Нові результати старого експерименту Стенлі Міллера
Вулканічні викиди та розряди блискавок – умови мимовільного синтезу різноманітних біологічних молекул. Фото виверження вулкана в Ісландії із сайту www.thunderbolts.info
Послідовники Стенлі Міллера, який в 50-х роках поставив знамениті досліди з імітації синтезу органіки в первинній атмосфері Землі, знову звернулися до результатів старих експериментів. Матеріали, що залишилися від тих років, вони досліджували новітніми методами. З'ясувалося, що в експериментах, що імітували вулканічні викиди парогазової суміші, синтезувався широкий спектр амінокислот та інших органічних сполук. Їхня різноманітність виявилася більшою, ніж це уявлялося в 50-ті роки. Цей результат акцентує увагу сучасних дослідників на умовах синтезу та накопичення первинної високомолекулярної органіки: синтез міг активізуватися в районах вивержень, а вулканічні попели та туфи могли стати резервуаром біологічних молекул.
Зліва: апарат Стенлі Міллера для дослідів з електричними розрядами у гарячій парі. Справа: схема апарату. Викиди пари через форсунку мають імітувати парогазові суміші при вулканічних виверженнях. Зображення з обговорюваних статей у Science
Міллер аналізував склад органіки за допомогою паперової хроматографії — методу, який тоді лише узвичаївся біологів і хіміків. Міллер виявив у розчині гліцин, аланін та інші амінокислоти. У той же час подібні досліди проводилися Кеннетом Алфредом Уайлдом (див. Kenneth A. Wilde, Bruno J. Zwolinski, Ransom B. Parlin). // Science.10 July 1953. V. 118. P. 43–44) з тією різницею, що замість суміші газів звідновними властивостями у колбі був вуглекислий газ - окислювач. На відміну від Міллера, Уайлд не отримав жодних значних результатів. Міллер і за ним багато вчених виходили з відновлювальної, а чи не окислювальної атмосфери початку існування Землі. Логічний ланцюжок їх міркувань був таким: ми стоїмо на позиціях, що життя зародилося на Землі; для цього були потрібні органічні речовини; вони мали бути продуктом земного синтезу; якщо у відновлювальній атмосфері синтез йде, а в окислювальній - не йде, значить первинна атмосфера була відновлювальною.
Крім гіпотези відновлювальної атмосфери на ранній Землі, міллерівські досліди доводять ще й принципову можливість мимовільного синтезу необхідних біологічних молекул із простих складових. Ця гіпотеза отримала серйозне підкріплення після досвіду Хуана Оро (Joan Oró; див. J. Oró. Mechanism of Synthesis of Adenine from Hydrogen Cyanide under Possible Primitive Earth Conditions // Nature. 16 September 1961. V. 191. P. 1193–1 , який в 1961 році в установку Міллера ввів синильну кислоту і на виході отримав нуклеотид аденін - одна з чотирьох основ молекул ДНК та РНК. Можливість мимовільного синтезу високомолекулярної органіки, включаючи нуклеотиди та амінокислоти, стала потужною опорою теорії Опаріна про самозародження життя у первинному бульйоні.
Після цих експериментів минула ціла біологічна епоха. Ставлення до теорії первинного бульйону стало більш настороженим. Протягом минулого півстоліття вчені було неможливо придумати механізму вибіркового синтезу хіральних молекул у неживої природі і успадкування цього механізму у живих організмах. Ідея відновлювальної атмосфери на ранній Землі теж була піддана рішучій критиці. Не з'явилося рішенняголовного питання: як з неживих молекул склалася жива істота, що самовідтворюється? З'явилися аргументи теорії позаземного походження життя.
З цих позицій цікаві результати перевивчення матеріалів, що залишилися від старих експериментів Міллера, які досі зберігалися, як це не дивно, у запечатаних колбах у його лабораторії. У 50-ті роки Стенлі Міллер поставив три експерименти, що імітували різні варіанти умов зародження життя. Найвідоміший із них, який увійшов до всіх шкільних підручників, — це утворення біомолекул під час пропускання через пару електричних розрядів. Колба моделювала умови випаровування вод над океаном під час гроз. Другий — утворення біомолекул за слабкої іонізації газів — за так званого тихого розряду. Це була модель іонізованої, насиченої парою атмосфери ранньої Землі. У третьому експерименті пар подавався під великим тиском, надходячи у колбу як потужних струменів, якими пропускали, як й у першому випадку, електричні розряди. Цей випадок імітував вулканічні викиди та утворення гарячих вулканічних аерозолів. Біологи спиралися на результати лише першого, найбільш вдалого досвіду, тому що в решті двох дослідів синтезувалося мало органіки та різноманітність амінокислот та інших сполук була невелика.
Нові результати аналізу досвіду Міллера із викидами пари. Наголошено на амінокислотах, не виявлених Міллером. Позначення амінокислот стандартні. Мал. з обговорюваної статті у Science The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment
Перевивчення цих матеріалів після смерті Міллера у 2007 році взяли на себе фахівці з Америки та Мексики – з Індіанського університету (Блумінгтон), Інституту Карнегі (Вашингтон), Відділу дослідження Сонячної системи Центру космічних.польотів імені Годдарда (Грінбелт), Скрипсівського океанографічного інституту (Ла-Холья, Каліфорнія) та Незалежного мексиканського університету (Мехіко). У їхньому розпорядженні опинилися 11 колб, відповідним чином промаркованих Міллером. Усі вони містили висушені матеріали третього експерименту, того, що імітував вулканічні викиди. Вчені розвели осад дистильованою водою та проаналізували суміш, тепер уже за допомогою високоефективної рідинної хроматографії та мас-спектрометрії. Сучасні методи виявили високу різноманітність «біологічних» молекул. Воно виявилося навіть вищим, ніж у першому експерименті. Очевидно, що методи паперової хроматографії менш чутливі, ніж рідинної, тому тепер виявились ті сполуки, які були присутні в малих концентраціях.
Нові результати старого досвіду будуть, мабуть, прийняті до уваги біохіміками, мікробіологами та вулканологами. Вулканічні викиди є аерозолі, що складаються на 96-98% з води і містять аміак, азот, чадний газ, метан. У вулканічних викидах завжди у великій концентрації присутні сполуки металів — заліза, марганцю, міді, цинку, нікелю та інших., що у ферментативних реакціях у живих системах. Вулканічні попели та туфи, як показали численні експерименти, стимулюють зростання і анаеробної, і аеробної мікрофлори. При цьому в середу для культивування навіть не обов'язково додавати різні життєво необхідні елементи — бактерії їх самі витягнуть із неї. У найдавніші часи додатковий синтез органіки міг опосередковано сприяти зростанню життя вивержених субстратах. Крім того, хімія аерозолів - це маловивчена область, тому цікавіший результат аерозольного синтезу високомолекулярних біологічних молекул. В цьомусенс хіміки і вулканологи можуть зробити вагомий внесок в обговорення проблеми зародження земного життя.
Автори повідомлення зауважують, що версія про відновну атмосферу ранньої Землі зараз перебуває під сумнівом. Однак вулканічні викиди та грози — це постійне явище на Землі, у найдавніші епохи інтенсивність і того й іншого була імовірно вищою, ніж у сучасному світі. Тому, якою б не була атмосфера на архейській та протерозойській Землі, виверження вулканів завжди створюють умови для синтезу біологічних молекул.
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.
також: В. Н. Пармон. Нове теоретично появи життя, «Хімія життя» №5, 2005.