Ученые воссоздали эксперимент “происхождение жизни” и сделали новое открытие

Ученые воссоздали классический эксперимент по происхождению жизни и сделали новое открытие.

В 1952 году химик из Чикагского университета по имени Стэнли Миллер и его советник Гарольд Юри провели знаменитый эксперимент, сообщает arstechnica.

Их результаты, опубликованные в следующем году, предоставили первое свидетельство о том, что сложные органические молекулы, необходимые для возникновения жизни (абиогенез), могут быть сформированы с использованием более простых неорганических предшественников, что по существу положило начало области химии пребиотиков.

Теперь команда испанских и итальянских ученых воссоздала этот плодотворный эксперимент и обнаружила способствующий фактор, который упустили Миллер и Юри.

Согласно новой статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, минералы в боросиликатном стекле, используемом для изготовления пробирок и колб для экспериментов, ускоряют скорость образования органических молекул.

В 1924 и 1929 годах соответственно Александр Опарин и J.B.S. Холдейн выдвинул гипотезу, что условия на нашей примитивной Земле благоприятствовали бы химическим реакциям, которые могли бы синтезировать сложные органические молекулы из простых неорганических предшественников – иногда известные как гипотеза «первичного супа».

Первыми образовались аминокислоты, которые стали строительными блоками, которые при объединении образовывали более сложные полимеры.

Миллер установил аппарат, чтобы проверить эту гипотезу, смоделировав то, что ученые в то время считали исходной атмосферой Земли.

Он запечатал метан, аммиак и водород в стерильную 5-литровую колбу из боросиликатного стекла, соединенную со второй 500-миллилитровой колбой, наполовину заполненной водой.

Затем Миллер нагревает воду, производя пар, который, в свою очередь, попадает в большую колбу, заполненную химикатами, создавая мини-изначальную атмосферу.

Между двумя электродами также постоянно возникали электрические искры, имитирующие освещение.

Затем «атмосфера» охлаждалась, в результате чего пар снова конденсировался в воду. Вода стекала в ловушку на дне аппарата.

Этот раствор стал розовым через один день и темно-красным через неделю.

В этот момент Миллер снял колбу с кипящей водой и добавил гидроксид бария и серную кислоту, чтобы остановить реакцию.

После выпаривания раствора для удаления любых примесей Миллер проверил то, что осталось, с помощью бумажной хроматографии.

Вся известная жизнь состоит всего из 20 аминокислот. Эксперимент Миллера дал пять аминокислот, хотя он был менее уверен в результатах для двух из них.

Когда Миллер показал свои результаты Юри, тот предложил опубликовать статью как можно скорее. (Юри был старшим, но щедро отказался быть включенным в список соавторов, чтобы это не привело к тому, что Миллер получит мало и не получит вообще никакого кредита за работу)

Статья появилась в 1953 году в журнале Science. «Простое включение искры в базовом пребиотическом эксперименте даст 11 из 20 аминокислот», – сказал Миллер в интервью 1996 года.

Оригинальный аппарат выставлен в Денверском музее природы и науки с 2013 года.

Миллер умер в 2007 году. Незадолго до его кончины один из его студентов, Джеффри Бада, который сейчас работает в Университете Сан-Диего, унаследовал все оригинальное оборудование своего наставника.

Оно включало несколько коробок, заполненных пузырьками с сухими остатками от первоначального эксперимента.

Эти образцы 1952 года были повторно проанализированы в следующем году с использованием новейших методов хроматографии, показав, что первоначальный эксперимент фактически произвел даже больше соединений (25), чем сообщалось в то время.

Миллер также провел дополнительные эксперименты, моделирующие условия, аналогичные условиям извержения вулкана, богатого водяным паром, которые включали распыление пара из сопла на искровой разряд.

Бада и несколько его коллег повторно проанализировали исходные образцы из этих экспериментов и обнаружили, что такая среда производит 22 аминокислоты, пять аминов и несколько гидроксилированных молекул.

Таким образом, первоначальные эксперименты оказались даже более успешными, чем предполагали Миллер и Юри.

В последующие десятилетия было проведено еще много экспериментов по абиогенезу, но соавтор Хоакина Криадо-Рейеса из Университета Гранады в Испании и его сотрудники считали, что один потенциальный фактор был упущен из виду: роль боросиликатного стекла, из которого состоит колбы и пробирки, которые использовал Миллер.

Они отметили, что смоделированная атмосфера Миллера была сильно щелочной, что должно было вызвать растворение кремнезема.

«Следовательно, можно было ожидать, что при контакте щелочной воды с внутренней стенкой боросиликатной колбы даже это армированное стекло будет слегка растворяться, выделяя кремнезем и следы других оксидов металлов [в пар]», – пишут авторы.

Чтобы проверить свою гипотезу, Криадо-Рейес и др. воссоздал три версии эксперимента Миллера-Юри, в основном с использованием тех же химикатов и оборудования.

В одной версии использовались те же боросиликатные колбы, которые использовал Миллер; в другой версии использовалась тефлоновая колба; в третьей версии использовалась тефлоновая колба с кусочками боросиликата, погруженными в воду.

Результат: гораздо меньше органических соединений образовалось в экспериментах с использованием только тефлоновых колб. Как писал в Forbes геолог Дэвид Брессан:

Миллер и Юри использовали оборудование из боросиликатного стекла, поскольку этот особый тип термостойкого материала обычно используется в химических лабораториях по всему миру. Но новый эксперимент показывает, как подобные материалы могли сыграть важную роль в зарождении жизни на Земле. Более 90 процентов земной коры состоит из силикатов, минералов, состоящих преимущественно из диоксида кремния. Выветривание силикатных минералов агрессивной первичной атмосферой и водой могло создать подходящие условия для сборки первых строительных блоков жизни на Земле.

Этот вывод подтверждает первоначальную гипотезу авторов.

Коррозия на поверхности стекла (из-за циркуляции горячей и едкой воды) играет ключевую роль, так как при этом в раствор выделяются молекулы диоксида кремния.

Это, в свою очередь, действует как катализатор, ускоряющий химические реакции между атомами азота, углерода и водорода, которые в конечном итоге создают органические молекулы.

Кроме того, они обнаружили, что коррозия на стекле также образует миллионы крошечных ямок.

Авторы считают, что эти ямы могут служить крошечными реакционными камерами, что также увеличивает скорость образования органических молекул в эксперименте.

Эти результаты согласуются с недавними предположениями о том, что именно сочетание ослабленной атмосферы, электрических штормов, богатых силикатом скальных поверхностей и жидкой воды привело к возникновению жизни. «Миллер воссоздал в своих экспериментах атмосферу и воды первобытной Земли», – заключили авторы. «Роль горных пород была скрыта в стенах реакторов».

DOI: Scientific Reports, 2021. 10.1038 / s41598-021-00235-4 (О DOI).