Эксперимент Миллера-Юрия

Эксперимент Миллера-Юрия - химический опыт, который смоделировал гипотетические условия, существовавшие на древней Земле, с целью проверки возможности химической эволюции. Эксперимент ставил перед собой цель исследовать идею Александра Опарина и Дж. Б. С. Галдейна о том, что условия на Земле в древнюю эпоху способствовали химическим реакциям, в результате которых огранични соединения могли бы образоваться из неорганических исходных веществ. Эксперимент был поставлен в 1952 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри в Чикагском университете. Результаты были опубликованы в 1953 году.

Повторный анализ данных, результаты которого были опубликованы в октябре 2008 года показал, что в приборе синтезируются 22 аминокислоты (оригинальное публикация сообщала о пяти). Результаты эксперимента свидетельствуют в пользу того, что биологические молекулы могут образовываться из простых реагентов.

Опыт и его интерпретация

Исходными веществами для эксперимента были вода, метан, аммиак и водород, смотреть эксперимент. Эти химические вещества поместили в герметически запаянную стерильную систему стеклянный колб и трубок, соединенных таким образом, что они образовывали петлю. В одну из колб залили воду, а в другой поместили пару электродов. Колбу с водой подогревали, чтобы жидкость испарялась, между электродами периодически пропускалась искра, которая должна была соответствовать молниям. Потом атмосфера снова охлаждалась таки образом, что вода конденсировалась и просачивалась обратно в первую колбу, проходя таким образом замкнутый цикл.

После недели непрерывного действия установки Миллер и Ури обнаружили, что 10-15% всего углерода входили в сладу органических веществ. Два процента карбона образовали аминокислоты, которые обычно входят в состав белков. Особенно много было глицина. Образовались также сахар, липиды и некоторые составные части нуклеиновых кислот.

Как показали последующие эксперименты в установке образовывалась рацемическая смесь лево-и правообертаючих оптически активных изомеров.

Химия эксперимента

Известно, что сначала в колбах образуется цианид водорода (HCN), формальдегид, и другие активные промежуточные соединения (ацетилен, цианоацетилени т.д.)

CO2 => CO + [O] (атомарный кислород)
CH4 + 2 [O] => CH2O + H2O
CO + NH3 => HCN + H2O
CH4 + NH3 => HCN + 3H2 (процесс BMA)
Эти соединения дальнейшем реагируют между собой с утворнням аминокислот (синтез Стрекера) и других биомолекул:

CH2O + HCN + NH3 => NH2-CH2-CN + H2O
NH2-CH2-CN + 2H2O => NH3 + NH2-CH2-COOH (глицин)
Другие эксперименты

Первый эксперимент Миллера и Ури послужил вдохновением для многих других. В 1961 году Хоан Ого обнаружил, что из цианида водорода может образовываться одна из нуклеиновых оснований - аденин. В своем эксперименте он получил большое количество аденина, молекулы которого образовывались из 5-ти молекул HCN. При соответствующих условиях с HCN и аммиака образуется много аминокислот. Дальнейшие эксперименты показали, что в условиях восстановительной атмосферы можно получить также другие нуклеиновые основания.

Одновременно с экспериментом Миллера-Юри проводились также другие связанные с проблемой происхождения жизни эксперименты с электрическими разрядами. Статья в «Нью-Йорк таймс» за 8 марта 1953 описывала работу Воллмена М. Макневина с Университета штата Огайо. Макневин пропускал искры в 100000 В через смесь метана и водяного пара и получил смолоподибни конденсат, который оказался слишком сложным для анализа. В статье говорилось также о других эксперименты Макневина, связанные с древнейшей Землей. Неизвестно они были опубликованы в научной литературе.

15 декабря 1952 К.А. Уайлд передал статью в журнал Science, тогда, когда Миллер представил свою 14 февраля 1953-го. Работа Уайлда была опубликована 10 июля 1953. Уайлд использовал напряжения до 600 В, действуя на смесь углекислого газа и воды. Он получил только незначительное восстановление углекислого газа в угарного. Другие исследователи изучали фотолиз водяного пара и монооксида углерода под воздействием ультра-фиолета. Было встаровлено, что в результате образуются спирты, альдегиды и органические кислоты.

Современные эксперименты химика Джефри Бада в Институте океанографии Скриппса были аналогичными постановкой Ури и Миллером. Однако Бада отметил, что в современных моделях древней атмосферы Земли вугекислий газ и азот образуют нитриды, которые уничтожают аминокислоты как только те образуются. Однако, на древней Земле могла буди достаточно железа и карбонатов в составе минералов, способных нейтрализовать эффект нитридов. Когда Бада провел эксперимент типа Миллерово, добавив в систему железа и карбонатов, продукты реакции были богаты на аминокислоты. Это наводит на мысль, что аминокислоты могли образовываться в атмосфере древней Земли даже в условиях, когда она содержала вугликислий газ и азот.

Атмосфера древней Земли

Важность эксперимента Мюллера-Ури для объяснения происхождения жизни на Земле связана с вопросом о составе земной атмосферы сразу же после образования планеты. По современным представлениям начальная атмосфера Земли была полностью уничтожена в результате сильного метеоритного дождя, который падал примерно 4,5 млрд. лет назад и оставил после себя месячные кратеры. Новая атомосферу сформировалась в результате дегазации земной коры. Первоначальный состав этой новой, вторичной, атмосферы определить трудно, поскольку современная атмосфера является в большой степени продуктом деятельности живых огранизмив. Состав ранней атмосферы экспериментально определяют анализируя древнейшие из земных пород. Точность исследований осложняется тем, что за последние 4 млрд. лет даже самые древние скалы подвергшихся воздействию и изменились, загрязнились результате позднейших явлений.

Существуют доказательства того, что в состав атмосферы Земли после формирования планеты входило гораздо меньше молекул восстановителей, чем считалось во времена эксперимента Миллера-Юри. Хватает свидетельств значительных вулканических извержений 4 миллиарда лет назад, что выбрасывали в воздух углекислый газ, азот, сероводород и диоксид серы. Эксперименты с использованием этих газов в придачу к тем, которые использовались в первом опыте Миллера-Юри, дают разнообразный набор молекул. В своих опытах Миллер и Юри получили рацемическую смеси, однако в природе доминируют L-изомеры аминокислот. Некоторые позже исследования показали, что возможны непропорционально количеству L-и D-энантиомеров.

Первоначально считалось, что вторичная атмосфера Земли содержала в основном аммиак и метан. Однако, вероятно, что основным компонентом атмосферы был углекислый газ с, возможно, некоторыми примесями угарного газа и азота. Газовые смеси с CO, CO2, N2и т.д., дают результаты похожи на те, в которых используются СH4, NH3, если только и нет O2. Источником атомов водорода служит водяной пар. Собственно, для производства ароматических аминокислот нужно викорстовуваты не особо богаты водород смеси. В вариантах экспериментов Миллера удалось получить большинство аминокислот, гидкросы-кислот, пиримидинив и сахаров, которые встречаются в природе.

Позже результаты ставят под сомнение эти выводы. В 2005 году университеты Ватерлоо и Колорадо провели моделирование, по которым древняя атмосфера Земли могла содержать до 40% водорода - что означало бы гораздо более благоприятные условия для формирования добиологичних органических молекул. Побег водорода из атмосферы Земли могла происходить со скоростью, которая составляет всего один процент от той, что давали предыдущие оценки. Переоценка основывается на изменении представлений о температуре верхних слоев атмосферы. Один из авторов Оуэн Тун замечает: "При таком сценарии органика могла образоваться в большом количестве в атмосфере древней Земли, снова возвращая нас к уявляння об органической суп в океане... Думаю, что это исследование вновь делает актуальным эксперименты Миллера и др." Вычисление выделения газов из земных пород с использованием хордритовои модели ранней Земли дополняют результаты Ватерлоо / Колорадо.

Однако, если к смеси добавить кислород, то никаких ограничних молекул не образуется. Оппоненты гипотезы Миллера-Юри находят поддержку в недавних исследованиях, которые указывают на присутствие урана в осадочных породах возрастом в 3,7 млрд. лет, и отмечают, что они попали туда потоком богатой кислородом воды. Иначе они выпали бы из раствора. Таким образом, делается вывод, что присутствие кислорода помешала бы образованию добиологичнои органики за абиогенетичним сценарию Миллера-Ури. Однако, авторы работы утверждают, что присутствие кислорода является свидетельством существования фотосинтеза в живых организмах 3,7 млрд. лет назад (примерно на 200 млн. лет, чем считалось ранее). Этот вывод лишь отодвигает во времени период, когда мог произойти абиогенезис, но не могут его совсем исключить.

Условия, аналогичные тем, которые использовались в эксперименте Миллера-Юри, существуют на других небесных телах Солнечной системы. Часто роль молний можно приписать ультрафиолетовому излучению. Мурчисонского меторит, упавшего в 1969 году вблизи города Мурчисон в Австралии, имел в своем составе более 90 различных аминокислот, девятнадцать из которых встречаются в живых огранизмах. Считается, что кометы и другие ледяные внеземные тела содержат немало сложных соединений углерода, таких как толины. Поскольку на ранних стадиях своей истории Земли пришлось пережить падение большого числа метеоритов, то на ее поверхность могло попасть немало органики вместе с водой и другими составляющими атмосферы. Такие рассуждения приводят сторонники гипотезы панспермии, которая считает, что жизнь зародилась за пределами Земли.