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的反应较易发生。
米勒-尤里实验是关于生命起源的经典实验之一,由芝加哥大学的史丹利·米勒与哈罗德·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
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Miller-Urey_experiment-zh.svg/240px-Miller-Urey_experiment-zh.svg.png)
在实验中,研究者将水(H2O)、甲烷(CH4)、氨(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%的碳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DNA或RNA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]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
[编辑]实验中首先形成醛(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 | |
醛 | 胺基酸 |
式二: | R-CHO + HCN + 2 H2O | HO-CHR-COOH + NH3 | |
醛 | 羟基酸 |
含碳产物列表
[编辑]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 |
参考文献
[编辑]- ^ 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).
- ^ 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]. (原始内容存档于2008-10-20).
- ^ '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).
- ^ Richard E. Dickerson: Chemische Evlution und der Ursprung des Lebens, in Spektrum der Wissenschaft, 1979, Heft 9, S. 193
外部链接
[编辑]- A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions by Stanley L. Miller
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