米勒-尤里实验

米勒-尤里實驗（Miller-Urey experiment）是一項模擬假設性早期地球環境的實驗，研究目的是測試化學演化的發生情況。尤其是針對亞歷山大·歐帕林（Alexander Oparin）與J. B. S. 霍爾丹（J. B. S. Haldane）的學說進行檢驗，該學說認為早期地球環境使無機物合成有機化合物的反應較易發生。

米勒-尤里實驗是關於生命起源的經典實驗之一，由芝加哥大學的史丹利·米勒與哈羅德·尤里於1953年主導完成，其結果以《在可能的早期地球環境下之胺基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions）為題發表^[1]^[2]^[3]。然而米勒试验没有对蛋白质上氨基酸序列的形成过程和核酸分子上碱基对的形成过程做出进一步解释，其试验结果无法进一步得到推广和应用。米勒本人在之后也指出，生物的演进过程比此试验要复杂的多。

實驗方式與結果 [编辑]

實驗圖解。右下燒瓶模擬海洋環境，左上燒瓶則模擬閃電。

在實驗中，研究者將水（H₂O）、甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、氫氣（H₂）與一氧化碳（CO）密封於無菌狀態下的玻璃管於燒瓶內，並將其連結形成一個迴路。裝置中的一個燒瓶裝著半滿的液態水，另一個則含有一對電極。首先將液態水加熱促使其蒸發，進而產生水蒸氣；而另一燒瓶的電極通電後會產生火花，以模擬閃電。水蒸氣經過電極之後，又再度凝結並重回原先裝水的燒瓶中，使實驗得以循環進行。

於實驗開始一週後的觀察中發現，約有10%到15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬於胺基酸，以甘胺酸最多。而糖類、脂質與一些其他可構成核酸的原料也在實驗中形成；核酸本身，如DNA或RNA則未出現。在實驗中產生的各種化合物皆同時有左式與右式之鏡像異構物。（聲明：一般報導將「左式 L-form」「右式 D-form」誤植為「左旋」「右旋」，事實上幾乎所有生物化學的教材均說明生物胺基酸為「左式 L-form」，但卻大多為「右旋光性」）

除了上述实验之外，米勒还进行了其他相关的实验，但这些实验都没有发表，产物也没有进行分析。2008年，11名科学家重新分析了米勒-尤里实验留下的实验瓶样品，借助于高效液相色谱和质谱技术，他们发现该实验产生的有机化合物比原先报道的要多。^[4]有机物数量最多的是一个模拟火山爆发情景的实验：水蒸气推动着其他气体进入一个经过改造的烧瓶中，加入抽气装置，使气体流动的速度加快。在电火花的作用下，水分子在这种情况下可以均裂生成羟基自由基，再加之其他分子参与的反应，该实验一共得到了22种氨基酸，5种胺，以及很多羟基化的化合物。^[5]氧硫化碳可以帮助这些氨基酸缩合形成多肽。这些进一步的研究为化学演化的假说提供了证据，使生命起源的问题再次回归焦点。^[6]然而多肽并不意味着有确定的表达意义。只有确定胺基酸序列的蛋白质才具有生物功能，也是当前鉴定蛋白质的最主要方法。先进生物的蛋白质是经过RNA通过核糖体表达的，所以这个试验必须进一步证明，在试验条件下，核酸和脱氧核糖核酸产生具有完整意义的序列的产生过程。

實驗反應式 [编辑]

實驗中首先形成醛（R-CHO）與氰化氫（HCN），而兩者可作為接下來化學反應的原料，經由下列等通式生成其他化合物：

式一:	R-CHO + HCN + H₂O	→	H₂N-CHR-COOH
	醛		胺基酸

式二:	R-CHO + HCN + 2 H₂O	→	HO-CHR-COOH + NH₃
	醛		胺基酸

含碳產物列表 [编辑]

由初始的59000微莫耳（μmol）的甲烷（CH₄）所形成的含碳產物^[7]：

產物	化學式	化合物莫耳數 (μmol)	每一分子的碳原子數	碳原子莫耳數 (μmol)
甲酸	$H-COOH$	2330	1	2330
甘胺酸*	$H_2N-CH_2-COOH$	630	2	1260
甘醇酸	$HO-CH_2-COOH$	560	2	1120
丙胺酸*	$H_3C-CH(NH_2)-COOH$	340	3	1020
乳酸	$H_3C-CH(OH)-COOH$	310	3	930
β-丙胺酸	$H_2N-CH_2-CH_2-COOH$	150	3	450
乙酸	$H_3C-COOH$	150	2	300
丙酸	$H_3C-CH_2-COOH$	130	3	390
亞氨基二乙酸	$HOOC-CH_2-NH-CH_2-COOH$	55	4	220
肌氨酸	$H_3C-NH-CH_2-COOH$	50	3	150
α-氨基-n-酪酸	$H_3C-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	50	4	200
α-羥基-n-酪酸	$H_3C-CH_2-CH(OH)-COOH$	50	4	200
琥珀酸	$HOOC-CH_2-CH_2-COOH$	40	4	160
尿素	$H_2N-CO-NH_2$	20	1	20
N-甲基尿酸	$H_2N-CO-NH-CH_3$	15	2	30
3-氮雜己二酸	$HOOC-CH_2-NH-CH_2-CH_2-COOH$	15	5	75
N-甲基丙胺酸	$H_3C-CH(NH-CH_3)-COOH$	10	4	40
穀胺酸*	$HOOC-CH_2-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	6	5	30
天冬胺酸*	$HOOC-CH_2-CH(NH_2)-COOH$	4	4	16
α-氨基異酪酸	$H_3C-C(CH_3)(NH_2)-COOH$	1	4	4
	總計	4916		8944

（*合成蛋白質的胺基酸)

后续发展 [编辑]

米勒教授在作了他的实验四十多年后告诉《科学美国人》杂誌说：“生命起源的奥秘，原来比我和其他大部分人所估计的更难解开。”其他科学家的想法也有同样的转变。例如早在1969年，生物学教授迪安·凯尼恩跟别人合著了《生化学预定论》^[8]。但较近期的时候，他指出：“物质可以自行跟能量组织成生物系统，这件事根本是难以置信的。”

凯尼恩认为：“目前所有用化学解释生命起源的理论，都犯了根本上的错误。”实验证明他的看法是对的。米勒和其他科学家合成了氨基酸后，科学家着手制造蛋白质和DNA；这两种物质都是地上生物维持生命所必需的。科学家在生命起源以前的环境里进行了数千次试验。《生命起源的奥秘：再评目前各家理论》^[9]指出：“我们在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白质和DNA却始终失败；两者形成了强烈的对照。”科学家在合成蛋白质和DNA方面所作的努力，可以用“总是失败”来形容。

要解开的谜并非仅限于第一个蛋白质分子和第一个核酸分子（DNA或RNA）怎样产生，同时也包括它们怎样共同发挥作用。《新大英百科全书》^[10]说：“惟独这两种分子共同发挥作用，生物才可能在地上生存。”可是这套百科全书指出，这两种分子怎么会彼此紧密合作，“在生命起源方面”仍然“是个关键性的哑谜”。

对米勒试验的质疑 [编辑]

很多人使用斯坦利·米勒在1953年进行的实验作为证据，证明生命在最初可能是自然发生的。可是，他的解释能否成立，却基于一个假设，就是地球的原始大气是“还原性”，而非“氧化性”的。那就是说，当时的大气仅含有极微量的自由（未经化学结合的）氧氣。这一点是一个十分重要的前提。

《生命起源的奥秘：再评目前各家理论》^[11]一书指出，如果当时有许多自由氧存在，“氨基酸就不可能形成；即使有些氨基酸碰巧产生了，它们也会迅速分解”。^[12]米勒完成了他的实验后，过了两年，发表了一篇经典的论文，其中指出：“当然，这些见解只是推测，因为我们根本不知道地球当初形成时，大气是否处于还原状态。……目前还没有直接的证据证实这一点。”^[13]

大约二十五年后，科学作家罗伯特·考恩说：“科学家不得不重新评估他们的若干假设。……他们没有找着什么证据去支持他们的主张，证明最初的大气是充满氢而高度还原的，有些证据更显示情形刚刚相反。”^[14]

1991年，约翰·霍根在《科学美国人》（Scientific American）发表的文章指出：“过去十多年来，有越来越多人质疑尤里和米勒就大气所作的假设。根据科学实验及用电脑重现的大气……显示，当时来自太阳的紫外线辐射（现在受大气中的臭氧层所阻隔）可以破坏大气里含氢的分子。……这样的大气［二氧化碳和氮］对于形成氨基酸和别的生命要素十分不利。”

既然这样，为什么还有许多科学家坚称地球早期的大气是还原的，只含有极少的氧呢？西德尼·福克斯和克劳斯·多斯在《分子进化与生命起源》^[15]中回答说：当时的大气必然缺乏氧，原因之一是，“实验室的实验显示，进化的化学阶段……会受到氧所抑制”；此外，“在有氧的地质时期”，像氨基酸一样的化合物是“不稳定”的。

对试验结论的质疑 [编辑]

对试验推论的质疑 [编辑]

英国天文学家弗雷德·霍伊尔爵士（Sir Fred Hoyle ）研究宇宙和其中的生物，他甚至主张地上的生物是从外太空来的。他在加州理工學院讲学的时候，提到蛋白质里氨基酸的排列。

霍伊尔说：“蛋白质是由一连串氨基酸以某种方式连结起来而形成的，这个颇明显的事实倒不是生物学上的重大问题；真正教人费解的是，氨基酸以某种方式排列，使这一连串分子具有独特的属性。……如果把氨基酸胡乱地连结起来，可能形成的排列方式就会很多，而其中大部分都对活细胞毫无用处。想一想，一个普通的酶由大约二百个氨基酸连结而成，而每个连结点都有20种不同的组合方式。由此可见，无用的排列方式实在多不胜数，甚至比我们从最强力的望远镜看到的一切星系裡，所含有的一切原子数目更多。这只是说一种酶罢了，酶的种类其实超过2000种，每一种都有完全不同的功能。因此，氨基酸起初到底是怎样按着特定的结构排列，形成不同种类的酶的呢？”

霍伊尔补充说：“生命凭着自然界各种盲目的力量碰巧产生的可能性，实在微乎其微。与其接受这种极微的可能性，不如认为促成生命的，是某种经过深思熟虑的智慧行动还好。看来这是更好的看法。”

与现实情况的矛盾 [编辑]

米勒试验中产生的胺基酸有左式也有右式的，二者的比例差不多相等，然而动物体内参与构建蛋白质的胺基酸却不是如此，胺基酸分子也有左式和右式的分别。

在大约一百种已知的胺基酸中，只有20种是蛋白质的成分，而所有这些胺基酸都是左式的。科学家曾仿照他们认为在生命起源以前的浓汤裏发生的情况，在实验室裏制造胺基酸。他们发现，这样制造出来的胺基酸分子，右式和左式的数目相等。《纽约时报》报道说：“生命完全有赖于左式的胺基酸，所以这种左右式胺基酸各占一半的现象并不常见。”为什么活物完全由左式胺基酸所组成，至今仍然是个“莫大的奥秘”。不過，根據NASA的科學家對隕石的研究，發現太空中隕石上所帶有的胺基酸幾乎都為左式胺基酸，此種特殊的巧合似乎表明地球生命的起源與外太空來的物質有著密切的關係。^[16]。

參考文獻 [编辑]

^ Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 1953, 117: 528. doi:10.1126/science.117.3046.528.
^ Miller S. L., and Urey, H. C. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science. 1959, 130: 245. doi:10.1126/science.130.3370.245.
^ A. Lazcano, J. L. Bada. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. 2004, 33: 235–242. doi:10.1023/A:1024807125069.
^ Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science. 2008, 322 (5900): 404. doi:10.1126/science.1161527.
^ Catherine Brahic. Volcanic lightning may have sparked life on Earth - earth - 16 October 2008 - New Scientist Environment. NewScientist. [2008-10-17].
^ 'Lost' Miller-Urey Experiment Created More Of Life's Building Blocks. Science Daily. Oct. 17, 2008 [2008-10-18].
^ Richard E. Dickerson: Chemische Evlution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Heft 9, S. 193
^ 参看Biochemical Predestination，Prof. Dean H. Kenyon,英文版
^ 参考“The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories”，英文版
^ 参考：“The New Encyclopædia Britannica”,英文版
^ 参看The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories，英文版
^ 氧很容易起化学反应。例如，氧跟铁结合就形成氧化铁，就是常见的锈，跟氢结合就形成水。如果在组合氨基酸的时候大气里有很多自由氧，氧就会迅速跟有机分子结合，并把它们分解。
^ 参看Journal of the American Chemical Society,，1955年5月12日刊。
^ 参看Technology Review,《技术评论》，1981年4月刊。
^ 参考“Molecular Evolution and the Origin of Life”, Sidney W. Fox and Klaus Dose，英文
^ Glavin, Daniel. More Asteroids Could Have Made Life's Ingredients. 18 Jan 2011 [2012-06-29] （English）.

外部連結 [编辑]

A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions by Stanley L. Miller

[1] Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 1953, 117: 528. doi:10.1126/science.117.3046.528.

[2] Miller S. L., and Urey, H. C. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science. 1959, 130: 245. doi:10.1126/science.130.3370.245.

[3] A. Lazcano, J. L. Bada. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. 2004, 33: 235–242. doi:10.1023/A:1024807125069.

[4] Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. Science. 2008, 322 (5900): 404. doi:10.1126/science.1161527.

[NewScientist-5] Catherine Brahic. Volcanic lightning may have sparked life on Earth - earth - 16 October 2008 - New Scientist Environment. NewScientist. [2008-10-17].

[6] 'Lost' Miller-Urey Experiment Created More Of Life's Building Blocks. Science Daily. Oct. 17, 2008 [2008-10-18].

[7] Richard E. Dickerson: Chemische Evlution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Heft 9, S. 193

[8] 参看Biochemical Predestination，Prof. Dean H. Kenyon,英文版

[9] 参考“The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories”，英文版

[10] 参考：“The New Encyclopædia Britannica”,英文版

[11] 参看The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories，英文版

[12] 氧很容易起化学反应。例如，氧跟铁结合就形成氧化铁，就是常见的锈，跟氢结合就形成水。如果在组合氨基酸的时候大气里有很多自由氧，氧就会迅速跟有机分子结合，并把它们分解。

[13] 参看Journal of the American Chemical Society,，1955年5月12日刊。

[14] 参看Technology Review,《技术评论》，1981年4月刊。

[15] 参考“Molecular Evolution and the Origin of Life”, Sidney W. Fox and Klaus Dose，英文

[16] Glavin, Daniel. More Asteroids Could Have Made Life's Ingredients. 18 Jan 2011 [2012-06-29] （English）.

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