В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода — дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера — Юри.
Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH3), метана (CH4) и водорода (H2), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.
Но самое удивительное — полученные результаты. После нескольких дней непрерывного цикла Миллер заметил, что первоначально прозрачная вода океанов постепенно стала окрашиваться в различные оттенки — от розового до коричневого. Вскоре колба, представляющая океан, покрылась черной смолой — его модель ранней Земли работала. Анализируя содержимое колбы, Миллер обнаружил густой бульон из органических соединений. Самое главное, что в коричневой слизи оказались аминокислоты. Аминокислоты — это кирпичики белковых молекул, фундаментальной основы нашей биохимии.
Эксперимент Миллера — Юри много раз повторяли с различными модификациями. Подобно поварам, экспериментирующим с классическим рецептом, ученые добавляли в первоначальную атмосферу новые ингредиенты: одни — сложные и разнообразные, другие — простые и незатейливые. Среди молекул, находящихся в итоговом смолоподобном веществе, всегда обнаруживались сложные сахара и нуклеотидные основания, присутствующие в нашей ДНК.
Чей рецепт был самым правильным, т. е. наиболее полно описывающим ранние условия существования Земли? Согласно последним представлениям, атмосфера древней Земли состояла из углекислого газа и молекулярного азота, а не аммиака и метана, как это было у Миллера — Юри. Повторение их эксперимента по современному рецепту дает меньше аминокислот, чем получалось раньше (главным образом потому, что такие молекулы, как CO и N2, гораздо труднее расщепить, чем CH4 и NH3). Второй момент, вызывающий жаркие споры, — присутствие в атмосфере Протоземли молекулярного водорода. В присутствии водорода многие реакции, ведущие к созданию сложных органических молекул, протекали бы совсем по-другому. Но поскольку водород — самый легкий из всех газов и легко утекает из планетной атмосферы в космос, специалисты до сих пор жарко спорят о его возможном наличии (при почти полном отсутствии каких-либо надежных данных на этот счет).
Со всех точек зрения состав газовой смеси в эксперименте Миллера — Юри не так важен, как экспериментальное подтверждение того факта, что условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад, могли привести к образованию относительно сложных органических молекул. Такие молекулы очень важны для жизни, но все же надо отметить, что сами по себе они не составляют живую материю. Эксперимент Миллера — Юри лишь показывал возможную последовательность шагов на пути к зарождению жизни. Но эксперимент не может с абсолютной точностью сказать, какие именно реакции происходили на Земле 4 млрд лет назад. В этом смысле эксперимент Миллера — Юри указывает на то, что догадки Опарина и Холдейна действительно имели под собой веские основания, но, как ни обидно, большего от него требовать нельзя. Мы можем удостовериться, что наши идеи вполне разумны, но не можем доказать, что на самом деле все так и было.
Однако стоит отметить: ничто не мешает нам допустить реализацию идей Миллера — Юри. Предположим, у нас есть планета, на которой существуют те же условия и ингредиенты, тогда мы можем ожидать того же результата, а именно среду, богатую сложными органическими молекулами, балансирующими на грани жизни.
Они пришли из открытого космоса
Удивитесь ли вы, если вам скажут, что в течение последних 13 млрд лет во Вселенной происходит эксперимент, подобный эксперименту Миллера — Юри, и что на рассыпанных в космосе частичках межзвездной пыли можно найти органические молекулы, подобные тем, что обнаружил в своей колбе Стэнли Миллер? Думаю, это и впрямь удивительно, поскольку доказывает, что химический набор, который использует природа, гораздо более разнообразен и гибок, чем можно себе представить.
Иногда самые неожиданные сюрпризы падают к нам прямо с неба и служат напоминанием о том, что Вселенная гораздо умнее нас. Одно из таких событий произошло в маленьком городке Мерчисон в Австралии. Большой метеорит упал рядом с городом в 1969 г., и в руки ученых попало около 100 кг его фрагментов. Мерчисонский метеорит относится к типу углистых хондритов и состоял из слабо сцепленных между собой частично оплавленных пород. Сюрпризом стало обнаружение в метеорите вкраплений сложных органических молекул, в том числе аминокислот и нуклеотидных оснований, радиометрический анализ которых показал, что встречающиеся в них изотопы, вероятно, имеют космическое, а не земное происхождение. Доля этих молекул в общем составе метеорита Мерчисон невысока: их относительное содержание измеряется в миллионных долях процента.
Воодушевленное подобными открытиями, НАСА в 2004 г. решилось сделать еще один решительный шаг в исследовании исходных материалов, из которых состоит Солнечная система. С этой целью был создан и запущен космический аппарат «Стардаст», который должен был пролететь через хвост кометы Вильда 2 и доставить собранные образцы кометного вещества на Землю. И снова среди частичек льда и пыли, попавших в ловушки аппарата, оказались органические молекулы — и снова это была аминокислота глицин. Мы по-прежнему точно не знаем, как образуются такие молекулы, хотя существует гипотеза, что химические реакции происходят на микроскопических гранулах космической пыли под воздействием ультрафиолетового излучения. Но так или иначе такие молекулы образуются и в Солнечной системе, и в облаках межзвездной пыли, которые мы наблюдаем в нашей галактике Млечный Путь.
Потоки метеоритов интенсивно бомбардировали Землю в ранний период ее истории — и отсюда возникает вопрос: так ли нам необходима гипотеза, что на ранней Земле происходило нечто подобное эксперименту Миллера — Юри, если Солнечная система исправно снабжала нас сложными органическими молекулами? Такие молекулы, вероятнее всего, появились на Земле двумя путями: были занесены метеоритами из космоса и произведены на месте в результате природного синтеза, как в опыте Миллера — Юри. Их относительный вклад в органическую диету Земли в значительной степени зависел от того, насколько эффективно шел здесь процесс Миллера — Юри: если в атмосфере присутствовали все необходимые ингредиенты, тогда вполне возможно, что на отдельных участках обилие сложных органических соединений в целом соответствовало бы тому, что мы видели в современных экспериментах. Важное дополнительное следствие воссозданной Миллером — Юри картины: достаточно высокая для осуществления дальнейших реакций концентрация сложных молекул. Эти реакции совершенно необходимы — без них невозможно перейти грань между живой и неживой материей. Наш эксперимент подвел нас к границе возникновения жизни, а дальше мы ступаем в неизведанную область.
