Stanley Lloyd Miller

STANLEY LLOYD MILLER wurde am 07.03.1930 in Oakland, Kalifornien geboren, war Biochemiker und beschäftigte sich in erster Linie mit Fragestellungen zur Thermodynamik und zur chemischen Evolution. Seit 1960 war er als Professor für Biochemie an der Universität in San Diego, Kalifornien beschäftigt. Am 20. Mai 2007 verstarb er in National City, südlich von San Diego.

Wissenschaftliche Leistungen

1924 entwickelte der Biochemiker ALEXANDER IWANOWITSCH OPARIN (1894–1980) auf der Grundlage zahlreicher biochemischer, geochemischer und kosmologischer Fakten eine Hypothese über die Entstehung des Lebens auf der Erde. Nach seinen Vorstellungen waren eine reduzierende Uratmosphäre aus Wasserstoff, Wasserdampf, Methan und Ammoniak und ein an mineralischen Substanzen reicher Urozean die Bildungsorte erster organischer Verbindungen wie Formaldehyd (Methanal), Ameisensäure (Methansäure), Fettsäuren, Aminosäuren, heterozyklische Basen. Diese einfachen Verbindungen schlossen sich dann zu riesigen Molekülen, sogenannte Makromoleküle, zusammen. In der Bildung dieser Makromoleküle, OPARIN nannte sie Koazervate, sah er den ersten Schritt einer Strukturierung und Abgrenzung der organischen Stoffe und den Beginn eines einfachen Stoffwechsels. Im weiteren Verlauf setzten sich die stabilsten Koazervate durch (erste Ansätze einer Auslese) und bahnten damit eine Entwicklung in Richtung Urorganismen an. Diese Theorie war der erste wissenschaftliche Versuch einer Erklärung für die Entstehung des Lebens auf der Erde. Die Theorie von OPARIN forderte einige Wissenschaftler zu einer experimentellen Überprüfung heraus, auch OPARIN selbst führte zahlreiche Experimente durch. Bedingungen, die dafür notwendig waren, konnte man im Labor nachahmen. Es sollte jedoch fast 20 Jahre dauern, ehe das entscheidende Experiment 1952 von STANLEY L. MILLER an der University of Chicago in dem Labor des Chemieprofessors HAROLD C. UREY (1893–1981) durchgeführt wurde und auch gelang. Die entsprechenden Gase der Uratmosphäre waren bekannt. Als Energiequellen kamen neben der Strahlung der Sonne noch Vulkanismus, die Radioaktivität des jungen Gesteins und Gewitter infrage. MILLER baute also ein Glasgerät, in dem eine Mischung aus Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf (die Gase der Uratmosphäre) zirkulierten, wobei er elektrische Entladungen als Energielieferant hindurch schickte und Teile der Apparatur beheizte. Durch nachfolgende Abkühlung kondensierte der Dampf.

Miller in einem Interview über sein bahnbrechendes Experiment: „The experiments were done in Urey's lab when I was a graduate student. Urey gave a lecture in October of 1951 when I first arrived at Chicago and suggested that someone do these experiments. So I went to him and said, “ I’d like to do those experiments.” The first thing he tried to do was talk me out of it. Then he realized I was determined. He said the problem was that it was really a very risky experiment and probably wouldn’t work, and he was responsible that I get a degree in three years or so. So we agreed to give it six months or a year. If it worked out fine, if not, on to something else. As it turned out I got some results in a matter of weeks.“

MILLER-Apparatur

Die Apparatur bestand aus zwei Hauptreaktionsräumen:
Im unteren Gefäß simulierte MILLER die Urozeane mit Wasser, das von ihm erhitzt wurde. Der aufsteigende Wasserdampf konnte durch die Apparatur zirkulieren. In das obere Gefäß, das mit $H_2$, $N{H}_3$, Methan und Wasserdampf gefüllt war (Uratmosphäre), führten zwei Elektroden, mit denen er Blitze erzeugen konnte. Die W-förmige Konstruktion am Boden des Kreislaufs diente zum Auffangen wässriger Reaktionsprodukte, die zuvor durch den Kühler geleitet wurden.

Dieser klassische Versuch, der im Jahr 1953 durchgeführt wurde, brachte ein interessantes Ergebnis:
Die Durchführung dieses Experimentes dauerte eine Woche. Bei der Analyse der Reaktionsprodukte dieser experimentell simulierten Uratmosphäre konnte neben Kohlenstoffoxiden eine Fülle organischer Substanzen, darunter auch eine Anzahl von Aminosäuren, die zu den unentbehrlichen Bausteinen der Eiweißstoffe zählen, nachgewiesen werden. Auch Essigsäure und Harnstoff befanden sich in dem entstandenen Gemisch.

Einige Produkte des MILLER-Experiments:

Produkte (Mikromol pro l Gasgemisch):

• Ameisensäure (466)
• Glycin (126)
• Glykolsäure (112)
• Alanin (68)
• Milchsäure (62)

Die bei diesem Experiment entstandenen verschiedenen Kohlenhydrate, Aminosäuren, Fettsäuren usw. sind ein Beweis dafür, dass lebenswichtige organische Stoffe aus anorganischen entstehen können.
Jahre nach diesem Experiment fand man 1969 einen Meteoriten bei Murchison in Australien, der eine ähnliche Zusammensetzung an Aminosäuren hatte wie das Ergebnis beim MILLER-Experiment. Darin sehen einige Wissenschaftler einen Beweis dafür, dass Meteoriten an der Entstehung von Leben auf der Erde beteiligt gewesen sein könnten.

Entstehung komplizierter Verbindungen von Makromolekülen

Die wesentliche Frage, die sich vielen Wissenschaftlern stellte und noch immer stellt, ist, wie sich aus einfachen chemischen Verbindungen komplexere gebildet haben könnten, die als Voraussetzung für die Bildung lebender Strukturen angesehen werden können.

Nach MILLERS gelungenem Experiment wurden vergleichbare Experimente mit verschiedensten Modifizierungen durchgeführt. So wurden die Gase und deren Konzentration sowie die Art der Energiequellen (z. B. Hitze, UV-Licht, Neutronenstrahlen, Licht, Schockwellen und Katalysatoren) und die Feuchtigkeit im Versuchsansatz variiert. Weiterhin setzte man Mineralien zu, von denen man eine Wirkung als Katalysator chemischer Reaktionen erwartete. Auf diese Weise gelang es, über hundert verschiedene organische Stoffe aus einfachen Ausgangsstoffen herzustellen.

All diesen Versuchsaufbauten war und ist gemeinsam, dass sie nur in reduzierenden Atmosphären nennenswerte Ergebnisse bei den organischen Synthesen liefern, d.h. bei Abwesenheit von Sauerstoff. So gesehen war die Uratmosphäre tatsächlich das ideale Labor zur Synthese organischer Substanzen, denn in der heutigen oxidierenden Atmosphäre wäre die abiotische Bildung organischer Substanzen nicht mehr möglich.

Der erste Schritt war getan. Aus „unbelebter“ Materie lassen sich also organische Substanzen herstellen, die sonst von Lebewesen gebildet werden. So könnte es auch damals vor etwa 4 Milliarden Jahren gewesen sein, als sich in kleinen stehenden Gewässern oder abgeschirmten Buchten die gebildeten Substanzen anreicherten und als Ursuppe dafür sorgten, dass diese Makromoleküle untereinander in Wechselwirkung treten konnten: Die biologische Evolution, das Auftauchen der ersten Zellen konnte beginnen. Die typischen notwendigen organischen Moleküle einer Zelle, wie z. B. Proteine, Fette und Karbonsäuren, waren wie beschrieben bereits entstanden.

Aber war das tatsächlich so? Weitere Theorien zur Entstehung von Leben auf der Erde wurden entwickelt, Wissenschaftler sind sich jedoch noch immer nicht einig. Bis heute ist es nicht gelungen, experimentell Lebewesen zu erzeugen.