Un dels experiments més importants del segle XX

Stanley Miller i l'origen de la química prebiòtica

per Jeffrey L. Bada

L'experiència de Miller la teniu al minut 47:30. Són uns pocs minuts, però quins minuts.... La resta del capítol és increïble i us recomane veure'l. Un dels documentals de Biologia que més m'ha agradat en els molts anys que impartisc classes i això que ja tens anys i Carl Sagan ja fa molts anys que ja no està entre nosaltres

A la tardor de 1952, un professor i premi Nobel de seixanta anys, Harold C. Urey, i un estudiant de postgrau de 22, Stanley L. Miller, es van asseure en un despatx del Departament de Química de la Universitat de Chicago per discutir com podrien simular les condicions i reaccions que van produir els compostos orgànics de la Terra primitiva. Una conferència d'Urey a la tardor de 1951 va estimular l'interès de Miller per una qüestió que durant molt de temps s'havia considerat inextricable: com es va originar la vida a la Terra a partir de matèria inanimada. Després d'esperar quasi un any, Miller va aconseguir finalment reunir el valor per a acostar-se a Urey i preguntar-li sobre la possibilitat de realitzar un experiment per verificar les idees d'Urey sobre la creació dels compostos orgànics en la Terra primerenca. Després d'una certa vacil·lació, Urey va accedir a permetre a Miller dur a terme l'experiment, sempre que obtinguera resultats en sis mesos que suggeriren que valia la pena continuar-lo. El problema que ocupava la seua atenció en la reunió de 1952 era com crear un experiment que poguera demostrar com es podrien haver produït alguns dels compostos orgànics essencials que es pensa que van ser importants per a l'origen de la vida (Bada i Lazcano, 2012).

MODELANT LA TERRA PRIMIGÈNIA AL LABORATORI

Urey i Miller van reconèixer que en els processos químics generals que ocorren en la superfície de la Terra participaven tres components generals: l'energia, l'atmosfera i els oceans. Però, com es podria simular la interacció d'aquests components en un experiment de laboratori? Es pensava que es podien utilitzar diversos tipus d'energia, incloent-hi la radiació còsmica i ultraviolada, la desintegració radioactiva, la calor i les descàrregues elèctriques. Es van adonar que un problema amb l'ús de la radiació i la calor com a fonts d'energia era que resultaven massa energètiques i probablement destruirien qualsevol compost orgànic al mateix ritme que se sintetitzaven. Per tant, van decidir centrar-se en les descàrregues elèctriques com a font d'energia per al seu experiment. 

Els químics havien estat experimentant amb espurnes elèctriques en mescles de gasos des del treball pioner de Lord Cavendish en el segle xviii, que va demostrar que l'acció d'una descàrrega elèctrica resultava en la producció d'àcid nitrós (Cavendish, 1788). Durant el segle xix es va produir una investigació extensa de la síntesi de compostos orgànics simples usant una varietat de condicions. El 1913 Walther Löb va aconseguir sintetitzar un aminoàcid simple, la glicina, mitjançant l'exposició de formamida humida a una descàrrega elèctrica silenciosa i a llum ultraviolada (Löb, 1913). No obstant això, sembla que ningú havia pensat de quina manera podrien relacionar-se aquests experiments amb la síntesi prebiòtica (abans de la biologia) i l'origen de la vida. 

Probablement les descàrregues elèctriques eren comunes en les etapes primerenques de la Terra. L'atmosfera devia estar sotmesa a una gran quantitat de raigs amb efecte corona. Els raigs també devien estar associats amb les erupcions volcàniques, que també van ser comunes en la Terra primitiva. Al laboratori, amb una simple bobina comercial de Tesla es pot reproduir fàcilment una descàrrega que simule aquests processos. 

A la Terra moderna, una de les principals característiques de la interacció atmosfera-oceà és l'evaporació de l'aigua i la condensació en l'atmosfera en forma de precipitació. A la Terra actual la precipitació que cau al continent torna als oceans mitjançant les aportacions dels rius. En una mitjana global, els rius descarreguen aproximadament 4,2 × 10¹⁶ litres per any en els oceans (Fekete, Vörörsmarty i Grabs, 2002). Com que els oceans de la Terra contenen 1,3 × 10²¹litres d'aigua, això vol dir que l'aportació d'aigua dels rius és la de la totalitat dels oceans en només uns 30.000 anys. 

A la Terra primerenca probablement hi havia menys continents de grans dimensions i les úniques àrees de terra exposades sobre l'oceà eren illes relativament petites. Per tant, l'aportació d'aigua fluvial no podria haver estat un component important del cicle de l'aigua. Més aviat la forma dominant perquè l'aigua que s'evaporava de l'oceà hi tornara devia ser la precipitació directa sobre la seua superfície. 

Per a modelar aquests processos generals Urey i Miller van dissenyar un aparell de vidre que incloïa un matràs d'aigua connectat a un altre matràs més gran amb elèctrodes que proporcionaven energia per descàrrega elèctrica (figura 1). El matràs d'aigua es podia escalfar per replicar l'evaporació. També hi havia un altre connector entre els dos matrassos en què un condensador actuava sobre l'aigua en estat gasós i la tornava al matràs d'aigua, simulant la precipitació. L'aparell es va evacuar primer per eliminar qualsevol traça d'aire (l'oxigen podia provocar una explosió) i després se li va afegir una mescla de gasos. Urey suggeria que l'atmosfera primitiva estava composta de gasos reductors com l'hidrogen, el metà i l'amoníac. Per tant, quan es van realitzar els primers experiments, es va utilitzar aquesta mescla de gasos. 

EL NAIXEMENT DE LA QUÍMICA PREBIÒTICA

Els primers resultats van ser espectaculars! Poc després que començara la descàrrega entre els elèctrodes gràcies a la bobina de Tesla, les superfícies del vidre i l'aigua de l'aparell es van tornar marrons (figura 1). Després de sis dies, tot estava cobert d'un material fosc i viscós d'aspecte oliós. Òbviament, s'havia produït algun tipus de reacció química. Miller va interrompre de seguida l'experiment per a determinar quins gasos quedaven en el matràs. A més dels gasos inicials, hidrogen, metà i amoníac, després de la descàrrega hi havia monòxid de carboni i nitrogen. Basant-se en les quantitats finals de metà més monòxid de carboni i en les quantitats inicials de metà, Miller va estimar que un 50-60 % del carboni present originàriament com a metà s'havia convertit en compostos orgànics, la immensa majoria dels quals eren materials polimèrics complexos (Miller, 1955). 

Tot seguit, Miller va analitzar la solució aquosa i va realitzar alguns tests senzills per detectar alguns compostos orgànics específics. Va detectar-hi aminoàcids com la glicina, l'alanina, β-alanina i l'àcid α-aminobutíric, així com àcid fòrmic, àcid glicòlic, àcid làctic, àcid acètic i àcid propiònic. L'experiment va ser, per tant, el primer a demostrar que els compostos orgànics associats amb la bioquímica es podien simular sota les condicions possibles de la Terra primigènia. El primer article es va publicar en Science el 15 de maig de 1953 (Miller, 1953). Els mitjans de comunicació es van fer eco de la publicació i Miller es va fer mundialment famós¹. Acabava de complir 23 anys. Resulta interessant d'aquesta reconeguda publicació que Miller hi apareguera com l'únic autor. Urey li va dir a Miller quan es va presentar el document que volia que fóra l'únic autor. Pensava que, si apareixia com a coautor, tothom li atorgaria a ell tot el crèdit. 

Miller es va disposar llavors a caracteritzar millor els diferents compostos sintetitzats en l'experiment. Va provar altres variacions del disseny original de l'aparell, així com diferents quantitats relatives de gasos. En total, Miller va informar de més de 20 compostos diferents sintetitzats en l'experiment. Miller també es va adonar que l'aminoàcid es formava per la síntesi de Strecker, coneguda des de feia cent anys (Strecker, 1850). En aquesta síntesi es formen reactius com el cianur d'hidrogen (HCN), els aldehids i les cetones en la descàrrega elèctrica. Aquests, en dissoldre's en aigua en presència d'amoníac, reaccionen i produeixen aminoàcids (després d'un parell de passos intermedis). El mateix procés va sintetitzar els hidroxiàcids detectats per Miller. Tot seguit es mostren les seqüències de reacció: 

HCN + Aldehids/Cetones + NH₃ → aminoàcids

HCN + Aldehids/Cetones → hidroxiàcids

Per provar si aquesta seqüència de reacció explicava alguns dels compostos detectats per Miller, va realitzar noves anàlisis de la solució d'aigua (Miller, 1957). Va descobrir que, després de realitzar l'experiment durant 25 hores, el HCN era present en una concentració d'aproximadament 40 μM, els aldehids en 1 μM i el total d'aminoàcids arribava a uns 2 μM. Aquests components no s'havien pogut detectar al principi de l'experiment. A més, la concentració d'amoníac havia disminuït constantment durant l'experiment. Això va proporcionar proves clares que la síntesi de Strecker era, en efecte, el mecanisme per a la síntesi dels aminoàcids en l'experiment. Altres compostos detectats per Miller, com la urea, es podien sintetitzar senzillament a partir d'amoni i cianat (format en la descàrrega elèctrica), una reacció descoberta per Friedrich Wöhler el 1828 (Wöhler, 1828).