ミラー・ユーリー実験

ミラー・ユーリー実験[ ^{1 ]}またはミラー実験^{[ 2 ]}は、 1952年に行われた化学合成実験で、当時初期^の生命誕生以前の地球の大気中に存在すると考えられていた条件をシミュレートしたものです。これは、生命の起源シナリオにおいて無機成分から有機化合物を合成することを実証した最初の成功した実験の1つと見なされています。この実験では、メタン（CH4 _）、アンモニア（NH3 _）、水素（H2 _）を2:2:1の比率で^{[ 3 ]} 、水（H2O _{）を使用しました。電気アーク（雷をシミュレート）を適用した結果、}アミノ酸が生成されました。

これは画期的な実験であり、生命の起源（生命発生）を研究する古典的な実験とみなされている。1952年にスタンリー・ミラーがシカゴ大学でノーベル賞受賞者のハロルド・ユーリーの指導の下で実施し、翌年に発表された。当時、この実験は、原始地球の環境条件が、より単純な無機前駆体から複雑な有機化合物を合成する化学反応に有利であったというアレクサンダー・オパーリンとJBSホールデンの仮説を支持するものであった。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

2007年にミラーが亡くなった後、科学者たちは元の実験から保存されていた密封バイアルを調べたところ、ミラーがペーパークロマトグラフィーで報告したよりも多くのアミノ酸が元の実験で生成されたことがわかった。^{[ 6 ]}地球の生命誕生以前の大気は、ミラーの実験で使用されたガスとは異なる組成であった可能性を示唆する証拠がある一方で、生命誕生以前の実験では、さまざまな条件下でアミノ酸を含む単純なものから複雑なものまでの有機化合物のラセミ混合物が生成され続けている。 ^{[ 7 ]}さらに、研究者たちは、ミラー・ユーリー合成に適した一時的な水素に富む大気が、初期の地球への大きな小惑星の衝突後に発生したであろうことを示している。^{[ 8 ] [ 9 ]}

1952年のオリジナルの実験では、メタン（CH₄ _）、アンモニア（NH₃ _）、水素（H₂）を₂ :2:1の比率（H₂が1）で、滅菌済みの5Lガラスフラスコ内に封入し、その_{フラスコを水（ H₂O} ）が半分入った500mLフラスコに接続した。ガス室は地球の生命誕生以前の大気を、水は海洋を模擬したものであった。小さい方のフラスコ内の水を沸騰させ、水蒸気をガス室に送り込み、「大気」と混合させた。大きい方のフラスコ内の電極間で連続的に電気火花を放電させた。火花はガスと水蒸気の混合物を通過し、雷を模擬した。ガス室の下にある凝縮器により水溶液が装置底部のU字型トラップに蓄積され、そこからサンプルを採取した。

1日後、トラップに溜まった溶液はピンク色になり、1週間連続運転した後、溶液は濃い赤色で濁った。ミラーはこれをコロイドシリカに吸着した有機物によるものとした。^{[ 3 ]}その後、沸騰フラスコを取り外し、微生物汚染を防ぐために塩化第二水銀（毒物）を加えた。水酸化バリウムと硫酸を加えて反応を停止し、不純物を取り除くために蒸発させた。ペーパークロマトグラフィーを用いて、ミラーは溶液中に存在する5つのアミノ酸を特定した。グリシン、α-アラニン、β-アラニンは確実に同定されたが、アスパラギン酸とα-アミノ酪酸（AABA）はスポットが薄いため確実ではなかった。^{[ 3 ]}

2017年時点では、元の実験で使用された材料とサンプルは、ミラーの元教え子で、カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所の教授であり、生命の起源に関する研究も行っているジェフリー・バダの管理下に置かれていた。^{[ 27 ]} 2013年現在実験に使用された装置はデンバー自然科学博物館に展示されていた。^{[ 28 ]}

1957年、ミラーは実験内で起こる化学反応を記述した研究を発表した。^{[ 29 ]}実験の初期段階で放電により、中間体としてシアン化水素（HCN）とアルデヒド（例えばホルムアルデヒド）が生成されることが実証された。 ^{[ 29 ]}これは、大気化学に関する現在の理解と一致しており、HCNは一般的に、CH4と窒素が紫外線（UV）の下で分解するときに大気中で発生する反応性ラジカル種から生成される可能性がある_。[ 30 ]同様に^{、アルデヒドは}_{、 CH4}とH2O_{の分解によって生じるラジカルや}メタノールなどの他の中間体から大気中で生成される可能性がある。^{[ 31 ]惑星大気中のいくつかのエネルギー源は、雷[ 32 ]}、紫外線^{[ 30} ]、銀河宇宙線^{[ 33 ]}など、これらの解離反応とそれに続くシアン化水素またはアルデヒドの生成を誘発する可能性^がある。

例えば、ミラー・ユーリー雰囲気中の物質の光化学反応でホルムアルデヒドを生成するものを以下に示します。 ^{[ 31 ]}

H₂O + hv → H + ^OH _[ ^{34 ]}

CH ₄ + OH → CH ₃ + HOH ^{[ 35 ]}

CH ₃ + OH → CH ₃ OH ^{[ 36 ]}

CH ₃ OH + hv → CH ₂ O (ホルムアルデヒド) + H ₂ ^{[ 37 ]}

_{NH 3}と CH ₄から HCN への光化学経路は次のとおりです。^{[ 39 ]}

NH₃ + hv → _NH₂ + _H

NH₂ + _CH₄ → _NH₃ + _CH₃​

NH₂ + _CH₃ → _CH₅N​​

CH₅N + hv → HCN _{+ 2H₂}

ミラー・ユーリー型実験の水溶液中では、他の活性中間化合物（アセチレン、シアノアセチレンなど）が検出されているが、 ^{[ 40 ]} HCNとアルデヒドの即時生成、HCNとアルデヒド濃度のプラトーに伴うアミノ酸の生成、およびHCNとアルデヒドの枯渇中のアミノ酸生成速度の低下は、水溶液中でストレッカーアミノ酸合成が起こっているという強力な証拠となった。 ^{[ 29 ]}

ストレッカー合成とは、アルデヒド、アンモニア、およびシアン化水素（HCN）がアミノアセトニトリル中間体を経て単純なアミノ酸を生成する反応である。

CH ₂ O + HCN + NH ₃ → NH ₂ -CH ₂ -CN (アミノアセトニトリル) + H ₂ O

NH ₂ -CH ₂ -CN + 2H ₂ O → NH ₃ + NH ₂ -CH ₂ -COOH (グリシン)

さらに、水とホルムアルデヒドはブトレロフ反応によってリボースなどの様々な糖を生成することができる。^{[ 41 ]}

実験の結果、タンパク質やその他の高分子の構成要素を含む単純な有機化合物は、エネルギーを加えることで気体から非生物的に生成できることが示された。

前生物大気の正確な組成を制約する地球化学的観測は不足しているが、最近のモデルは初期の「弱還元性」大気を示唆している。つまり、初期の地球大気は、元のミラー・ユーリー実験で使用されたCH ₄とNH ₃ではなく、 CO ₂とN ₂が支配的であった可能性が高い。^{[ 59 ] [ 60 ]}これは、火山ガスの化学組成によって部分的に説明される。地質学者のウィリアム・ルービーは、現代の火山から放出されるガスに関するデータを最初に収集した人物の一人であり、それらは CO ₂、 H ₂ O、そしておそらく N _{2を豊富に含み、H 2}、二酸化硫黄(SO ₂ )、および H ₂ Sの量は様々であると結論付けた。 ^{[ 60 ] [ 61 ]}したがって、地球のマントルの酸化還元状態(これはガス放出の組成を決定する)が形成以来一定であったとすれば、初期の地球の大気は弱く還元的であった可能性が高いが、最初の数億年間はより還元的な大気であったという議論もある。^{[ 60 ]}

前生物大気はミラー・ユーリー大気とは異なる酸化還元状態であった可能性があるが、上記のセクションで説明した修正ミラー・ユーリー実験は、特定の地球化学的条件下では、還元性の低い大気でも非生物的にアミノ酸を生成できることを示した。^{[ 7 ] [ 53 ] [ 54 ]}さらに、「衝突後」の還元性大気というユーリーの元の仮説に立ち返り、 ^{[ 23 ]最近の大気モデリング研究では、4×10 20}～5×10 ²¹ kg程度の最小質量を持つ鉄に富む衝突体があれば、前生物大気全体を一時的に還元し、数百万年にわたって持続するミラー・ユーリー型のH ₂ -、CH ₄ -、NH _{3 -}が優勢な大気をもたらすことが示された。^{[ 9 ]}これまでの研究では、月のクレーターの記録と地球のマントルの組成から、冥王代の地球には4～7個のそのような衝突体が到達したと推定されている。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 62 ]}

初期地球大気の酸化還元収支を制御する大きな要因は、地球形成後のH _2の大気散逸率である。大気散逸は、若い岩石惑星に共通する現象で、大気中のガスが重力エネルギーを克服するのに十分な運動エネルギーを持つときに起こる。^{[ 63 ]}水素散逸の時間スケールは十分に短く、H ₂は生命誕生前の地球の大気の 1% 未満を占めていたと一般的に考えられているが、^{[ 60 ]} 2005 年に水素散逸の流体力学モデルは、以前考えられていたよりも 2 桁低い散逸率を予測し、水素混合比を30% に維持した。^{[ 64 ]}水素が豊富な生命誕生前の大気は、冥王代と始生代のミラー・ユーリー合成に大きな影響を与えるが、その後の研究では、そのモデルの解が質量とエネルギーの保存則に違反している可能性があることが示唆されている。^{[ 63 ] [ 65 ]}とはいえ、流体力学的脱出の際、水素のような軽い分子は衝突によってより重い分子を「引きずり」、最近のキセノン脱出のモデリングでは、太古代には水素の大気混合比が少なくとも 1% 以上であった時期があったことが示されています。^{[ 66 ]}

総合すると、初期の地球の大気は弱還元性であり、大きな衝突の後には一時的に強い還元性組成が現れたという見解が概ね支持されている。^{[ 9 ] [ 23 ] [ 60 ]}

ミラー・ユーリー実験と同様の条件は太陽系の他の領域にも存在し、化学反応のエネルギー源として雷の代わりに紫外線が使われることが多い。 ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]} 1969年にオーストラリアのビクトリア州マーチソン近郊に落下したマーチソン隕石には、ミラー・ユーリー放電生成物と驚くほど類似したアミノ酸分布が含まれていることがわかった。^{[ 27 ]}フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析法によるマーチソン隕石の有機成分の分析では、10,000種類以上の固有の化合物が検出されたが、濃度は非常に低かった（ppb～ppm ） ^{[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}。このように、マーチソン隕石の有機組成は、地球外でのミラー・ユーリー合成の証拠と見なされている。

彗星やその他の氷質の外太陽系天体には、ミラー・ユーリー装置に似たプロセスによって形成された複雑な炭素化合物（ソリンなど）が大量に含まれており、これらの天体の表面を暗くしていると考えられている。^{[ 52 ] [ 73 ]}彗星が初期の地球に衝突した際に、水やその他の揮発性物質とともに複雑な有機分子が大量に供給された可能性があると主張する人もいるが、^{[ 74 ] [ 75 ]}生物学的に関連のある物質の濃度が非常に低いことと、衝突後の有機物の生存に関する不確実性から、これを判断するのは難しい。^{[ 15 ]}

ミラー・ユーリー実験は、生命の構成要素が気体から非生物的に合成できることを証明し、生命の起源を研究するための新しい前生物化学の枠組みを導入しました。最後の普遍的共通祖先（LUCA）、つまり今日存在するすべての種の最後の共通祖先に存在するタンパク質配列のシミュレーションは、ミラー・ユーリー化学によれば前生物環境で利用可能であった単純なアミノ酸の豊富さを示しています。^{[ 76 ]}これは、すべての生命が進化してきた遺伝暗号が、今日使用されているものよりも少ないアミノ酸群に根ざしていたことを示唆しています。^{[ 77 ] [ 78 ]}したがって、創造論者の議論は、ミラー・ユーリー実験が22種類の遺伝的にコード化されたアミノ酸すべてを生成していないという事実に焦点を当てていますが、^{[ 79 ]}これは実際には生命の起源に関する進化論的観点と矛盾しません。^{[ 80 ] [ 81 ]}

もう一つのよくある批判は、ミラー・ユーリー実験で生成されるアミノ酸のラセミ混合物（L体とD体の両方のエナンチオマーを含む）は生命発生説の典型例ではないという点である^{[ 79 ]。}なぜなら、今日の地球上の生命はほぼL-アミノ酸のみを使用しているからである^{[ 83 ]} 。ミラー・ユーリー装置がラセミ混合物を生成するのは事実であるが^{[ 84 ]} 、ホモキラリティの起源は生命の起源研究における別の分野である^{[ 85 ] 。}

最近の研究では、磁鉄鉱などの磁性鉱物表面が、キラル誘起スピン選択性（CISS）効果により、RNA前駆体を含むキラル分子の鏡像異性体選択的結晶化のテンプレートになり得ることが示されている。^{[ 86 ] [ 87 ]}鏡像異性体選択性バイアスが導入されると、ホモキラリティはさまざまな方法で生物系全体に伝播する可能性がある。^{[ 88 ]}このように、環境中の他の地球化学的プロセスがホモキラリティを導入する場合、ミラー・ユーリー反応の鏡像異性体選択的合成は必要ない。

最後に、ミラー・ユーリー実験や同様の実験は主にモノマーの合成を扱っており、これらの構成要素の重合によってペプチドやその他のより複雑な構造が形成されることが、生命誕生以前の化学スキームの次の段階である。^{[ 89 ]}重合には縮合反応が必要であり、縮合反応は水分子を排出するため、水溶液中では熱力学的に不利である。^{[ 90 ]} 1940年代後半のジョン・デズモンド・バーナル以来の科学者たちは、粘土表面がモノマーを濃縮する可能性があるため、生命誕生において大きな役割を果たすだろうと推測していた。^{[ 91 ]}湿潤乾燥サイクルにおける緑錆のような層状複水酸化物の層間など、鉱物媒介重合のそのようなモデルがいくつか出現している。 ^{[ 92 ]}疎水性の空気-水界面^{[ 90 ]}や、アミノ酸前駆体が集まってペプチドを形成する新しい「硫化物媒介α-アミノニトリル連結」スキーム^{[ 93 ]}など、水溶​​液と互換性のあるペプチド形成のシナリオがいくつか提案されている。生命の構成要素の重合は、生命前化学における活発な研究分野である。

以下は、1952 年に Miller によって分析され^{[ 3 ]}、最近では Bada と共同研究者によって最新の質量分析法で分析され [ 7 ]、 2008 年に火山放電実験のバイアルを再分析し^{[ 7 ] [ 55 ]} _{、2010 年に H 2 S リッチ放電実験のバイアルを再分析し}^{[ 7 ] [ 56 ]}、1952 年の「古典的な」実験で生成および同定されたアミノ酸の表です^。放電実験ではすべてのタンパク質構成アミノ酸が生成されたわけではありませんが、初期の生命はより単純な前生物的^{に利用可能なアミノ酸セットを使用していたこと}が一般的に受け入れられています。^{[ 77 ]}

• ミラー・ユーリー実験のウェブサイト、ミラー・ユーリー実験のシミュレーション、およびスタンリー・ミラーへのビデオインタビュー（CalSpace (UCSD) のスコット・エリスによる）
• 生命の起源化学の再考：有名な放電実験の再分析により、より多様なアミノ酸が形成されていたことが明らかになった。
• ミラー・ユーリー実験の説明
• ミラー氏がレゴブロックで実験
• PBSで放送された「スタンリー・ミラーの実験：生命の構成要素の解明」
• Cairns-Smith, AG (1966). 「生命の起源と原始遺伝子の性質」. Journal of Theoretical Biology . 10 (1): 53–88 . Bibcode : 1966JThBi..10...53C . doi : 10.1016/0022-5193(66)90178-0 . PMID 5964688 . 
• 2008年の再解析の詳細