Нови резултати от стария експеримент на Стенли Милър
Вулканичните емисии и мълниевите разряди са условията за спонтанен синтез на различни биологични молекули. Снимка на изригване на вулкан в Исландия от www.thunderbolts.info
Последователите на Стенли Милър, извършил известни експерименти през 50-те години на миналия век, за да симулира синтеза на органична материя в първичната атмосфера на Земята, отново се обърнаха към резултатите от стари експерименти. Те изследвали материалите, останали от онези години, използвайки най-новите методи. Оказа се, че в експерименти, които симулират вулканични емисии на смес от пара и газ, са синтезирани широка гама от аминокиселини и други органични съединения. Тяхното разнообразие се оказа по-голямо, отколкото изглеждаше през 50-те години. Този резултат фокусира вниманието на съвременните изследователи върху условията на синтез и натрупване на първична макромолекулна органика: синтезът може да се активира в зоните на изригвания, а вулканичната пепел и туфи могат да се превърнат в резервоар на биологични молекули.
Вляво: Апаратът на Стенли Милър за експерименти с електрически разряди в гореща пара. Вдясно: диаграма на апарата. Емисиите на пара през дюзата трябва да имитират парогазови смеси по време на вулканични изригвания. Изображения от обсъждани статии в Science
Милър анализира състава на органичните вещества с помощта на хартиена хроматография, метод, който току-що беше използван от биолози и химици. Милър открива глицин, аланин и други аминокиселини в разтвора. По същото време подобни експерименти са проведени от Kenneth Alfred Wilde (вижте Kenneth A. Wilde, Bruno J. Zwolinski, Ransom B. Parlin. The Reaction Occurring in CO2–H2O Mixtures in a High-Frequency Electric Arc (PDF, 380 Kb) // Science. 10 July 1953. V. 118. P. 43–44) с тази разлика, че вместо смес от газовередуциращите свойства в колбата бяха въглероден диоксид - окислител. За разлика от Милър, Уайлд не получи никакви значими резултати. Милър и след него много учени изхождаха от редуцираща, а не от окислителна атмосфера в началото на съществуването на Земята. Логическата верига на техните разсъждения беше следната: ние стоим на позициите, че животът се е зародил на Земята; за това бяха необходими органични вещества; трябва да са били продукт на земен синтез; ако синтезът протича в редуцираща атмосфера, но не се случва в окислителна, тогава първичната атмосфера е редуцираща.
В допълнение към хипотезата за редуцираща атмосфера на ранната Земя, експериментите на Милър доказват и фундаменталната възможност за спонтанен синтез на необходимите биологични молекули от прости компоненти. Тази хипотеза беше сериозно подсилена след опита на Joan Oró; виж J. Oró. Механизъм на синтез на аденин от циановодород при възможни примитивни земни условия // Nature. 16 септември 1961 г. V. 191. P. 1193–1194), който през 1961 г. въведе циановодородна киселина в инсталацията на Милър и получи нуклеотида аденин - един от четирите бази ДНК и РНК молекули. Възможността за спонтанен синтез на високомолекулни органични вещества, включително нуклеотиди и аминокиселини, стана мощна подкрепа за теорията на Опарин за спонтанното генериране на живот в първична супа.
След тези експерименти е минала цяла биологична ера. Отношението към теорията за първичната супа стана по-предпазливо. През последния половин век учените не можаха да измислят механизъм за селективен синтез на хирални молекули в неживата природа и наследяването на този механизъм в живите организми. Идеята за възстановителна атмосфера на ранната Земя също беше силно критикувана. Не се появи решениеосновният въпрос: как се е развило самовъзпроизвеждащо се живо същество от неживи молекули? Имаше аргументи за теорията за извънземния произход на живота.
От тази гледна точка представляват интерес резултатите от повторното изследване на материали, останали от старите експерименти на Милър, които, колкото и да е странно, все още се съхраняват в запечатани колби в неговата лаборатория. През 50-те години Стенли Милър организира три експеримента, които симулират различни условия за произхода на живота. Най-известният от тях, включен във всички училищни учебници, е образуването на биомолекули при преминаване на електрически разряди през двойка. Колбата симулира условията на изпаряване на водата над океана по време на гръмотевични бури. Второто е образуването на биомолекули със слаба йонизация на газовете - с така наречения тих разряд. Това беше модел на йонизираната атмосфера на ранната Земя. В третия експеримент се подава пара под високо налягане, която влиза в колбата под формата на мощни струи, през които се пропускат електрически разряди, както в първия случай. Този случай симулира вулканични изригвания и производството на горещи вулканични аерозоли. Биолозите разчитат на резултатите само от първия, най-успешен експеримент, тъй като в останалите два експеримента се синтезира малко органична материя и разнообразието от аминокиселини и други съединения е малко.
Нови резултати от анализа на експеримента на Милър с парни емисии. Аминокиселините, които не са намерени от Милър, са подчертани. Означенията на аминокиселините са стандартни. Ориз. от обсъжданата статия в Science The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment
Повторното изследване на тези материали след смъртта на Милър през 2007 г. е предприето от специалисти от Америка и Мексико - от университета в Индиана (Блумингтън), института Карнеги (Вашингтон), отдела за изследване на слънчевата система на Центъра за космосаGoddard Flights (Greenbelt), Scripps Institution of Oceanography (La Jolla, California) и Независимият университет на Мексико (Мексико Сити). На тяхно разположение са били 11 колби, надлежно етикетирани от Милър. Всички те съдържаха изсушени материали от третия експеримент, този, който симулира вулканични изригвания. Учените разреждат утайката с дестилирана вода и анализират сместа, като сега използват високоефективна течна хроматография и масспектрометрия. Съвременните методи разкриха голямо разнообразие от "биологични" молекули. Оказа се дори по-високо, отколкото в първия експеримент. Очевидно методите за хартиена хроматография са по-малко чувствителни от течната хроматография, така че сега тези съединения, които присъстват в ниски концентрации, също са идентифицирани.
Новите резултати от стария опит явно ще бъдат взети предвид от биохимици, микробиолози и вулканолози. Вулканичните емисии са аерозоли, състоящи се от 96-98% вода и съдържащи амоняк, азот, въглероден окис, метан. Вулканичните емисии винаги съдържат високи концентрации на метални съединения – желязо, манган, мед, цинк, никел и др., които участват в ензимни реакции в живите системи. Вулканичната пепел и туф, както показват многобройни експерименти, стимулират растежа както на анаеробна, така и на аеробна микрофлора. В същото време дори не е необходимо да добавяте различни жизненоважни елементи към средата за култивиране - самите бактерии ще ги извлекат от нея. В древни времена допълнителният синтез на органична материя може косвено да насърчи растежа на живот върху магмени субстрати. В допълнение, химията на аерозолите е слабо проучена област, така че резултатът от аерозолния синтез на високомолекулни биологични молекули е още по-интересен. В товаВ известен смисъл химиците и вулканолозите могат да допринесат значително за обсъждането на проблема за произхода на земния живот.
Авторите на доклада отбелязват, че версията за редуциращата атмосфера на ранната Земя вече е под съмнение. Вулканичните изригвания и гръмотевичните бури обаче са постоянно явление на Земята, в древни времена интензивността и на двете вероятно е била по-висока, отколкото в съвременния свят. Следователно, каквато и да е атмосферата на архейската и протерозойската Земя, вулканичните изригвания винаги създават условия за синтез на биологични молекули.
1) Адам П. Джонсън, Х. Джеймс Клийвс, Джейсън П. Дуоркин, Даниел П. Главин, Антонио Ласкано, Джефри Л. Бада. Експериментът с вулканичен искров разряд на Милър // Наука. 17 октомври 2008 г. V. 322. P. 404. DOI: 10.1126/science.1161527. 2) Джефри Л. Бада, Антонио Ласкано. Пребиотична супа - преразглеждане на експеримента на Милър // Наука. 2 май 2003 г. V. 300. P. 745–746. DOI: 10.1126/наука.1085145.
Вижте също: B. Н. Пармон. Ново в теорията за възникването на живота, "Химия и живот" № 5, 2005 г.