米勒-尤里实验

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

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,由芝加哥大學史丹利·米勒哈羅德·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]。米勒实验对后来探索前生物分子的非生物合成具有相当大的启发性,至今依然是教科书中关于生命起源的经典实验。

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(H2O)、甲烷(CH4)、(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DNARNA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]

米勒实验证明:由无机物合成小分子有机物是完全有可能的。

實驗反應式[编辑]

實驗中首先形成(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
    胺基酸


式二: R-CHO + HCN + 2 H2O
HO-CHR-COOH + NH3
    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

(*合成蛋白質胺基酸)

对米勒试验的补充[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)。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》[8]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”。[9]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。”[10]

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。”[11]

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》[12]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。

后续探索[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》[13]。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》[14]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[15]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”。 米勒试验中产生的氨基酸是外消旋体,既有L型也有D型的,二者的比例差不多相等。然而生物用于构建蛋白质的氨基酸却都为L型氨基酸。为什么生物偏好L型氨基酸,这任然需要进一步探索。

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,發現太空中隕石上的氨基酸存在异构体过量,即L型氨基酸比例高于D型氨基酸。[16]

參考文獻[编辑]

  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. 
  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The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories,英文版
  9. ^ 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。
  10. ^ 参看Journal of the American Chemical Society,,1955年5月12日刊。
  11. ^ 参看Technology Review,《技术评论》,1981年4月刊。
  12. ^ 参考“Molecular Evolution and the Origin of Life”, Sidney W. Fox and Klaus Dose,英文
  13. ^ 参看Biochemical Predestination,Prof. Dean H. Kenyon,英文版
  14. ^ 参考“The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories”,英文版
  15. ^ 参考:“The New Encyclopædia Britannica”,英文版
  16. ^ Glavin, Daniel. More Asteroids Could Have Made Life's Ingredients. 18 Jan 2011 [2012-06-29] (English). 

外部連結[编辑]