Эксперимент Миллера-Юри — 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 органические 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. Эти химические вещества поместили в герметично запаянную стерильную систему стеклянных 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 отвечать молниям. Затем атмосфера снова охлаждалась таки образом, что вода конденсировалась и просачивалась назад в первую колбу, проходя таким образом замкнутый цикл.

После недели непрерывного действия установки Миллер и Ури обнаружили, что 10-15% всего углерода входили в состав 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 образовалась рацемическая смесь лево- и правообертаючих оптически активных изомеров.

Химизм эксперимента

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

Эксперимент Миллера - Юри (атомарный кислород)
Эксперимент Миллера - Юри
Эксперимент Миллера - Юри
Эксперимент Миллера - Юри (процесс BMA)

Эти соединения в дальнейшем реагируют между собой с образованием аминокислот (синтез Стрекер) и других биомолекул:

Эксперимент Миллера - Юри
Эксперимент Миллера - Юри (глицин)

Другие эксперименты

Первый эксперимент Миллера и Ури послужил вдохновением для многих других. В 1961 году Хоан Ого обнаружил, что с 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 и 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» от 8 марта 1953 описывала работу Воллмен М. Макневина из Университета штата Огайо. Макневин пропускал искры в 100000 В через смесь метана и водяного пара и получил смолоподобные конденсат, который оказался слишком сложным для анализа. В статье говорилось также о других эксперименты Макневина, связанные с древней Землей. Неизвестно они были опубликованы в научной литературе.

15 декабря 1952 К. А. Уайлд подал статью в журнал «Science», тогда, когда Миллер представил свою 14 февраля 1953-го. Работа Уайльда 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 ультрафиолета. Было установлено, что в результате образуются спирты, альдегиды и органические кислоты.

Современные эксперименты химика Джефри Бада в Институте океанографии Скриппса были аналогичными поставленных 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 4500000000 лет назад и оставил после себя кратеры. Новая атмосфера Земли сформировалась в результате дегазации земной коры. Первоначальный состав этой новой, вторичной, атмосферы определить трудно, поскольку современная атмосфера является в большой степени продуктом деятельности живых огранизмы. Состав ранней атмосферы экспериментально определяют анализируя древние из земных пород. Точность исследований осложняется тем, что за последние 4 млрд лет даже древние скалы подвергшихся воздействию и изменились, загрязнились вследствие поздних явлений.

Существуют доказательства того, что в состав атмосферы Земли после формирования планеты входило гораздо меньше молекул восстановителей, чем считалось во времена эксперимента Миллера-Юри. Достаточно 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 дополнение к тем, что использовались в первом опыте Миллера-Юри, дают разнообразный набор молекул. В своих опытах Миллер и Юри получили рацемические смеси, однако в природе доминируют L-изомеры аминокислот. Некоторые позже исследования показали, что возможны непропорционально количества L- и D-энантиомеров.

Первоначально считалось, что вторичная атмосфера Земли содержала в основном аммиак и метан. Однако, вероятно, что основной составляющей атмосферы был углекислый газ, возможно, с некоторыми примесями окиси углерода и азота. Газовые смеси с CO, CO 2, N 2 и т.д., дают результаты похожи на те, в которых используются CH 4, NH 3, если только и не имеет O 2. Источником атомов водорода служит водяной пар. Собственно, для выработки ароматических аминокислот нужно викорстовуваты не особо богатые водород смеси. В вариантах экспериментов Миллера удалось получить большинство аминокислот, гидроксикислот, пиримидинив и сахаров, которые встречаются в природе.

Новые 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 биологическим органических молекул. Побег водорода с атмосферы Земли могла происходить со скоростью, которая составляет лишь 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 других.» Вычисление выделения газов из земных пород с использованием хордритовои модели ранней Земли дополняют результаты Ватерлоо / Колорадо.

Однако, если в 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 3700000000 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 к биологической органики с абиогенетичним сценарию Миллера-Юри. Однако, авторы работы утверждают, что присутствие кислорода является свидетельством существования фотосинтеза в живых организмах 3700000000 лет назад (примерно на 200 млн лет, чем считалось ранее). Этот вывод только отодвигает во времени период, когда мог произойти абиогенезис, но не могут его совсем исключить.

Условия, аналогичные тем, что использовались в эксперименте Миллера-Юри, существуют на других небесных телах Солнечной системы. Часто роль молний можно приписать ультрафиолетовому излучению. Мерчисонський меторит, упавшего в 1969 году вблизи города Мерчисон в Австралии, имел в своем составе более 90 различных аминокислот, девятнадцать из которых встречаются в живых организмах. Считается, что кометы и другие ледяные внеземные тела содержат немало сложных соединений углерода, таких как Толине. 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.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Эксперимент Миллера Юри