Чтобы оценить это чудо по достоинству, надо познакомиться с рядом современных теорий, описывающих разные варианты и этапы рождения жизни. От бойкого, но безжизненного набора несложных органических соединений и до протоорганизмов, познавших смерть и вступивших в бесконечную гонку биологической изменчивости. В конце концов, не эти ли два слагаемых – изменчивость и смерть – порождают всю сумму жизни?..
1.Панспермия
Гипотеза о занесении жизни на Землю с других космических тел имеет массу авторитетных защитников. На этой позиции стоял великий немецкий ученый Герман Гельмгольц и шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский и британский лорд-физик Кельвин. Однако наука – область фактов, и после открытия космической радиации и ее губительного действия на все живое панспермия, казалось, умерла.
Но чем глубже ученые погружаются в вопрос, тем больше всплывает нюансов. Так, теперь – в том числе и поставив многочисленные эксперименты на космических аппаратах – мы с куда большей серьезностью относимся к способностям живых организмов переносить радиацию и холод, отсутствие воды и прочие «прелести» пребывания в открытом космосе. Находки всевозможных органических соединений на астероидах и кометах, в далеких газопылевых скоплениях и протопланетных облаках многочисленны и не вызывают сомнений. А вот заявления об обнаружении в них следов чего-то подозрительно напоминающего микробы остаются недоказанными.
Легко заметить, что при всей своей увлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о возникновении жизни в другое место и другое время. Что бы ни занесло первые организмы на Землю – случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом – но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как?» остается.
1.Ненаучно: Самозарождение
Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой – как зарождение личинок мух в гниющем мясе – можно связать еще с Аристотелем, который обобщил мысли множества предшественников и сформировал целостную доктрину о самозарождении. Как и прочие элементы философии Аристотеля, самозарождение было доминирующей доктриной в Средневековой Европе и пользовалось определенной поддержкой вплоть до экспериментов Луи Пастера, который окончательно показал, что для появления даже личинок мух нужны мухи-родители. Не стоит путать самозарождение с современными теориями абиогенного возникновения жизни: разница между ними принципиальная.
2. Первичный бульон
Это понятие тесно связано с успевшими обрести статус классических экспериментами, поставленными в 1950-х Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. В лаборатории ученые смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли, – смесь метана, угарного газа и молекулярного водорода, многочисленные электрические разряды, ультрафиолет, – и вскоре более 10% углерода из метана перешло в форму тех или иных органических молекул. В опытах Миллера – Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. д. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики – потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул (таких как аминокислоты) образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь (за единичными и странными исключениями) включает лишь L-изомеры.
Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно – в 2015 году – кембриджский профессор Джон Сазерленд (John Sutherland) со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, – такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.
Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни (ISSOL), – Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Признавая громадный вклад и Гарольда Юри, в промежутках между вручениями Медали Опарина ISSOL (тоже каждые шесть лет) присуждает Медаль Юри. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия – с изменчивым названием.
3.Химическая эволюция
Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента (воду и углерод – NS) в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные – прежде всего – к саморепликации.
По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. Эту идею несколько лет назад выдвинул шотландский химик Александер Кейрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith). На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.
«Матрицами» для роста полимерных молекул могли служить поверхности кристаллических минералов: пространственная структура их кристаллической решетки способна вести отбор лишь оптических изомеров одного типа – например, L-аминокислот, – решая проблему, о которой мы говорили выше. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции – такие как восстановление минерала пирита (FeS2) водородом (до сульфида железа и сероводорода). В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера – Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.
Молодая Земля не была защищена от вредных – и даже смертельно опасных – компонентов солнечного излучения. Даже современные, испытанные эволюцией организмы были бы неспособны выдержать этого жесткого ультрафиолета – притом что само Солнце было значительно моложе и не давало достаточно тепла планете. Из этого возникла гипотеза о том, что в эпоху, когда творилось чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым – в сотни метров – слоем льда; и это к лучшему. Скрываясь под этим ледяным щитом, жизнь могла чувствовать себя вполне в безопасности и от ультрафиолета, и от частых метеоритных ударов, грозивших погубить ее еще в зародыше. Относительно прохладная среда могла также стабилизировать структуру первых макромолекул.
4. Черные курильщики
В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей. Например, глубоко под водой – конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.
Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни – за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом. Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов.
Черные курильщики океана – весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого.
2.Ненаучно: Духи, боги, первопредки
Любые космологические мифы о происхождении мира всегда венчаются антропогоническими – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь – и люди, – версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.
В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь – это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций – с другой. Одно без другого невозможно – и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х.
РНК – макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций – не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. Белки неспособны реплицироваться без информации ДНК, а ДНК неспособна на это без белковых «умений». РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» – и для начала этого достаточно.
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом (Lesley Orgel): если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем – в комплексе с ними – «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации.
3.Ненаучно: Неизменность
Не более научными, нежели истории о первопредках, можно назвать и взгляды, носящие громкое имя Теории стационарного состояния. По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала – как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки – но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов.
6.Протоклетки
Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь – это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле – первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде.
В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой (Katarzyna Adamala) он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния (стимулирующие работу РНК-полимераз) и лимонную кислоту (стабилизирующую структуру жировых мембран).
В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни – и начать первые главы ее истории. Впрочем, это уже совсем другая тема, так что мы расскажем лишь об одной, но чрезвычайно важной концепции, связанной с первыми шагами эволюции жизни и возникновением громадного разнообразия организмов.
4.Ненаучно: Вечное возвращение
«Фирменное» представление индийской философии, в западной философии связанное с трудами Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, ее перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может – и должно повториться вновь. И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.
7. Эндосимбиоз
Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер (Andreas Schimper) заметил, что хлоропласты – органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, – реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты – это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином – и оставшиеся жить здесь навсегда.
Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии – органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории – достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка.
В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии. Есть гипотезы и об эндосимбиотическом происхождении других органелл – включая жгутики и реснички, и даже клеточное ядро: согласно мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, стали результатом небывалого слияния между бактериями и археями. Эти версии пока не находят строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей – и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь.
5.Ненаучно: Креационизм
Само понятие креационизма возникло в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако по сути ничего нового в сравнении с этими книгами креационисты не предложили, раз за разом пытаясь опровергнуть строгие и основательные находки науки – а на самом деле раз за разом теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных псевдоученых-креационистов куда легче понять: на осознание теорий настоящей науки требуется-таки потратить немало усилий.
Последователи Стэнли Миллера, поставившего в 50-х годах знаменитые опыты по имитации синтеза органики в первичной атмосфере Земли, вновь обратились к результатам старых экспериментов. Оставшиеся от тех лет материалы они исследовали новейшими методами. Выяснилось, что в экспериментах, имитировавших вулканические выбросы парогазовой смеси, синтезировался широкий спектр аминокислот и других органических соединений. Их разнообразие оказалось больше, чем это представлялось в 50-е годы. Этот результат акцентирует внимание современных исследователей на условиях синтеза и накопления первичной высокомолекулярной органики: синтез мог активизироваться в районах извержений, а вулканические пеплы и туфы могли стать резервуаром биологических молекул.
В мае 1953 года в журнале Science были опубликованы результаты знаменитого эксперимента по синтезу высокомолекулярных соединений из метана, аммиака и водорода под действием электрических 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 колб, в которых циркулировал водяной пар. В большой колбе на вольфрамовых электродах генерировался электрический разряд. Опыт длился неделю, по истечении которой вода в колбе приобрела желто-коричневый оттенок и стала маслянистой.
Миллер анализировал состав органики с помощью бумажной хроматографии - метода, тогда только вошедшего в обиход биологов и химиков. Миллер обнаружил 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 CO 2 –H 2 O Mixtures in a High-Frequency Electric Arc (PDF, 380 Кб) // Science. 10 July 1953. V. 118. P. 43–44) с той разницей, что вместо смеси газов с восстановительными свойствами в колбе был углекислый газ - окислитель. В отличие от Миллера, Уайлд не получил никаких значимых результатов. Миллер и вслед за ним многие ученые исходили из восстановительной, а не окислительной атмосферы в начале существования Земли. Логическая цепочка их рассуждений была такой: мы стоим на позициях, что жизнь зародилась на Земле; для этого нужны были органические вещества; они должны были быть продуктом земного синтеза; если в восстановительной атмосфере синтез идет, а в окислительной - не идет, значит первичная атмосфера была восстановительной.
Помимо гипотезы восстановительной атмосферы на ранней Земле, миллеровские опыты доказывают еще и принципиальную возможность самопроизвольного синтеза необходимых биологических молекул из простых составляющих. Эта гипотеза получила серьезное подкрепление после опыта Хуана Оро (Joan Oró; см. J. Oró. 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 четырех оснований молекул ДНК и РНК. Возможность самопроизвольного синтеза высокомолекулярной органики, включая нуклеотиды и аминокислоты, стала мощной опорой теории Опарина о самозарождении жизни в первичном бульоне.
После этих экспериментов прошла целая биологическая эпоха. 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. Идея восстановительной атмосферы на ранней Земле тоже была подвергнута решительной критике. Не появилось решения главного вопроса: как из неживых молекул сложилось самовоспроизводящееся живое существо? Появились аргументы для теории внеземного происхождения жизни.
Однако в последние годы ученые достигли ощутимых успехов в развитии теории зарождения жизни из неорганической материи. Основные достижения в этом направлении - это, во-первых, открытие роли РНК в становлении биоорганического катализа; теория РНК-мира приближает нас к ответу на вопрос, как из неживой органики сложились живые системы. Во-вторых, открытие каталитических функций неорганических природных минералов в реакциях высокомолекулярного органического синтеза, доказательство важнейшей роли катионов металлов в метаболизме живого. В-третьих, доказательство избирательного синтеза хиральных изомеров в естественных земных условиях (см. например, Открыт новый способ получения органических молекул», «Элементы», 06.10.2008). Иными словами, теория абиогенеза получила новые обоснования.
С этих позиций интересны результаты переизучения материалов, оставшихся от старых экспериментов Миллера, до сих пор хранившихся, как это ни странно, в запечатанных колбах в его лаборатории. В 50-е годы Стэнли Миллер поставил три эксперимента, имитировавших различные варианты условий зарождения жизни. Самый известный из них, вошедший во все школьные учебники, - это образование биомолекул при пропускании через пар электрических разрядов. Колба моделировала условия испарения вод над океаном во время гроз. Второй - образование биомолекул при слабой ионизации газов - при так называем тихом разряде. Это была модель ионизированной, насыщенной паром атмосферы ранней Земли. В третьем эксперименте пар подавался под большим давлением, поступая в колбу в виде мощных струй, через которые пропускали, как и в первом случае, электрические разряды. Этот случай имитировал вулканические выбросы и образование горячих вулканических аэрозолей. Биологи опирались на результаты только первого, наиболее удачного опыта, потому что в остальных двух опытах синтезировалось мало органики и разнообразие аминокислот и других соединений было невелико.
Переизучение этих материалов после смерти Миллера в 2007 году взяли на себя специалисты из Америки и Мексики - из Индианского университета (Блумингтон), Института Карнеги (Вашингтон), Отдела исследования Солнечной системы Центра космических полетов имени Годдарда (Гринбелт), Скриппсовского океанографического института (Ла-Холья, Калифорния) и Независимого мексиканского университета (Мехико). В их распоряжении оказались 11 колб, соответствующим образом промаркированных Миллером. Все они содержали высушенные материалы третьего эксперимента, того, который имитировал вулканические выбросы. Ученые развели осадок дистиллированной водой и проанализировали смесь, теперь уже с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Современные методы выявили высокое разнообразие «биологических» молекул. Оно оказалось даже выше, чем в первом эксперименте. Очевидно, что методы бумажной хроматографии менее чувствительны, чем жидкостной, поэтому теперь выявились и те соединения, которые присутствовали в малых концентрациях.
Новые результаты старого 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 присутствуют соединения металлов - железа, марганца, меди, цинка, никеля и др., которые участвуют в ферментативных реакциях в живых системах. Вулканические пеплы и туфы, как показали многочисленные эксперименты, стимулируют рост и анаэробной, и аэробной микрофлоры. При этом в среду для культивирования даже не обязательно добавлять различные жизненно необходимые элементы - бактерии их сами добудут из нее. В древнейшие времена дополнительный синтез органики мог косвенно способствовать росту жизни на изверженных субстратах. Кроме того, химия аэрозолей - это малоизученная область, поэтому тем более интересен результат аэрозольного синтеза высокомолекулярных биологических молекул. В этом смысле химики и вулканологи могут привнести весомый вклад в обсуждение проблемы зарождения земной жизни.
Авторы сообщения замечают, что версия о восстановительной атмосфере ранней Земли сейчас находится под сомнением. Однако вулканические выбросы и грозы - это постоянное явление на Земле, в древнейшие эпохи интенсивность и того и другого была предположительно выше, чем в современном мире. Поэтому, какой бы ни была атмосфера на архейской и протерозойской Земле, извержения вулканов всегда создают условия для синтеза биологических 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 появления жизни, «Химия и жизнь» №5, 2005.
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.
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.
Энциклопедичный YouTube
1 / 2
5 Фактов о Земле, Которые Наука не Может Выяснить
Jack Szostak (Harvard/HHMI) Part 1: The Origin of Cellular Life on Earth
Субтитры
Здравствуйте друзья. Планета Земля была и остается нашим домом за всю историю существования человечества. До сих пор существуют фундаментальные вещи, которые мы не можем понять об нашей планете. Сейчас вы увидите 5 фактов о земле, которые наука не может объяснить. 5. Как работает планета? Учение тектонических плит является принятой теорией, при которой земная кора и верхняя мантия скользит по основной части мантии. Эта оболочка формирует защитный слой, который оберегает все живое от раскаленной магмы, толщиной около 3000 км ниже земной коры. Однако все, что касается более низких слоев, до сих пор находится в стадии дискуссии. Сейсмические исследования полагают, что внешнее ядро земли является жидким, а внутреннее - твердым. Однако до сих пор неизвестен химический состав мантии нашей планеты. Также, до конца не понятен принцип, из-за которого движутся тектонические плиты и почему у Земли присутствует магнитное поле. Да, есть достаточно достоверные идеи, которые дают ответы на эти вопросы. Однако они базируются только на данных, полученных со спутников, а также на результатах математического моделирования. Помимо этого, на данный момент невозможно, в буквальном смысле, докопаться на нужную глубину, чтобы взять образцы и увидеть все глазами. Самой глубокой в мире скважиной является Кольская сверхглубокая скважина, работы над которой велись в 70-80х годах в Советском Союзе. Ее глубина составила 12262 метра, чего явно недостаточно для достижения мантии. Любопытен тот факт, что многое из того, что человек уже знает об сейсмической активности, стало возможным благодаря разработке ядерного оружия. Во время холодной войны происходило серьезное финансирование сейсмологических исследований для обнаружения взрывов атомных бомб. Поэтому, как бы странно это не звучало, не будь холодной войны, человечество возможно до сих пор бы и не знало, что обитает на тонкой коре, ниже которой есть раскаленная мантия, а также внешнее и внутреннее ядро планеты. 4. Осадочные породы Благодаря анализу осадочных слоев и вулканической породы можно отследить изменения в магнитном поле Земли за ее длительную историю существования. Во время таких исследований был обнаружен ряд странных аномалий, одна из которых начинает происходить прямо сейчас. Несколько раз магнитное поле меняло свое направление, а потом возвращалось назад. По мнению некоторых ученых, во время инверсии полюсов Земли, магнитное поле ослабевало настолько, что космическое и солнечное излучение усиливалось и могло наносить серьезный вред живым организмам. Также, в этом году Европейским космическим агентством были обнародованы любопытные данные исследований. В них показано, что магнитные полюсы нашей планеты ослабевают гораздо быстрее, чем предполагалось ранее. Это может привести к смене магнитных полей в недалеком будущем. Последний раз это происходило во время каменного века и мы достоверно не знаем, было ли это вызвано событиями, происходящими в ядре Земли или же движением тектонических плит. 3. Где и как зародилась жизнь? Самая распространенная и принятая теория заключается в том, что около 250 тысяч лет назад анатомически современные люди произошли из Африки, а затем распространились по всему миру. А что же было до этого? Где произошел первый расцвет более ранних форм жизни на нашей планете? Теория так называемого "первичного бульона", которую в начале 20 века выдвинул советский биолог Александр Опарин, говорит, что в ходе постепенной химической эволюции, молекулы, содержащие углерод, начали превращаться в "первичный бульон". Образованию органических молекул в этом "бульоне" помогали электрические разряды и высокая температура. В 1953 году был проведен эксперимент Миллера-Юри, который показал, что электрические разряды могут производить аминокислоты и сахар из атмосферы, подобной ранней атмосферы нашей планеты. В альтернативных вариантах, жизнь могла зародиться в глине, в океанском льде, на дне океанов вокруг гидротермальных источников. Также существует теория, что жизнь на земле могла быть принесена метеоритом или астероидом из другой планеты. Несмотря на многочисленные гипотезы, окончательно до сих пор так никто и не может сказать, как и где зародилась наша жизнь. 2. Когда наступит всемирная катастрофа? За последний век человечество серьезно продвинулось в прогнозировании активности землетрясений и вулканических извержений. Однако, еще существует много вещей, которые мы не знаем об этих разрушительных природных катастрофах. Возможно, если более четко понимать поведение мантии вокруг ядра Земли, можно иметь бОльшее представление об возникновении землетрясений. Понятно, что сам принцип образования землетрясений в целом известен. Однако, отсутствует четкое понимание фундаментальных процессов, предшествующих землетрясению. Также, достоверно неизвестно, что приводит накоплению магмы в определенных местах, после чего начинают происходить извержения вулканов. Зная все эти вещи, человечество могло бы достаточно точно прогнозировать время и место возникновения таких природных катаклизмов, благодаря чему удалось бы избегать таких устрашающих разрушений и жертв. 1. Насколько сильно может разогреться Земля? Мы стоим на пороге серьезных климатических изменений, и это подтверждают более 90% ученых по исследованию климата. Практически все они согласны с тем, что причиной ускорения изменений климата является человеческая деятельность. Часто те, кто опровергают глобальные изменения климата, являются сторонниками большого бизнеса и транснациональных корпораций. Да, по последним докладам НАСА, вокруг Антарктиды начал понемногу накапливаться морской лед. Однако, на самой поверхности суши Антарктиды из-за глобального потепления, лед продолжает таять и уменьшаться. Этот факт противники глобального потепления молчаливо игнорируют. Мы знаем, что интенсификация аграрной промышленности, вырубка лесов и сжигание органического топлива, являются тремя основными причинами потепления нашей атмосферы. Однако, насколько сильно она может разогреться в будущем, человечество не может предсказать. Различные математические модели предполагают увеличение температуры от 1,5 до 10 градусов по Цельсию в течении последующих 100 лет. Это всего лишь предположение, реальных значений узнать практически невозможно. Спасибо за просмотр, друзья. Подписывайтесь на канал Вуз и до скорых встреч в новых видео.
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).
Химия эксперимента
После первых реакций в смеси могли получиться синильная кислота (HCN), формальдегид (CH 2 O), и другие активные соединения (ацетилен , цианоацетилен, и т.п.):
CO 2 → CO + [O] (атомарный кислород) CH 4 + 2[O] → CH 2 O + H 2 O CO + NH 3 → HCN + H 2 O CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 (en:BMA process)
Формальдегид, аммиак и синильная кислота реагируют по процессу Штрекера в аминокислоты и прочие биомолекулы:
CH 2 O + HCN + NH 3 → NH 2 -CH 2 -CN + H 2 O NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O → NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH (глицин)
Далее, вода и формальдегид могут реагировать, по реакции Бутлерова , давая на выходе сахара , например рибозу .
Эксперимент показал, что аминокислоты, составляющие белок, могут быть получены из простых химических веществ, с подводом дополнительной энергии.
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.