Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера

Вулканические выбросы и разряды молний — условия самопроизвольного синтеза разнообразных биологических молекул. Фото извержения вулкана в Исландии с сайта www.thunderbolts.info
Вулканические выбросы и разряды молний — условия самопроизвольного синтеза разнообразных биологических молекул. Фото извержения вулкана в Исландии с сайта www.thunderbolts.info

Последователи Стэнли Миллера, поставившего в 50-х годах знаменитые опыты по имитации синтеза органики в первичной атмосфере Земли, вновь обратились к результатам старых экспериментов. Оставшиеся от тех лет материалы они исследовали новейшими методами. Выяснилось, что в экспериментах, имитировавших вулканические выбросы парогазовой смеси, синтезировался широкий спектр аминокислот и других органических соединений. Их разнообразие оказалось больше, чем это представлялось в 50-е годы. Этот результат акцентирует внимание современных исследователей на условиях синтеза и накопления первичной высокомолекулярной органики: синтез мог активизироваться в районах извержений, а вулканические пеплы и туфы могли стать резервуаром биологических молекул.

В мае 1953 года в журнале Science были опубликованы результаты знаменитого эксперимента по синтезу высокомолекулярных соединений из метана, аммиака и водорода под действием электрических разрядов (см. Stanley L. Miller. A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF, 690 Кб) // Science. 1953. V. 117. P. 528). Установка для опытов представляла собой систему колб, в которых циркулировал водяной пар. В большой колбе на вольфрамовых электродах генерировался электрический разряд. Опыт длился неделю, по истечении которой вода в колбе приобрела желто-коричневый оттенок и стала маслянистой.

Слева: аппарат Стэнли Миллера для опытов с электрическими разрядами в горячем паре. Справа: схема аппарата. Выбросы пара через форсунку должны имитировать парогазовые смеси при вулканических извержениях. Изображения из обсуждаемых статей в Science
Слева: аппарат Стэнли Миллера для опытов с электрическими разрядами в горячем паре. Справа: схема аппарата. Выбросы пара через форсунку должны имитировать парогазовые смеси при вулканических извержениях. Изображения из обсуждаемых статей в Science

Миллер анализировал состав органики с помощью бумажной хроматографии — метода, тогда только вошедшего в обиход биологов и химиков. Миллер обнаружил в растворе глицин, аланин и другие аминокислоты. В то же самое время подобные опыты проводились Кеннетом Алфредом Уайлдом (см. Kenneth A. Wilde, Bruno J. Zwolinski, Ransom B. Parlin. The Reaction Occurring in CO2–H2O Mixtures in a High-Frequency Electric Arc (PDF, 380 Кб) // Science. 10 July 1953. V. 118. P. 43–44) с той разницей, что вместо смеси газов с восстановительными свойствами в колбе был углекислый газ — окислитель. В отличие от Миллера, Уайлд не получил никаких значимых результатов. Миллер и вслед за ним многие ученые исходили из восстановительной, а не окислительной атмосферы в начале существования Земли. Логическая цепочка их рассуждений была такой: мы стоим на позициях, что жизнь зародилась на Земле; для этого нужны были органические вещества; они должны были быть продуктом земного синтеза; если в восстановительной атмосфере синтез идет, а в окислительной — не идет, значит первичная атмосфера была восстановительной.

Помимо гипотезы восстановительной атмосферы на ранней Земле, миллеровские опыты доказывают еще и принципиальную возможность самопроизвольного синтеза необходимых биологических молекул из простых составляющих. Эта гипотеза получила серьезное подкрепление после опыта Хуана Оро (Joan Oró; см. J. Oró. Mechanism of Synthesis of Adenine from Hydrogen Cyanide under Possible Primitive Earth Conditions // Nature. 16 September 1961. V. 191. P. 1193–1194), который в 1961 году в установку Миллера ввел синильную кислоту и на выходе получил нуклеотид аденин — одно из четырех оснований молекул ДНК и РНК. Возможность самопроизвольного синтеза высокомолекулярной органики, включая нуклеотиды и аминокислоты, стала мощной опорой теории Опарина о самозарождении жизни в первичном бульоне.

После этих экспериментов прошла целая биологическая эпоха. Отношение к теории первичного бульона стало более настороженным. В течение прошедшего полстолетия ученые не могли придумать механизма избирательного синтеза хиральных молекул в неживой природе и наследования этого механизма в живых организмах. Идея восстановительной атмосферы на ранней Земле тоже была подвергнута решительной критике. Не появилось решения главного вопроса: как из неживых молекул сложилось самовоспроизводящееся живое существо? Появились аргументы для теории внеземного происхождения жизни.

Однако в последние годы ученые достигли ощутимых успехов в развитии теории зарождения жизни из неорганической материи. Основные достижения в этом направлении — это, во-первых, открытие роли РНК в становлении биоорганического катализа; теория РНК-мира приближает нас к ответу на вопрос, как из неживой органики сложились живые системы. Во-вторых, открытие каталитических функций неорганических природных минералов в реакциях высокомолекулярного органического синтеза, доказательство важнейшей роли катионов металлов в метаболизме живого. В-третьих, доказательство избирательного синтеза хиральных изомеров в естественных земных условиях (см. например, Открыт новый способ получения органических молекул», «Элементы», 06.10.2008). Иными словами, теория абиогенеза получила новые обоснования.

С этих позиций интересны результаты переизучения материалов, оставшихся от старых экспериментов Миллера, до сих пор хранившихся, как это ни странно, в запечатанных колбах в его лаборатории. В 50-е годы Стэнли Миллер поставил три эксперимента, имитировавших различные варианты условий зарождения жизни. Самый известный из них, вошедший во все школьные учебники, — это образование биомолекул при пропускании через пар электрических разрядов. Колба моделировала условия испарения вод над океаном во время гроз. Второй — образование биомолекул при слабой ионизации газов — при так называем тихом разряде. Это была модель ионизированной, насыщенной паром атмосферы ранней Земли. В третьем эксперименте пар подавался под большим давлением, поступая в колбу в виде мощных струй, через которые пропускали, как и в первом случае, электрические разряды. Этот случай имитировал вулканические выбросы и образование горячих вулканических аэрозолей. Биологи опирались на результаты только первого, наиболее удачного опыта, потому что в остальных двух опытах синтезировалось мало органики и разнообразие аминокислот и других соединений было невелико.

Новые результаты анализа опыта Миллера с выбросами пара. Подчеркнуты аминокислоты, не обнаруженные Миллером. Обозначения аминокислот стандартные. Рис. из обсуждаемой статьи в Science «The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment»
Новые результаты анализа опыта Миллера с выбросами пара. Подчеркнуты аминокислоты, не обнаруженные Миллером. Обозначения аминокислот стандартные. Рис. из обсуждаемой статьи в Science The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment

Переизучение этих материалов после смерти Миллера в 2007 году взяли на себя специалисты из Америки и Мексики — из Индианского университета (Блумингтон), Института Карнеги (Вашингтон), Отдела исследования Солнечной системы Центра космических полетов имени Годдарда (Гринбелт), Скриппсовского океанографического института (Ла-Холья, Калифорния) и Независимого мексиканского университета (Мехико). В их распоряжении оказались 11 колб, соответствующим образом промаркированных Миллером. Все они содержали высушенные материалы третьего эксперимента, того, который имитировал вулканические выбросы. Ученые развели осадок дистиллированной водой и проанализировали смесь, теперь уже с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Современные методы выявили высокое разнообразие «биологических» молекул. Оно оказалось даже выше, чем в первом эксперименте. Очевидно, что методы бумажной хроматографии менее чувствительны, чем жидкостной, поэтому теперь выявились и те соединения, которые присутствовали в малых концентрациях.

Новые результаты старого опыта будут, по-видимому, приняты к сведению биохимиками, микробиологами и вулканологами. Вулканические выбросы представляют собой аэрозоли, состоящие на 96-98% из воды и содержащие аммиак, азот, угарный газ, метан. В вулканических выбросах всегда в большой концентрации присутствуют соединения металлов — железа, марганца, меди, цинка, никеля и др., которые участвуют в ферментативных реакциях в живых системах. Вулканические пеплы и туфы, как показали многочисленные эксперименты, стимулируют рост и анаэробной, и аэробной микрофлоры. При этом в среду для культивирования даже не обязательно добавлять различные жизненно необходимые элементы — бактерии их сами добудут из нее. В древнейшие времена дополнительный синтез органики мог косвенно способствовать росту жизни на изверженных субстратах. Кроме того, химия аэрозолей — это малоизученная область, поэтому тем более интересен результат аэрозольного синтеза высокомолекулярных биологических молекул. В этом смысле химики и вулканологи могут привнести весомый вклад в обсуждение проблемы зарождения земной жизни.

Авторы сообщения замечают, что версия о восстановительной атмосфере ранней Земли сейчас находится под сомнением. Однако вулканические выбросы и грозы — это постоянное явление на Земле, в древнейшие эпохи интенсивность и того и другого была предположительно выше, чем в современном мире. Поэтому, какой бы ни была атмосфера на архейской и протерозойской Земле, извержения вулканов всегда создают условия для синтеза биологических молекул.

Источники:
1) Adam P. Johnson, H. James Cleaves, Jason P. Dworkin, Daniel P. Glavin, Antonio Lazcano, Jeffrey L. Bada. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment // Science. 17 October 2008. V. 322. P. 404. DOI: 10.1126/science.1161527.
2) Jeffrey L. Bada, Antonio Lazcano. Prebiotic Soup—Revisiting the Miller Experiment // Science. 2 May 2003. V. 300. P. 745–746. DOI: 10.1126/science.1085145.

См. также:
В. Н. Пармон. Новое в теории появления жизни, «Химия и жизнь» №5, 2005.

Елена Наймарк


13
Показать комментарии (13)
Свернуть комментарии (13)

  • feb7  | 20.10.2008 | 12:30 Ответить
    После прочтения статьи у меня возникло два вопроса.
    1)Упоминается,что в первом эксперименте Миллера моделировалось испарение воды во время грозы.А чем была заполнена колба - какой смесью газов, перед началом эксперимента?
    2)Как я понял из статьи, повторно анализировался третьий экперимент Миллера(вулканические газы).Какие изомеры аминокислот были получены? Был ли зафиксирован хиральный сдвиг?
    Ответить
    • naimark > feb7 | 20.10.2008 | 23:04 Ответить
      Смесь газов во всех экспериментах была одинаковой: аммиак, метан и водород. Относительно хирального сдвига ничего не говорилось. Но , насколько я помню из старинных обсуждений, никакого хирального сдвига в первом опыте не было обнаружено. И очень жаль, что авторы статьи, имея мощную современную аппаратуру, не исследовали стехиометрию продуктов реакций. Возможно, вы обнаружите какую-то полезную для себя подсказку в приложениях к статье (они в свободном доступе это приложение S1)
      Ответить
  • n0isy  | 20.10.2008 | 14:10 Ответить
    Ток току рознь. Разряд молнии на несколько порядков мощнее чем может создать подобная установка.
    Ответить
    • naimark > n0isy | 20.10.2008 | 23:07 Ответить
      Вы правы, но молнию трудно изучать в лаборатории, как мы помним из печального опыта Рихмана.
      Ответить
  • vikus  | 20.10.2008 | 18:32 Ответить
    Новость, безусловно, интересная. Однако, не стоит "переоценивать" ее значимость. Ну да, нашли больше аминокислот и их производных (удивительно было б если б не нашли, ведь если TLC анализирует наномоли и пикомоли, то LC/MS - фемтомоли и аномоли, разница в 6 порядков...), вот, собсно, и все... РНК-мир, конечно, замечательная штука, про него и Марков на своем сайте хорошо рассказывает. Только надо понимать, что для "победы" оной гипотезы сильно не хватает двух ответов: 1) почему и как "первородные" цепочки РНК сами себя "размножали", 2) откуда взялась естественная хиральность биомолекул (тогда можно сразу под нобелевскую медаль дырочку сверлить в пинжаке). Упомянутое вами "доказательство избирательного синтеза хиральных изомеров в естественных земных условиях", к сожалению, имеет к тому весьма отдаленное отношение. А вот на вопросе атмосферы заострять не стоит. Тут как раз все более или менее ясно. Древняя атмосферка как раз была восстановительной, о том есть много геологических данных. Например, присутствие железа только в восстановленной форме в древних породах. Кстати, слово "переизучение" лучше б заменить на "повторный анализ". Но, в целом - все неплохо получилось. И еще: вам привет от нашего местного генетика Левы У.
    Ответить
    • naimark > vikus | 20.10.2008 | 23:20 Ответить
      Спасибо за привет от неизвестного мне генетика Левы У. Приятно, когда генетики тебя помнят и приветы передают. Все вопросы , которые вы задали, безусловно, наиболее заковыристые в современной науке о происхождении жизни. Относительно первого вопроса посоветовала бы Вам обратиться к статьям Спирина за последние 3-4 года. Там описаны кое-какие любопытные эксперименты, как РНК сами себя размножают. В статьях Юшкина имеется ряд интересных фактов о неорганическом катализе молекул РНК и белков. Там же Вы найдете и о хиральном синтезе биологических молекул. Интересно, например, что природные глины, например, бентонит катализирует преимущественно (на 80-90%) только один из изомеров терпенов и близких терпеноподобных соединений. При этом глинистые минералы сейчас рассматриваются в качестве возможной матрицы для возникновения жизни. Конечно, пока нет выстроенной теории механизмов хирального синтеза, но коллекция фактов подобралась уже неплохая. А по поводу восстановительной атмосферки Вам бы с геологом поговорить, он бы Вам квалифицированно и нудно привел сотню доводов, что атмосферка, ВОЗМОЖНО, была и окислительной.
      Ответить
  • PavelS  | 20.10.2008 | 18:48 Ответить
    Неужели так сложно повторить эксперимент полностью, или сделать его лучше? Довольно странно, что приходится что-то искать в древнющщих пробирках.
    Ответить
    • naimark > PavelS | 20.10.2008 | 23:24 Ответить
      Да, такая здравая мысль появляется у каждого, кто читает эту статью. Тем более, что аппараты Миллера легко собираются, если до сих пор не хранятся в лаборатории вместе с материалами опытов. Но авторы статьи почему-то этого не сделали. Предлагаю Вам включить свою фантазию и самостоятельно ответить на вопрос "почему".
      Ответить
      • Wolodimir > naimark | 21.10.2008 | 14:09 Ответить
        Фантазия - подлая штука)))
        Ответить
      • TestPilot > naimark | 21.10.2008 | 16:37 Ответить
        Потому, что опыт повторяли сотни/тысячи раз с тех пор? И найти что либо новое, на замеченное исследователями в этих повторах очень сложно? А вот в случае изучения "остатков" оригинального опыта великого М., да еще приуроченных к его смерти, да еще и заявляя, мол мы таки нашли/заметили больше чем сам великий М.! Так можно и в ведущие новостные ленты научпопа попасть. Потом грантодателем показывать:) А иначе был бы еще один нудный очередной повтор опыта.
        Ответить
        • naimark > TestPilot | 21.10.2008 | 21:20 Ответить
          Я бы не стала так огульно обвинять авторов в меркантильно-ушлом отношении к предмету. Нужно понимать, что история науки - захватывающая область знания, и она дает нам порой больше, чем текущая наука. Все же пусть наша фантазия сдерживается презумпцией невиновности.
          Ответить
          • feb7 > naimark | 22.10.2008 | 00:56 Ответить
            Огульно - не огульно, но такое случается. Тем более, в науке фантазию надо сдерживать не презумцией невиновности, а бритвой Окамма.
            Ответить
  • Alex_V  | 14.08.2010 | 16:53 Ответить
    Теперь все ясно. Аминокислоты именно стандартного ряда, тобто продукт разложения природных белков.
    Оборудование не было стерильно. Собственно, здесь требуется качественно иная степень стерильности - не просто убивание бактерий, которые повсюду, но и полная очистка от их органических остатков.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»