Эксперимент Миллера-Юри (1953 г.)

 

Схема эксперимента. Источник: википедия.

Что демонстрирует эксперимент М.-Ю., проведённый в 1953 г.: 

• появление некоторых аминокислот (глицин, α-аланин, β-аланин, аспартовая кислота и α-аминомасляная кислота), некоторых сахаров, липидов и соединений, считающихся предшественниками нуклеиновых кислот; образование указанных соединений имело место при определенных условиях (температура, давление, концентрации реагентов, разряды электричества) в присутствии метана, аммиака, водорода, угарного газа и воды.

Проблемы:

• Низкий выход реакции (глицин лишь 1.05%, остальные меньше).
• Продукты реакции представляют собой рацемическую смесь, в которой присуствуют как левосторонние, так и правосторонние молекулы. Жизнь же характеризуется гомохиральностью аминокислот, исключая глицин (рацемические смеси не просто проблема, это шоу-стоппер). Выделение лево- или правосторонних молекул из рацемической смеси в приемлемых для условий пребиотической Земли количествах — тяжелая проблема, требующая наличия управляемого синтеза.
• Предположение об отсутствии кислорода в атмосфере пребиотической Земли, а кислород — киллер всего этого хозяйства.
• Предположение о чрезвычайно высокой (10%) концентрации органики в первобытном океане, тогда как в современных условиях живые организмы не производят и малой доли того, что требовалось в качестве стартовой позиции в эксперименте М.-Ю.
• Жизнь, как мы её знаем сегодня, требует наличия 20 протеиногенных аминокислот, тогда как получено было всего 5. Разумеется, можно возразить, что первобытная жизнь была проще, чем сейчас, однако это только спекуляции. Проще не получается, хоть ты тресни. Не получается нащупать химическую эволюцию. Не было "простого" начала с последующим усложнением. Было сложно сразу. Слово "сложно" относится даже не к химии в первую очередь, а к необходимости воспроизведения по представлению в памяти, что включает организацию семантически замкнутого трансляционного комплекса, о чём мы скажем ниже.
• При условиях, при которых в эксперименте наблюдался синтез аминокислот, кирпичиков для создания белка, этот самый белок разрушается. Белки обычно остаются биологически активными в достаточно узком диапазоне температур (30-50℃). Исключение составляют белки так наз. экстремофилов — организмов, живущих в экстремальных условиях (термофилы: 45-60℃, гипертермофилы: 80-122℃). Одним из механизмов обеспечения термофильности являются особенности строения клеточной мембраны. То есть и здесь без ухищрений (целеполагания) никак не получается: необходимо предусматривать множество факторов до начала синтеза.
• Необходимость "ручной" тонкой очистки и управления кросс-реакциями (своевременное удаление вредных для получения желаемого результата промежуточных реагентов).
• Получение аминокислот происходило при условии отсутствия сахара, одного из важнейших типов химических соединений, входящих в состав живых организмов. Причина отсутствия сахаров в среде — возможность вступления сахаров в реакцию с получаемыми аминокислотами и, как следствие, разрушение последних.
• Некоторые (промежуточные) продукты реакции являются токсичными, то есть несовместимыми с предполагаемым абиогенетическим синтезом.
• Необходимость управления притоком энергии в виде ультрафиолетовых лучей вследствие разрушительного действия ультрафиолета на аминокислоты (интенсивность разрушения в 4-5 раз превосходит интенсивность синтеза). Даже механическое движение может приводить к денатурации белков, что уж говорить о воздействии излучения!
• Использование в эксперименте ловушек для своевременного удаления продуктов реакции с целью исключения их распада. В условиях пребиотической Земли это недостижимо.

Вполне можно понять первоначальный энтузиазм исследователей: ещё бы, вот они, казалось бы, кирпичики жизни, вот она, искомая химическая эволюция! Как представлялось, остаётся лишь соединить эти кирпичики в нужном порядке, синтезировать из них чуть более сложные соединения и задача решена. Но не тут-то было. О химической эволюции сейчас уже почти никто не говорит, это словосочетание заменили на "абиогенез". Проблемы, которые в начале казались вполне преодолимыми, выросли за несколько десятилетий исследований до таких размеров, что невозможность неуправляемого извне синтеза становится всё более очевидной: необходимы повышение выхода реакций, промышленная очистка (удаление) смесей на промежуточных стадиях, а также управление параметрами синтеза, в том числе борьба с разрушительным влиянием кислорода и времени.

Отдельно нужно упомянуть проблему сборки аминокислот в белки: для формирования полипептидов сборка должна происходить с использованием лишь пептидных связей, то есть лишь в определённых конфигурациях, составляющих малую часть из того, что может сформироваться. В организмах сегодня эта задача решается с использованием ферментов. К тому же, должно быть преодолено стремление к конфигурациям с минимумом потенциальной энергии, что выражается не в синтезе, а в разложении пептидных связей в присутствии воды.

Далее, сборка нуклеиновых кислот, организующих нуклеотиды в информационно-несущие последовательности, не является результатом химической избирательности или какой-либо иной реализации принципа минимума потенциальной энергии. Полимеризация нуклеотидов в водяном растворе характеризуется отсутствием химической избирательности: каждый из нуклеотидов может быть полимеризован любым другим. Напротив, при сборке молекул нуклеиновых кислот именно информация, а не химия играет определяющую роль. Информация, носителями которой являются биополимеры, — внешний для них организующий фактор, несводимый к химии. Химия лишь позволяет организовывать информационно-несущие молекулы, содержимое которых, хотя и реализовано, разумеется, химически, произвольно относительно законов химии. Точно так же, как и содержимое текста, который вы читаете, характеризуется определённой конфигурацией пикселей экрана, что, естественно, не противоречит законам электромагнетизма, но является произвольным по отношению к ним и не определяется ими.

И, конечно, самая гигантская проблема — воспроизведение протобиологических структур по описанию в памяти, то есть проблема генезиса смыслового ядра: {код - референт - интерпретант} и установления особых граничных условий, заключающихся в смысловой замкнутости трансляционного комплекса: представление в памяти помимо самой воспроизводимой системы также её воспроизводителя.

В общем и целом, несмотря на кажущуюся простоту получения аминокислот, эксперимент М.-Ю. скорее продемонстрировал невозможность спонтанного образования жизни, чем напротив. Современный органический синтез очень далёк от предполагаемых пребиотических условий. В самом деле, почему в современной промышленности используются аминокислоты, извлечённые из живых организмов, а не синтезированные напрямую по типу эксперимента М.-Ю.?

Источники

• Обсуждение эксперимента М.-Ю.
• Википедия
• О трудностях абиогенеза на современном этапе можно посмотреть в 13 видео-лекциях проф. химии Дж. Тура: 

 

• Ещё обсуждение эксперимента М.-Ю.