Эксперимент Миллера — Юри

Схема эксперимента

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 (CH₄), аммиака (NH₃), водорода (H₂) 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 (CO₂), азот, сероводород (H₂S), двуокись серы (SO₂).

Химия эксперимента

После первых реакций в смеси могли получиться синильная кислота (HCN), формальдегид (CH₂O) и другие активные соединения (ацетилен, цианоацетилен, и т. п.):

CO₂ → CO + [O] (атомарный кислород)

CH₄ + 2[O] → CH₂O + H₂O

CO + NH₃ → HCN + H₂O

CH₄ + NH₃ → HCN + 3H₂ (en:BMA process)

Формальдегид, аммиак и синильная кислота реагируют по процессу Штрекера в аминокислоты и прочие биомолекулы:

CH₂O + HCN + NH₃ → NH₂-CH₂-CN + H₂O

NH₂-CH₂-CN + 2H₂O → NH₃ + NH₂-CH₂-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, Алан Сагательян (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

• Химическая эволюция
• Абиогенез
• Реакция Бутлерова

Литература

• MILLER S. L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions (англ.) // Science : journal. — 1953. — May (vol. 117, no. 3046). — P. 528—529. — PMID 13056598.
• MILLER S. L., UREY H. C. Organic compound synthesis on the primitive earth (англ.) // Science : journal. — 1959. — July (vol. 130, no. 3370). — P. 245—251. — PMID 13668555.
• Lazcano A., Bada J. L. The 1953 Stanley L. Miller experiment: fifty years of prebiotic organic chemistry (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. — PMID 14515862.
• 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:10.1126/science.1161527. — PMID 18927386.

Ссылки

• Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера
• A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions by Stanley L. Miller
• A simulation of the Miller-Urey Experiment along with a video Interview with Stanley Miller by Scott Ellis from CalSpace (UCSD)
• Origin-Of-Life Chemistry Revisited: Reanalysis of famous spark-discharge experiments reveals a richer collection of amino acids were formed