Войти
Эксперимент Эксперимент Миллера – Юри (или эксперимент Миллера ) был химическим экспериментом, который моделировал условия, которые, как считалось в то время (1952 г.), присутствовали на раннем Земля и проверили химическое происхождение жизни в этих условиях. В то время эксперимент поддерживал Александра Опарина и Дж. Гипотеза 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. Считающийся классическим экспериментом по исследованию абиогенеза, он был проведен в 1952 году Стэнли Миллером под руководством Гарольда Ури из Чикагского университета и опубликованы в следующем году.
После смерти Миллера в 2007 году ученые, исследующие запечатанные флаконы, сохранившиеся от первоначальных экспериментов, смогли показать, что на самом деле было произведено более 20 различных аминокислот в оригинальных экспериментах Миллера. 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 в различных условиях.
Воспроизвести медиа Описательное видео эксперимента В эксперименте использовалась вода (H2O), метан (CH 4), аммиак (NH 3) и водород (H2). Все химические вещества были запечатаны в стерильной 5-литровой стеклянной колбе, соединенной с 500-миллилитровой колбой, наполовину заполненной водой. Воду в меньшей колбе нагревали, чтобы вызвать испарение, и водяным парам позволяли проникать в большую колбу. Между электродами образовывались непрерывные электрические искры для имитации молнии в смеси водяного пара и газа, а затем имитируемая атмосфера снова охлаждалась, так что вода конденсировалась и стекала в U-образную ловушку на дне аппарат.
Через сутки раствор, собранный в ловушке, стал розовым, а после недели 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 достоверными из-за слабых пятен.
В интервью 1996 года Стэнли Миллер вспомнил о своем В ходе экспериментов, продолжавшихся всю жизнь после его оригинальной работы, он заявил: «Просто включить искру в базовом пребиотическом эксперименте, получится 11 из 20 аминокислот».
В 2017 году оригинальный эксперимент оставался под присмотром Миллера и Бывший студент Юри Джеффри Бада, профессор в UCSD, Институте океанографии Скриппса. По состоянию на 2013 год аппаратура, используемая для проведения эксперимента, была выставлена в Денверском музее природы и науки.
Одностадийные реакции между компонентами смеси могут приводить к цианистый водород (HCN), формальдегид (CH 2 O) и другие активные промежуточные соединения (ацетилен, цианоацетилен, и т.п.):
Формальдегид, аммиак и HCN затем реагируют посредством синтеза Штрекера с образованием аминокислот и другие биомолекулы:
Кроме того, вода и формальдегид могут реагировать посредством реакции Бутлерова с образованием различных сахаров, таких как рибоза.
. Эксперименты показали, что простые органические соединения бутиловой кислоты Заключительные блоки белков и других макромолекул могут быть образованы из газов с добавлением энергии.
Этот эксперимент вдохновил многих других. В 1961 году Джоан Оро обнаружил, что нуклеотид основание аденин может быть получен из цианистого 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 РНК и ДНК-основания могут быть получены с помощью моделирования пребиотической химии с восстановительной атмосферой.
Также проводились аналогичные эксперименты с электрическим разрядом, связанные с происхождением жизнь, ровесница Миллера-Юри. Статья в The New York Times (8 марта 1953: E9), озаглавленная «Оглядываясь назад на два миллиарда лет», описывает работу Уоллмана (Уильяма) М. МакНевина в Государственном университете Огайо, до того, как в мае 1953 года была опубликована статья Miller Science. МакНевин пропускал 100000 вольт искр через метан и водяной пар и производил «смолистые твердые частицы», которые были «слишком сложными для анализа». В статье описаны 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 напряжение до 600 В на двоичной системе. смесь диоксида углерода (CO 2) и воды в проточной системе. Он наблюдал только небольшие количества восстановления диоксида углерода до монооксида углерода и никаких других значительных продуктов восстановления или вновь образованных углеродных соединений. Другие исследователи изучали UV -фотолиз водяного пара с оксидом углерода. Они обнаружили, что в реакционной смеси были синтезированы различные спирты, альдегиды и органические кислоты.
Более поздние эксперименты химиков Джеффри Бада, одного из аспирантов Миллера, и Джима Кливза из Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего были аналогичны тем, которые выполнял Миллер. Однако Бада отметил, что в современных моделях условий ранней Земли углекислый газ и азот (N2) создают нитриты, которые разрушают аминокислоты так же быстро, как они образуются. Когда Бада провел эксперимент типа Миллера с добавлением железа и карбонатных минералов, продукты были богаты аминокислотами. Это предполагает, что значительное количество аминокислот могло происходить на Земле даже в атмосфере, содержащей углекислый газ и азот.
Некоторые данные свидетельствуют о том, что первоначальная атмосфера Земли могла содержать меньшее количество восстанавливающих молекул, чем считалось во время эксперимента Миллера-Юри. Существует множество свидетельств крупных извержений вулканов 4 миллиарда лет назад, в результате которых выделялись углекислый газ, азот, сероводород (H2S) и диоксид серы (SO 2) в атмосферу. Эксперименты с использованием этих газов в дополнение к экспериментам 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 содержала в основном аммиак и метан. Однако вероятно, что большая часть атмосферного углерода была СО 2 с, возможно, некоторым количеством СО и азотом, главным образом, N 2. На практике газовые смеси, содержащие CO, CO 2, N 2 и т. Д., Дают примерно те же продукты, что и смеси, содержащие CH 4 и NH 3, пока нет 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 было получено 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 начальной атмосфере, что возвращает нас к концепции богатого органическими веществами супа в океане... Я думаю, что это исследование делает эксперименты Миллера и других снова актуальны ". Расчеты газовыделения с использованием хондритовой модели для ранней Земли дополняют результаты экспериментов Ватерлоо / Колорадо, вновь устанавливая важность эксперимента Миллера – Юри.
В отличие от общего представления о восстановительной атмосфере ранней Земли, исследователи из Политехнический институт Ренсселера в Нью-Йорке сообщил о возможности наличия кислорода около 4,3 миллиарда лет назад. Их исследование, проведенное в 2011 году по оценке хадейских цирконов из недр земли (магма ), показало присутствие следов кислорода, подобных современным лавам. Это исследование предполагает, что кислород мог быть выпущен в атмосферу Земли раньше, чем принято считать.
Условия, аналогичные условиям экспериментов Миллера-Юри, присутствуют в других регионах солнечная система, часто заменяя ультрафиолетовым светом молнию в качестве источника энергии для химических реакций. Метеорит Мерчисон, упавший около Мерчисон, Виктория, Австралия, в 1969 году, как было обнаружено, содержит более 90 различных аминокислот, девятнадцать из которых встречаются в жизни на Земле. Кометы и другие ледяные тела за пределами Солнечной системы, как полагают, содержат большое количество сложных углеродных соединений (таких как толины ), образованных в результате этих процессов, затемняющих поверхности этих тел. Ранняя Земля была подвергнута 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.
В последние годы были проведены исследования аминокислотного состава продуктов «старых» участков в «старых» генах, определяемых как те, которые, как обнаружено, являются общими для организмов нескольких широко разделенных видов, предполагается, что они имеют общего только последнего универсального предка (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 первоначальный генетический код был основан на меньшем количестве аминокислот - только тех, которые доступны в пребиотической природе, - чем текущий.
Джеффри Бада, сам ученик Миллера, унаследовал оригинальное оборудование от эксперимента, когда Миллер умер в 2007 году. Основываясь на запечатанных флаконах из первоначального эксперимента, ученые смогли показать, что, несмотря на успех, Миллер так и не смог выяснить, с имеющимся у него оборудованием, всю 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. начало 1950-х гг. В дополнение к классическому эксперименту, напоминающему предполагаемый Чарльзом Дарвином «теплый маленький пруд», Миллер также провел больше экспериментов, в том числе с условиями, аналогичными условиям извержений вулканов. В этом эксперименте сопло распыляло струю пара при искровом разряде. Используя высокоэффективную жидкостную хроматографию и масс-спектрометрию, группа обнаружила больше органических молекул, чем было у Миллера. Они обнаружили, что эксперимент, подобный вулкану, произвел наибольшее количество органических молекул, 22 аминокислоты, 5 аминов и множество гидроксилированных молекул, которые могли быть образованы гидроксильными радикалами производится электрифицированным паром. Группа предположила, что таким образом вулканические островные системы стали богаты органическими молекулами и что присутствие там карбонилсульфида могло помочь этим молекулам сформировать пептиды.
Основная проблема теорий, основанных на аминокислоты представляет собой сложность получения спонтанного образования пептидов. Поскольку Джон Десмонд Бернал предположил, что глиняные поверхности могли играть роль в абиогенезе, научные усилия были направлены на изучение опосредованного глиной образования пептидной связи, 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 в прослоях слоистых двойных гидроксидов, таких как грин раст, в условиях ранней Земли. Согласно модели, сушка интеркалированного слоистого материала должна обеспечивать энергию и совместное выравнивание, необходимые для образования пептидной связи по типу рибосомы, в то время как повторное увлажнение должно позволить мобилизовать вновь образованные пептиды и повторно заселить прослойка с 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 постулировали, что в случае сочетания 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, чтобы помочь изучить происхождение жизни на планете Земля и за ее пределами.
Ниже приведена таблица производимых и идентифицированы в «классическом» эксперименте 1952 г., опубликованном Миллером в 1953 г., повторном анализе пузырьков из эксперимента с искровым разрядом вулкана в 2008 г. и повторном анализе пузырьков из H 2 S- в 2010 г. эксперимент с богатым искровым разрядом.
| Аминокислота | Получена в эксперименте | Протеиногенный | ||
|---|---|---|---|---|
| Миллер-Юри. (1952) | Вулканический искровой разряд. (2008) | H2Искровой разряд с высоким содержанием серы. (2010) | ||
| Глицин |  | | | Да |
| α-аланин | | | | Да |
| β-аланин | | | | Нет |
| Аспарагиновая кислота | | | | Да |
| α-аминомасляная кислота | | | | Нет |
| Серин |  | | | Да |
| Изосерин | | | | Нет |
| α-аминоизомасляная кислота | | | | Нет |
| β-аминоизобут ироловая кислота | | | | Нет |
| β-аминомасляная кислота | | | | Нет |
| γ-аминомасляная кислота | | | | Нет |
| Валин | | | | Да |
| Изовалин | | | | Нет |
| Глутаминовая кислота | | | | Да |
| Норвалин | | | | Нет |
| α-аминоадипиновая кислота | | | | Нет |
| Гомосерин | | | | Нет |
| | | Нет | |
| β-гидроксиаспарагиновая кислота | | | | Нет |
| Орнитин | | | | Нет |
| | | Нет | |
| Фенилаланин | | | | Да |
| Гомоцистеиновая кислота | | | | Нет |
| S-Метилцистеин | | | | Нет |
| Метионин | | | | Да |
| Сульфоксид метионина | | | | Нет |
| | | Нет | |
| Изолейцин | | | | Да |
| Лейцин | | | | Да |
| Этионин | | | | Нет |
| Цистеин | | | | Да |
| Гистидин | | | | Да |
| Лизин | | | | Да |
| Аспарагин | | | | Да |
| Пирролизин | | | | Да |
| Пролин | | | | Да |
| Глютамин | | | | Да |
| Аргинин | | | | Да |
| Треонин | | | | Да |
| Селеноцистеин | | | | Да |
| Триптофан | | | | Да |
| Тирозин | | | | Да |
