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

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.

Эксперимент Миллера - Юри - известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции. 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.

Как становится понятным, одним из основных аргументов 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.

Много позже, в 2001 году, Алан Сагательян показал, что самореплицирующиеся пептидные системы в состоянии эффективно усиливать молекулы определённого вращения в рацемической смеси, показав таким образом, что преобладание одного из стереоизомеров могло возникнуть естественным образом. Кроме того, показано, что существует возможность спонтанного возникновения хиральности в обычных химических реакциях, известны также пути синтеза ряда стереоизомеров, в том числе, углеводородов и аминокислот, в присутствии оптически активных катализаторов. Впрочем, непосредственно в данном эксперименте ничего подобного в явном виде не произошло.

Проблему хиральности пытаются решить иными способами, в частности, через теорию занесения органики метеоритами.

Биохимик Роберт Шапиро указал, что 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 трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались.

Курамшин А.И.

(«ХиЖ», 2017, №7)

«Святой Грааль» химиков и биологов - тайна появления жизни на Земле. По этому поводу существует много гипотез, но наиболее стройной все же считается гипотеза абиогенеза, согласно которой «вещества жизни» образовались в результате сложного каскада химических реакций относительно простых веществ в условиях молодой Земли. Весомым аргументом в ее пользу стал знаменитый эксперимент Миллера - Юри, в котором аминокислоты, входящие в состав белков, были получены из предполагаемых компонентов атмосферы добиотической Земли. Спустя 65 лет исследователи из Чехии показали, что в аналогичных условиях могли образоваться и азотистые основания РНК («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2017, 114, 17, 4306-4311, doi: 10.1073/ pnas.1700010114 ).
В 1952 году химики Стенли Миллер и Гарольд Юри провели ставший классическим эксперимент - они смоделировали процессы, которые могли протекать в атмосфере древней Земли, чтобы проверить возможность абиогенеза. Нагретую газообразную смесь воды, метана, аммиака, монооксида углерода и водорода, изолированную в стеклянной колбе, подвергали воздействию электрических разрядов, время от времени подавая свежие порции паров воды. В таком режиме реакцию проводили около недели.
Анализируя получившийся раствор, Миллер и Юри однозначно идентифицировали в нем аминокислоты глицин, α-аланин и β-аланин, а также получили свидетельства образования других аминокислот, входящих в состав современных белков. Спустя десятилетия, когда в инструментарии аналитической химии появились более мощные приборы, в том самом растворе (к счастью, он все это время хранился в запаянной ампуле в столе Юри, а после его смерти - у его ученика) обнаружили 18 из 20 протеиногенных аминокислот. Оставшиеся две - цистеин и метионин - не смогли получиться просто из-за того, что в первичных экспериментах Миллера и Юри не было источника серы.
Хотя эти результаты всегда считались весомым аргументом в пользу концепции абиогенеза, были и критические замечания. Основные претензии критиков: моделируя атмосферу ранней Земли, исследователи взяли газовую смесь со слишком значительными восстановительными способностями, к тому же аминокислот для возникновения жизни
мало, нужны еще нуклеотиды.
С тех пор было проведено множество экспериментов, в которых удалось получить из сравнительно простых молекул и азотистые основания, и нуклеотиды (подробнее см. ). Сотрудники Института физической химии Академии наук Республики Чехия, работавшие под руководством Святоплука Цивиша, решили воспроизвести старый добрый эксперимент, слегка поменяв его условия. Очень многое в новом варианте осталось прежним - восстанавливающая газовая смесь из NH 3 , CO и H 2 O, электрические импульсы. Однако исследователи добавили облучение системы мощным лазером - по их мнению, это должно было моделировать плазменные разряды в атмосфере Земли, которые возникали из-за ударных волн, вызванных регулярным падением на Землю крупных метеоритов. В итоге им удалось получить не только аминокислоты, но и все азотистые основания рибонуклеиновых кислот.
Протекающие в эксперименте реакции авторы описали следующим образом. При воздействии электри ческих разрядов и ультрафиолетового излучения на газообразную смесь аммиака, моноксида углерода и воды образуются формамид HC(O)NH 2 и циановодород HCN, которые затем, взаимодействуя, дают азотистое основание гуанин. Другие канонические азотистые основания - урацил, цитозин и аденин - образовывались в количествах более скромных, чем гуанин, но их присутствие тоже было подтверждено. В продуктах реакции также содержались мочевина и аминокислоты.
Исследователи подчеркивают, что своим экспериментом они стремились не опровергнуть альтернативные гипотезы абиогенеза, а показать, что компоненты РНК могли образоваться различными способами.