Новые результаты старенького опыта Стэнли Миллера
Материал о новых опытах Миллера по синтезу органических веществ из неорганических.
Получены новые результаты старенького опыта Стэнли Миллера
Вулканические выбросы и разряды молний — условия самопроизвольного синтеза различных био молекул. Фото извержения вулкана в Исландии с веб-сайта www.thunderbolts.info
Последователи Стэнли Миллера, поставившего в 50-х годах именитые опыты по имитации синтеза органики в первичной атмосфере Земли, вновь обратились к результатам старенькых тестов. Оставшиеся от тех лет материалы они изучили новыми способами. Выяснилось, что в опытах, имитировавших вулканические выбросы парогазовой консистенции, синтезировался широкий диапазон аминокислот и других органических соединений. Их обилие оказалось больше, чем это представлялось в 50-е годы. Этот итог акцентирует внимание современных исследователей на критериях синтеза и скопления первичной высокомолекулярной органики: синтез мог активизироваться в районах извержений, а вулканические пеплы и туфы могли стать резервуаром био молекул.
В мае 1953 года в журнальчике Science были размещены результаты известного опыта по синтезу высокомолекулярных соединений из метана, аммиака и водорода под действием электронных 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 пробирок, в каких циркулировал водяной пар. В большой пробирке на вольфрамовых электродах генерировался электронный разряд. Опыт продолжался неделю, по истечении которой вода в пробирке заполучила желто-коричневый колер и стала маслянистой.
Слева: аппарат Стэнли Миллера для опытов с электронными разрядами в жарком паре. Справа: схема аппарата. Выбросы пара через форсунку должны имитировать парогазовые консистенции при вулканических извержениях. Изображения из обсуждаемых статей в Science
Миллер анализировал состав органики при помощи картонной хроматографии — способа, тогда только вошедшего в обиход биологов и химиков. Миллер нашел 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 различием, что заместо консистенции газов с восстановительными качествами в пробирке был углекислый газ — окислитель. В отличие от Миллера, Уайлд не получил никаких важных результатов. Миллер и прямо за ним многие ученые исходили из восстановительной, а не окислительной атмосферы сначала существования Земли. Логическая цепочка их рассуждений была таковой: мы стоим на позициях, что жизнь зародилась на Земле; для этого необходимы были органические вещества; они должны были быть продуктом земного синтеза; если в восстановительной атмосфере синтез идет, а в окислительной — не идет, означает первичная атмосфера была восстановительной.
Кроме догадки восстановительной атмосферы на ранешней Земле, миллеровские опыты обосновывают к тому же принципную возможность самопроизвольного синтеза нужных био молекул из обычных составляющих. Эта догадка получила суровое подкрепление после опыта Хуана Оро (Joan Oro; см. J. Oro. 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 4 оснований молекул ДНК и РНК. Возможность самопроизвольного синтеза высокомолекулярной органики, включая нуклеотиды и аминокислоты, стала сильной опорой теории Опарина о самозарождении жизни в первичном бульоне.
После этих тестов прошла целая био эра. 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. Мысль восстановительной атмосферы на ранешней Земле тоже была предана решительной критике. Не появилось решения головного вопроса: как из неживых молекул сложилось самовоспроизводящееся живое существо? Появились аргументы для теории инопланетного происхождения жизни.
Но в последние годы ученые достигнули осязаемых фурроров в развитии теории зарождения жизни из неорганической материи. Главные заслуги в этом направлении — это, во-1-х, открытие роли РНК в становлении биоорганического катализа; теория РНК-мира приближает нас к ответу на вопрос, как из неживой органики сложились живы системы. Во-2-х, открытие каталитических функций неорганических природных минералов в реакциях высокомолекулярного органического синтеза, подтверждение важной роли катионов металлов в метаболизме живого. В-3-х, подтверждение избирательного синтеза хиральных изомеров в естественных земных критериях (см. к примеру, Открыт новый метод получения органических молекул», «Элементы», 06.10.2008). Другими словами, теория абиогенеза получила новые обоснования.
С этих позиций увлекательны результаты переизучения материалов, оставшихся от старенькых тестов Миллера, до сего времени хранившихся, как это ни удивительно, в запечатанных колбах в его лаборатории. В 50-е годы Стэнли Миллер поставил три опыта, имитировавших разные варианты критерий зарождения жизни. Самый узнаваемый из их, вошедший во все школьные учебники, — это образование биомолекул при пропускании через пар электронных разрядов. Пробирка конструировала условия испарения вод над океаном во время гроз. 2-ой — образование биомолекул при слабенькой ионизации газов — при так называем тихом разряде. Это была модель ионизированной, насыщенной паром атмосферы ранешней Земли. В 3-ем опыте пар подавался под огромным давлением, поступая в пробирку в виде массивных струй, через которые пропускали, как и в первом случае, электронные разряды. Этот случай имитировал вулканические выбросы и образование жарких вулканических аэрозолей. Биологи опирались на результаты только первого, более успешного опыта, так как в других 2-ух опытах синтезировалось не достаточно органики и обилие 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 погибели Миллера в 2007 году взяли на себя спецы из Америки и Мексики — из Индианского института (Блумингтон), Института Карнеги (Вашингтон), Отдела исследования Галлактики Центра галлактических полетов имени Годдарда (Гринбелт), Скриппсовского океанографического института (Ла-Холья, Калифорния) и Независящего мексиканского института (Мехико). В их распоряжении оказались 11 пробирок, подходящим образом промаркированных Миллером. Они все содержали высушенные материалы третьего опыта, того, который имитировал вулканические выбросы. Ученые развели осадок дистиллированной водой и проанализировали смесь, сейчас уже при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Современные способы выявили высочайшее обилие «биологических» молекул. Оно оказалось даже выше, чем в первом опыте. Разумеется, что способы картонной хроматографии наименее чувствительны, чем жидкостной, потому сейчас выявились и те соединения, которые присутствовали в малых концентрациях.
Новые результаты старенького 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 находятся соединения металлов — железа, марганца, меди, цинка, никеля и др., которые участвуют в ферментативных реакциях в живых системах. Вулканические пеплы и туфы, как проявили бессчетные опыты, стимулируют рост и анаэробной, и аэробной микрофлоры. При всем этом в среду для культивирования даже не непременно добавлять разные актуально нужные элементы — бактерии их сами добудут из нее. В древние времена дополнительный синтез органики мог косвенно содействовать росту жизни на изверженных субстратах. Не считая того, химия аэрозолей — это практически неизученная область, потому тем паче увлекателен итог аэрозольного синтеза высокомолекулярных био молекул. В этом смысле химики и вулканологи могут привнести значимый вклад в обсуждение трудности зарождения земной жизни.
Создатели сообщения замечают, что версия о восстановительной атмосфере ранешней Земли на данный момент находится под колебанием. Но вулканические выбросы и грозы — это неизменное явление на Земле, в древние эры интенсивность и того и другого была предположительно выше, чем в современном мире. Потому, какой бы ни была атмосфера на архейской и протерозойской Земле, извержения вулканов всегда делают условия для синтеза био 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 возникновения жизни, «Химия и жизнь» №5, 2005.
Лена Наймарк
Источник:
elementy.ru/news/430882