Молекулы, необходимые для жизни, могли возникать в ходе химических реакций на заре развития Земли.

4,5 миллиарда лет назад, когда возникла Земля, она представляла собой раскаленный безжизненный шар. Сегодня же на ней в изобилии встречаются разные формы жизни. В связи с этим возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с момента ее образования и по сегодняшний день, и главное - как на безжизненной Земле возникли молекулы, образующие живые организмы? В 1953 году в Чикагском университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. Он указал ученым путь к ответу на этот фундаментальный вопрос.

В 1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер - всего лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, - водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний - вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.

После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты - основные структурные единицы белков . Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера-Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул - включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии - например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.

Ценность эксперимента Миллера-Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также Теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что жизнь - это неожиданное свойство материи, возникающие скачкообразно в определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться теория о том, как же возникли наши самые далекие предки.

См. также:

Stanley Lloyd Miller, р. 1930

Американский химик. Родился в Окленде, штат Калифорния, получил образование в Калифорнийском университете в Беркли и в Чикагском университете. Начиная с 1960 года профессиональная деятельность Миллера была в основном связана с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, где он занимал должность профессора химии. За работу по проведению эксперимента Миллера—Юри был удостоен звания научного сотрудника в Калифорнийском технологическом институте.

Harold Clayton Urey, 1893-1981

Американский химик. Родился в Уолкертоне, штат Индиана, в семье священника. Изучал зоологию в университете штата Монтана и получил докторскую степень по химии в Калифорнийском университете в Беркли. Впервые применил физические методы в химии и в 1934 году был удостоен Нобелевской премии в области химии за открытие дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Позднее его деятельность была связана в основном с изучением различий в скорости химических реакций при использовании разных изотопов.

Происхождение жизни на Земле - одна из самых волнующих загадок современной науки. На вопрос, почему эта жизнь в конце концов зародилась, ответить, судя по всему, предстоит астрофизикам. Рассказать же о процессе природного синтеза первых простейших биогенных молекул способны химики.

Стоит сказать, что гипотезы о первых шагах молекул жизни по Земле появляются регулярно. Одни касаются процессов самоорганизации , другие вовсю эксплуатируют довольно противоречивые природные свидетельства и так далее. Между тем основным оружием ученого со времён Галилея остается эксперимент.

Эксперимент по воссозданию земных условий, приведших к синтезу первых органических молекул, ставших в итоге кирпичиками мироздания, был поставлен ом более полувека назад. О некоторых его результатах мы смогли узнать только сегодня.

Публикация в журнале Science описывает данные, ускользнувшие от ученых 50 с лишним лет назад.

Тогда нобелевский лауреат Гарольд Юри, получивший престижную премию за открытие тяжелой воды и увлекшийся впоследствии проблемами космохимии, вдохновил одного из своих подопечных, Стэнли Миллера, теорией доисторического абиотического супа, из которого под влиянием внешних факторов получились первые органические молекулы.

Молодой сотрудник Университета Чикаго, Стэнли Миллер, проводит свои знаменитые эксперименты по синтезу биологических молекул. 1953 год. //Архив Химического факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего

Согласно представлениям того времени, земная атмосфера была сильно отличной от нынешней. Она содержала много метана и аммиака, паров воды и была практически полностью лишена кислорода, что облегчало доступ ультрафиолетового излучения Солнца к поверхности планеты. Кроме того, тогда гораздо ярче проявляла себя вулканическая активность, и грозы, сопровождаемые сильнейшими электрическим разрядами, были нередки. Такие условия как нельзя лучше подходят для многих реакций органического синтеза, что и натолкнуло ученых на мысли о биогенном будущем подобных реакций.

Для того чтобы воссоздать подобные реакции в лаборатории в условиях, приближенных к тем, что царили на Земле миллиарды лет назад, Миллер, работавший тогда в Чикагском университете, разработал оригинальный химический прибор. Он состоит из большой реакционной колбы, содержащей пары метана, аммиака и водорода, в которую снизу нагнетается горячий водяной пар. Сверху же расположены вольфрамовые электроды, генерирующие искровой разряд. Моделируя таким образом условия грозы в окрестностях действующего прибрежного вулкана, Миллер надеялся получить в ходе синтеза биологические молекулы.

После окончания синтеза Миллер сумел обнаружить в реакционной колбе пять аминокислот - основных строительных блоков всех белков: аспарагиновую кислоту, глицин, альфа-аминомасляную кислоту и два оптических изомера аланина.

Два года спустя Миллер повторил свои эксперименты в аппаратах с измененной конфигурацией. Один из них подразумевал использование струйного насоса с соплом, с силой вталкивающим насыщенный водяной пар в реакционную колбу. Таким образом Миллер надеялся сделать условия эксперимента максимально приближенными к условиям извержения подводного вулкана в грозу. Третий же аппарат вместо искрового разряда давал тлеющий. Ученый сумел показать наличие нескольких дополнительных аминокислот в смеси продуктов реакции, а также продемонстрировал наличие нескольких дополнительных карбоновых и гидроксикилот.

Однако в те годы Миллеру приходилось полагаться на очень примитивное по сегодняшним меркам аналитическое оборудование. Потому он с группой коллег повторил свои опыты в 1972 году с использованием оборудования существенно более совершенного. Правда, тогда Миллер провел синтез в приборе, разработанном еще для публикации в 1953 году, сочтя, что аппараты с соплом и тлеющим разрядом особой продуктивностью не отличаются.

Прибор Миллера. Кипящая вода (1) создает поток пара, который усиливатся соплом аспиратора (врезка), искра, проскакивающая между двумя электродами (2), запускает набор химических превращений, холодильник (3) охлаждает поток водяного пара, содержащего продукты реакции, которые оседают в ловушке (4).// Нед Шоу, Университет Индианы.

Стэнли Миллер умер 20 мая 2007 года. Разбирая его дневники и архивы, близкие и коллеги обнаружили записи, относящиеся к работам 50-х годов, а также несколько склянок с подписями.

Подписи указали на то, что содержимое склянок - не что иное, как продукты синтеза в аппаратах Миллера, сохраненные автором в неприкосновенном виде.

Ими заинтересовался Джеффри Бада, выпускник химической школы Миллера, ныне тоже уже старичок, работающий в Институте океанологии при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Согласно записям Миллера, никогда прежде не публиковавшимся, синтез в аппарате с соплом давал несколько больший выход продуктов. Именно эти образцы и заинтересовали Баду и его коллег, авторов свежей публикации, в распоряжении которых оказались самые совершенные инструментальные методы.

Для того чтобы заново изучить состав продуктов синтеза, ученые растворили содержимое склянок в дважды дистиллированной деионизированной воде и провели высокоэффективную жидкостную хроматографию, результаты которой проанализировали на масс-спектрометре с детектором, фиксирующем время полета ионизированных частиц. Такой метод анализа позволяет идентифицировать компоненты смеси даже в субпикомолярной концентрации (менее чем 10 --12 моля на литр).

Оказалось, что смесь продуктов содержала вовсе не пять аминокислот, а двадцать две! Плюс пять молекул аминов, которые Миллер просто не мог идентифицировать полвека назад.

Изучив аналогичным методом остальные склянки, ученые убедились, что в результате этих экспериментов набор продуктов синтеза был менее разнообразен.

Впрочем, сегодня геохимики утверждают, что атмосфера Земли никогда не была такой, какой её считали 50 лет назад. Она была менее основной и менее восстановительной, потому на опыты Миллера нельзя полагаться как на эксперимент, доказывающий теорию абиотического супа. В то же самое время авторы публикации уверены, что если на всей Земле и не существовало подходящих условий, они, несомненно, должны были сопровождать хотя бы точечные извержения вулканов, продолжительность которых миллиарды лет назад позволяла приобщиться к делу синтеза первых органических молекул и грозам. Эти молекулы могли собираться в лагунах вулканических островов, где морской прилив и солнечный ультрафиолет довершали дело конденсации альдегидов, кетонов и других молекул в длинные полимерные цепочки.

Популярность теории древнего абиотического супа в связи с работами Миллера позволила ей попасть даже в школьный курс природоведения, однако современные свидетельства говорят в пользу того, что жизнь изначально зародилась все же не на поверхности планеты. Здешние переменчивые условия были слишком экстремальны даже для того, чтобы жизнь, вопреки всему зародившаяся в маленьких вулканических островах стабильности, распространилась, развилась в современные формы.

Подлинная стабильность в то время существовала только на дне океана, где в зонах срединных океанических хребтов тепло недр Земли неспешно питало базовые химические реакции.

Срединные океанические хребты были открыты практически одновременно с опытами Миллера, а детальное их исследование - это вообще достижения последних десяти-двадцати лет, сделавших доступными исследования морского дна с помощью глубоководных обитаемых аппаратов. Появись такие аппараты раньше лет на тридцать - и теория абиотического супа могла быть и вовсе не выдвинута.

Повторить опыты Миллера в условиях, больше напоминающих современные представления о далёком прошлом Земли, ещё предстоит. И не исключено, что кому-то из нынешних аспирантов химических факультетов суждено стать не менее знаменитым, чем Стэнли Миллеру.

Основная статья: Эксперимент Миллера-Юри

Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы XX столетия русским исследователем А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдейном. Теория утверждала, что условия на Земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться сложные органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O 2 и O 3 .

В 1953 году эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллером и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытным путём ими было доказано, что в среде, похожей на среду с предположительными пребиотическими условиями, посредством притока энергии извне (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоновые и жирные кислоты - одни из важнейших строительных элементов биомолекул (причём современные исследования сохранившегося содержимого колб Миллера показало, что там содержалось большее количество аминокислот, чем смог выявить Миллер ).

В более поздних, в большинстве случаев, более сложно построенных опытах с первичным бульоном экспериментаторы смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ - аминокислоты, жиры, сахара, нуклеотиды, - так и более сложные органические соединения - порфины и изопреноиды [источник не указан 1264 дня ] .

По замечанию биохимика Роберта Шапиро, аминокислоты, синтезированные Миллером и Юри, значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора - шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трёх атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов удалось получить лишь в 2009 г .

Хотя этим была показана возможность естественного образования органических молекул, эти результаты сегодня иногда подвергаются критическим оценкам. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос ещё не окончательно решён и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путём, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся также теории происхождения органики в окрестностях гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

В качестве аргумента против происхождения органических молекул из первичного бульона иногда приводят тот факт, что во время опыта получается рацемат, то есть равная смесь из L и D-форм аминокислот. Соответственно, должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определённому варианту хиральных молекул. Некоторые космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как, по их мнению, фотохимические процессы с циркулярно-поляризированным излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определённого вращения. И действительно, у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающие. Однако в 2001 году Alan Saghatelian показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно отбирать молекулы определённого вращения в рацематной смеси, что делает возможным и земное происхождение полимеров из определённых оптических изомеров.

Молекулы, необходимые для жизни, могли возникать в ходе химических реакций на заре развития Земли.

4,5 миллиарда лет назад, когда возникла Земля, она представляла собой раскаленный безжизненный шар. Сегодня же на ней в изобилии встречаются разные формы жизни. В связи с этим возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с момента ее образования и по сегодняшний день, и главное - как на безжизненной Земле возникли молекулы, образующие живые организмы? В 1953 году в Чикагском университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. Он указал ученым путь к ответу на этот фундаментальный вопрос.

В 1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер - всего лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, - водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний - вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.

После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты - основные структурные единицы белков . Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера-Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул - включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии - например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.

Ценность эксперимента Миллера-Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также Теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о

Схема эксперимента.

Эксперимент Миллера - Юри - известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции . Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном , о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри . Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды.

Эксперимент Миллера - Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот . Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году , показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.

Описание эксперимента

Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH 4), аммиака (NH 3), водорода (H 2) и монооксида углерода (CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.

После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара , липиды и предшественники нуклеиновых кислот . Эксперимент повторялся несколько раз в 1953-1954 годах. Миллер использовал два варианта аппарата, один из которых, т. н. «вулканический», имел определённое сужение в трубке, что приводило к ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по его мнению, лучше имитировало вулканическую активность. Интересно, что повторный анализ проб Миллера, проведённый через 50 лет профессором и его бывшим сотрудником Джеффри Бейдом (англ. Jeffrey L. Bada ) с использованием современных методов исследования, обнаружил в пробах из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше, чем считалось ранее.

Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х годов о возможном составе земной атмосферы. После их экспериментов многие исследователи проводили подобные опыты в различных модификациях. Было показано, что даже небольшие изменения условий процесса и состава газовой смеси (например, добавления азота или кислорода) могли привести к очень существенным изменениям как образующихся органических молекул, так и эффективности самого процесса их синтеза. В настоящее время вопрос о возможном составе первичной земной атмосферы остаётся открытым. Однако, считается, что высокая вулканическая активность того времени способствовала выбросу также таких компонентов как диоксид углерода (CO 2), азот, сероводород (H 2 S), двуокись серы (SO 2).

Критика выводов эксперимента

Выводы о возможности химической эволюции, сделанные на основании данного эксперимента, подвергаются критике. Основным аргументом критиков является отсутствие единой хиральности у синтезированных аминокислот. Действительно, полученные аминокислоты представляли собой практически равную смесь стереоизомеров , в то время как для аминокислот биологического происхождения, в том числе входящих в состав белков, весьма характерно преобладание одного из стереоизомеров. По этой причине дальнейший синтез сложных органических веществ, лежащих в основе жизни, непосредственно из полученной смеси затруднён. По мнению критиков, хотя синтез важнейших органических веществ был явно продемонстрирован, далекоидущий вывод о возможности химической эволюции, сделанный непосредственно из этого опыта, не вполне обоснован.

См. также

Примечания

Литература

• MILLER SL (May 1953). "A production of amino acids under possible primitive earth conditions ". Science (New York, N.Y.) 117 (3046): 528–9. PMID 13056598 .
• MILLER SL, UREY HC (July 1959). "Organic compound synthesis on the primitive earth ". Science (New York, N.Y.) 130 (3370): 245–51. PMID 13668555 .
• Lazcano A, Bada JL (June 2003). "