Moleculele necesare vieții ar putea să fi apărut din reacții chimice la începutul dezvoltării Pământului.

Acum 4,5 miliarde de ani, când a apărut Pământul, era o minge fierbinte, fără viață. Astăzi, pe ea se găsesc din abundență diferite forme de viață. În acest sens, se pune întrebarea: ce schimbări au avut loc pe planeta noastră din momentul formării ei până în prezent și, cel mai important, cum au apărut moleculele care formează organismele vii pe Pământul fără viață? În 1953, la Universitatea din Chicago a fost efectuat un experiment care astăzi a devenit un clasic. El le-a arătat oamenilor de știință modalitatea de a răspunde la această întrebare fundamentală.

În 1953, Harold Urey era deja laureat al Premiului Nobel, iar Stanley Miller era doar studentul său absolvent. Ideea experimentului lui Miller a fost simplă: într-un laborator de semisubsol, el a reprodus atmosfera celui mai vechi Pământ, așa cum era, conform oamenilor de știință, și a urmărit din lateral ce se întâmplă. Cu sprijinul lui Yuri, el a asamblat un aparat simplu dintr-un balon sferic de sticlă și tuburi, în care substanțele evaporate circulau într-un circuit închis, se răceau și se întorceau în balon. Miller a umplut vasul cu gaze despre care Urey și biochimistul rus Alexander Oparin (1894–1980) credeau că erau prezente în atmosferă în zorii formării Pământului - vapori de apă, hidrogen, metan și amoniac. Pentru a simula căldura solară, Miller a încălzit balonul pe un arzător Bunsen și, pentru a obține un analog al fulgerelor, a introdus doi electrozi într-un tub de sticlă. Conform planului său, materialul, evaporându-se din balon, trebuia să intre în tub și să fie expus unei descărcări electrice de scânteie. După aceea, materialul a trebuit să fie răcit și înapoiat în balon, unde întregul ciclu a început din nou.

După două săptămâni de funcționare a sistemului, lichidul din balon a început să capete o nuanță roșu-maro închis. Miller a analizat acest lichid și a găsit în el aminoacizi - unitățile structurale de bază ale proteinelor. Deci, oamenii de știință au ocazia să studieze originea vieții în termeni de procese chimice de bază. Începând din 1953, versiunile sofisticate ale experimentului Miller-Urey, așa cum a ajuns să fie cunoscute de atunci, au generat tot felul de molecule biologice - inclusiv proteinele complexe necesare pentru metabolismul celular și moleculele de grăsime numite lipide care alcătuiesc membranele celulare. Aparent, același rezultat ar putea fi obținut și prin utilizarea altor surse de energie în locul descărcărilor electrice - de exemplu, căldura și radiația ultravioletă. Deci aproape că nu există nicio îndoială că toate componentele necesare pentru asamblarea celulei ar putea fi obținute în reacții chimice care au avut loc pe Pământ în vremuri străvechi.

Valoarea experimentului Miller-Urey constă în faptul că a arătat că fulgerele din atmosfera Pământului antic de-a lungul a câteva sute de milioane de ani ar putea provoca formarea de molecule organice care au căzut odată cu ploaie în „supa primordială” (vezi și Teoria evoluției). Reacțiile chimice care nu au fost încă stabilite în acest „bulion” ar putea duce la formarea primelor celule vii. În ultimii ani, au apărut întrebări serioase cu privire la modul în care s-au dezvoltat aceste evenimente, în special, este pusă sub semnul întrebării prezența amoniacului în atmosfera celui mai vechi Pământ. În plus, au fost propuse mai multe scenarii alternative care ar putea duce la formarea primei celule, variind de la activitatea enzimatică a unei molecule biochimice de ARN până la procese chimice simple în adâncurile oceanului. Unii oameni de știință chiar sugerează că originea vieții este legată de noua știință a

Despre de ce nu vă pot plăcea experimentele, despre beneficiile seminariilor, despre noblețea unui lider științific și despre apariția celor vii pe fundalul Războiului Rece, spunem în secțiunea noastră „Istoria științei”.

Stanley Miller s-a născut în 1930 dintr-un avocat și profesor de școală. Din copilărie, băiatului i-a plăcut să citească, a studiat bine, a iubit natura, a făcut drumeții cu boy scouts. În urma fratelui său, a intrat la Universitatea din California, la fel ca el, pentru a studia chimia. După ce a trecut cu ușurință cursul universitar, s-a mutat la Universitatea din Chicago, care i-a oferit un post de asistent (după moartea tatălui său, nu și-a mai putut permite să studieze pur și simplu). A început o căutare lungă și dificilă pentru un subiect pentru lucru ulterioară, un loc în care să-și aplice cunoștințele și mintea strălucitoare.

Considerând că experimentarea este „goală, consumatoare de timp și nu foarte importantă” (sau poate doar costisitoare), Miller a apelat la probleme teoretice. Unul dintre profesorii ale căror lucrări i-au atras atenția lui Miller a fost Edward Teller, care a studiat sinteza elementelor chimice din stele.

Totuși, Stanley Miller despre care vorbim astăzi s-a „născut” în toamna anului 1951, când a început să participe la seminariile profesorului Harold Urey, deja la acea vreme laureat al Nobel (pentru descoperirea deuteriului). În acel moment, Urey a fost dus de cosmochimie, evoluția elementelor chimice în stele și planete și a făcut o presupunere cu privire la compoziția atmosferei timpurii a Pământului. El credea că sinteza substanțelor organice este posibilă în medii similare cu atmosfera antică a pământului. Aceste idei l-au fascinat pe Miller (atât de mult încât și-a amintit detaliile prelegerilor zeci de ani mai târziu) și a trecut mai departe cu cercetarea lui la Urey.

Harold Urey

Wikimedia Commons

Astfel, Miller a abordat o problemă care a atras mulți oameni de știință. William Harvey, Francesco Redi, Louis Pasteur, Lazzaro Spallanzani, Jakob Berzelius, Friedrich Wöhler au argumentat dacă lucrurile vii pot apărea din lucruri nevii (și nici măcar despre asta nu am scris deja în Istoria științei).

Controversa nu s-a potolit nici măcar în secolul al XX-lea. Aici a adus o mare contribuție compatriotul nostru Alexander Oparin. În anii 1920, a publicat un articol „Despre originea vieții”, în care și-a conturat teoria despre originea viețuitoarelor din „ciorba primordială”. Oparin a sugerat că apariția substanțelor organice este posibilă în zonele cu concentrații mari de compuși macromoleculari. Când astfel de zone au dobândit o coajă care le-a separat parțial de mediu, s-au transformat în picături coacervate - conceptul cheie al teoriei Oparin-Haldane (aproximativ în același timp, idei similare au fost dezvoltate de biologul britanic John Haldane). În interiorul acestor picături se pot forma substanțe organice simple, urmate de compuși complecși: proteine, aminoacizi. Prin absorbția substanțelor din mediu, picăturile pot crește și se pot împărți.

Dar să revenim la Miller. La început, entuziasmul și dorința lui de a organiza un fel de experiment și de a testa teoria nu i-au găsit la început simpatie cu Yuri: un student absolvent nu ar trebui să urce în necunoscut, este mai bine dacă face ceva mai simplu. În cele din urmă, profesorul a cedat, dar i-a dat lui Miller un an. Nu vor fi rezultate, subiectul va trebui schimbat.

Miller s-a pus pe treabă: a luat datele lui Urey privind compoziția atmosferei timpurii și a sugerat că sinteza compușilor necesari apariției vieții ar putea fi stimulată printr-o descărcare electrică (se crede că fulgerul nu era neobișnuit pe Pământ chiar și în antichitate). Configurația a constat din două baloane conectate prin tuburi de sticlă. În balonul inferior era un lichid, în cel superior - un amestec de gaze: metan, amoniac și hidrogen - și abur. Electrozii au fost, de asemenea, conectați la balonul superior, creând o descărcare electrică. În diferite locuri, acest sistem a fost încălzit și răcit, iar substanța a circulat continuu.

Experimentul Miller - Urey

Wikimedia Commons

După o săptămână, experimentul a fost oprit și balonul cu lichidul răcit a fost scos. Miller a descoperit că 10-15% din carbon a intrat în formă organică. Folosind cromatografia pe hârtie, a observat urme de glicină (au apărut deja în a doua zi a experimentului), acid alfa- și beta-aminopropionic, acizi aspartic și alfa-aminobutiric.

Miller i-a arătat lui Urey aceste rezultate modeste, dar atât de semnificative (au dovedit posibilitatea apariției substanțelor organice în condițiile Pământului timpuriu), iar oamenii de știință, deși nu fără probleme, le-au publicat în revista Science. Doar Miller a fost trecut printre autori, altfel, se temea Yuuri, toată atenția s-ar îndrepta către el, laureatul Nobel, și nu către adevăratul autor al descoperirii.

Moleculele necesare vieții ar putea să fi apărut din reacții chimice la începutul dezvoltării Pământului.

Acum 4,5 miliarde de ani, când a apărut Pământul, era o minge fierbinte, fără viață. Astăzi, pe ea se găsesc din abundență diferite forme de viață. În acest sens, se pune întrebarea: ce schimbări au avut loc pe planeta noastră din momentul formării ei până în prezent și, cel mai important, cum au apărut moleculele care formează organismele vii pe Pământul fără viață? În 1953, la Universitatea din Chicago a fost efectuat un experiment care astăzi a devenit un clasic. El le-a arătat oamenilor de știință modalitatea de a răspunde la această întrebare fundamentală.

În 1953, Harold Urey era deja laureat al Premiului Nobel, iar Stanley Miller era doar studentul său absolvent. Ideea experimentului lui Miller a fost simplă: într-un laborator de semisubsol, el a reprodus atmosfera celui mai vechi Pământ, așa cum era, conform oamenilor de știință, și a urmărit din lateral ce se întâmplă. Cu sprijinul lui Yuri, el a asamblat un aparat simplu dintr-un balon sferic de sticlă și tuburi, în care substanțele evaporate circulau într-un circuit închis, se răceau și se întorceau în balon. Miller a umplut vasul cu gaze despre care Urey și biochimistul rus Alexander Oparin (1894–1980) credeau că erau prezente în atmosferă în zorii formării Pământului - vapori de apă, hidrogen, metan și amoniac. Pentru a simula căldura solară, Miller a încălzit balonul pe un arzător Bunsen și, pentru a obține un analog al fulgerelor, a introdus doi electrozi într-un tub de sticlă. Conform planului său, materialul, evaporându-se din balon, trebuia să intre în tub și să fie expus unei descărcări electrice de scânteie. După aceea, materialul a trebuit să fie răcit și înapoiat în balon, unde întregul ciclu a început din nou.

După două săptămâni de funcționare a sistemului, lichidul din balon a început să capete o nuanță roșu-maro închis. Miller a analizat acest lichid și a găsit în el aminoacizi - unitățile structurale de bază ale proteinelor. Deci, oamenii de știință au ocazia să studieze originea vieții în termeni de procese chimice de bază. Începând din 1953, versiunile sofisticate ale experimentului Miller-Urey, așa cum a ajuns să fie cunoscute de atunci, au generat tot felul de molecule biologice - inclusiv proteinele complexe necesare pentru metabolismul celular și moleculele de grăsime numite lipide care alcătuiesc membranele celulare. Aparent, același rezultat ar putea fi obținut și prin utilizarea altor surse de energie în locul descărcărilor electrice - de exemplu, căldura și radiația ultravioletă. Deci aproape că nu există nicio îndoială că toate componentele necesare pentru asamblarea celulei ar putea fi obținute în reacții chimice care au avut loc pe Pământ în vremuri străvechi.

Valoarea experimentului Miller-Urey constă în faptul că a arătat că fulgerele din atmosfera Pământului antic pe parcursul a câteva sute de milioane de ani ar putea provoca formarea de molecule organice care au căzut odată cu ploaie în „supa primordială” ( Vezi si teoria evoluției). Reacțiile chimice care nu au fost încă stabilite în acest „bulion” ar putea duce la formarea primelor celule vii. În ultimii ani, au apărut întrebări serioase cu privire la modul în care s-au dezvoltat aceste evenimente, în special, este pusă sub semnul întrebării prezența amoniacului în atmosfera celui mai vechi Pământ. În plus, au fost propuse mai multe scenarii alternative care ar putea duce la formarea primei celule, variind de la activitatea enzimatică a unei molecule biochimice de ARN până la procese chimice simple în adâncurile oceanului. Unii oameni de știință chiar sugerează că originea vieții este legată de noua știință a sistemelor adaptative complexe și că este posibil ca viața să fie o proprietate neașteptată a materiei care apare brusc la un anumit moment și este absentă din părțile ei constitutive. În zilele noastre, acest domeniu de cunoaștere trece printr-o perioadă de dezvoltare rapidă, apar și sunt testate în el diverse ipoteze. Din acest vâltoare de ipoteze ar trebui să iasă o teorie a modului în care au apărut strămoșii noștri cei mai îndepărtați.

Vezi si:

1953

Stanley Lloyd Miller, n. 1930

chimist american. Născut în Oakland, California, a fost educat la Universitatea din California din Berkeley și la Universitatea din Chicago. Începând din 1960, activitățile profesionale ale lui Miller au fost asociate în principal cu Universitatea din California din San Diego, unde a ocupat funcția de profesor de chimie. Pentru munca sa la experimentul Miller-Urey, i s-a acordat titlul de cercetător la Institutul de Tehnologie din California.

Harold Clayton Urey, 1893-1981

chimist american. Născut în Walkerton, Indiana, fiul unui preot. A studiat zoologia la Universitatea din Montana și și-a luat doctoratul în chimie la Universitatea din California, Berkeley. El a fost pionier în utilizarea metodelor fizice în chimie și a fost distins cu Premiul Nobel pentru Chimie în 1934 pentru descoperirea deuteriului, izotopul greu al hidrogenului. Mai târziu, munca sa a fost asociată în principal cu studiul diferențelor de viteză a reacțiilor chimice atunci când se folosesc diferiți izotopi.

Experimentul Miller-Urey este un experiment clasic celebru care a simulat condiții ipotetice de la începutul Pământului pentru a testa posibilitatea evoluției chimice. Dirijată în 1953 de Stanley Miller și Harold Urey. Aparatul proiectat pentru experiment a inclus un amestec de gaze corespunzător ideilor de atunci despre compoziția atmosferei Pământului timpuriu și prin el treceau descărcări electrice.

Experimentul Miller-Urey este considerat unul dintre cele mai importante experimente în studiul originii vieții pe Pământ. Analiza primară a arătat prezența a 5 aminoacizi în amestecul final. Cu toate acestea, o reanaliza mai precisă publicată în 2008 a arătat că experimentul a dus la formarea a 22 de aminoacizi.

Descrierea experimentului

Aparatul asamblat a constat din două baloane conectate prin tuburi de sticlă într-un ciclu. Gazul care umple sistemul a fost un amestec de metan (CH4), amoniac (NH3), hidrogen (H2) și monoxid de carbon (CO). Un balon a fost umplut pe jumătate cu apă, care s-a evaporat la încălzire, iar vaporii de apă au căzut în balonul superior, unde s-au aplicat descărcări electrice folosind electrozi, simulând descărcări de fulgere pe Pământul timpuriu. Printr-un tub răcit, vaporii condensați au revenit în balonul inferior, asigurând circulație constantă.

După o săptămână de ciclism continuu, Miller și Urey au descoperit că 10-15% din carbon a intrat în formă organică. Aproximativ 2% din carbon s-a dovedit a fi sub formă de aminoacizi, glicina fiind cea mai abundentă dintre aceștia. Au fost găsite și zaharuri, lipide și precursori de acizi nucleici. Experimentul a fost repetat de mai multe ori în 1953-1954. Miller a folosit două versiuni ale aparatului, dintre care una, așa-numita. „vulcanic”, avea o anumită constricție în tub, ceea ce a dus la un flux accelerat de vapori de apă prin balonul de descărcare, care, în opinia sa, simula mai bine activitatea vulcanică. Interesant este că o reanaliza a probelor lui Miller, efectuată 50 de ani mai târziu de profesorul și fostul său colaborator Jeffrey L. Bada, folosind metode moderne de cercetare, a găsit 22 de aminoacizi în probele din aparatul „vulcanic”, adică mult mai mulți decât se considerase mai devreme. .

Miller și Urey și-au bazat experimentele pe idei din anii 1950 despre posibila compoziție a atmosferei Pământului. După experimentele lor, mulți cercetători au efectuat experimente similare cu diferite modificări. S-a demonstrat că chiar și modificări mici ale condițiilor de proces și ale compoziției amestecului de gaze (de exemplu, adăugarea de azot sau oxigen) ar putea duce la modificări foarte semnificative atât în ​​moleculele organice rezultate, cât și în eficiența procesului de sinteză a acestora. . În prezent, problema posibilei compoziții a atmosferei primare a Pământului rămâne deschisă. Cu toate acestea, se crede că activitatea vulcanică ridicată din acea vreme a contribuit și la eliberarea unor componente precum dioxid de carbon (CO 2 ), azot, hidrogen sulfurat (H 2 S), dioxid de sulf (SO 2).

Critica concluziilor experimentului

Sunt criticate concluziile despre posibilitatea evoluției chimice, făcute pe baza acestui experiment.

După cum devine clar, unul dintre principalele argumente ale criticilor este lipsa unei singure chiralitate a aminoacizilor sintetizați. Într-adevăr, aminoacizii obținuți au fost un amestec practic egal de stereoizomeri, în timp ce pentru aminoacizii de origine biologică, inclusiv cei care fac parte din proteine, predominanța unuia dintre stereoizomeri este destul de caracteristică. Din acest motiv, sinteza ulterioară a substanțelor organice complexe care stau la baza vieții direct din amestecul rezultat este dificilă. Potrivit criticilor, deși sinteza celor mai importante substanțe organice a fost clar demonstrată, concluzia de anvergură despre posibilitatea evoluției chimice, extrasă direct din acest experiment, nu este pe deplin justificată.

Mult mai târziu, în 2001, Alan Saghatelyan a arătat că sistemele de peptide autoreplicabile au fost capabile să amplifice eficient moleculele cu o anumită rotație într-un amestec racemic, arătând astfel că predominanța unuia dintre stereoizomeri ar putea apărea în mod natural. În plus, s-a demonstrat că există posibilitatea apariției spontane a chiralității în reacțiile chimice convenționale și există, de asemenea, modalități cunoscute de a sintetiza un număr de stereoizomeri, inclusiv hidrocarburi și aminoacizi, în prezența catalizatorilor optic activi. Cu toate acestea, nimic de acest fel nu sa întâmplat în mod explicit direct în acest experiment.

Ei încearcă să rezolve problema chiralității în alte moduri, în special, prin teoria introducerii materiei organice de către meteoriți.

Biochimistul Robert Shapiro a subliniat că aminoacizii sintetizați de Miller și Urey sunt molecule mult mai puțin complexe decât nucleotidele. Cel mai simplu dintre cei 20 de aminoacizi care fac parte din proteinele naturale are doar doi atomi de carbon, iar 17 aminoacizi din același set au șase sau mai mulți. Aminoacizii și alte molecule sintetizate de Miller și Urey nu conțineau mai mult de trei atomi de carbon. Și nucleotidele în procesul unor astfel de experimente nu s-au format niciodată deloc.

Kuramshin A.I.

("HiZh", 2017, nr. 7)

„Sfântul Graal” al chimiștilor și biologilor este misterul originii vieții pe Pământ. Există multe ipoteze pe acest subiect, dar ipoteza abiogenezei este încă considerată cea mai armonioasă, conform căreia „substanțele vieții” s-au format ca urmare a unei cascade complexe de reacții chimice a unor substanțe relativ simple în condițiile tânărul Pământ. Un argument serios în favoarea sa a fost celebrul experiment Miller-Urey, în care aminoacizii care alcătuiesc proteinele au fost obținuți din presupusele componente ale atmosferei prebiotice ale Pământului. 65 de ani mai târziu, cercetătorii din Republica Cehă au arătat că bazele azotate ale ARN se pot forma și în condiții similare (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2017, 114, 17, 4306-4311, doi: 10.1073/pnas.1700010114 ).
În 1952, chimiștii Stanley Miller și Harold Urey au condus ceea ce a devenit un experiment clasic - au simulat procesele care ar putea avea loc în atmosfera Pământului antic pentru a testa posibilitatea abiogenezei. Un amestec gazos încălzit de apă, metan, amoniac, monoxid de carbon și hidrogen, izolat într-un balon de sticlă, a fost supus la descărcări electrice, furnizând din când în când porții proaspete de vapori de apă. În acest mod, reacția a fost efectuată timp de aproximativ o săptămână.
Analizând soluția rezultată, Miller și Urey au identificat fără ambiguitate aminoacizii glicină, α-alanina și β-alanina din ea și, de asemenea, au obținut dovezi pentru formarea altor aminoacizi care alcătuiesc proteinele moderne. Decenii mai târziu, când instrumentele mai puternice au apărut în trusa de instrumente de chimie analitică, 18 din 20 de aminoacizi proteinogeni s-au găsit chiar în acea soluție (din fericire, a fost păstrat într-o fiolă sigilată în biroul lui Yuri în tot acest timp, iar după moartea lui, în posesia elevului său). Celelalte două, cisteina și metionina, au eșuat pur și simplu pentru că nu a existat nicio sursă de sulf în experimentele originale ale lui Miller și Urey.
Deși aceste rezultate au fost întotdeauna considerate un argument puternic în favoarea conceptului de abiogeneză, au existat critici. Principalele afirmații ale criticilor: atunci când simulează atmosfera Pământului timpuriu, cercetătorii au luat un amestec de gaze cu abilități de reducere prea semnificative, în plus, aminoacizi pentru apariția vieții
nu este suficient, avem nevoie de mai multe nucleotide.
De atunci, au fost efectuate multe experimente în care a fost posibil să se obțină atât baze azotate, cât și nucleotide din molecule relativ simple (pentru mai multe detalii, vezi. ). Angajații Institutului de Chimie Fizică al Academiei de Științe din Republica Cehă, lucrând sub îndrumarea lui Svätopluk Civish, au decis să reproducă vechiul experiment bun, modificându-i puțin condițiile. O mulțime de lucruri în noua versiune au rămas aceleași - amestecul de gaz reducător din NH 3, CO și H2 Oh, impulsuri electrice. Cu toate acestea, cercetătorii au adăugat iradierea sistemului cu un laser puternic - în opinia lor, acesta trebuia să simuleze descărcările de plasmă în atmosfera Pământului, care au apărut din cauza undelor de șoc cauzate de meteoriți mari care cădeau regulat pe Pământ. Drept urmare, au reușit să obțină nu numai aminoacizi, ci și toate bazele azotate ale acizilor ribonucleici.
Reacțiile care au avut loc în experiment au fost descrise de autori după cum urmează. Formamidă HC(O)NH 2 și cianura de hidrogen HCN, care apoi, interacționând, dau baza azotată guanină. Alte baze azotate canonice - uracil, citozina si adenina - s-au format in cantitati mai modeste decat guanina, dar si prezenta lor a fost confirmata. Produșii de reacție au mai conținut uree și aminoacizi.
Cercetătorii subliniază că experimentul lor nu a căutat să infirme ipotezele alternative ale abiogenezei, ci să arate că componentele ARN-ului ar putea fi formate în diferite moduri.