Отримано нові результати старого експерименту Стенлі Міллера • Олена Наймарк • Новини науки на "Елементи" • Хімія, Науки про Землю, Науки про життя

Отримано нові результати старого експерименту Стенлі Міллера

Вулканічні викиди і розряди блискавок – умови мимовільного синтезу різноманітних біологічних молекул. Фото виверження вулкана в Ісландії з сайту www.thunderbolts.info

Послідовники Стенлі Міллера, що поставив в 50-х роках знамениті досліди по імітації синтезу органіки в первинній атмосфері Землі, знову звернулися до результатів старих експериментів. Решта від тих років матеріали вони досліджували новітніми методами. З'ясувалося, що в експериментах, що імітували вулканічні викиди парогазової суміші, синтезировался широкий спектр амінокислот і інших органічних сполук. Їх різноманітність виявилося більше, ніж це уявлялося в 50-і роки. Цей результат акцентує увагу сучасних дослідників на умовах синтезу і накопичення первинної високомолекулярної органіки: синтез міг активізуватися в районах вивержень, а вулканічні попелу і туфи могли стати резервуаром біологічних молекул.

У травні 1953 року в журналі Science були опубліковані результати знаменитого експерименту по синтезу високомолекулярних сполук з метану, аміаку і водню під дією електричних розрядів (див. Stanley L. Miller. A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF, 690 Кб) // Science. 1953. V. 117. P. 528). Установка для дослідів представляла собою систему колб, в яких циркулював водяна пара. У великій колбі на вольфрамових електродах генерувався електричний розряд. Дослід тривав тиждень, після закінчення якої вода в колбі придбала жовто-коричневий відтінок і стала маслянистої.

зліва: Апарат Стенлі Міллера для дослідів з електричними розрядами в гарячому парі. справа: Схема апарату. Викиди пара через форсунку повинні імітувати парогазові суміші при вулканічних виверженнях. Зображення з обговорюваних статей вScience

Міллер аналізував склад органіки за допомогою паперової хроматографії – методу, тоді тільки що увійшов в ужиток біологів і хіміків. Міллер виявив в розчині гліцин, аланін і інші амінокислоти. У той же самий час подібні досліди проводилися Кеннетом Альфред Уайлдом (див. 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) з тією різницею, що замість суміші газів з відновними властивостями в колбі був вуглекислий газ – окислювач. На відміну від Міллера, Уайлд не отримав ніяких значимих результатів. Міллер і слідом за ним багато вчених виходили з відновлювальної, а не окисної атмосфери на початку існування Землі.Логічний ланцюжок їх міркувань була такою: ми стоїмо на позиціях, що життя зародилося на Землі; для цього потрібні були органічні речовини; вони повинні були бути продуктом земного синтезу; якщо в відновлювальної атмосфері синтез йде, а в окислювальному – не йде, значить первинна атмосфера була відновної.

Крім гіпотези відновної атмосфери на ранній Землі, міллеровськие досліди доводять ще й принципову можливість самовільного синтезу необхідних біологічних молекул з простих складових. Ця гіпотеза отримала серйозне підкріплення після досвіду 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), який в 1961 році в установку Міллера ввів синильну кислоту і на виході отримав нуклеотид аденін – одне з чотирьох підстав молекул ДНК і РНК. Можливість мимовільного синтезу високомолекулярної органіки, включаючи нуклеотиди і амінокислоти, стала потужною опорою теорії Опаріна про самозародження життя в первинному бульйоні.

Після цих експериментів пройшла ціла біологічна епоха. Ставлення до теорії первинного бульйону стало більш настороженим.Протягом минулого півстоліття вчені не могли придумати механізму виборчого синтезу хіральних молекул в неживій природі і успадкування цього механізму в живих організмах. Ідея відновної атмосфери на ранній Землі теж була піддана рішучій критиці. Чи не з'явилося рішення головного питання: як з неживих молекул склалося, що самовідтворюються, жива істота? З'явилися аргументи для теорії позаземного походження життя.

Однак в останні роки вчені досягли відчутних успіхів в розвитку теорії зародження життя з неорганічної матерії. Основні досягнення в цьому напрямку – це, по-перше, відкриття ролі РНК в становленні биоорганического каталізу; теорія РНК-світу наближає нас до відповіді на питання, як з неживої органіки склалися живі системи. По-друге, відкриття каталітичних функцій неорганічних природних мінералів в реакціях високомолекулярного органічного синтезу, доказ найважливішої ролі катіонів металів в метаболізмі живого. По-третє, доказ виборчого синтезу хіральних ізомерів в природних земних умовах (див.наприклад, Відкрито новий спосіб отримання органічних молекул »,« Елементи », 06.10.2008). Іншими словами, теорія абиогенеза отримала нові обгрунтування.

З цих позицій цікаві результати переізученія матеріалів, що залишилися від старих експериментів Міллера, до сих пір зберігалися, як це не дивно, в запечатаних колбах в його лабораторії. У 50-ті роки Стенлі Міллер поставив три експерименту, що імітували різні варіанти умов зародження життя. Найвідоміший з них, який увійшов в усі шкільні підручники, – це утворення біомолекул при пропущенні через пар електричних розрядів. Колба моделювала умови випаровування вод над океаном під час гроз. Другий – утворення біомолекул при слабкій іонізації газів – при так називаємо тихому розряді. Це була модель іонізованої, насиченою парою атмосфери ранньої Землі. У третьому експерименті пар подавався під великим тиском, вступаючи в колбу у вигляді потужних струменів, через які пропускали, як і в першому випадку, електричні розряди. Цей випадок імітував вулканічні викиди і освіту гарячих вулканічних аерозолів. Біологи спиралися на результати тільки першого, найбільш вдалого досвіду,тому що в інших двох дослідах синтезувалося мало органіки і різноманітність амінокислот та інших сполук було невелике.

Нові результати аналізу досвіду Міллера з викидами пара. Підкреслено амінокислоти, які не виявлені Міллером. Позначення амінокислот стандартні. Мал. з обговорюваної статті в Science The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment

Переізученіе цих матеріалів після смерті Міллера в 2007 році взяли на себе фахівці з Америки і Мексики – з Індіанського університету (Блумінгтон), Інституту Карнегі (Вашингтон), Відділу дослідження Сонячної системи Центру космічних польотів імені Годдарда (Гринбелт), Скріппсовскій океанографічного інституту (Ла- Холья, Каліфорнія) і Незалежної мексиканського університету (Мехіко). У їх розпорядженні опинилися 11 колб, відповідним чином промаркованих Міллером. Всі вони містили висушені матеріали третього експерименту, того, який імітував вулканічні викиди. Вчені розвели осад дистильованою водою і проаналізували суміш, тепер уже за допомогою високоефективної рідинної хроматографії і мас-спектрометрії. Сучасні методи виявили високий різноманітність «біологічних» молекул. Воно виявилося навіть вище, ніж у першому експерименті.Очевидно, що методи паперової хроматографії менш чутливі, ніж рідинної, тому тепер виявилися і ті сполуки, які були присутні в малих концентраціях.

Нові результати старого досвіду будуть, мабуть, взято до відома биохимиками, мікробіологами і вулканології. Вулканічні викиди являють собою аерозолі, що складаються на 96-98% з води і містять аміак, азот, чадний газ, метан. У вулканічних викидах завжди у великій концентрації містять сполуки металів – заліза, марганцю, міді, цинку, нікелю та ін., Які беруть участь у ферментативних реакціях в живих системах. Вулканічні попелу і туфи, як показали численні експерименти, стимулюють зростання і анаеробної, і аеробного мікрофлори. При цьому в середу для культивування навіть не обов'язково додавати різні життєво необхідні елементи – бактерії їх самі добудуть з неї. У найдавніші часи додатковий синтез органіки міг побічно сприяти зростанню життя на вивержених субстратах. Крім того, хімія аерозолів – це маловивчена область, тому тим більш цікавий результат аерозольного синтезу високомолекулярних біологічних молекул.У цьому сенсі хіміки і вулканологи можуть привнести вагомий внесок в обговорення проблеми зародження земного життя.

Автори повідомлення зазначають, що версія про відновлювальної атмосфері ранньої Землі зараз знаходиться під сумнівом. Однак вулканічні викиди і грози – це постійне явище на Землі, в найдавніші епохи інтенсивність і того і іншого була імовірно вище, ніж в сучасному світі. Тому, хоч би якою була атмосфера на архейської і протерозойської Землі, виверження вулканів завжди створюють умови для синтезу біологічних молекул.

джерела:
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.

Див. також:
В. Н. Пармон. Нове в теорії появи життя, «Хімія і життя» №5, 2005.

Олена Наймарк


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: