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米勒-尤里实验

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米勒-尤里实验Miller-Urey experiment)或称米勒实验Miller-Urey experiment)是一项模拟假设性早期地球环境的实验,研究目的是测试化学演化的发生情况。尤其是针对亚历山大·欧帕林与约翰·伯顿·桑验,该学说认为早期地球环境使无机物合成有机化合物反应较易发生。

米勒-尤里实验是关于生命起源的经典实验之一,由芝加哥大学史丹利·米勒哈罗德·尤里于1953年主导完成,其结果以《在可能的早期地球环境下之胺基酸生成》(A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions)为题发表[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。

实验方式与结果

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实验图解。右下烧瓶模拟海洋环境,左上烧瓶则模拟闪电。

在实验中,研究者将(H2O)、甲烷(CH4)、(NH3)、氢气(H2)与一氧化碳(CO)密封于无菌状态下的玻璃管于烧瓶内,并将其连结形成一个回路。装置中的一个烧瓶装著半满的液态水,另一个则含有一对电极。首先将液态水加热促使其蒸发,进而产生水蒸气;而另一烧瓶的电极通电后会产生火花,以模拟闪电。水蒸气经过电极之后,又再度凝结并重回原先装水的烧瓶中,使实验得以循环进行。

于实验开始一周后的观察中发现,约有10%到15%的以有机化合物的形式存在。其中2%属于胺基酸,以甘胺酸最多。而糖类脂质与一些其他可构成核酸的原料也在实验中形成;核酸本身,如DNARNA则未出现。在实验中产生的各种化合物皆同时有左式与右式之镜像异构物。(注:一般报导将“左式 L-form”“右式 D-form”误译为“左旋”“右旋”,事实上几乎所有生物化学的教材均说明生物胺基酸为“左式 L-form”,但却大多为“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]羰基硫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。

实验反应式

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实验中首先形成(R-CHO)与氰化氢(HCN),而两者可作为接下来化学反应的原料,经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
    羟基酸

含碳产物列表

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由初始的59000微莫耳(μmol)的甲烷(CH4)所形成的含碳产物[7]

产物 化学式 化合物莫耳数
(μmol)
每一分子的碳原子数 碳原子莫耳数
(μmol)
甲酸 2330 1 2330
甘氨酸* 630 2 1260
乙醇酸 560 2 1120
丙氨酸* 340 3 1020
乳酸 310 3 930
β-丙氨酸 150 3 450
乙酸 150 2 300
丙酸 130 3 390
亚氨基二乙酸 55 4 220
肌氨酸 50 3 150
α-氨基丁酸 50 4 200
α-羟基丁酸 50 4 200
琥珀酸 40 4 160
尿素 20 1 20
N-甲基尿素 15 2 30
3-氮杂己二酸 15 5 75
N-甲基丙氨酸 10 4 40
谷氨酸* 6 5 30
天冬氨酸* 4 4 16
α-氨基异丁酸 1 4 4
 
总计
4916   8944

(*合成蛋白质胺基酸)


参考文献

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  1. ^ Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF). Science. 1953, 117: 528. doi:10.1126/science.117.3046.528. (原始内容 (PDF)存档于2008-02-28). 
  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]. (原始内容存档于2008-10-20). 
  6. ^ 'Lost' Miller-Urey Experiment Created More Of Life's Building Blocks. Science Daily. Oct 17, 2008 [2008-10-18]. (原始内容存档于2008-10-19). 
  7. ^ Richard E. Dickerson: Chemische Evlution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Heft 9, S. 193

外部链接

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