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生命的闪电之旅:米勒-尤里实验与地球生命起源

已有 2201 次阅读 2023-8-5 12:34 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

  《米勒-尤里实验》(Miller–Urey experiment)是一项于1952年进行的化学实验,旨在模拟当时认为存在于早期前生物地球大气中的条件,以测试在那些条件下生命的化学起源假设。该实验使用了水(H2O)、甲烷(CH4)、氨(NH3)、氢(H2)和电弧(后者模拟假设中的闪电)。其中,CH4、NH3和H2的比例为2:2:1。

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   当时,该实验支持了亚历山大·奥帕林(Alexander Oparin)和J·B·S·霍尔丹(J. B. S. Haldane)的假设,即原始地球上假设的条件有利于从较简单的无机前体合成更复杂的有机化合物的化学反应。这被认为是一项开创性的实验,也是研究生命起源的经典实验。该实验于1952年由斯坦利·米勒(Stanley Miller)在芝加哥大学在哈罗德·尤里(Harold Urey)的监督下进行,并在随后一年发表。在米勒于2007年去世后,科学家们检查了保存自原始实验的密封瓶,证明实际上在米勒的原始实验中产生了20多种不同的氨基酸。这远远超过了米勒最初报告的数量,也超过了自然界遗传密码中自然存在的20种氨基酸。更近期的证据表明,地球最初的大气成分可能与米勒实验中使用的气体不同,但前生物实验在不同条件下仍然能够产生从简单到复杂的混合物,例如氰化物。

   实验过程如下:甲烷(CH4)、水(H2O)、氨(NH3)和氢(H2)以2:2:1(1份H2)的比例密封在一个容积为5升的无菌玻璃瓶中,该瓶连接到一个容积为500毫升的瓶子,瓶子中装有一半的水。较小瓶中的水被加热以引发蒸发,水蒸气被允许进入较大的瓶子。在较大的瓶子内的一对电极之间不断产生电火花。电火花穿过气体和水蒸气的混合物,模拟地球假设原始大气中的闪电。然后,设备被冷却,使水凝结并滴入底部的U形陷阱中。

   一天后,陷阱中收集到的溶液呈粉红色,连续操作一周后,溶液变为深红色并浑浊。然后,沸瓶被移除,加入了氯化汞以防止微生物污染。通过加入氢氧化钡和硫酸停止反应,并蒸发以去除杂质。米勒使用纸层析法鉴定出溶液中存在的五种氨基酸:甘氨酸、α-丙氨酸和β-丙氨酸得到了肯定的确认,而天冬氨酸和α-氨基丁酸(AABA)的确认度较低,因为斑点较为模糊。

在1996年的一次采访中,斯坦利·米勒回顾了他的终身实验,继续追踪他最初的工作,并表示:“在基本的前生物实验中,只需打开火花就可以产生20个氨基酸中的11个。”原始实验装置在2017年仍由米勒和尤里的前学生杰弗里·巴达(Jeffrey Bada)保管,他是加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的教授。截至2013年,用于进行实验的设备在丹佛自然与科学博物馆展出。

实验的化学过程混合物成分之间的一步反应可以产生氢氰酸(HCN)、甲醛(CH2O)等活性中间化合物(乙炔、氰乙炔等):

CO2 → CO + [O](原子氧) CH4 + 2[O] → CH2O + H2O CO + NH3 → HCN + H2O CH4 + NH3 → HCN + 3H2(BMA过程)然后,甲醛、氨和氢氰酸通过Strecker合成反应生成氨基酸和其他生物分子:

CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN(氨基乙腈)+ H2O NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH(甘氨酸)此外,水和甲醛可以通过Butlerov反应反应产生各种糖类,如核糖。

实验表明,在加入能量的情况下,可以从气体中形成蛋白质和其他大分子的构建块的简单有机化合物。

  其他实验这个实验激发了许多其他实验。1961年,乔恩·奥罗(Joan Oró)发现腺嘌呤这种核苷酸碱基可以由氢氰酸(HCN)和氨在水溶液中生成。他的实验产生了大量的腺嘌呤,其分子是由5个分子的HCN形成的。此外,在这些条件下,许多氨基酸也可以从HCN和氨中形成。随后进行的实验显示,通过模拟还原大气条件,其他RNA和DNA核碱基也可以被获得。

与米勒-尤里同时进行的与生命起源相关的类似电放电实验也有很多。《纽约时报》(1953年3月8日:E9)上的一篇文章描述了俄亥俄州立大学的威廉·M·麦克内文(Wollman M. MacNevin)在米勒科学论文于1953年5月发表之前的工作。麦克内文在甲烷和水蒸气中通过100,000伏火花,产生了“过于复杂无法分析”的“树脂状固体”。该文章还描述了麦克内文进行的其他早期地球实验。目前尚不清楚他是否曾将这些结果发表在主要科学文献中。

K·A·威尔德(K. A. Wilde)于1952年12月15日向《科学》杂志提交了一篇论文,而米勒于1953年2月10日向同一杂志提交了他的论文。威尔德的论文于1953年7月10日发表。威尔德在一个含有二氧化碳(CO2)和水的二元混合物中使用了最高600伏的电压,实验使用了流动系统。他观察到只有少量的二氧化碳被还原为一氧化碳,没有其他显著的还原产物或新形成的碳化合物。其他研究人员正在研究水蒸气和一氧化碳的紫外线光解。

鉴定出的氨基酸参见:

分类:氨基酸的化学合成

以下是1952年“经典”实验中所产生和鉴定的氨基酸表,根据米勒于1953年发表的报告,2008年对火山火花放电实验残留瓶的重新分析,以及2010年对硫化氢富含的火花放电实验残留瓶的重新分析。

氨基酸米勒-尤里实验(1952年)火山火花放电(2008年)硫化氢富含的火花放电(2010年)
甘氨酸
α-丙氨酸
β-丙氨酸
天冬氨酸
α-氨基丁酸
丝氨酸
异丝氨酸
α-氨基异丁酸
β-氨基异丁酸
β-氨基丁酸
γ-氨基丁酸
缬氨酸
异缬氨酸
谷氨酸
诺缬氨酸
α-氨基己二酸
同半胱氨酸
2-甲基丝氨酸
β-羟基天冬氨酸
赖氨酸
2-甲基谷氨酸
苯丙氨酸
同型半胱氨酸
S-甲基半胱氨酸
蛋氨酸
甲硫酸蛋氨酸
磺酸甲硫酸蛋氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
依硫氨酸
半胱氨酸
组氨酸
赖氨酸
天冬氨酸
色氨酸
酪氨酸

注意:"是"表示该氨基酸在相应实验中产生,"否"表示该氨基酸在相应实验中未产生。

 文本资料主要来源自维基百科(英文):Miller-Urey experiment. (2023, August 4). In Wikipedia. Retrieved August 5, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/Miller%E2%80%93Urey_experiment

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