Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли

Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера
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.
Вулканические
выбросы
и
разряды
молний
—
условия
самопроизвольного
синтеза разнообразных
биологических молекул.
Фото
извержения
вулкана в Исландии
с сайта
www.thunderbolts.info
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. Втретьих, 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),
Океанографического института Скриппса (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.