Interested Article - Эксперимент Миллера — Юри

Эксперимент Ми́ллера — Ю́ри — известный классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции . Фактически это был экспериментальный тест гипотезы , высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном , о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри . Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую представлениям о составе атмосферы ранней Земли в 1950-х, и пропускавшиеся через неё электрические разряды (имитируя удары молнии по земле). 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 ).

Химия эксперимента

После первых реакций в смеси могли получиться синильная кислота (HCN), формальдегид (CH ₂ O) и другие активные соединения ( ацетилен , , 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 ()

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.

Много позже, в 2001 году , ( Alan Saghatelian et al. ) 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 .

См. также

Примечания

. Газета.ру. 2008-10-18.
A. Saghatelian et al. , Nature 409, 797—801 (15 February 2001) (англ.)
(неопр.) Дата обращения: 9 ноября 2008. Архивировано из 13 августа 2011 года.
Список нобелевских лауреатов по химии за 2001 год от 19 октября 2009 на Wayback Machine
Нобелевская премия 2005 г. по химии
Шишлова, А. (рус.) // Наука и жизнь . — 2000. — № 6 . — С. 24—26 .
Шапиро Р. У истоков жизни / Р. Шапиро // В мире науки. −2007. -№ 10. -С.21-29.

Литература

MILLER S. L. (англ.) // Science : journal. — 1953. — May (vol. 117 , no. 3046). — P. 528—529 . — .
MILLER S. L., UREY H. C. (англ.) // Science : journal. — 1959. — July (vol. 130 , no. 3370). — P. 245—251 . — .
Lazcano A., Bada J. L. (англ.) // Origins of life and evolution of the biosphere : the journal of the International Society for the Study of the Origin of Life : journal. — 2003. — June (vol. 33 , no. 3). — P. 235—242 . — .
Johnson A. P., Cleaves H. J., Dworkin J. P., Glavin D. P., Lazcano A., Bada J. L. The Miller volcanic spark discharge experiment (англ.) // Science : journal. — 2008. — October (vol. 322 , no. 5900). — P. 404 . — doi : . — .