Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.
Майкл Маршалл. Великий квест. М.: Corpus, 2023. Перевод с английского М. Орлова. Содержание. Фрагмент
Миллер родился в Окленде, Калифорния, в 1930 году — за год до того, как Юри начал свои энергичные попытки получить тяжелый водород. Его отец был адвокатом, мать — бывшей школьной учительницей, а сам он стал неутомимым читателем и «химическим волшебником». Миллер был застенчив и предпочитал одиночество; особенно ему нравились летние лагеря бойскаутов, где можно было проводить больше времени за чтением. Через всю жизнь он пронес увлечение паровозами и однажды даже построил собственную машину на паровом ходу.
После окончания Калифорнийского университета в Беркли Миллер поступил в аспирантуру Чикагского университета — одного из немногих, где была предусмотрена оплачиваемая должность ассистента преподавателя (после смерти отца Миллер нуждался в деньгах). Здесь он услышал лекцию Юри и вскоре решил присоединиться к теоретическому проекту физика Эдварда Теллера, который ранее высказывался за создание более мощного ядерного оружия (водородной бомбы). Проект был посвящен исследованиям образования различных химических элементов в молодой Вселенной. Однако прошел год, успеха Миллер так и не добился, а Теллер между тем перебрался в Калифорнию. И тогда молодой ученый, решив изменить подход к проблеме, вспомнил о лекции Юри.
Миллер обратился к Юри в сентябре 1952 года с предложением попробовать синтезировать органические вещества из смеси газов с восстановительными свойствами. Поначалу Юри отнесся к этой инициативе настороженно. Он считал, что Миллеру скорее стоит проводить эксперимент с высоким шансом на успех, чем действовать наудачу. Видимо, сомнения обуревали и самого Миллера, поскольку человеком он был довольно неуклюжим, не слишком годящимся в практики и экспериментаторы. Потому-то он сперва и попробовал себя в теоретической физике. Однако юноша настоял на своем, и в какой-то момент Юри все же согласился дать ему шанс — при условии, что если спустя год не будет результатов, то проект придется свернуть.
Миллер сконструировал простой аппарат, который имитировал одновременно океан и атмосферу. Это были две колбы, соединенные двумя стеклянными трубками. В одной колбе находилась вода, которую можно было нагревать, — она изображала океан. Во второй были газообразные метан, аммиак и водород — это была «атмосфера». В нее же поместили электрод, генерирующий электрические разряды. Стеклодув выполнил этот заказ всего за неделю.
Запустив аппарат, Миллер начал понемногу нагревать воду и пропускать через нее электрические разряды. Два дня спустя вода приобрела бледно-желтую окраску, а в колбе-«атмосфере» осел смолистый налет. Стало очевидно, что произошли какие-то химические реакции. Горя желанием узнать, что же произошло, Миллер остановил эксперимент и проанализировал пожелтевшую воду методом бумажной хроматографии. Ученый с радостью заметил одно фиолетовое пятно, означавшее, что ему удалось получить глицин, самую простую из аминокислот. Это стало головокружительным успехом, ведь аминокислоты — один из самых главных классов биологических молекул. Они служат строительными блоками, из которых образованы более крупные молекулы — белки. Нам не известны живые существа, способные обходиться без белков.
Юри в тот момент был в отъезде и потому узнал хорошие новости, только когда вернулся. Миллер повторил эксперимент, на этот раз длившийся неделю и сопровождавшийся кипением воды, что должно было еще сильнее стимулировать химические реакции. Вода приобрела желтую, а затем коричневую окраску, в то время как колба-«атмосфера» оказалась покрыта маслянистой пленкой. На сей раз бумажная хроматография показала присутствие не одной, а сразу нескольких аминокислот.
После этого Юри решил, что пора уже обнародовать результаты эксперимента. Воспользовавшись привилегией нобелевского лауреата, он позвонил лично Говарду Мейергофу, редактору Science — одного из самых престижных в научном мире журналов, и получил от него обещание, что статья выйдет не позднее чем через полтора месяца. Тогда Миллер написал черновую версию и показал ее Юри. Последний же благородно настоял на том, чтобы Миллер значился единственным автором статьи, то есть отдал своему ученику все лавры. Миллер и Юри отправили статью в редакцию в декабре 1952 года, но спустя полтора месяца она не вышла. Разгневанный Юри заставил Миллера отозвать статью, чтобы отправить ее в другой журнал, но тут позвонил расстроенный Мейергоф: оказывается, один из рецензентов статьи не поверил ее результатам и, вместо того чтобы отправить свои замечания в редакцию, просто отложил работу в сторону. Мейергоф быстро все исправил, и статья вышла в свет 15 мая 1953 года, то есть спустя всего восемь месяцев с того момента, когда Миллер предложил этот эксперимент.
Пока длилась история с публикацией, Миллер успел доложить о своих результатах на семинаре химического факультета родного университета. Обычно такие семинары проводят приглашенные профессора, а вовсе не двадцатитрехлетние студенты. Поднявшись на кафедру для доклада, он оказался перед множеством знаменитых ученых, которые после выступления забросали его вопросами. Но Миллер держался уверенно и смог убедить многих из тех, кто прежде был настроен скептически. В какой-то момент один из таких слушателей (видимо, ядерный физик Энрико Ферми) спросил, действительно ли подобные химические реакции могли происходить на юной Земле. Тут вмешался Юри: «Если Бог не проделал это именно так, то он многое упустил».
Наверняка Миллер к тому времени уже осознал, что провел эпохальный эксперимент, который вдобавок пришелся по душе журналистам. «Если бы их аппарат был размером с океан и проработал миллион лет кряду, он смог бы произвести что-то вроде первых молекул жизни», — заявлял журнал Time. Газета The New York Times вышла с вызывающей передовицей «Жизнь и стеклянная Земля». Всего за одну ночь Миллер превратился из безвестного аспиранта в настоящую звезду. Ему предстояло бороться с этим обстоятельством всю свою жизнь, как и многим из тех, чье самое большое достижение пришлось на начало карьеры. Ни одному из последующих экспериментов Миллера так и не удалось сравниться с этим, самым первым. Позднее Миллер даже начал подозревать, что как химик он недостаточно хорош, и потому взял несколько уроков живописи у своего двоюродного брата. Однако тот при взгляде на творения кузена посоветовал ему поскорее вернуться в науку. Миллер стиснул зубы, защитил диссертацию и принялся, тем или иным образом видоизменяя свой эксперимент, получать все новые аминокислоты и менять соотношение газов для того, чтобы узнать, как это повлияет на результат.
Тем временем в науке о возникновении жизни наметился прорыв. В августе 1957 года [Александр] Опарин организовал в Москве первую международную конференцию, посвященную происхождению жизни. Миллер наряду со многими западными учеными решился принять в ней участие, несмотря на риск преследований со стороны властей США. К нему и вправду обратились представители ЦРУ, которых интересовало положение дел в советской науке. Видимо, их пугала перспектива упустить первенство в биологии, как это случилось с космической программой: в октябре того года Советский Союз первым запустил искусственный спутник Земли, «Спутник-1».
На самом деле этот бум исследований происхождения жизни можно объяснить только веянием времени. В те годы умами владели космическая гонка и холодная война. Почти все исследования происхождения жизни в США финансировало и проводило NASA, усиленно разыскивавшее внеземную жизнь. К тому же все подобные изыскания сопровождались чрезвычайно бравурной риторикой, в духе «мы вот-вот завоюем космос». В воздухе витали ощущение огромных возможностей и предвкушение открытия новых горизонтов.
В конечном счете из эксперимента Миллера выросла целая самобытная научная отрасль синтеза пребиотиков (то есть веществ преджизни). Самым выдающимся ее представителем стал, пожалуй, Хуан Оро-и-Флоренса.
Оро родился в 1923 году в местечке Льейда на севере Испании. Подобно Опарину, он вырос в эпицентре грядущего конфликта. За месяц до его рождения офицер армии по имени Мигель Примо де Ривера сместил парламент Испании и установил в стране собственную диктатуру. Демократия была восстановлена лишь спустя семь лет, но напряжение сохранялось, и в июле 1936 года в Испании началась Гражданская война. Она закончилась через три года, когда генерал Франсиско Франко стал новым испанским диктатором, правившим вплоть до своей смерти в 1975 году.
Оро увлекся вопросами происхождения жизни в подростковом возрасте, что в какой-то степени было вызвано его растущим скептицизмом в отношении религии. Именно поэтому он хотел изучать биохимию, которую, однако, в испанских университетах не преподавали. В конце концов в 1947 году он получил степень по химии, после чего вернулся в свой родной город и попытался найти работу по специальности. К сожалению, это ему не удалось, и он, потерпев неудачу в двух компаниях, пошел работать в отцовскую пекарню. В 1948 году он женился на Франческе Фортезе, и вскоре у них родился первый из четырех детей.
Желая заняться биохимией, Оро принял решение переехать в Соединенные Штаты. Он нашел себе место в Институте Райса (переименованном позже в Университет Уильяма Марша Райса) в Хьюстоне, штат Техас, и, покинув семью, отправился туда в августе 1952 года. Следующие три года он посвятил своей диссертации, не решаясь выезжать за пределы страны из опасения, что его не впустят обратно. Но в итоге ему удалось устроиться в Хьюстонский университет и его семья тоже перебралась в США.
Получив долгожданную возможность изучать пребиотическую химию, Оро в 1960 году совершил нечто удивительное. Он получил аденин, один из ключевых компонентов ДНК. Внезапно выяснилось, что на юной Земле мог существовать еще один класс биологических молекул. Оро использовал цианистый водород, молекула которого состоит из трех атомов: по одному атому водорода, углерода и азота. Он смешал это вещество с гидрохлоридом аммония и получил цианид аммония, который затем нагревал до 90°C в течение 24 часов. Далее Оро удалил примесь черной смолы и смешал оставшееся с соляной кислотой — той самой кислотой, что содержится в желудке. В итоге образовалось небольшое количество аденина. Следует отметить, что установка Оро сильно отличалась от той, которая служила Миллеру моделью моря и атмосферы. Работа на установке Оро проходила в несколько этапов, и для нее требовались более изощренные реагенты.
Два из использованных Оро веществ (формальдегид и цианистый водород) позднее будут использованы в сотнях других подобных синтезов. Оба соединения связаны со смертью: формальдегид веками применялся для бальзамирования трупов, а синильную кислоту в виде Циклона Б использовали нацисты для умерщвления людей в промышленных масштабах. Удивительно, что именно они сыграли решающую роль в поиске ответа на вопрос о зарождении жизни.
В конце 1960-х годов Оро заинтересовался другими планетами и начал изучать органические соединения, обнаруженные в метеоритах. Он предположил, что необходимые для зарождения жизни вещества присутствовали в породах, из которых исходно состояла Земля. После того как в Испании была восстановлена демократия, Оро вернулся в родную страну. Он умер от рака в 2004 году, появившись незадолго до смерти на испанском телевидении и в нескольких словах объяснив свое к ней спокойное отношение: «Мы всего лишь звездная пыль... Я счастлив вернуться обратно к звездам».
Примерно в то же время, когда Оро публиковал свои первые результаты, в игру включился Сирил Поннамперума. Он, как и Оро, родился в 1923 году, только не в Испании, а в городе Галле на принадлежавшем Британии острове Цейлон (сейчас это Шри-Ланка). Став для начала бакалавром философии, молодой человек увлекся химией — в частности потому, что понадеялся на более стабильный заработок. После переезда в 1962 году в Соединенные Штаты Поннамперума занялся в Исследовательском центре NASA, Калифорния, экзобиологией (наукой о гипотетической внеземной жизни). Как и Оро, он добился известности благодаря синтезу ключевых биологических молекул, а позже углубился еще и в проблему освоения космоса.
Его главное достижение относится к 1963 году — тогда Поннамперума получил аденозинтрифосфат (АТФ). По своей химической структуре это вещество похоже на аденин, синтезированный Оро. Молекула АТФ содержит в себе аденин, который соединен с сахаром-рибозой, а к ней уже прикреплена цепочка из трех остатков фосфорной кислоты. АТФ был открыт в 1929 году, но его огромное биологическое значение стало понятно лишь ближе к 1940-м. Эта молекула представляет собой химическую «батарейку»: получаемую из пищи энергию организм хранит в форме АТФ и использует по мере надобности.
Поннамперума был научным руководителем молодого ученого по имени Карл Саган, который позже прославился благодаря телесериалу «Космос». Но наш рассказ относится ко времени, когда Сагану не было еще и тридцати. Тогда он как раз разводился со своей первой женой, микробиологом Линн Маргулис. Причиной развода стало чрезмерное увлечение Сагана собственной карьерой, мешавшее ему воспитывать двоих детей. Из-за этой истории едва не пострадала карьера самой Маргулис, однако в итоге ей удалось войти в число виднейших биологов XX столетия.
Написав под руководством Юри бакалаврскую работу о возникновении жизни, Саган решил и дальше заниматься этой темой. Он предположил, что смесь аденина, сахаров и фосфатов могла образовать АТФ — если при этом не экономить на ультрафиолетовом излучении. Лаборантка Рут Маринер провела большую часть таких экспериментов и сумела получить некоторое количество АТФ. Это был большой успех, однако вскоре подоспела и критика: сомнения вызывало то, могла ли концентрация фосфатов быть настолько высокой на юной Земле.
Тем временем Миллер тоже продолжал свои исследования. К 1980-м он стал очень авторитетен и весьма охотно брался оценивать (особенно критиковать) любые предложенные ему новые идеи. Однако его карьера оборвалась в 1999 году, когда серия инсультов лишила его способности говорить. В итоге Миллер оказался в доме престарелых. Здесь его часто навещал Джеффри Бада, который в 1965–1968 годах написал под руководством Миллера диссертацию и позднее стал его сотрудником. Врач пытался заново научить Миллера выводить отдельные буквы, и пациент очень огорчался своим неудачам. Тогда Бада предложил Миллеру изобразить структуру метана, и последний, к изумлению присутствующих, уверенно и правильно написал «CH4». Во всяком случае, часть его обширных знаний после инсульта уцелела.
И хотя карьера Миллера подошла к концу, его эксперименты в скором времени внезапно получили новую жизнь. В 2007 году надо было освободить его прежнюю лабораторию, а Миллер хранил там многие образцы, включая и полученные им в ходе первых опытов. Ученый тогда уже стал глубоким инвалидом, потерявшим способность говорить и понимать обращенную к нему речь. Но однажды, незадолго до смерти, Миллера навестил Бада и показал ему одну из маленьких коробочек. В этот момент Миллер широко раскрыл глаза, словно что-то вспомнив.
Бада и его сотрудники провели повторный анализ с применением современных методик и установили, что Миллер на самом деле синтезировал больше различных аминокислот, чем предполагали, хотя и в совсем маленьких количествах. В одном из своих экспериментов, желая воспроизвести условия извержения вулкана в очень влажной среде, он немного изменил установку: одна из стеклянных трубок была тоньше, из-за чего через электрические разряды приходило больше пара. Такая модификация эксперимента позволила получить 22 разные аминокислоты, включая те, что не встречаются в современных белках. Исходно предполагалось, что извержения вулканов выполняли на древней Земле роль химических заводов, производящих органические молекулы.
Еще любопытнее то, что в 1958 году Миллер пробовал использовать цианамид. Это белая пудра, похожая на муку, которую определенно не стоит совать в рот. Цианамид — очередная простая молекула, состоящая всего из пяти атомов: углерода, двух азотов и двух водородов. Тем не менее такое неприметное химическое вещество, вероятно, позволило Миллеру получить важные биологические молекулы — белки. Дело в том, что цианамид вызывает дегидратацию, то есть отнимает воду у других химических веществ. К реакциям дегидратации относится и синтез нуклеиновых кислот, в частности ДНК или белков из аминокислот. Когда команда Бада исследовала образцы с цианамидом, она обнаружила добрую дюжину аминокислот, причем некоторые из них к тому же оказались соединены попарно.
Никто не знал, почему Миллер не опубликовал эти результаты, — ведь эта его идея оказалась пророческой. В целом потоке статей 1977 года Оро продемонстрировал, что именно цианамид позволяет синтезировать множество органических молекул, в том числе простые белки. Позднее мы увидим, что цианамид имеет куда большее значение, чем Миллер мог себе вообразить.
Хотя финал этой истории и радует, однако в первое десятилетие после основополагающего эксперимента Миллера все это, по-видимому, не было так уж важно. Шла своего рода «борьба за химию», хорошей иллюстрацией чему служит тот скептицизм, с которым встретили синтез АТФ Поннамперумой и Саганом. Тогда же возникли споры и о природе атмосферы юной Земли, и о том, можно ли всерьез относиться к поэтапному синтезу в пребиотических условиях.
Однако куда важнее оказались события 1950-х и 1960-х. Открытие структуры ДНК стало огромным прорывом в понимании того, как работают живые клетки. Выяснилось, что жизнь неизмеримо сложнее, чем Опарин, Холдейн и Миллер могли себе представить в 1953 году, и что получение некоторых аминокислот и других органических компонентов первичного бульона вовсе не равно объяснению зарождения жизни. То есть тогда был сделан лишь первый шаг на пути, который оказался неожиданно долгим.