طراحی دستگاه آزمایش میلر

نوع پروژه: بیوشیمی

درجه سختی: دشوار

اهداف: هدف این پروژه بررسی عملی میزان صحت تئوری میلر درباره منشأ حیات بر روی کره زمین می باشد.

خلاصه پروژه: در این پروژه ابتدا شما را با جو اولیه و باستانی کره زمین آشنا می کنیم، سپس با آزمایش میلر آشنا خواهید شد و در نهایت دستگاهی برای انجام آزمایش میلر خواهید ساخت و آن را تست خواهید نمود.

وسائل مورد نیاز: ظروف و اتصالات پیر کس، پمپ خلا، شعله، جریان آب، آمونیاک و یخ خشک.

1. مقدمه:

برای شبیه سازی دستگاه آزمایش میلر، ابتدا به اطلاعاتی در مورد جو اولیه و شرایط باستان شناختی کره زمین نیاز خواهید داشت.

در دهه 1920، هالدین اوپارین (Haldane Oparin) و همکاران نشان دادند که جو اولیه کره زمین، برای انجام بسیاری از واکنش های شیمیایی، بسیار مناسب بوده است. در نوشته های اوپارین ، تفاوت اصلی جو اولیه و جو کنونی، عدم وجود اکسیژن بیان شده است. در جو امروزی، درصد بالای اکسیژن سبب اکسید شدن سریع کلیه مواد موجود در سطح زمین می گردد. این اکسیژن، موجب ممانعت از بسیاری واکنش ها می گردد. در صورتی که واکنشی نیز انجام گردد، محصولات واکنش به سرعت اکسید می گردد. اکسیژن، همانند سایر اکسیدهای قوی (کلر، فلوئور و....) برای موجودات زنده فوق العاده سمی می باشد! و موجوداتی که در معرض غلطت بالای اکسیژن قرار دارند، مانند آنهایی که بر روی خشکی و یا در نزدیکی سطح آب زندگی می کنند، برای سازگاری با این سم قوی، روش های بسیاری ایجاد کرده اند که بررسی آن ها از حوصله این بحث خارج است. در اصطلاح به جو امروزی، جو "اکسید کننده" یا "اکسنده" می گویند. درحالی که در جو اولیه کره زمین، گازهای عمده به غیر از ازت، شامل بخار آب(H₂O) – متان(CH₄) – آمونیاک(NH₃) – دی اکسید کربن(CO₂) و گازهایی از این قبیل بوده است، و در اصطلاح کنونی به آن جو "احیا کننده" اطلاق می گردد.

از سوی دیگر، اکسیژن موجود در جو، که از جانب گیاهان و سایر فتوستزکننده ها در جو آزاد گردیده است، تبدیل به اوزون(O3) می گردد و لایه اوزون را در اطراف جو زمین تشکیل می دهد. این لایه اوزون مانع رسیدن پرتوهای فرابنفش (u.v) به سطح زمین می رسید. این پرتوها که بسیار پرانرژی هستند، انرژی اکتیواسیون لازم برای انجام طیف وسیعی از واکنش های شیمیایی را پدید می آودند. هم چنین برخی شواهد حاکی از آن است که از خورشید جوان، مقدار u.v بیشتری نسبت به امروز ساطع می گردیده است.

2. آزمایش میلر:

در سال 1953، میلر و یوری تز ارائه شده، مبنی بر اینکه جانداران از مواد بیجان موجود در جو اولیه کره زمین به وجود آمده اند را با طراحی آزمایشی بررسی کردند. در آزمایش معروف میلر، جو اولیه کره زمین با مخلوطی از گازهای آمونیاک،هیدروژن، بخار آب ومتان( NH3, H2, H2O, CH4 ) شبیه سازی شد. البته مخلوط گازی که میلر و یوری در آزمایش خود استفاده کردند، احتمالا حتی احیا کننده تر از جو زمین اولیه بوده است و در آزمایش های امروزی از مخلوط ازت، دی اکسید کربن، منوکسید کربن و بخار آب( H2O,CO, CO2, N2 ) استفاده می شود.

دستگاه میلر، یک مدل برای چرخه مواد است. در این چرخه مواد (برای مثال آب دریا) تبخیر می گردند، تحت قوس الکتریکی قرار می گیرند، سرد و متراکم می شوند، و مجددا به محل نخست باز می گردند.

قوس الکتریکی در این آزمایش، به عنوان جایگزین رعد و برق های فراوان جو اولیه کره زمین قرار گرفته است. این صاعقه ها نیز مانند تابش u.v سبب انجام واکنش های شیمیایی می گردند. در این دستگاه، جهت سهولت، اشعه u.v حذف گردیده و نقش قوس الکتریکی پررنگ تر شده است. گازهای موجود در این دستگاه نیز، گازهای شبیه سازی شده از روی جو اولیه کره زمین می باشد که پیشتر توضیح داده شدند.

پس از یک هفته کار کردن دستگاه که شامل مراحل تبخیر (تبخیر از سطح دریا)، قوس الکتریکی (صاعقه) و تبرید (باران) میباشد، میلر برخی پیش سازهای مواد آلی مانند برخی اسید آمینه های ساده، مانند گلایسین را در محلول یافت. آزمایش میلر، سنگ بنای آزمایش های متعدد دیگری بود که علاوه بر اینکه نشان دادند بسیاری از اسید آمینه ها، پیش سازهای نوکلوئیدها و... می توانند به صورت دوباره در جو اولیه کره زمین به وجود بیایند، تئوری های جدید نیز در مورد نحوه تشکیل حیات از این پیش سازها را مطرح نمودند. مرحله بعدی در تشکیل حیات، تغلیظ این مونومرها می باشد. این مرحله می توانسته در تالاب های منزوی اطراف اقیانوس ها ( براساس نظریه سوپ بنیادین) در سطح سنگ های دارای کانی آهن ( نظریه پیشرای بنیادین ) یا در حباب هایی که از آتشفشان های اعماق اقیانوس خارج می شوند (نظریه حباب ) انجام شده باشد. گام بعدی در ایجاد حیات، به وجود آمدن مولکول خود همانند ساز بوده است که بر مبنای شواهد موجود، این مولکول از جنس RNA بوده است. همانطور که می دانید اسیدهای نوکلئیک مسئول ذخیره سازی و انتقال اطلاعات در سلول هستند. از طرفی مولکول RNA به دلیل تک رشته ای بودن و داشتن ساختار فضایی سه بعدی، توانایی انجام فعالیت های آنزیمی در سلول را دارا است. این نکته که RNA هم حامل اطلاعات وراثتی و هم دارای قابلیت آنزیمی می باشد، دانشمندان را به این فکر انداخت که احتمالاً RNA اولین مولکول خود رونوشت بردار بوده است که طی آزمایش هایی این تئوری قوت گرفت. در مراحل بعدی با ایجاد رقابت بین RNA های مختلف و سپس تکامل اولیه، این مولکول ها به سمت اولین موجودات زنده پیشرفتند. سایر مراحل تشکیل حیات، در این مبحث نمی گنجد و هدف اصلی طراحی و ساخت دستگاهی مشابه دستگاه آزمایش میلرو و بررسی این تئوری است که آیا مواد آلی پیشساز موجودات زنده می توانند از مواد بیجان تشکیل شده باشند یا خیر.

3. ساخت دستگاه

این دستگاه تشکیل شده از یک محفظه ی تبخیر،یک محفظه ی قوس الکتریکی و یک بخش مبرد. برای ساخت دستگاه میتوانید از لوازم شیشه ای آزمایشگاهی که دارای اتصالات شیشه ای می باشند استفاده نمایید. یک بالن با سه خروجی برای محفظه ی تبخیر، یک بالن چهار خروجی برای محفظه ی قوس الکتریکی، یک مبرد به اضافه ی تبدیلات برای انتقال بخار از مجل تبخیر به محل قوس را تهیه کنید. بالن تبخیر را روی شعله و توری آزمایشگاه گذاشته اما حرارت را باید طوری تنظیم کنید که در مدت یک هفته که به صورت دائم به آن می رسد، باعث شکستگی ارلن نشود. ( ترجیحاً از قطعات پیرکس استفاده کنید. ) برای الکترود، اگر موفق به تهیه ی الکترودهای واکنش ناپذیر ( مانند طلا و ... ) نشدید می توانید از مغز مداد سیاه درسته استفاده کنید. الکترودها را از دو خروجی بالن قوس وارد کرده فاصله شان را تنظیم می کنید. ( الکترودها را از درون یک ردپوش پلاستیکی گذرانده تا خروجی های بالن درزبندی شود. ) برای ایجاد قوس می توانید از منبع فشار قوی آزمایشگاه استفاده کیند. ( اگر در دسترس نبود، با استفاده از یک ترانسفورماتور یک منبع بسازید. پیش از آن حتماًَ با یک متخصص مشورت کنید. )

هنگام اتصال اتصالات شیشه ای ظرف ها به هم به خصوص در اتصالات داغ، در صورت امکان از گریس سیلیکون استفاده کنید. در محفظه ی خارجی مبرد جریان آب سرد را برقرار کنید.

بارگیری دستگاه توسط خروجی سوم بالن تبخیر است. برای شروع در دستگاه آمونیاک ریخته و یخ خشک به آن اضافه کرده، سریع خروجی سوم را می بندیم.

- نکته مهم: استنشاق گاز آمونیاک خطرناک است. در ضمن هنگام کار با یخ خشک مواظب دست خود باشید.

پس از مدتی کار دستگاه، از مایع درون بالن تبخیر نمونه گیری کرده و با استفاده از آزمایش های منبع زیر، وجود این مواد را ردیابی می کنیم.

دانلود m.xps

برای طراحی دقیق دستگاه شامل بخش های تبخیر، قوس، تبرید، شیر نمونه گیری، نیاز به اطلاعاتی در مورد روش های آزمایشگاهی شیمی و وسایل موجود در لیست آزمایشگاهی شیمی و همچنین روش های انجام آزمایش های شیمیایی با استفاده متدهای روتین شیمی تجزیه و شیمی معدنی خواهید داشت.

همچنین اطلاعات کلی آماری جهت تحلیل سرعت واکنش ها براساس غلظت ها و احتمال پدید آمدن حیات از این مولکول ها براساس غلظت های اولیه و ثانویه دارید.

همچنین اطلاعات بنیادی در مورد مولکول های اولیه حیات برای انجام این پروژه از اهمیت به سزایی برخوردار است.

پس از اتمام کار دستگاه ( برای مثال یک هفته ) برای اینکه از تولید مواد زیستی در دستگاه اطمینان کسب کنید، نیاز به روش های شناسایی مواد آلی خواهد داشت.

رعایت ایمنی آزمایشگاهی اصل اول در طراحی و ساخت دستگاه های مرتبط با مواد شیمیایی می باشد.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تنظیم: اعظم اژدری

مطالب مرتبط:

طراحی دستگاه آزمایش میلر