O tom, prečo nemôžete mať radi experimenty, o výhodách seminárov, ušľachtilosti vedeckého poradcu a objavení sa živých vecí na pozadí studenej vojny, vám povieme v našom nadpise „História vedy“.
Stanley Miller sa narodil v roku 1930 v rodine právnika a učiteľa. Od detstva chlapec rád čítal, dobre sa učil, miloval prírodu, chodil na túry so skautmi. Po bratovi vstúpil na Kalifornskú univerzitu, rovnako ako on, študovať chémiu. Po ľahkom absolvovaní univerzitného kurzu prešiel na University of Chicago, ktorá mu ponúkla miesto asistenta (po smrti svojho otca si už nemohol dovoliť len študovať). Začalo sa dlhé a náročné hľadanie námetu na ďalšiu prácu, miesta, kde uplatniť svoje vedomosti a bystrú myseľ.
Vzhľadom na to, že experimenty sú „prázdne, časovo náročné a nie také dôležité“ (alebo možno len drahé), Miller sa obrátil k teoretickým problémom. Jedným z profesorov, ktorých práca upútala Millerovu pozornosť, bol Edward Teller, ktorý študoval syntézu chemických prvkov vo hviezdach.
Stanley Miller, o ktorom dnes hovoríme, sa však „zrodil“ na jeseň 1951, keď začal navštevovať semináre profesora Harolda Ureyho, už v tom čase nositeľa Nobelovej ceny (za objav deutéria). Yuri bol v tom čase unesený kozmochémiou, vývojom chemických prvkov vo hviezdach a planétach, urobil predpoklad o zložení ranej atmosféry Zeme. Veril, že syntéza organických látok je možná v prostredí podobnom atmosfére starovekej Zeme. Millera tieto myšlienky zaujali (až do takej miery, že si o desaťročia neskôr spomenul na detaily prednášok) a vo svojom výskume sa presunul k Yurimu.
Harold Urey
Wikimedia Commons
Miller teda riešil problém, ktorý prilákal mnohých vedcov. William Harvey, Francesco Redi, Louis Pasteur, Lazzaro Spallanzani, Jacob Berzelius, Friedrich Wöhler polemizovali o tom, či živé môže vzniknúť z neživého (a to nie je ani zďaleka všetko, o čom sme už v Dejinách vedy písali).
Kontroverzia neutíchla ani v 20. storočí. Veľkým prínosom tu bol náš krajan Alexander Oparin. V 20. rokoch 20. storočia publikoval článok „O vzniku života“, v ktorom načrtol svoju teóriu vzniku živých vecí z „prapolievky“. Oparin naznačil, že vznik organických látok je možný v oblastiach so zvýšenou koncentráciou vysokomolekulárnych zlúčenín. Keď takéto zóny získali škrupinu, ktorá ich čiastočne oddeľuje od prostredia, zmenili sa na koacervátové kvapky - kľúčový koncept teórie Oparin-Haldane (približne v rovnakom čase vyvinul podobné myšlienky britský biológ John Haldane). Vo vnútri týchto kvapôčok sa môžu vytvárať jednoduché organické látky, po ktorých nasledujú zložité zlúčeniny: proteíny, aminokyseliny. Absorbovaním látok z vonkajšieho prostredia môžu kvapky rásť a deliť sa.
Vráťme sa však k Millerovi. Jeho nadšenie a túžba usporiadať nejaký experiment a otestovať teóriu od Yuuriho spočiatku nenašli súcit: postgraduálny študent by sa nemal dostať do neznáma, je lepšie, ak urobí niečo jednoduchšie. Nakoniec profesor pripustil, ale dal Millerovi rok. Výsledky nebudú, bude treba zmeniť tému.
Miller sa pustil do práce: vzal Yuriho údaje o zložení ranej atmosféry a navrhol, že syntéza zlúčenín potrebných na vznik života by mohla byť stimulovaná elektrickým výbojom (verí sa, že blesky neboli na Zemi v staroveku nezvyčajné). ). Súprava pozostávala z dvoch baniek spojených sklenenými trubicami. V spodnej banke bola kvapalina, v hornej - zmes plynov: metán, amoniak a vodík - a para. Elektródy boli tiež pripojené k hornej banke, čím sa vytvoril elektrický výboj. Na rôznych miestach sa tento systém zahrieval a ochladzoval a látka neustále cirkulovala.
The Miller - Yuri Experiment
Wikimedia Commons
O týždeň neskôr sa experiment zastavil a banka s ochladenou kvapalinou sa vybrala. Miller zistil, že 10-15% uhlíka sa premenilo na organickú formu. Pomocou papierovej chromatografie si všimol stopy glycínu (objavili sa na druhý deň experimentu), kyseliny alfa- a beta-aminopropiónovej, kyseliny asparágovej a kyseliny alfa-aminomaslovej.
Miller ukázal Ureymu tieto skromne znejúce, ale tak významné výsledky (dokázali možnosť organických látok v podmienkach ranej Zeme) a vedci, aj keď nie bez problémov, ich publikovali v časopise Science. V autoroch bol uvedený iba Miller, inak, ako sa Yuri obával, bude všetka pozornosť smerovať jemu, nobelovi, a nie skutočnému autorovi objavu.
Pôvod života na Zemi je jednou z najvzrušujúcejších záhad modernej vedy. na otázku, prečo tento život sa nakoniec zrodil, odpoveď zrejme necháme na astrofyzikov. Chemici sú schopní povedať o procese prirodzenej syntézy prvých najjednoduchších biogénnych molekúl.
Stojí za to povedať, že hypotézy o prvých krokoch molekúl života na Zemi sa objavujú pravidelne. Nejaké obavy samoorganizačné procesy, iní využívajú dosť kontroverzné prirodzený dôkaz atď. Medzitým je hlavnou zbraňou vedca od čias Galilea experiment.
Experiment na obnovenie pozemských podmienok, ktoré viedli k syntéze prvých organických molekúl, ktoré sa nakoniec stali stavebnými kameňmi vesmíru, sa uskutočnil pred viac ako polstoročím. O niektorých jej výsledkoch sme sa mohli dozvedieť až dnes.
Publikácia v časopise Science popisuje údaje, ktoré pred viac ako 50 rokmi unikali vedcom.
Potom laureát Nobelovej ceny Harold Urey, ktorý dostal prestížnu cenu za objav ťažkej vody a následne sa nechal unášať problémami kozmochémie, inšpiroval jedného zo svojich zverencov Stanleyho Millera teóriou o prehistorickej abiotickej polievke, z ktorej pod vplyvom vonkajších faktorov boli získané prvé organické molekuly.
Mladý člen Chicagskej univerzity, Stanley Miller, vykonáva svoje slávne experimenty o syntéze biologických molekúl. 1953 rok. // Archívy Katedry chémie Kalifornskej univerzity v San Diegu
Podľa vtedajších predstáv bola zemská atmosféra veľmi odlišná od tej súčasnej. Obsahoval veľa metánu a čpavku, vodnú paru a bol takmer úplne bez kyslíka, čo uľahčovalo prístup ultrafialového žiarenia Slnka na povrch planéty. Navyše, vtedy sa vulkanická činnosť prejavila oveľa jasnejšie a búrky sprevádzané silnými elektrickými výbojmi neboli nezvyčajné. Takéto podmienky sú najvhodnejšie pre mnohé reakcie organickej syntézy, čo podnietilo vedcov zamyslieť sa nad biogénnou budúcnosťou takýchto reakcií.
Miller, ktorý vtedy pracoval na Chicagskej univerzite, vyvinul originálne chemické zariadenie, aby bolo možné znovu vytvoriť takéto reakcie v laboratóriu za podmienok blízkych tým, ktoré vládli na Zemi pred miliardami rokov. Skladá sa z veľkej reakčnej banky obsahujúcej pary metánu, amoniaku a vodíka, do ktorej sa zospodu vháňa horúca vodná para. Hore sú volfrámové elektródy, ktoré vytvárajú iskrový výboj. Miller dúfal, že týmto spôsobom simuláciou podmienok búrky v blízkosti aktívnej pobrežnej sopky získa biologické molekuly počas syntézy.
Po dokončení syntézy sa Millerovi podarilo nájsť v reakčnej banke päť aminokyselín - hlavných stavebných kameňov všetkých proteínov: kyselinu asparágovú, glycín, kyselinu alfa-aminomaslovú a dva optické izoméry alanínu.
O dva roky neskôr Miller zopakoval svoje experimenty v rekonfigurovateľných kozmických lodiach. Jeden z nich zahŕňal použitie prúdového čerpadla s tryskou vháňajúcou nasýtenú paru do reakčnej banky. Miller teda dúfal, že sa experimentálne podmienky čo najviac priblížia podmienkam erupcie podvodnej sopky v búrke. Tretí prístroj namiesto iskrového výboja produkoval žeravý. Vedec bol schopný preukázať prítomnosť niekoľkých ďalších aminokyselín v zmesi reakčných produktov a tiež preukázal prítomnosť niekoľkých ďalších karboxylových a hydroxykyselín.
V tých rokoch sa však Miller musel spoliehať na analytické vybavenie, ktoré je na dnešné pomery veľmi primitívne. So skupinou kolegov preto v roku 1972 zopakovali svoje experimenty s použitím podstatne pokročilejších zariadení. Je pravda, že potom Miller vykonal syntézu v zariadení vyvinutom na publikáciu v roku 1953 a veril, že zariadenia s dýzou a žeravým výbojom sa nelíšia najmä v produktivite.
Millerov prístroj. Vriaca voda (1) vytvára prúd pary, ktorý je zosilnený odsávacou dýzou (vložkou), preskakovanie iskry medzi dvoma elektródami (2) spúšťa sériu chemických premien, chladnička (3) ochladzuje prúd vodnej pary obsahujúcej reakciu produkty, ktoré sa usadzujú v pasci ( 4) .// Ned Shaw, Indiana University.
Stanley Miller zomrel 20. mája 2007. Pri triedení jeho denníkov a archívov našli príbuzní a kolegovia poznámky súvisiace s dielami z 50. rokov, ako aj niekoľko fliaš s podpismi.
Podpisy naznačovali, že obsah baniek nebol nič iné ako produkty syntézy v Millerovom prístroji, ktoré autor zachoval v neporušenom stave.
Zaujal ich Jeffrey Bada, absolvent Miller School of Chemistry, dnes už tiež starý muž, pracujúci v Inštitúte oceánológie na Kalifornskej univerzite v San Diegu.
Podľa Millerových nikdy predtým nepublikovaných poznámok poskytla fúzia v prístroji s dýzou o niečo vyššie výťažky produktu. Práve tieto ukážky zaujali Badu a jeho kolegov, autorov najnovšej publikácie, ktorí mali k dispozícii najmodernejšie inštrumentálne metódy.
Na opätovné preskúmanie zloženia produktov syntézy vedci rozpustili obsah baniek v dvakrát destilovanej deionizovanej vode a vykonali vysokoúčinnú kvapalinovú chromatografiu, ktorej výsledky boli analyzované na hmotnostnom spektrometri s detektorom, ktorý zaznamenáva čas letu ionizovaných častíc. Táto metóda analýzy umožňuje identifikovať zložky zmesi aj pri subpikomolárnych koncentráciách (menej ako 10 – 12 mol na liter).
Ukázalo sa, že potravinová zmes vôbec neobsahuje päť aminokyselín, ale dvadsaťdva! Plus päť amínových molekúl, ktoré Miller pred polstoročím jednoducho nedokázal identifikovať.
Po preštudovaní zvyšku baniek podobnou metódou boli vedci presvedčení, že v dôsledku týchto experimentov bol súbor produktov syntézy menej rôznorodý.
Dnes však geochemici tvrdia, že zemská atmosféra nikdy nebola taká, ako si mysleli pred 50 rokmi. Bola menej zásaditá a menej reduktívna, takže na Millerove experimenty sa nemožno spoliehať ako na experiment na preukázanie teórie abiotickej polievky. Autori publikácie sú si zároveň istí, že ak by vhodné podmienky neexistovali na celej Zemi, nepochybne by mali sprevádzať aspoň bodové sopečné erupcie, ktorých trvanie pred miliardami rokov umožnilo pripojiť sa k syntéze prvých organických molekúl a búrkam. Tieto molekuly by sa mohli zhromažďovať v lagúnach sopečných ostrovov, kde príliv a slnečné ultrafialové svetlo dokončili kondenzáciu aldehydov, ketónov a iných molekúl do dlhých polymérnych reťazcov.
Popularita teórie starovekej abiotickej polievky v súvislosti s prácou Millera jej umožnila dostať sa dokonca aj do školského kurzu prírodopisu, ale moderné dôkazy hovoria v prospech skutočnosti, že život pôvodne nevznikol na povrchu planéta. Premenlivé podmienky tu boli príliš extrémne aj na to, aby sa život napriek všetkému, ktorý vznikol na malých sopečných ostrovčekoch stability, rozšíril, rozvinul do moderných foriem.
Skutočná stabilita v tom čase existovala iba na dne oceánu, kde v zónach stredooceánskych chrbtov teplo zemského vnútra pomaly živilo základné chemické reakcie.
Stredooceánske chrbty boli objavené takmer súčasne s Millerovými experimentmi a ich podrobné štúdium je vo všeobecnosti úspechom posledných desiatich až dvadsiatich rokov, ktoré sprístupnili štúdium morského dna pomocou hlbokomorských dopravných prostriedkov s ľudskou posádkou. Takéto zariadenia sa objavili asi pred tridsiatimi rokmi – a teória abiotickej polievky možno vôbec nebola predložená.
Stále je potrebné opakovať Millerove experimenty v podmienkach viac pripomínajúcich moderné predstavy o dávnej minulosti Zeme. A je možné, že niektorí zo súčasných postgraduálnych študentov katedier chémie sú predurčení stať sa nie menej slávnymi ako Stanley Miller.
POZOR!!! TENTO MATERIÁL JE ZMENŠENÝ, DOPLNENÝ A ZAHRNUTÝ V KNIHE „Stvorenie alebo evolúcia? Aká stará je Zem?" PRE ČÍTANIE CHOĎTE NA STRÁNKU ->
V polovici minulého storočia sa vedec z Chicagskej univerzity Stanley Miller v laboratóriu pokúsil znovu vytvoriť vývar, ktorý podľa jeho názoru bol na Zemi pred zrodom života na nej. V banke zmiešal vodnú paru, čpavok, metán a cez toto médium previedol elektrinu. Výsledkom boli 3 typy aminokyselín z 20, ktoré sú základnými prvkami proteínu (proteínu) živého organizmu. Experimentálne sa teda údajne dokázala skutočnosť náhodného vzniku života. Tento experiment má však niekoľko významných nedostatkov, ktoré síce nepropagujú, no priaznivci evolúcie ich uznávajú: 1. amoniak by na Zemi nemohol byť v takom množstve, keďže tento plyn sa ničí vplyvom ultrafialových lúčov. zo slnka; 2. metán sa v starovekom sedimentárnom oxide hlinitom nenašiel; 3. Vedec okamžite podrobil aminokyseliny získané počas experimentu izolácii pred ďalším vystavením elektrickým výbojom, pretože vedel, že prúd opäť rozbije získané väzby. Ale v prírode búrky, ktoré vraj prispeli k tvorbe aminokyselín, neprestali, čo znamená, že by vždy okamžite zničili to, čo vytvorili; 4. získané aminokyseliny ani teoreticky nemohli vytvoriť žiadny život, keďže výsledkom experimentu boli získané aminokyseliny s ľavou a pravou špirálou. Ale proteín je tvorený zložitým reťazcom ľavostranných aminokyselín, ktoré sa ťažko spájajú, no ľahko sa rozbijú. Prítomnosť aspoň jednej aminokyseliny s pravostrannou špirálou ničí všetko skôr vytvorené; 5. S kyslíkom sa nepočítalo, hoci dnes vo veľkých hĺbkach geológovia nachádzajú zoxidované kamene, čo dokazuje neustálu prítomnosť kyslíka v zemskej atmosfére. Kyslík prítomný v tejto atmosfére by zničil prvky látky, ktorú vedec dostal. Primárna atmosféra v Millerovej skúsenosti bola teda fiktívna. Sám Miller po rokoch mlčania priznal, že prostredie, ktoré použil pri svojej skúsenosti, nebolo skutočné. Prečo Miller svojho času trval na tejto zmesi plynov? Odpoveď je jednoduchá: bez amoniaku je syntéza aminokyselín nemožná.
Rádiokarbónová metóda je nesprávna
Magnetické pole Zeme slabne
"Prepichnuté" vrstvy
Počiatočná erózia pôdy
Mesiac má menej ako 10 000 rokov
Rast populácie zodpovedá biblickému veku zeme
Mesiac blízko zeme
Ľadové krúžky neukazujú žiadne roky
Koralový útes rastie menej ako 5000 rokov
Dinosaury sú spoľahlivými svedkami
Všetci ľudia pochádzajú z jedného páru
Civilizácie a písmo staré menej ako 5000 rokov
Vrstvy Zeme nemajú svoje vlastné datovanie. Geologické vrstvy. Geochronologická mierka
Nedostatok vedeckých dôkazov. Kent Hovind
Kuramshin A.I.
("KhiZh", 2017, č. 7)
„Svätý grál“ chemikov a biológov je tajomstvom vzniku života na Zemi. Existuje o tom veľa hypotéz, no najharmonickejšia je hypotéza abiogenézy, podľa ktorej „látky života“ vznikli ako výsledok zložitej kaskády chemických reakcií relatívne jednoduchých látok v podmienkach mladej Zeme. Závažným argumentom v jeho prospech bol slávny Miller-Ureyho experiment, v ktorom boli aminokyseliny, ktoré tvoria proteíny, získané z predpokladaných zložiek atmosféry prebiotickej Zeme. O 65 rokov neskôr výskumníci z Českej republiky ukázali, že za podobných podmienok dusíkaté bázy RNA ("Proceedings of the National Academy of Sciences USA", 2017, 114, 17, 4306-4311, doi: 10.1073 / pnas.1700010114 ).
V roku 1952 chemici Stanley Miller a Harold Urey uskutočnili klasický experiment – modelovali procesy, ktoré by mohli nastať v atmosfére starovekej Zeme, aby otestovali možnosť abiogenézy. Zahriata plynná zmes vody, metánu, amoniaku, oxidu uhoľnatého a vodíka, izolovaná v sklenenej banke, bola vystavená elektrickým výbojom, ktoré občas dodávali čerstvé časti vodnej pary. V tomto režime sa reakcia uskutočňovala približne týždeň.
Miller a Urey pri analýze výsledného roztoku jednoznačne identifikovali v ňom aminokyseliny glycín, α-alanín a β-alanín a získali aj dôkazy o tvorbe ďalších aminokyselín, ktoré tvoria moderné proteíny. O niekoľko desaťročí neskôr, keď sa v nástrojoch analytickej chémie objavili výkonnejšie nástroje, 18 z 20 proteinogénnych aminokyselín sa našlo v rovnakom roztoku (našťastie celý ten čas bol uchovávaný v zapečatenej ampulke na Yuriho stole a po jeho smrti v jeho študentské). Zostávajúce dva - cysteín a metionín - nemohli fungovať jednoducho preto, že v počiatočných experimentoch Millera a Ureyho nebol žiadny zdroj síry.
Hoci sa tieto výsledky vždy považovali za silný argument v prospech koncepcie abiogenézy, objavili sa aj kritiky. Hlavné tvrdenia kritikov: pri simulácii atmosféry ranej Zeme výskumníci vzali zmes plynov s príliš výraznými redukčnými schopnosťami, navyše aminokyseliny pre vznik života
je potrebných málo, viac nukleotidov.
Odvtedy sa uskutočnilo mnoho experimentov, v ktorých bolo možné získať z relatívne jednoduchých molekúl tak dusíkaté bázy, ako aj nukleotidy (podrobnejšie viď. ). Pracovníci Ústavu fyzikálnej chémie Akadémie vied Českej republiky pod vedením Svyatopluka Tsivisha sa rozhodli reprodukovať starý dobrý experiment a mierne zmenili jeho podmienky. Veľa v novej verzii zostalo rovnaké - zmes redukčných plynov z NH 3, CO a H2 O, elektrické impulzy. Vedci však pridali ožarovanie systému výkonným laserom – podľa ich názoru to malo simulovať plazmové výboje v zemskej atmosfére, ku ktorým dochádzalo v dôsledku rázových vĺn spôsobených pravidelným pádom veľkých meteoritov na Zem. Vďaka tomu sa im podarilo získať nielen aminokyseliny, ale aj všetky dusíkaté zásady ribonukleových kyselín.
Autori opísali reakcie prebiehajúce v experimente nasledovne. Keď je plynná zmes amoniaku, oxidu uhoľnatého a vody vystavená elektrickým výbojom a ultrafialovému žiareniu, vzniká formamid HC (O) NH 2
a kyanovodík HCN, ktoré potom reagujú za vzniku dusíkatej bázy guanínu. Ostatné kanonické dusíkaté bázy – uracil, cytozín a adenín – sa tvorili v skromnejších množstvách ako guanín, no ich prítomnosť je tiež potvrdená. Reakčné produkty tiež obsahovali močovinu a aminokyseliny.
Vedci zdôrazňujú, že svojim experimentom sa nesnažili vyvrátiť alternatívne hypotézy abiogenézy, ale ukázať, že zložky RNA sa dajú vytvárať rôznymi spôsobmi.
"Biochemický vývoj Oparinu" - 2) Tvorba biopolymérov, lipidov, uhľovodíkov v primárnych zásobárňach Zeme z nahromadených organických zlúčenín. Podstata hypotézy bola nasledovná... Vznik života na Zemi je dlhý evolučný proces vzniku živej hmoty v hlbinách neživého. 1) Syntéza východiskových organických zlúčenín z anorganických látok v podmienkach primárnej atmosféry primitívnej Zeme. Oparinova teória. 1894-1980.
"Oparinova hypotéza" - Biografia. Hypotéza spontánneho vzniku života. Biochemická evolučná hypotéza. Hypotéza A.I.Oparina o pôvode života na Zemi. Zrazeniny nazývané koacervátové kvapky. Životopis A.I. Oparina. anglický biológ. Alexander Ivanovič Oparin. koncepcia. Živá bunka. Teória vzniku života na Zemi. Inštalácia Stanleyho Millera. Tvorba zemskej atmosféry. Etapy vzniku života na Zemi.
"Teórie biogenézy a abiogenézy" - Neprítomnosť živých organizmov. Teória spontánnej generácie. Rozkvet klasickej doktríny spontánnej generácie. Teória spontánnej generácie. Červy. Etapy vzniku života na Zemi. Aminokyseliny. Teória biochemickej evolúcie. Zástancovia teórie panspermie. Kreacionizmus. Teórie biogenézy a abiogenézy o pôvode živej hmoty. Democritus. Anglický biochemik a genetik John Haldane. Opíšte biochemické štádium chemickej evolúcie.
"Chemický vývoj" - Hypotéza panspermie. Mimozemský pôvod mikroorganizmov. Hypotéza spontánnej generácie. Geochronológia. Je známych asi 8 miliónov chemických zlúčenín. Geologická história Zeme je neoddeliteľná od jej biologického vývoja. Chemická evolúcia a biogenéza. Geochronologická mierka. Protohviezda je Slnko. Slnko zvnútra zahrievalo. Rádioaktivita. Ruský chemik A.P. Rudenko. S nárastom sériového čísla sa prevalencia prvkov znižuje.
"Teória biochemickej evolúcie" - Život bol vytvorený nadprirodzenou bytosťou. Tvorba membránovej štruktúry. Biochemická evolučná hypotéza. Hypotéza, ktorá považuje život za výsledok dlhého vývoja. Tretia etapa bola charakterizovaná vylučovaním. Koncentrácia látok v koacervátových kvapkách. Molekuly mnohých látok. Jednoduché molekuly. Prvé primitívne živé organizmy. Dlhé vláknité molekuly. Primárny vývar. Jednou z hlavných čŕt živých vecí je schopnosť replikácie.
"Hypotéza biochemickej evolúcie" - Proces, ktorý viedol k vzniku života na Zemi. Pôvod života na Zemi. Primárny vývar. Miller, Stanley Lloyd. Oparin-Haldanova teória. Experiment Miller - Yuri. Rôzne aspekty. Podmienky pre vznik života. Hypotéza A.I. Oparina. Koacervátové kvapky.
