米勒-尤里实验（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氨基酸生成》（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
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着半满的液态水，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%属于氨基酸，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氨基酸为“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
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 | 氨基酸 |
| 式二: | R-CHO + HCN + 2 H2O | HO-CHR-COOH + NH3 | |
| 醛 | 羟基酸 |
含碳产物列表
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 |
对米勒试验的补充
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。这一点是一个十分重要的前提。
查尔斯·撒克斯顿《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”[注 1]。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。”[9]
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。”[10]
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》[11]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
米勒教授在作了他的实验四十多年后告诉《科学美国人》杂志说：“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》[12]。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》[13]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》[14]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，这仍然需要进一步探索。
在大约一百种已知的氨基酸中， 只有20种是蛋白质的成分，而所有这些氨基酸都是左式的。科学家曾仿照他们认为在生命起源以前的太古浓汤里发生的情况，在实验室里制造氨基酸。他们发现，这样制造出来的氨基酸分子，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氨基酸，所以这种左右式氨基酸各占一半的现象并不常见。”为什么活物完全由左式氨基酸所组成，至今仍然是个“莫大的奥秘”。不过，根据NASA的科学家对陨石的研究，发现太空中陨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[15]。
注释
- ↑ 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。
参考文献
- ↑ Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (PDF). 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The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories，英文版
- ↑ 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
- ↑ 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
- ↑ Glavin, Daniel. More Asteroids Could Have Made Life's Ingredients. 18 Jan 2011 [2012-06-29] （英语）.
外部链接
- A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions by Stanley L. Miller
