THÍ NGHIỆM MILLER VÀ URÊ: MÔ TẢ VÀ TẦM QUAN TRỌNG - SINH HỌC - 2026

Các Miller và Urey thí nghiệm bao gồm việc sản xuất các phân tử hữu cơ sử dụng các phân tử vô cơ đơn giản như bắt đầu từ nguyên liệu dưới những điều kiện nhất định. Mục tiêu của thí nghiệm là tái tạo các điều kiện cổ xưa của hành tinh Trái đất.

Mục đích của trò giải trí này là để xác minh nguồn gốc có thể có của các phân tử sinh học. Thật vậy, mô phỏng đã đạt được việc sản xuất các phân tử - chẳng hạn như axit amin và axit nucleic - cần thiết cho các sinh vật sống.

Trước Miller và Urey: Quan điểm lịch sử

Giải thích về nguồn gốc của sự sống luôn là một chủ đề được tranh luận và tranh cãi gay gắt. Trong thời kỳ Phục hưng, người ta tin rằng sự sống bắt nguồn một cách đột ngột và không xuất hiện. Giả thuyết này được gọi là thế hệ tự phát.

Sau đó, tư duy phản biện của các nhà khoa học bắt đầu nảy mầm và giả thuyết bị loại bỏ. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra lúc đầu vẫn chưa rõ ràng.

Vào những năm 1920, các nhà khoa học thời bấy giờ đã sử dụng thuật ngữ "súp nguyên thủy" để mô tả một môi trường đại dương giả định mà ở đó có lẽ sự sống đã bắt nguồn.

Vấn đề nằm ở việc đề xuất nguồn gốc hợp lý của các phân tử sinh học giúp tạo ra sự sống (carbohydrate, protein, lipid và axit nucleic) từ các phân tử vô cơ.

Vào những năm 1950, trước các thí nghiệm của Miller và Urey, một nhóm các nhà khoa học đã thành công trong việc tổng hợp axit formic từ carbon dioxide. Khám phá đáng gờm này đã được công bố trên tạp chí Science uy tín.

Nó bao gồm những gì?

Đến năm 1952, Stanley Miller và Harold Urey đã thiết kế một giao thức thử nghiệm để mô phỏng môi trường nguyên thủy trong một hệ thống khéo léo gồm các ống thủy tinh và điện cực do chính họ chế tạo.

Hệ thống bao gồm một bình nước, tương tự như đại dương nguyên thủy. Kết nối với bình đó là một bình khác với các thành phần của môi trường tiền sinh học được cho là.

Miller và Urey đã sử dụng các tỷ lệ sau để tái tạo nó: 200 mmHg metan (CH ₄ ), 100 mmHg hydro (H ₂ ), 200 mmHg amoniac (NH ₃ ) và 200 ml nước (H ₂ O).

Hệ thống cũng có một bình ngưng, có nhiệm vụ làm mát khí như mưa bình thường. Tương tự như vậy, họ tích hợp hai điện cực có khả năng tạo ra điện áp cao, với mục đích tạo ra các phân tử có phản ứng cao để thúc đẩy sự hình thành các phân tử phức tạp.

Những tia lửa này tìm cách mô phỏng các tia sét và tia sét có thể có từ môi trường tiền sinh học. Thiết bị kết thúc bằng một phần hình chữ “U” để ngăn hơi nước di chuyển theo hướng ngược lại.

Thí nghiệm nhận được cú sốc điện trong một tuần, đồng thời với thời gian nước được đun nóng. Quá trình sưởi ấm mô phỏng năng lượng mặt trời.

Các kết quả

Những ngày đầu tiên, hỗn hợp thí nghiệm hoàn toàn sạch. Qua nhiều ngày, hỗn hợp bắt đầu có màu đỏ. Vào cuối thí nghiệm, chất lỏng này có màu đỏ gần như nâu và độ nhớt của nó tăng lên đáng kể.

Thí nghiệm đạt được mục tiêu chính và các phân tử hữu cơ phức tạp được tạo ra từ các thành phần giả định của khí quyển ban đầu (mêtan, amoniac, hydro và hơi nước).

Các nhà nghiên cứu đã có thể xác định dấu vết của các axit amin, chẳng hạn như glycine, alanin, axit aspartic và axit amin-n-butyric, là những thành phần chính của protein.

Thành công của thí nghiệm này đã góp phần thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác tiếp tục khám phá nguồn gốc của các phân tử hữu cơ. Bằng cách thêm các sửa đổi vào giao thức Miller và Urey, hai mươi axit amin đã biết đã được tái tạo.

Nucleotide cũng có thể được tạo ra, là những khối cấu tạo cơ bản của vật chất di truyền: DNA (deoxyribonucleic acid) và RNA (ribonucleic acid).

Tầm quan trọng

Thí nghiệm đã quản lý để xác minh thực nghiệm sự xuất hiện của các phân tử hữu cơ và đề xuất một kịch bản khá hấp dẫn để giải thích nguồn gốc có thể có của sự sống.

Tuy nhiên, một tình huống khó xử cố hữu đã được tạo ra, vì phân tử DNA cần thiết để tổng hợp protein và RNA. Chúng ta hãy nhớ rằng giáo điều trung tâm của sinh học đề xuất rằng DNA được phiên mã thành RNA và điều này được phiên mã thành protein (có những ngoại lệ đã biết đối với tiền đề này, chẳng hạn như retrovirus).

Vậy làm thế nào những phân tử sinh học này được hình thành từ các đơn phân của chúng (axit amin và nucleotit) mà không có sự hiện diện của ADN?

May mắn thay, việc phát hiện ra ribozyme đã làm sáng tỏ nghịch lý rõ ràng này. Các phân tử này là RNA xúc tác. Điều này giải quyết được vấn đề vì cùng một phân tử có thể xúc tác và mang thông tin di truyền. Đây là lý do tại sao có giả thuyết về thế giới RNA nguyên thủy.

RNA giống nhau có thể tự sao chép và tham gia vào quá trình hình thành protein. DNA có thể xuất phát từ con đường thứ cấp và được chọn làm phân tử kế thừa RNA.

Thực tế này có thể xảy ra vì một số lý do, chủ yếu là do DNA ít phản ứng hơn và ổn định hơn RNA.

Kết luận

Kết luận chính của thiết kế thí nghiệm này có thể được tóm tắt bằng phát biểu sau: các phân tử hữu cơ phức tạp có thể có nguồn gốc từ các phân tử vô cơ đơn giản hơn, nếu chúng được tiếp xúc với các điều kiện của bầu khí quyển nguyên thủy như điện áp cao, bức xạ tử ngoại và thấp hàm lượng oxy.

Hơn nữa, một số phân tử vô cơ đã được tìm thấy là những ứng cử viên lý tưởng cho việc hình thành một số axit amin và nucleotide.

Thí nghiệm cho phép chúng ta quan sát cách thức mà các khối cấu tạo của các sinh vật sống có thể có, giả sử rằng môi trường nguyên thủy tuân theo các kết luận đã mô tả.

Rất có thể thế giới trước khi sự sống xuất hiện có nhiều thành phần phức tạp và đa dạng hơn những thành phần mà Miller sử dụng.

Mặc dù việc đề xuất nguồn gốc của sự sống bắt đầu từ những phân tử đơn giản như vậy có vẻ không khả thi, Miller đã có thể xác minh điều đó bằng một thí nghiệm tinh tế và khéo léo.

Phê bình thí nghiệm

Vẫn còn những tranh luận và tranh cãi về kết quả của thí nghiệm này và về nguồn gốc của những tế bào đầu tiên.

Hiện tại người ta tin rằng các thành phần mà Miller sử dụng để hình thành bầu khí quyển nguyên thủy không phù hợp với thực tế của nó. Quan điểm hiện đại hơn cho rằng núi lửa đóng một vai trò quan trọng và đề xuất rằng khí mà các cấu trúc này tạo ra khoáng chất.

Một điểm chính trong thí nghiệm của Miller cũng đã được đặt ra. Một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng bầu khí quyển có rất ít tác động đến việc hình thành các sinh vật sống.

Người giới thiệu

1. Bada, JL, & Cleaves, HJ (2015). Mô phỏng Ab Initio và thí nghiệm tổng hợp tiền sinh học Miller. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 112 (4), E342-E342.
2. Campbell, NA (2001). Sinh học: Các khái niệm và mối quan hệ. Giáo dục Pearson.
3. Cooper, GJ, Surman, AJ, McIver, J., Colón - Santos, SM, Gromski, PS, Buchwald, S.,… & Cronin, L. (2017). Thí nghiệm phóng tia lửa của Miller - Urey trong thế giới Deuterium. Angewandte Chemie, 129 (28), 8191-8194.
4. Parker, ET, Cleaves, JH, Burton, AS, Glavin, DP, Dworkin, JP, Zhou, M.,… & Fernández, FM (2014). Tiến hành thí nghiệm Miller-Urey. Tạp chí thí nghiệm trực quan: JoVE, (83).
5. Sadava, D., & Purves, WH (2009). Đời sống: Khoa học Sinh học. Panamerican Medical Ed.