На 15 май 1953 г. младият химик, само на 23 години, Стенли Л. Милър, публикува резултатите от експеримент, който ще революционизира биологията в списание Science. Тази пионерска работа бележи началото на това, което днес познаваме като химия на пребиотиците, и предостави първите улики за това как може да е възникнал животът на Земята. Експериментът на Милър е широко известен в света на науката и е бил обект на многобройни последващи изследвания, които го потвърждават като крайъгълен камък в изследването на произхода на живота.
Чрез тази статия ще проучим в дълбочина експеримента Милър, контекста на ранната Земя, повдигнатите хипотези и въздействието му върху областта на науката.
Примитивна земя
Стенли Милър току-що беше завършил химия, когато се премести в Чикагския университет, за да започне докторската си дисертация. Това е ключов момент в кариерата му, тъй като малко след това той се среща с известния носител на Нобелова награда Харолд К. Юри, който изнася семинар за произхода на Земята и ранната атмосфера. Милър толкова се увлича от темата, че решава да промени тезата си и да предложи експеримент, базиран на тези идеи. На свой ред руският биохимик Александър I. Опарин публикува книга, озаглавена „Произходът на живота“, в която обяснява как спонтанните химични реакции биха могли да генерират първите форми на живот във времева скала от милиони години.
Преди повече от 4.000 милиарда години ранната Земя е била далеч от това, което познаваме днес. Според хипотезите на Опарин и Халдейн в атмосферата почти няма кислород и се състои предимно от газове като метан (CH₄), амоняк (NHXNUMX), водород (H₂) и водни пари (H₂O). В тази враждебна среда неорганичните молекули биха могли да реагират, давайки началото на първите органични молекули. Те от своя страна постепенно биха се развили в по-сложни организми. Земната повърхност е била потопена в примитивни океани, където непрекъснато е реагирала „пребиотична супа“ от химични съединения. Електрически бури, вулканични изригвания и ултравиолетова радиация, при липса на озонов слой, осигуряват енергията, необходима за протичането на тези реакции.
Тази изключително турбулентна среда беше от решаващо значение за по-простите молекули да отстъпят място на по-сложни съединения, като аминокиселините, които изграждат протеините, от съществено значение за живота, какъвто го познаваме.
Улики от експеримента на Милър
Работата на Милър се основава на хипотезата, че ранната атмосфера на Земята се редуцира, т.е. с много малко кислород, но богата на газове като метан, водород и амоняк. Тази теория беше подкрепена от астрономически изследвания, които показват, че други атмосфери в Слънчевата система имат подобен състав. Планети като Юпитер и Сатурн имат атмосфера, богата на тези газове. В този примитивен свят енергията на бурите и интензивната слънчева радиация причиняват постоянни химични реакции. Милър реши да направи тези идеи крачка напред, като създаде експеримент, който да симулира тези условия в лабораторията.
Насочвайки вниманието си към липсата на кислород, Милър проектира устройство, което позволява поддържането на анаеробни и стерилни условия, за да гарантира, че всички резултати се дължат изключително на химични реакции, без намесата на живи организми. Това беше основата на известния му експеримент.
Експериментът на Милър в дълбочина
Милър предложи да се провери хипотезата на Опарин чрез пресъздаване на условията на ранната Земя в лабораторията. Той смесва газове като метан, амоняк, водород и водна пара, които представляват преобладаващите компоненти на примитивната атмосфера, в запечатан апарат. Електрическите разряди симулираха светкавиците от интензивните бури, които биха били обичайни по това време. Експериментът на Милър се състоеше от стъклено устройство, в което водата непрекъснато се нагрява, докато се изпари, като парата преминава през газовата смес. При охлаждане в кондензатор, парата и газовете се смесват отново, завършвайки постоянен цикъл. Това беше ключово, тъй като симулираше водния цикъл в ранната земна атмосфера.
След една седмица непрекъсната работа, Милър забеляза, че течността в устройството му е придобила тъмнокафяв цвят. Когато го анализира, той открива, че са произведени аминокиселини, органични съединения, необходими за живота. Сред тях са глицин, аланин и аспарагинова киселина, които са от съществено значение за клетъчната структура и функции. Това беше първата конкретна стъпка към разбирането как може да се формира живот на Земята. Експериментът на Милър демонстрира, че при подходящи условия органичните молекули могат да се образуват спонтанно от прости неорганични съединения.
Органични молекули от космоса
Въпреки това, години по-късно, изследванията заключиха, че ранната атмосфера на Земята може да не е била толкова редуцираща, колкото се предполагаше първоначално, и че може да е съдържала повече въглероден диоксид (CO₂) и азот (N₂), отколкото се смяташе преди. Това усложнява възможността за формиране на живот, както предполагат Юри и Милър. През 1969 г. метеорит, наречен Murchison, който се е образувал преди около 4.600 милиарда години, пада в Австралия.
Когато учените анализирали метеорита, те открили в него богато разнообразие от органични молекули, включително аминокиселини, които били много подобни на тези, получени от Милър в неговата лаборатория. Следователно, тези нови доказателства предполагат, че ако условията на Земята не са били напълно подходящи за формирането на живот, необходимите молекули биха могли да пристигнат от космоса чрез метеорити и комети, които биха обогатили "пребиотичната супа". Това откритие подкрепи теорията за панспермията, която предполага, че основните съставки за живота може да са пристигнали на Земята от космоса, което води до възможността животът или поне неговите градивни елементи да са често срещани във Вселената.
Въздействие и непрекъснатост на експеримента
Въпреки че експериментът на Милър беше революционен, с времето започнаха да се появяват критики. С подобряването на моделите на ранната атмосфера се стигна до заключението, че тя може да е била по-малко намаляваща, отколкото са си представяли Милър и Юри. Въпреки това, последните експерименти продължават да демонстрират, че дори в по-малко редуциращи атмосфери е възможно да се синтезират органични молекули. Това доведе до нови разработки в областта на пребиотичната химия.
Наскоро беше открито, че някои минерали, като боросиликатно стъкло, може да са изиграли решаваща роля в синтеза на тези молекули. Стъклените реактори, използвани в експерименти като този на Милър, изглежда благоприятстват образуването на тези органични съединения. Настоящите изследвания изследват как тези материали, присъстващи на ранната Земя, заедно с газовете, отделяни от активни вулкани, биха могли да задвижат появата на живот.
Днес, благодарение на напредъка на астробиологията и пребиотичната химия, ние разбираме, че молекулярната основа на живота е резултат от естествени химични процеси, които с подходяща енергия могат да се случат както на Земята, така и навсякъде в космоса. Споделете тези условия. Очарователно е да се мисли, че независимо дали чрез земни процеси или с помощта на материали от космоса, молекулите, образували живота, са възникнали чрез прости и спонтанни реакции, като тези, демонстрирани от Стенли Милър преди повече от 70 години. Този експеримент остава крайъгълен камък в изследването на произхода на живота и продължава да вдъхновява нови поколения учени да търсят отговори на един от най-фундаменталните въпроси: Как е започнал животът?