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
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 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 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
О том, за что можно не любить эксперименты, о пользе семинаров, благородстве научного руководителя и возникновении живого на фоне холодной войны рассказываем в нашей рубрике «История науки».
Стэнли Миллер родился в 1930 году в семье юриста и школьной учительницы. С детства мальчик любил читать, хорошо учился, любил природу, ходил в походы с бойскаутами. Вслед за братом поступил в Калифорнийский университет так же, как он, изучать химию. С легкостью пройдя университетский курс, он перешел в Чикагский университет, предложивший ему место ассистента (после смерти отца он уже не мог позволить себе просто учиться). Там начались долгие и непростые поиски темы для дальнейшей работы, места, куда приложить свои знания и светлый ум.
Считая эксперименты делом «пустым, затратным по времени и не столь уж важным» (а может быть, просто затратным), Миллер обратился к теоретическим проблемам. Одним из профессоров, чья работа привлекла внимание Миллера, стал Эдвард Теллер, изучавший синтез химических элементов в звездах.
Однако тот Стэнли Миллер, о котором сегодня идет речь, «родился» осенью 1951 года, когда он стал посещать семинары профессора Гарольда Юри, уже на тот момент Нобелевского лауреата (за открытие дейтерия). Юри к тому времени увлекся космохимией, эволюцией химических элементов в звездах и планетах, составил предположение о составе ранней атмосферы Земли. Он полагал, что синтез органических веществ возможен в средах, подобных древней земной атмосфере. Эти идеи увлекли Миллера (настолько, что он помнил подробности лекций и десятилетия спустя), и он перешел со своими исследованиями к Юри.
Гарольд Юри
Wikimedia Commons
Тем самым Миллер занялся проблемой, которой притягивала множество ученых. О том, может ли живое возникнуть из неживого, спорили Уильям Гарвей, Франческо Реди, Луи Пастер, Ладзаро Спалланцани, Якоб Берцелиус, Фридрих Велер (и это даже не все, о ком мы уже писали в «Истории науки»).
Споры не утихли и в XX веке. Здесь большой вклад внес наш соотечественник, Александр Опарин. В 20-х годах он опубликовал статью «О возникновении жизни», в которой изложил свою теорию зарождения живого из «первичного бульона». Опарин предположил, что возникновение органических веществ возможно в зонах повышенной концентрации высокомолекулярных соединений. Когда такие зоны обзаводились оболочкой, частично отделяющей их от окружающей среды, они превращались в коацерватные капли - ключевое понятие теории Опарина - Холдейна (примерно в это же время схожие идеи развивал британский биолог Джон Холдейн). Внутри этих капель могут образовываться простые органические вещества, а вслед за ними и сложные соединения: белки, аминокислоты. Поглощая вещества из внешней среды, капли могут расти и делиться.
Однако вернемся к Миллеру. Его энтузиазм и желание устроить какой-нибудь эксперимент и проверить теорию у Юри поначалу сочувствия не нашли: не стоит аспиранту лезть в неизведанное, лучше, если он займется чем-нибудь попроще. В итоге профессор уступил, но дал Миллеру год. Не будет результатов, тему придется сменить.
Миллер принялся за работу: взял данные Юри о составе ранней атмосферы и предположил, что синтез необходимых для возникновения жизни соединений можно стимулировать электрическим разрядом (считается, что молнии были нередки на Земле и в древности). Установка состояла из двух колб, соединенных стеклянными трубками. В нижней колбе была жидкость, в верхней - смесь газов: метана, аммиака и водорода - и пара. К верхней колбе также были подсоединены электроды, создающие электрический разряд. В разных местах эту систему подогревали и охлаждали, и вещество непрерывно циркулировало.
Эксперимент Миллера - Юри
Wikimedia Commons
Через неделю остановили эксперимент и вынули колбу с охлажденной жидкостью. Миллер обнаружил, что 10-15% углерода перешло в органическую форму. С помощью бумажной хроматографии он заметил следы глицина (они появились уже на второй день эксперимента), альфа- и бета-аминопропионовой кислоты, аспаргиновой и альфа-аминомасляной кислот.
Миллер показал Юри эти скромно звучащие, но так много значащие результаты (они доказывали возможность появления органики в условиях ранней Земли), и ученые, хотя и не без проблем, опубликовали их в журнале Science. В авторах значился лишь Миллер, иначе, опасался Юри, все внимание достанется ему, нобелиату, а не настоящему автору открытия.
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:
1953 |
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.
ВНИМАНИЕ!!! ДАННЫЙ МАТЕРИАЛ ПЕРЕРАБОТАН, ДОПОЛНЕН И ВКЛЮЧЕН В КНИГУ «Творение или эволюция? Сколько лет Земле?». ДЛЯ ЧТЕНИЯ ПЕРЕЙДИТЕ НА СТРАНИЦУ -->
В середине прошлого века ученый Чикагского университета Стэнли Миллер в лаборатории попробовал воссоздать бульон, который, по его мнению, был на Земле до зарождения на ней жизни. Он в колбе смешал водный пар, аммиак, метан и пропускал через эту среду электричество. В итоге были получены 3 вида аминокислот из 20, являющихся составными элементами белка (протеина) живого организма. Так, экспериментальным путем, якобы, был доказан факт случайного возникновения жизни. Однако у этого эксперимента есть несколько существенных недостатков, которые хоть и не афишируют, но признают сами сторонники эволюции: 1. аммиак не мог быть на Земле в таком количестве, так как этот газ разрушается под воздействием ультрафиолета солнечных лучей; 2. метана не нашли в древнем осадочном глиноземе; 3. получаемые во время опыта аминокислоты ученый тут же подвергал изоляции от дальнейшего воздействия разрядов электричества, так как знал, что ток вновь разорвет полученные связи. Но в природе грозы, которые якобы способствовали созданию аминокислот, не прекращались, а значит, они всегда немедленно разрушали бы то, что создавали; 4. полученные аминокислоты даже теоретически не смогли образовать никакой жизни, так как в результате опыта получились аминокислоты с левой и с правой спиралью. Но протеин состоит из сложной цепочки левозакрученных аминокислот, которые с трудом соединяются в одно целое, но легко разрываются. Присутствие хоть одной аминокислоты с правой спиралью разрушает все созданное ранее; 5. не был учтен кислород, хотя сегодня на большой глубине ученые геологи находят оксидированные камни, что доказывает постоянное присутствие кислорода в атмосфере земли. Присутствующий в той атмосфере кислород разрушил бы элементы вещества, которое получил ученый. Таким образом, первичная атмосфера в опыте Миллера была фиктивной. После долгих лет молчания Миллер сам признал, что среда, которую он использовал в своем опыте, была не настоящей. Почему же Миллер в свое время настаивал на этой газовой смеси? Ответ прост: без аммиака синтез аминокислоты невозможен.
Радиоуглеродный метод ошибается
Магнитное поле Земли ослабевает
«Проткнутые» слои
Эрозия почв на начальном уровне
Возраст Луны меньше 10000 лет
Прирост населения соответствует Библейскому возрасту земли
Луна недалеко от Земли
Ледовые кольца показывают не годы
Коралловый риф рос меньше 5000 лет
Динозавры надежные свидетели
Все люди произошли от одной пары
Цивилизациям и письменности менее 5000 лет
Слои Земли не имеют собственной датировки. Геологические слои. Геохронологическая шкала
Отсутствие научных доказательств. Кент Ховинд
