Жизнь из капли
Вторая половина XX века стала прорывной для биохимии, молекулярной биологии и смежных областей: мы много узнали про зарождение и развитие организмов на Земле. Важным шагом в понимании жизни стала теория химической эволюции, то есть синтеза соединений без участия существ. А ключевым экспериментом в этой сфере стал опыт Миллера-Юри.
Из капель слагается бульон
Со времен Античности и Средневековья преобладающей теорией о появлении жизни была теория самозарождения. Она гласила, что организмы появляются от разных неодушевленных предметов: мухи — от куска сырого мяса, жуки и мокрицы сами собой образуются под камнями. А вот высшие организмы считались творением Бога.
В эпоху Возрождения натуралисты начали сомневаться в устоявшемся знании. Один из первых экспериментов-опровержений, о которых мы знаем, поставил итальянец Франческо Реди. Он взял две банки, в каждую положил по куску мяса и одну из них накрыл марлей. Ожидаемо, мухи появились только в незакрытой банке. Результаты он опубликовал в 1668 году в труде «Опыты по происхождению насекомых».
Значительно позже Луи Пастер провел похожий эксперимент. Ученый заказал специальный сосуд с длинным изогнутым горлышком, наполнил его бульоном и вскипятил. Несмотря на то, что воздух в сосуд проникал свободно, бактерии в нем долго не заводились, так как оседали на изогнутом горлышке. А значит, организмы зарождались в бульоне не сами собой, а попадали из окружающей среды.
Сосуд Пастера. Источник: wikipedia.org
Уже в ХХ веке после того, как теория эволюции Чарльза Дарвина окончательно утвердилась, споры о появлении жизни стали еще острее, чем в прошлом. Если теперь люди однозначно знали, что организмы эволюционируют, то с чего началась эта гонка? Определенно это должен был быть примитивный организм, еще более примитивный, чем бактерия. Тогда вопрос сформулировали так: насколько это должна быть простая структура, чтобы ее уже можно было назвать жизнью.
На вопрос ответили английский биолог Джон Холдейн и советский биохимик Александр Опарин. Ученые независимо друг от друга пришли к похожим выводам: простейшей формой жизни можно считать капли воды, окруженные жировой пленкой, внутри которой содержится набор органических веществ и самовоспроизводящихся нуклеиновых кислот (в природе это ДНК и РНК — молекулы, способные создавать себе подобных). Такие капельки, названные коацерваты, плавали в «первичном бульоне» — среде с молекулами аминокислот, углеводов и других веществ, синтезированным в результате погодных явлений. Впоследствии коацерваты дали начало всем живым организмам. Кстати, про дальнейшую судьбу жизни на Земле мы писали здесь.
Вернемся к Опарину и Холдейну. Их теории появились в 1920-х, и тогда экспериментальных подтверждений им не было. Но все поменяли американские химики после Второй мировой войны.
Александр Опарин и Джон Холдейн. Источник: wikipedia.org
Варим до готовности
Молодой ученый Стэнли Миллер приехал в Чикаго в 1951 году, чтобы начать работу над докторской диссертацией под руководством Эдварда Теллера — физика-ядерщика и участника Манхэттенского проекта. Однако вскоре Теллер был вынужден перебраться в Калифорнию и продолжить работу там. Оставленный без научного руководителя Миллер обратился к Гарольду Юри. Последний был не только коллегой Теллера по проекту, но и лауреатом Нобелевской премии: в 1934 году Юри получил ее за открытие изотопа водорода дейтерия. Аспиранта привлекала теория профессора об атмосфере ранней Земли. Юри выслушал идеи молодого человека и позволил ему экспериментально проверить свои догадки о синтезе веществ.
Миллер разработал такой эксперимент: в закрытой системе дистиллированная вода нагревалась и подавалась в колбу, куда были накачены аммиак, метан, водород и угарный газ. Эти вещества, как тогда предполагали, составляли основную массу атмосферы Земли на заре жизни. Энергию для химических реакций обеспечивали электроды, имитирующие разряды молний. Конденсированная вода стекала в сборник и опять подавалась для кипячения.
Экспериментальная установка Миллера. Источник: wikipedia.org
Миллер запустил установку и оставил ее на неделю. Спустя это время ученый остановил эксперимент и приступил к анализу веществ, которые скопились в ловушке.
В полученных растворах были обнаружены сразу несколько аминокислот: глицин, аланин, аспарагиновая кислота и α-аминомасляная кислота. При этом первые три аминокислоты способны строить белковую цепь. Эксперимент впервые доказал, что органические вещества способны синтезироваться в восстанавливающей атмосфере без участия организмов. Миллер написал короткую заметку в журнал Science. В мае 1953 года статью опубликовали, при этом Юри в авторах не значился — профессор решил не умалять заслуг аспиранта своей фамилией по соседству в списке авторов.
В начале 1950-х, как мы уже упоминали, биохимия развивалась очень быстро, другие исследователи проводили похожие эксперименты, но именно Миллер смог впервые не только синтезировать, но и идентифицировать полученные органические вещества. Вдохновленное успехом научное сообщество продолжило эксперименты. Уже в 1961 году удалось абиотически синтезировать нуклеотиды — мономеры ДНК. А еще позднее с включением в установку УФ-излучения были получены спирты и органические кислоты. Важный шаг в развитии теории сделал американский химик Джеффри Бада, ученик Миллера. Он получил все образцы от наставника в 1999 году, когда тот перенес инсульт. Бада решил перепроверить результаты с помощью современных методов и открыл в растворах еще больше аминокислот. Ученый расширил список Миллера на 14 позиций, при этом 3 аминокислоты были протеиногенными, то есть могли участвовать в образовании белка.
До сих пор выходят исследования, которые расширяют и уточняют теорию Миллера-Юри. Их эксперимент не только подтвердил предположения Опарина и Холдейна, но и заложил основу для многих дальнейших исследований, благодаря которым мы сейчас знаем очень много о зарождении жизни на родной планете.
Фото на обложке: Доктор Стэнли Миллер проводит эксперимент Миллера. Источник: Getty Images / Roger Ressmeyer / Corbis / VCG
