Miller–Urey Deneyi (ya da Urey–Miller Deneyi), kimyasal evrim sürecini test etmek amacıyla, 1952’deki bilimsel anlayışa göre Dünya’nın ilk dönemlerindeki koşulların laboratuvarda taklit edildiği bir çalışmadır. Bu deney, Aleksandr Ivanovich Oparin ve J.B.S. Haldane’in öne sürdüğü, ilkel Dünya’da bulunan inorganik maddelerin kimyasal tepkimelerle organik bileşiklere dönüşebileceği yönündeki hipotezi sınamak için tasarlanmıştır. Abiyogenez araştırmalarında klasikleşmiş bir deney olarak kabul edilen çalışma, 1952 yılında Stanley Lloyd Miller ve Harold Urey tarafından Chicago Üniversitesi’nde gerçekleştirilmiştir.

2008 yılının Ekim ayında yapılan yeniden analizler, bu deneyde üretilen amino asit sayısının sanılandan fazla olduğunu ortaya koydu; başlangıçta 5 amino asit saptanırken, aslında 22 farklı amino asit oluştuğu anlaşıldı. Deney düzeneğinin, şimşeklerin eşlik ettiği volkanik patlamalara benzer bir ortamı taklit ettiği düşünülmektedir. Bu bulgular, organik moleküllerin inorganik maddelerden kendiliğinden sentezlenebileceğine dair güçlü kanıtlar sunmuştur. Daha sonraki araştırmalar, Dünya’nın ilk atmosferinin Miller deneyinde kullanılan gaz karışımından farklı olabileceğini gösterse de değişik koşullarda yapılan prebiyotik deneyler hâlâ basitten karmaşığa çeşitli bileşiklerin (örneğin siyanür) rasemik karışımlarını üretebilmektedir.

Miller ve Urey, deneylerini su (H₂O), metan (CH₄), amonyak (NH₃), hidrojen (H₂) ve karbon monoksit (CO) kullanarak yaptı. Bu maddeler, dış ortamla temas etmeyen steril cam tüp ve kaplardan oluşan kapalı bir düzeneğin içindeydi. Sistemdeki bir cam kap yarıya kadar suyla doluydu, diğerinde ise elektrik kıvılcımı üreten iki elektrot vardı. Su ısıtılarak buharlaştırıldı, bu buhar gaz karışımına ulaştığında elektrotlar arasında kıvılcım çakılarak ilkel Dünya’daki yıldırım etkisi taklit edildi. Ardından gazlar soğutularak tekrar sıvı hâle getirildi ve damlalar hâlinde su kabına geri döndürüldü. Bu döngü sürekli olarak devam etti.

Yaklaşık bir haftalık çalışmanın sonunda, sistemdeki karbonun %10-15’inin organik bileşiklere dönüştüğü görüldü. Karbonun yaklaşık %2’si amino asitlere dönüşmüştü; en çok oluşan amino asit ise glisindi. Ayrıca şekerler, yağlar (lipitler) ve nükleik asitlerin bazı yapı taşları da oluşmuştu.

Stanley Miller, bir röportajında, “Basit bir prebiyotik deneyde kıvılcım üretmek bile 20 amino asidin 11’ini oluşturur.” demiştir. Deneylerde, tıpkı sonraki çalışmalarda olduğu gibi, hem sağ hem sol formda amino asitlerin bulunduğu “rasemik” bir karışım elde edilmiştir.

Miller–Urey deneyi, pek çok başka çalışmaya ilham verdi. 1963’te Joan Oró, su içinde bulunan hidrojen siyanür (HCN) ve amonyaktan amino asitler elde etti. Ayrıca deneyinde, DNA ve RNA’nın yapı taşlarından biri olan adeninin de büyük miktarda oluştuğunu gördü. Sonraki araştırmalar, indirgen atmosfer koşullarında diğer DNA ve RNA bazlarının da sentetik olarak üretilebileceğini ortaya koydu.

Miller–Urey deneyinin yapıldığı yıllarda, yaşamın kökeniyle ilgili başka elektrik boşalımı deneyleri de vardı. Örneğin, 8 Mart 1953’te The New York Times’ta çıkan bir makale, Ohio State Üniversitesi’nden William M. MacNevin’in çalışmalarını anlattı. MacNevin, 100.000 voltluk kıvılcımları metan ve su buharından geçirerek “katı reçineler” elde etmişti. Ancak bu sonuçları bilimsel bir makale hâline getirip getirmediği bilinmiyor.

Benzer şekilde, K. A. Wilde da 15 Aralık 1952’de Science dergisine gönderdiği çalışmasında, karbon dioksit (CO₂) ve su (H₂O) karışımına 600 voltluk elektrik vererek küçük miktarda karbon monoksit elde etti. Ancak başka önemli bir bileşik oluşmadı.

Daha yakın zamanlarda Jeffrey Bada, Miller’in deneyini yeniden yaptı. Güncel modellere göre, ilk Dünya’nın atmosferinde karbon dioksit ve azot (N₂) bolca bulunuyordu. Bu koşullarda nitritler oluşuyor ve amino asitler meydana gelir gelmez parçalanıyordu. Bada, bu etkiyi azaltmak için deneyine demir ve karbonat mineralleri eklediğinde, daha zengin amino asitler elde etti. Bu da, karbon dioksit ve azot ağırlıklı bir atmosferde bile amino asitlerin oluşabileceğini gösterdi.

2006’da yapılan başka bir araştırma ise, erken Dünya’nın organik bir sis tabakasıyla kaplı olabileceğini ortaya koydu. Metan ve karbon dioksit yoğunluğu yüksek atmosferde oluşan bu sisin, organik molekülleri tüm yeryüzüne taşıyarak yaşamın başlamasında rol oynamış olabileceği düşünülüyor.

Deneyin kimyası

Tepkime karışımında ilk adımda hidrojen siyanürün (HCN), formaldehid ve aktif ara bileşimlerin (asetilen, siyanoasetilen, vb.) oluştuğu bilinmektedir:

CO2 → CO + [O] (atomik oksijen)

CH4 + 2[O] → CH2O + H2O

CO + NH3 → HCN + H2O

CH4 + NH3 → HCN + 3H2 (BMA prosesi)

Bu bileşimler daha sonra amino asit oluşumlarıyla ve diğer biyomoleküllerle tepkimeye girerler (Stecker sentezi).

 

CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O

NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH

Erken Dünya atmosferiyle ilgili bazı kanıtlar, Miller-Urey deneyinde kullanılan indirgen gazların o dönemde düşündüğümüzden daha az olduğunu göstermektedir. Yaklaşık 4 milyar yıl önce büyük volkanik patlamalar sonucu atmosfere karbon dioksit (CO₂), azot (N₂), hidrojen sülfür (H₂S) ve kükürt dioksit (SO₂) gibi gazlar salınmıştır. Bu gazların, Miller-Urey deneyinde kullanılan gazlarla birlikte kullanıldığı deneylerde daha farklı sonuçlar alınmıştır. Bu deneylerde, hem L hem de D enantiyomerlerini içeren rasemik karışımlar oluşmuştur; laboratuvarda her iki türün de ortaya çıkması mümkündür. Ancak doğada L tipi amino asitler daha yaygındır. Sonraki deneyler, L ve D enantiyomerlerinin eşit olmayan oranlarda oluşabileceğini göstermiştir.

İlk zamanlarda atmosferin çoğunlukla amonyak (NH₃) ve metan (CH₄) içerdiği düşünülüyordu. Fakat karbonun büyük kısmı karbon dioksit (CO₂) ve karbon monoksit (CO) şeklindeydi; ayrıca azot (N₂) de yoğundu. Oksijen (O₂) yoktu. CO, CO₂ ve N₂ içeren gaz karışımları, oksijen bulunmaması şartıyla, metan ve amonyak karışımlarıyla benzer ürünler verebilmektedir. Hidrojen atomlarının çoğu ise su buharından gelmektedir. İlkel dünya koşullarında aromatik amino asitlerin oluşumu için hidrojence fakir gaz karışımları gereklidir. Miller deneylerinin farklı versiyonlarında amino asitler, hidroksiasitler, pürinler, pirimidinler ve şekerlerin bir kısmı başarıyla üretilmiştir.

2005 yılında Waterloo ve Kolorado Üniversiteleri, yaptığı modellemelerle ilk atmosferin en fazla %40 oranında hidrojen içerdiğini ve prebiyotik organik moleküllerin oluşumu için uygun bir ortam yarattığını belirtti. Atmosferin üst katmanlarındaki sıcaklık tahminleri yeniden değerlendirildiğinde, uzaya kaçan hidrojen miktarının daha önce düşünüldüğünden çok az olduğu ortaya çıktı. Araştırmacılardan Owen Toon, “Bu yeni modelde organik maddeler verimli şekilde üretiliyor. Bu da bizi organik maddelerle zengin okyanus çorbası fikrine geri götürür” demektedir. Kondrit modeline dayanan gaz çıkışı hesapları da bu sonuçları destekleyerek Miller-Urey deneyinin yeniden önem kazanmasını sağladı.

Buna karşın, atmosfere gaz halinde oksijen eklendiğinde organik molekül oluşumu durur. Miller-Urey hipotezine karşı çıkanlar, 3.7 milyar yıl öncesine ait uranyum kalıntılarında suda çözünmüş oksijen izlerinin bulunmasını bu hipotezin geçersizliği için bir kanıt olarak gösterdi. Ancak makale yazarları, oksijenin fotosentez yapan canlıların varlığını gösterdiğini ve bu tarihin Miller-Urey deneylerinin ve abiyogenezin gerçekleştiği dönemi daha da geriye çekebileceğini savunuyor. Ayrıca, atmosferdeki oksijen oranının çok düşük (%0,1’den az) olduğu ve en eski kayaçlarla aynı yaşta olduğu düşünülmektedir. Yazarlar, erken dönemde oksijenli fotosentezin oksijensiz atmosferle çelişmediğini belirtmektedir.

Güneş Sistemi’nin diğer bölgelerinde, Miller-Urey deneyine benzer koşullar gözlenmektedir. Burada elektrik kıvılcımı yerine ultraviyole (UV) ışınımı kimyasal reaksiyonları başlatmaktadır. 1969’da Avustralya’nın Murchison bölgesine düşen Murchison meteoritinde, 19’u Dünya’daki yaşamda bulunan olmak üzere 90’dan fazla farklı amino asit keşfedilmiştir. Kuyruklu yıldızlar ve diğer güneş sistemi cisimlerinin yüzeylerinde, ultraviyole ışığı etkisiyle oluşan karmaşık karbon bileşikleri (örneğin tolinler) bulunur. İlk Dünya, bu tür karmaşık organik moleküller, su ve diğer uçucu maddelerle dolu kuyruklu yıldız bombardımanına maruz kalmıştır.