez em 1955, e um experimento contendo H2S de 1958 mostraram ter formado uma variedade maior e maior abundância de numerosos aminoácidos e aminas do que o experimento clássico, incluindo muitos dos quais não haviam sido identificados anteriormente em experimentos de descarga de faísca.

O experimento descrito neste artigo pode ser conduzido usando uma variedade de misturas de gases. Normalmente, no mínimo, tais experimentos conterão um gás portador de C, um gás portador de N e água.

Com algum planejamento, quase qualquer mistura de gases pode ser explorada, no entanto, é importante considerar alguns aspectos químicos do sistema.

Por exemplo, o pH da fase aquosa pode ter um impacto significativo na química que ocorre lá.

O método descrito aqui foi adaptado para instruir os pesquisadores como conduzir experimentos de descarga de faísca que se assemelham ao experimento Miller-Urey usando um vaso de reação simplificado de 3 L, conforme descrito nas publicações de Miller de 1972. Uma vez que este experimento envolve um arco elétrico de alta tensão atuando em gases inflamáveis, é crucial remover o O2 do frasco de reação para eliminar o risco de explosão, que pode ocorrer durante a combustão de gases contendo carbono reduzido, como metano ou monóxido de carbono, ou reação de H2 com oxigênio.

Há detalhes adicionais que devem ser mantidos em mente ao se preparar para conduzir o experimento discutido aqui.

Primeiro, sempre que trabalhar com linhas de vácuo de vidro e gases pressurizados, existe o perigo inerente de implosão e sobrepressão. Portanto, óculos de segurança devem ser usados o tempo todo.

Em segundo lugar, o experimento é normalmente conduzido a menos que a pressão atmosférica.

Isso minimiza o risco de sobrepressão do coletor e do frasco de reação. A vidraria pode ser avaliada na pressão atmosférica ou acima dela; no entanto, pressões acima de 1 atm não são recomendadas.

As pressões podem aumentar nesses experimentos à medida que o H2 insolúvel em água é liberado de gases reduzidos (como CH4 e NH3).

A sobrepressão pode levar ao vazamento do selo, o que pode permitir que o O2 atmosférico entre no frasco de reação, tornando possível induzir a combustão, resultando em uma explosão.

Terceiro, deve-se ter em mente que a modificação deste protocolo para conduzir variações do experimento requer um planejamento cuidadoso para garantir que não sejam criadas condições inseguras.

Quarto, é altamente recomendável que o pesquisador em potencial leia todo o protocolo cuidadosamente várias vezes antes de tentar este experimento para ter certeza de que está familiarizado com as armadilhas em potencial e que todo o hardware necessário está disponível e no lugar.

Por último, a realização de experimentos envolvendo gases combustíveis exige conformidade com as diretrizes do departamento de Saúde e Segurança Ambiental da instituição anfitriã do experimentador.

Observe essas recomendações antes de prosseguir com os experimentos.

Todas as etapas detalhadas no protocolo aqui estão em conformidade com as diretrizes institucionais de saúde e segurança ambientais dos autores.

Fonte: origemdavida.vpg.com.br/www.biomania.com/www.if.ufrj.br/www.ncbi.nlm.nih.gov

 

 

 

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