Эксперимент Миллера – Юри - Miller–Urey experiment

Эксперимент

Миллера-Юри эксперимент (или Миллер эксперимент ) был химический эксперимент , которые моделировали условия думали , в то время (1952 г.) , чтобы присутствовать на ранней Земле и протестировали химическое происхождение жизни в этих условиях. Эксперимент того времени подтвердил гипотезу Александра Опарина и Дж. Б. С. Холдейна о том, что предполагаемые условия на примитивной Земле благоприятствовали химическим реакциям, в результате которых синтезируются более сложные органические соединения из более простых неорганических предшественников. Считается классическим эксперимент следственную абиогенеза , она была выполнена в 1952 году Стэнли Миллер , под руководством Гарольда Юри в Чикагском университете , и опубликованы в следующем году.

После смерти Миллера в 2007 году ученые, изучавшие запечатанные флаконы, сохранившиеся от первоначальных экспериментов, смогли показать, что в первоначальных экспериментах Миллера было произведено более 20 различных аминокислот . Это значительно больше, чем первоначально сообщил Миллер, и больше, чем 20, которые естественным образом встречаются в генетическом коде. Более свежие данные свидетельствуют о том, что первоначальная атмосфера Земли могла иметь состав, отличный от газа, использованного в эксперименте Миллера, но эксперименты с пребиотиками продолжают производить рацемические смеси простых и сложных соединений, таких как цианид, в различных условиях.

Эксперимент

Описательное видео эксперимента

В эксперименте использовалась вода (H 2 O), метан (CH 4 ), аммиак (NH 3 ) и водород (H 2 ). Все химические вещества были запечатаны внутри стерильной 5-литровой стеклянной колбы, соединенной с колбой на 500 мл, наполовину заполненной водой. Воду в колбе меньшего размера нагревали, чтобы вызвать испарение , и водяному пару позволяли проникать в колбу большего размера. Между двумя электродами в большой колбе зажигались непрерывные электрические искры, чтобы имитировать молнию в водяной пар и газовой смеси, а затем имитируемая атмосфера снова охлаждалась, так что вода конденсировалась и стекала в U-образную ловушку на дне колбы. аппарат.

Через сутки раствор, собранный в ловушке, стал розовым, а через неделю непрерывной работы раствор стал темно-красным и мутным. Затем колбу для кипячения удаляли и добавляли хлорид ртути для предотвращения микробного загрязнения. Реакцию останавливали добавлением гидроксида бария и серной кислоты и упаривали для удаления примесей. Используя бумажную хроматографию , Миллер идентифицировал пять аминокислот, присутствующих в растворе: глицин , α-аланин и β-аланин были идентифицированы положительно, в то время как аспарагиновая кислота и α-аминомасляная кислота (AABA) были менее определенными из-за слабых пятен.

В интервью 1996 года Стэнли Миллер вспомнил свои эксперименты на протяжении всей жизни, последовавшие за его оригинальной работой, и заявил: «Простое включение искры в основном пребиотическом эксперименте даст 11 из 20 аминокислот».

Первоначальный эксперимент оставался в 2017 году под присмотром бывшего студента Миллера и Юри Джеффри Бада , профессора UCSD , Института океанографии Скриппса . По состоянию на 2013 год аппаратура, использованная для проведения эксперимента, выставлялась в Денверском музее природы и науки .

Химия эксперимента

Одностадийные реакции между компонентами смеси могут давать цианистый водород (HCN), формальдегид (CH 2 O) и другие активные промежуточные соединения ( ацетилен , цианоацетилен и т. Д.):

CO 2 → CO + [O] (атомарный кислород)
СН 4 + 2 [О] → СН 2 О + Н 2 О
CO + NH 3 → HCN + H 2 O
CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 ( процесс BMA )

Формальдегид, аммиак и HCN затем вступают в реакцию синтеза Стрекера с образованием аминокислот и других биомолекул:

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 )

Кроме того, вода и формальдегид могут реагировать посредством реакции Бутлерова с образованием различных сахаров, таких как рибоза .

Эксперименты показали, что простые органические соединения, состоящие из строительных блоков белков и других макромолекул, могут быть образованы из газов с добавлением энергии.

Прочие эксперименты

Этот эксперимент вдохновил многих других. В 1961 году Джоан Оро обнаружили , что нуклеотидная основание аденин может быть изготовлен из цианида водорода (HCN) и аммиака в водном растворе. Его эксперимент произвел большое количество аденина, молекулы которого были образованы из 5 молекул HCN. Кроме того, в этих условиях многие аминокислоты образуются из HCN и аммиака. Проведенные позже эксперименты показали, что другие азотистые основания РНК и ДНК могут быть получены с помощью моделирования пребиотической химии в восстановительной атмосфере .

Также проводились аналогичные эксперименты с электрическим разрядом, связанные с происхождением жизни одновременно с Миллером-Юри. Статья в The New York Times (8 марта 1953: E9) под названием «Оглядываясь назад на два миллиарда лет» описывает работу Уоллмана (Уильяма) М. МакНевина из Университета штата Огайо до того, как в мае была опубликована статья Miller Science . 1953. МакНевин пропустил искры напряжением 100 000 вольт через метан и водяной пар и произвел «смолистые твердые частицы», которые были «слишком сложны для анализа». В статье описываются другие ранние земные эксперименты, проводимые МакНевином. Неясно, публиковал ли он когда-либо какие-либо из этих результатов в основной научной литературе.

К. А. Уайлд представил статью в Science 15 декабря 1952 г., до того как Миллер отправил свою статью в тот же журнал 10 февраля 1953 г. Статья Уайльда была опубликована 10 июля 1953 г. Уайльд использовал напряжения до 600 В на бинарной смеси. из двуокиси углерода (CO 2 ) и воды в проточной системе. Он наблюдал только небольшие количества восстановления углекислого газа до окиси углерода и никаких других значительных продуктов восстановления или вновь образованных соединений углерода. Другие исследователи изучали УФ - фотолиз паров воды с монооксидом углерода . Они обнаружили, что в реакционной смеси были синтезированы различные спирты, альдегиды и органические кислоты.

Более поздние эксперименты химиков Джеффри Бада, один из аспирантов Миллера и Джима расщепляет Институт океанографии Скриппса в Университете Калифорнии, Сан - Диего были аналогичны тем , которые выполняются Миллером. Однако Бада отметил, что в современных моделях условий ранней Земли углекислый газ и азот (N 2 ) создают нитриты , которые разрушают аминокислоты так же быстро, как и образуются. Когда Бада провел эксперимент типа Миллера с добавлением железа и карбонатных минералов, продукты были богаты аминокислотами. Это предполагает, что значительное количество аминокислот могло произойти на Земле даже в атмосфере, содержащей углекислый газ и азот.

Ранняя атмосфера Земли

Некоторые данные свидетельствуют о том, что первоначальная атмосфера Земли могла содержать меньше молекул-восстановителей, чем считалось во время эксперимента Миллера-Юри. Существует множество свидетельств крупных извержений вулканов 4 миллиарда лет назад, в результате которых в атмосферу были бы выброшены углекислый газ, азот, сероводород (H 2 S) и диоксид серы (SO 2 ). Эксперименты с использованием этих газов в дополнение к тем, что использовались в первоначальном эксперименте Миллера-Юри, дали более разнообразные молекулы. В ходе эксперимента была создана рацемическая смесь (содержащая как L-, так и D- энантиомеры ), и эксперименты с тех пор показали, что «в лаборатории две версии могут появиться с одинаковой вероятностью»; однако в природе преобладают L-аминокислоты. Более поздние эксперименты подтвердили, что возможно непропорциональное количество L- или D-ориентированных энантиомеров.

Первоначально считалось, что примитивная вторичная атмосфера состоит в основном из аммиака и метана. Однако вполне вероятно, что большая часть атмосферного углерода составляла CO 2 , возможно, с некоторым количеством CO и азотом в основном N 2 . На практике газовые смеси, содержащие CO, CO 2 , N 2 и т. Д., Дают почти те же продукты, что и смеси, содержащие CH 4 и NH 3, при условии отсутствия O 2 . Атомы водорода происходят в основном из водяного пара. Фактически, для образования ароматических аминокислот в примитивных земных условиях необходимо использовать менее богатые водородом газовые смеси. Большинство природных аминокислот, гидроксикислот , пуринов, пиримидинов и сахаров были получены в вариантах эксперимента Миллера.

Более поздние результаты могут поставить под сомнение эти выводы. В 2005 году Университет Ватерлоо и Университет Колорадо провели моделирование, которое показало, что ранняя атмосфера Земли могла содержать до 40 процентов водорода, что подразумевает гораздо более благоприятную среду для образования пребиотических органических молекул. Утечка водорода из атмосферы Земли в космос, возможно, произошла всего на один процент от скорости, которая ранее предполагалась на основе пересмотренных оценок температуры верхних слоев атмосферы. Один из авторов, Оуэн Тун, отмечает: «В этом новом сценарии органические вещества могут эффективно производиться в ранней атмосфере, что возвращает нас к концепции богатого органическими веществами супа в океане ... Я думаю, что это исследование помогает эксперименты Миллера и других снова актуальны ". Расчеты дегазации с использованием хондритовой модели для ранней Земли, дополняющие результаты Ватерлоо / Колорадо, подтверждают важность эксперимента Миллера-Юри.

В отличие от общего представления о восстановительной атмосфере ранней Земли, исследователи из Политехнического института Ренсселера в Нью-Йорке сообщили о возможности наличия кислорода около 4,3 миллиарда лет назад. Их исследование, проведенное в 2011 году по оценке цирконов Гадея из недр земли ( магмы ), показало присутствие следов кислорода, подобных современным лавам. Это исследование предполагает, что кислород мог быть выпущен в атмосферу Земли раньше, чем принято считать.

В ноябре 2020 года группа международных ученых сообщила о своем исследовании окисления магмы около 4,5 миллиарда лет назад, предполагая, что первоначальная атмосфера Земли содержала небольшое количество кислорода и не содержала метана или аммиака, как предполагалось в эксперименте Миллера-Юри. CO 2, вероятно, был самым распространенным компонентом, с азотом и водой в качестве дополнительных компонентов. Однако метан и аммиак могли появиться немного позже, когда атмосфера стала более восстановительной. Эти нестабильные газы постепенно разрушались солнечным излучением (фотолиз) и просуществовали около десяти миллионов лет, прежде чем в конечном итоге были заменены водородом и CO 2 .

Внеземные источники

Условия, аналогичные условиям экспериментов Миллера-Юри, присутствуют и в других регионах Солнечной системы , где молнии часто заменяют ультрафиолетовым светом в качестве источника энергии для химических реакций. Было обнаружено, что метеорит Мерчисон , упавший недалеко от Мерчисона, штат Виктория , Австралия, в 1969 году, содержит много различных типов аминокислот. Считается, что кометы и другие ледяные тела за пределами Солнечной системы содержат большое количество сложных углеродных соединений (таких как толины ), образованных в результате этих процессов, затемняющих поверхности этих тел. Раннюю Землю подвергали сильной бомбардировке кометами, которые, возможно, обеспечивали большой запас сложных органических молекул вместе с водой и другими летучими веществами, которые они внесли. Это было использовано для вывода о происхождении жизни за пределами Земли: гипотеза панспермии .

Недавние исследования по теме

В последние годы были проведены исследования аминокислотного состава продуктов «старых» областей в «старых» генах, определяемых как те, которые, как обнаружено, являются общими для организмов из нескольких широко разделенных видов , которые, как предполагается, имеют общие только последние универсальный предок (LUA) всех существующих видов. Эти исследования показали, что продукты этих областей обогащены теми аминокислотами, которые также наиболее легко образуются в эксперименте Миллера-Юри. Это говорит о том, что исходный генетический код был основан на меньшем количестве аминокислот - только тех, которые доступны в пребиотической природе - чем нынешний.

Джеффри Бада , сам ученик Миллера, унаследовал оригинальное оборудование из эксперимента, когда Миллер умер в 2007 году. На основе запечатанных флаконов из первоначального эксперимента ученые смогли показать, что, несмотря на успех, Миллер так и не смог выяснить с помощью оборудования. доступная ему, полная степень успеха эксперимента. Позже исследователи смогли выделить еще больше различных аминокислот, всего 25. Бада подсчитал, что более точные измерения могут легко выявить еще 30 или 40 аминокислот в очень низких концентрациях, но с тех пор исследователи прекратили испытания. Таким образом, эксперимент Миллера оказался замечательным успехом в синтезе сложных органических молекул из более простых химических веществ, учитывая, что вся известная жизнь использует всего 20 различных аминокислот.

В 2008 году группа ученых исследовала 11 флаконов, оставшихся после экспериментов Миллера в начале 1950-х годов. В дополнение к классическому эксперименту, напоминающему предполагаемый Чарльзом Дарвином «теплый маленький пруд», Миллер также провел больше экспериментов, в том числе в условиях, аналогичных условиям извержения вулканов. В этом эксперименте было сопло, распыляющее струю пара при искровом разряде. Используя высокоэффективную жидкостную хроматографию и масс-спектрометрию , группа обнаружила больше органических молекул, чем Миллер. Они обнаружили, что подобный вулкану эксперимент произвел наибольшее количество органических молекул, 22 аминокислоты, 5 аминов и много гидроксилированных молекул, которые могли быть образованы гидроксильными радикалами , образованными электрифицированным паром. Группа предположила, что таким образом вулканические островные системы стали богаты органическими молекулами, и что присутствие там карбонилсульфида могло помочь этим молекулам образовывать пептиды .

Основная проблема теорий, основанных на аминокислотах, - сложность получения спонтанного образования пептидов. После предположения Джона Десмонда Бернала о том, что глиняные поверхности могли играть роль в абиогенезе , научные усилия были направлены на изучение опосредованного глиной образования пептидных связей с ограниченным успехом. Образовавшиеся пептиды оставались чрезмерно защищенными и не демонстрировали признаков наследования или метаболизма. В декабре 2017 года теоретическая модель, разработанная Ерастовой и соавторами, предположила, что пептиды могут образовываться на прослойках слоистых двойных гидроксидов, таких как грин раст, в условиях ранней Земли. Согласно модели, сушка интеркалированного слоистого материала должна обеспечивать энергию и совместное выравнивание, необходимое для образования пептидной связи рибосомоподобным образом, в то время как повторное увлажнение должно позволить мобилизовать вновь образованные пептиды и повторно заселить промежуточный слой новыми аминокислотами. Ожидается, что этот механизм приведет к образованию пептидов длиной 12+ аминокислот в течение 15-20 промывок. Исследователи также наблюдали несколько разные предпочтения адсорбции для разных аминокислот и предположили, что при сочетании с разбавленным раствором смешанных аминокислот такие предпочтения могут привести к секвенированию.

В октябре 2018 года исследователи из Университета Макмастера от имени Origins Institute объявили о разработке новой технологии под названием Planet Simulator , которая поможет изучить происхождение жизни на планете Земля и за ее пределами.

Идентифицированные аминокислоты

Ниже приводится таблица аминокислот, полученных и идентифицированных в «классическом» эксперименте 1952 года, опубликованная Миллером в 1953 году, повторный анализ пробирок 2008 года из эксперимента с искровым разрядом вулкана и повторный анализ пробирок 2010 года из H 2 Эксперимент с искровым разрядом с высоким содержанием серы.

Аминокислота Изготовлено в эксперименте Протеиногенный
Миллер-Юри
(1952)
Вулканический искровой разряд
(2008)
Искровой разряд, обогащенный H 2 S
(2010 г.)
Глицин да да да да
α-аланин да да да да
β-аланин да да да Нет
Аспарагиновая кислота да да да да
α-аминомасляная кислота да да да Нет
Серин Нет да да да
Изосерин Нет да да Нет
α-аминоизомасляная кислота Нет да да Нет
β-аминоизомасляная кислота Нет да да Нет
β-аминомасляная кислота Нет да да Нет
γ-аминомасляная кислота Нет да да Нет
Валин Нет да да да
Изовалин Нет да да Нет
Глютаминовая кислота Нет да да да
Норвалин Нет да Нет Нет
α-аминоадипиновая кислота Нет да Нет Нет
Гомосерин Нет да Нет Нет
2-метилсерин Нет да Нет Нет
β-гидроксиаспарагиновая кислота Нет да Нет Нет
Орнитин Нет да Нет Нет
2-метилглутаминовая кислота Нет да Нет Нет
Фенилаланин Нет да Нет да
Гомоцистеиновая кислота Нет Нет да Нет
S- метилцистеин Нет Нет да Нет
Метионин Нет Нет да да
Сульфоксид метионина Нет Нет да Нет
Метионин сульфон Нет Нет да Нет
Изолейцин Нет Нет да да
Лейцин Нет Нет да да
Этионин Нет Нет да Нет
Цистеин Нет Нет Нет да
Гистидин Нет Нет Нет да
Лизин Нет Нет Нет да
Аспарагин Нет Нет Нет да
Пирролизин Нет Нет Нет да
Пролин Нет Нет да да
Глутамин Нет Нет Нет да
Аргинин Нет Нет Нет да
Треонин Нет Нет да да
Селеноцистеин Нет Нет Нет да
Триптофан Нет Нет Нет да
Тирозин Нет Нет Нет да

использованная литература

внешние ссылки