Стэнли Миллер: Эксперименты по происхождению жизни

Введение

Американский ученый (1930–2007)
американский химик

Стэнли Ллойд Миллер (7 марта 1930 года – 20 мая 2007 года) – американский химик, который провел важные эксперименты, касающиеся происхождения жизни, продемонстрировав, что широкий спектр важнейших органических соединений может быть синтезирован относительно простыми химическими процессами из неорганических веществ. В 1952 году он осуществил эксперимент Миллера – Юри, который показал, что сложные органические молекулы могут быть синтезированы из неорганических предшественников. Эксперимент получил широкое освещение и предоставил доказательства в поддержку идеи о том, что химическая эволюция на ранней Земле привела к естественному синтезу органических соединений из неживых неорганических молекул.

Жизнь и карьера

Стэнли Миллер родился в Окленде, Калифорния. Он был вторым ребенком (после брата Дональда) Натана и Эдит Миллер, потомков еврейских иммигрантов из Белоруссии и Латвии. Его отец был адвокатом и занимал должность заместителя окружного прокурора Окленда в 1927 году. Его мать работала школьной учительницей, поэтому образование было естественной средой в семье. В Оклендской средней школе его прозвали "химическим гением". Он последовал за своим братом в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы изучать химию, главным образом потому, что верил, что Дональд сможет ему помочь в этом предмете. Он получил степень бакалавра наук (BSC) в июне 1951 года. Затем у него возникли финансовые трудности, так как его отец умер в 1946 году, оставив семью в стесненных обстоятельствах. С помощью преподавателей Беркли (в то время в Калифорнийском университете в Беркли не было ассистентур) ему предложили должность ассистента преподавателя в Чикагском университете в феврале 1951 года, что могло обеспечить базовое финансирование для обучения в аспирантуре. Миллер поступил в докторантуру Чикагского университета в сентябре 1951 года. Он лихорадочно искал тему для диссертации, встречаясь с разными профессорами, и отдавал предпочтение теоретическим проблемам, поскольку эксперименты, как правило, были трудоемкими. Первоначально его убедили работать с теоретическим физиком Эдвардом Теллером над синтезом элементов. В соответствии с принятой в университете практикой, обязывающей аспирантов посещать семинары, он посетил химический семинар, на котором нобелевский лауреат Гарольд Юри прочитал лекцию о происхождении Солнечной системы и о том, как возможен органический синтез в восстановительной среде, подобной атмосфере первобытной Земли. Миллер был глубоко вдохновлен. После года бесплодной работы с Теллером и перспективы отъезда Теллера из Чикаго для работы над водородной бомбой, в сентябре 1952 года Юри предложил Миллеру новый исследовательский проект. Юри не сразу проявил энтузиазма по поводу интереса Миллера к пребиотическому синтезу, поскольку успешных работ в этой области не было, и он даже предложил заняться изучением таллия в метеоритах. Однако, проявив настойчивость, Миллер убедил Юри провести эксперимент с электрическими разрядами в газах. Эксперименты показали наличие аминокислот в реакционном сосуде. Он всегда боялся, что источником обнаруженных в реакционной трубке аминокислот могут быть крошечные частицы экскрементов мухи (или его за это высмеивали однокурсники). Однако это не подтвердилось, и результат продемонстрировал, что многие "органические" химические соединения могут быть получены исключительно неорганическими процессами. В конечном итоге Миллер получил докторскую степень в 1954 году и завоевал прочную репутацию. Спектроскопические наблюдения звезд теперь хорошо известны тем, что сложные органические соединения образуются в газах, выбрасываемых углеродосодержащими звездами в результате химических реакций. Фундаментальный вопрос о связи между "пребиотическими органическими" соединениями и происхождением жизни остается открытым. После получения докторской степени Миллер перешел в Калифорнийский технологический институт в качестве стипендиата Ф. Б. Джуэтта в 1954 и 1955 годах. Там он работал над механизмом синтеза аминокислот и гидроксикарбоновых кислот. Затем он присоединился к кафедре биохимии в Колледже врачей и хирургов Колумбийского университета в Нью-Йорке, где проработал следующие пять лет. Когда был основан новый Калифорнийский университет в Сан-Диего, он стал первым ассистент-профессором кафедры химии в 1960 году, доцентом в 1962 году и полным профессором в 1968 году. Он также является соавтором книги "Происхождение жизни на Земле".

Stanley Miller was born in Oakland, California. He was the second child (after a brother, Donald) of Nathan and Edith Miller, descendants of Jewish immigrants from Belarus and Latvia. His father was an attorney and had the office of the Oakland Deputy District Attorney in 1927. His mother was a school teacher so that education was a natural environment in the family. In fact, while in Oakland High School he was nicknamed "a chem whiz". He followed his brother to the University of California at Berkeley to study chemistry mainly because he felt that Donald would be able to help him with the topic. He completed his BSC in June 1951. He then had financial problems, as his father died in 1946 leaving the family with a money shortage. With the help from Berkeley faculty (UC Berkeley did not then have assistantships), he was offered a teaching assistantship at the University of Chicago in February 1951, which could provide the basic funds for graduate work. Miller enrolled in the University of Chicago PhD program in September 1951. He searched frantically for a thesis topic, meeting various professors, and he preferred theoretical problems as experiments tended to be laborious. He was initially convinced to work with the theoretical physicist Edward Teller on synthesis of elements. Conforming to the custom of the university, such that a graduate student is obliged to attend seminars, he attended a chemistry seminar in which the Nobel laureate Harold Urey gave a lecture on the origin of solar system and how organic synthesis could be possible in a reducing environment such as the primitive Earth's atmosphere. Miller was immensely inspired. After a year of fruitless work with Teller, and the prospect of Teller leaving Chicago to work on the hydrogen bomb, Miller was approached by Urey in September 1952 for a fresh research project. Urey was not immediately enthusiastic on Miller's interest in pre biotic synthesis, as no successful work had been done, and he even suggested working on thallium in meteorites. With persistence Miller persuaded Urey to experiment with electric discharges in gases. The experiments found evidence for the production of amino acids in the reaction vessel. He was always afraid that some specks of fly excrement might be the source of the amino acids he discovered in the reaction tube (or was so chided by his classmates). This was not the case and the result was a demonstration that many "organic" chemical compounds could be produced by purely inorganic processes. Miller eventually earned his doctorate degree in 1954, and a long lasting reputation. From spectroscopic observations of stars, it is now well known that complex organic compounds are formed in the gases blown off of carbon rich stars as a result of chemical reactions. The fundamental issue of what is the association between "pre biotic organic" compounds and the origin of life has remained. After completing a doctorate, Miller transferred to the California Institute of Technology as a F. B. Jewett Fellow in 1954 and 1955. Here he worked on the mechanism involved in the synthesis of amino and hydroxycarboxylic acids. He then joined the Department of Biochemistry at the College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, where he worked for the next five years. When the new University of California at San Diego was established, he became the first assistant professor of the Department of Chemistry in 1960, and an associate professor in 1962, and then a full Professor in 1968. He also co authored the book "The Origin of Life on Earth."

Эксперимент Миллера

Эксперимент Миллера был описан в его технической статье, опубликованной в журнале Science 15 мая 1953 года, и превратил представления о происхождении жизни из области теоретических идей в полноценное эмпирическое исследование. Его работа стала классическим учебным определением научной основы возникновения жизни, а точнее – первым убедительным экспериментальным подтверждением теории "первичного бульона" Опарина и Холдейна. Юри и Миллер спроектировали установку для моделирования условий океанской атмосферы первобытной Земли, используя непрерывный поток водяного пара, направленный в смесь метана (CH4), аммиака (NH3) и водорода (H2). Газовая смесь подвергалась воздействию электрических разрядов, что инициировало химические реакции. После недели эксперимента Миллер обнаружил образование аминокислот, таких как глицин, α- и β-аланин, с помощью бумажной хроматографии. Он также выявил аспарагиновую кислоту и γ-аминомасляную кислоту, однако был не уверен в достоверности этих результатов. Поскольку аминокислоты являются основными структурными и функциональными компонентами клеточной жизни, эксперимент продемонстрировал возможность естественного органического синтеза, необходимого для возникновения жизни на Земле.

Проблема публикации

Миллер показал свои результаты Юри, который предложил немедленно опубликовать их. Юри отказался быть соавтором, опасаясь, что Миллер получит мало или вовсе не получит признания. Рукопись, автором которой был только Миллер, была представлена в журнал Science 10 февраля 1953 года. После нескольких недель ожидания Юри поинтересовался ходом рассмотрения рукописи и 27 февраля написал председателю редакционной коллегии, выражая недовольство отсутствием каких-либо действий. Прошел месяц, но решения так и не было принято. 10 марта разгневанный Юри потребовал вернуть рукопись и 13 марта сам представил ее в Журнал Американского химического общества. К этому времени редактор журнала Science, очевидно, возмущенный намеками Юри, напрямую написал Миллеру о том, что рукопись будет опубликована. Тогда Миллер отозвал рукопись из Журнала Американского химического общества.

Последующие действия

Миллер продолжал свои исследования до своей смерти в 2007 году. По мере накопления знаний о ранней атмосфере Земли и совершенствования методов химического анализа, он продолжал уточнять детали и методики. Ему удалось не только синтезировать всё большее разнообразие аминокислот, но и получить широкий спектр неорганических и органических соединений, необходимых для построения клеток и метаболизма. Подтверждением этому послужили результаты, полученные рядом независимых исследователей, которые также подтвердили широкий спектр химических синтезов. Недавние открытия показали, что, вопреки первоначальной экспериментальной гипотезе Миллера о сильно восстановительной среде, первичная атмосфера могла быть нейтральной, содержащей другие газы в различных пропорциях. Даже в этих условиях, последние работы Миллера, опубликованные посмертно в 2008 году, успешно синтезировали ряд органических соединений.

Переоценка

В 1972 году Миллер и его коллеги повторили эксперимент 1953 года, но с использованием недавно разработанных автоматических химических анализаторов, таких как ионно-обменная хроматография и газово-масс-спектрометрия. Они синтезировали 33 аминокислоты, включая 10, которые, как известно, встречаются в организмах. Среди них были все основные альфа-аминокислоты, обнаруженные в метеорите Мёрчисона, упавшем на Австралию в 1969 году. Последующий эксперимент с электрическим разрядом позволил получить большее разнообразие аминокислот, чем содержалось в метеорите. Незадолго до смерти Миллера среди материалов его лаборатории в университете было обнаружено несколько ящиков с флаконами сухих остатков. Записка указывала, что некоторые из них получены в ходе его оригинальных экспериментов 1952–1954 годов с использованием трех различных аппаратов, а один – в 1958 году, когда впервые сероводород (H2S) был включен в газовую смесь, результат, который так и не был опубликован. В 2008 году его студенты повторно проанализировали образцы 1952 года, используя более чувствительные методы, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография и жидкостная хроматография с масс-спектрометрией по времени пролета. Результаты показали синтез 22 аминокислот и 5 аминов, что свидетельствует о том, что исходный эксперимент Миллера произвел гораздо больше соединений, чем было сообщено в 1953 году. Неопубликованные образцы 1958 года были проанализированы в 2011 году, в ходе чего было обнаружено 23 аминокислоты и 4 амина, включая 7 серосодержащих соединений.

Смерть

В ноябре 1999 года Миллер перенес серию инсультов, которые всё больше ограничивали его физическую активность. Он проживал в доме престарелых в Национальном городе, к югу от Сан-Диего, и скончался 20 мая 2007 года в расположенной поблизости больнице Paradise. Его пережили брат Дональд с семьей и его преданная спутница жизни Мария Моррис. Премия имени Стэнли Л. Миллера для ученых в возрасте до 37 лет была учреждена Международным обществом по изучению происхождения жизни в 2008 году.