Что доказал опыт стенли миллера. Опыт миллера

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.

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:

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.

«Биохимическая эволюция Опарина» - 2) Формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов. Суть гипотезы сводилась к следующему… Зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. 1) Синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли. Теория Опарина. 1894-1980.

«Гипотеза Опарина» - Биография. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза возникновения жизни на Земле А.И.Опарина. Сгустки, называемые коацерватными каплями. Биография А.И.Опарина. Английский биолог. Александр Иванович Опарин. Концепция. Живая клетка. Теория возникновения жизни на Земле. Установка Стэнли Миллера. Формирование атмосферы Земли. Этапы возникновения жизни на Земле.

«Теории биогенеза и абиогенеза» - Отсутствие живых организмов. Теория самопроизвольного зарождения. Расцвет классического учения о самозарождении. Теория спонтанного зарождения. Черви. Этапы возникновения жизни на Земле. Аминокислоты. Теория биохимической эволюции. Сторонники теории панспермии. Креационизм. Теории биогенеза и абиогенеза о происхождении живого вещества. Демокрит. Английский биохимик и генетик Джон Холдейн. Охарактеризуйте биохимическую стадию химической эволюции.

«Химическая эволюция» - Гипотеза панспермии. Внеземное происхождение микроорганизмов. Гипотеза самозарождения. Геохронология. Известно около 8 млн. химических соединений. Геологическая история Земли неотделима от её биологической эволюции. Химическая эволюция и биогенез. Геохронологическая шкала. Протозвезда - Солнце. Солнце нагревало внутреннюю часть. Радиоактивность. Российский химик А.П. Руденко. С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает.

«Теория биохимической эволюции» - Жизнь была создана сверхъестественным существом. Образование мембранной структуры. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции. Третий этап характеризовался выделением. Концентрация веществ в коацерватных каплях. Молекулы многих веществ. Простые молекулы. Первые примитивные живые организмы. Длинные нитеобразные молекулы. «Первичный бульон». Одним из основных признаков живого является способность к репликации.

«Гипотеза биохимической эволюции» - Процесс, приведший к возникновению жизни на Земле. Происхождения жизни на Земле. Первичный бульон. Миллер, Стэнли Ллойд. Теория Опарина - Холдейна. Эксперимент Миллера - Юри. Разные аспекты. Условия для зарождения жизни. Гипотеза А. И. Опарина. Коацерватные капли.

Основная статья: Эксперимент Миллера-Юри

Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы XX столетия русским исследователем А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдейном. Теория утверждала, что условия на Земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться сложные органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O 2 и O 3 .

В 1953 году эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллером и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытным путём ими было доказано, что в среде, похожей на среду с предположительными пребиотическими условиями, посредством притока энергии извне (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоновые и жирные кислоты - одни из важнейших строительных элементов биомолекул (причём современные исследования сохранившегося содержимого колб Миллера показало, что там содержалось большее количество аминокислот, чем смог выявить Миллер ).

В более поздних, в большинстве случаев, более сложно построенных опытах с первичным бульоном экспериментаторы смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ - аминокислоты, жиры, сахара, нуклеотиды, - так и более сложные органические соединения - порфины и изопреноиды [источник не указан 1264 дня ] .

По замечанию биохимика Роберта Шапиро, 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 трёх атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов удалось получить лишь в 2009 г .

Хотя этим была показана возможность естественного образования органических молекул, эти результаты сегодня иногда подвергаются критическим оценкам. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос ещё не окончательно решён и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путём, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся также теории происхождения органики в окрестностях гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

В качестве аргумента против происхождения органических молекул из первичного бульона иногда приводят тот факт, что во время опыта получается рацемат, то есть равная смесь из L и D-форм аминокислот. Соответственно, должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определённому варианту хиральных молекул. Некоторые космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как, по их мнению, фотохимические процессы с циркулярно-поляризированным излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определённого вращения. И действительно, у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающие. Однако в 2001 году Alan Saghatelian показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно отбирать молекулы определённого вращения в рацематной смеси, что делает возможным и земное происхождение полимеров из определённых оптических изомеров.

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