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米勒-尤列實驗

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米勒-尤列實驗（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）的學説進行檢驗，該學説認為早期地球環境使無機物合成有機化合物的反應較易發生。米勒-尤列實驗是關於生命起源的經典實驗之一，由芝加哥大學的史坦利·米勒與加州大學聖地亞哥分校的哈羅德·尤列於1953年主導完成，其結果以《在可能的早期地球環境下之氨基酸生成》為題發表。
中文名
米勒-尤列實驗
人    物
阿列克桑德.奧帕瑞
所屬分類
生物學
實驗時間
1953年

目錄

  1. 1 實驗經過
  2. 2 實驗方式
  1. 3 實驗反應式
  2. 4 含碳產物列表
  1. 5 意義
  2. 6 後續發展

米勒-尤列實驗實驗經過

1929年，生物學家阿列克桑德.奧帕瑞和約翰·霍爾丹猜測早期的地球大氣層缺少氧氣。在這種惡劣的情況下，如果單分子受到紫外線或者閃電等強能量刺激，它們將形成複雜的有機物分子，霍爾丹説道，海洋，曾經只是這些有機分子的“原生湯”。
為了對阿列克桑德·奧帕瑞和約翰·霍爾丹和理論進行驗證，1953年，美國化學家哈羅德·尤里和斯坦利·米勒進行了著名的米勒—尤列實驗。他們建立了一個受控型密封系統，模擬地球早期大氣層環境。
他們在長頸瓶中裝上温水來模擬當時的海洋，當水蒸氣蒸發時，會被收集在另一個燒瓶中。尤里和米勒在該實驗裝置中引入了氫氣、甲烷和氨氣，模擬早期大氣層無氧氣的狀況。然後，他們釋放電火花，來模擬閃電，進入這種混合氣體構成的無氧大氣層。最終，利用冷凝器將這些氣體冷卻成液體，收集進行分析。
實驗開始一週後的觀察中發現，在冷卻的液體中大量地存在着有機化合物，約有10%到15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬於氨基酸，以甘氨酸最多。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DNA或RNA則未出現。尤里和米勒得出結論稱，有機分子形式能夠來自於無氧大氣層，同時最簡單的生命體也可能孕育在這種早期環境中。
米勒-尤列實驗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）的學説進行檢驗，該學説認為早期地球環境使無機物合成有機化合物的反應較易發生。
實驗裝置重製品照片 實驗裝置重製品照片
米勒-尤列實驗是關於生命起源的經典實驗之一，由芝加哥大學的史坦利·米勒與哈羅德·尤列於1953年主導完成，其結果以《在可能的早期地球環境下之氨基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions）為題發表[1][2][3]。

米勒-尤列實驗實驗方式

實驗圖解。 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，研究者將水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（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着半滿的液態水，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%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬於氨基酸，以甘氨酸最多。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DNA或RNA則未出現。在實驗中產生的各種化合物皆同時有左旋與右旋之光學異構物，為外消旋混合物。
除了上述實驗之外，米勒還進行了其他相關的實驗，但這些實驗都沒有發表，產物也沒有進行分析。2008年，11名科學家重新分析了米勒-尤列實驗留下的實驗瓶樣品，藉助於高效液相色譜和質譜技術，他們發現該實驗產生的有機化合物比原先報導的要多。[4]有機物數量最多的是一個模擬火山爆發情景的實驗：水蒸氣推動着其他氣體進入一個經過改造的燒瓶中，加入抽氣裝置，使氣體流動的速度加快。在電火花的作用下，水分子在這種情況下可以均裂生成羥基自由基，再加之其他分子參與的反應，該實驗一共得到了22種胺基酸，5種胺，以及很多羥基化的化合物。[5]氧硫化碳可以幫助這些胺基酸縮合形成多肽。這些進一步的研究為化學演化的假説提供了更加強有力的證據，使生命起源的問題再次迴歸焦點。[6]

米勒-尤列實驗實驗反應式

實驗中首先形成醛（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
醛 氨基酸
式二: R-CHO + HCN + 2H2O → HO-CHR-COOH + NH3
醛 氨基酸

米勒-尤列實驗含碳產物列表

由初始的59000微摩爾（μmol）的甲烷（CH4）所形成的含碳產物[7]：
產物
化學式
產物的物質的量
（單位：μmol）
每分子所含的碳原子的數量
碳原子的物質的量
（單位：μmol）
甲酸
H—COOH
2330
1
2330
甘氨酸*
H2N—CH2—COOH
630
2
1260
甘醇酸
HO—CH2—COOH
560
2
1120
丙氨酸*
H3C—CH(NH2)—COOH
340
3
1020
乳酸
H3C—CH(OH)—COOH
310
3
930
β-丙氨酸
H2N—CH2—CH2—COOH
150
3
450
乙酸
H3C—COOH
150
2
300
丙酸
H3C—CH2—COOH
130
3
390
亞氨基二乙酸
HOOC—CH2—NH—CH2—COOH
55
4
220
肌氨酸
H3C—NH—CH2—COOH
50
3
150
α-氨基-n-酪酸
H3C—CH2—CH(NH2)—COOH
50
4
200
α-羥基-n-酪酸
H3C—CH2—CH(OH)—COOH
50
4
200
琥珀酸
HOOC—CH2—CH2—COOH
40
4
160
尿素
H2N—CO—NH2
20
1
20
N-甲基尿酸
H2N—CO—NH—CH3
15
2
30
3-氮雜己二酸
HOOC—CH2—NH—CH2—CH2—COOH
15
5
75
N-甲基丙氨酸
H3C—CH(NH—CH3)—COOH
10
4
40
穀氨酸*
HOOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COOH
6
5
30
天冬氨酸*
HOOC—CH2—CH(NH2)—COOH
4
4
16
α-氨基異酪酸
H3C—C(CH3)(NH2)—COOH
1
4
4


總計：4916

總計：8944
（*20種氨基酸合成蛋白質)

米勒-尤列實驗意義

氨基酸是組成蛋白質的成分，而蛋白質是生命體不可缺少的有機物；甲醛分子則可以結合生成組成RNA的一種核糖，而RNA是生命體中決定蛋白質性質的物質；氰化氫也可以進一步結合成腺嘌呤(這已為60年代初奧羅的實驗所證明)，而腺嘌呤是生命體中遺傳物質DNA的組成成分。由此可見，這個實驗説明，生命確實可以在原始湯中通過簡單的化學反應產生。

米勒-尤列實驗後續發展

米勒教授在作了他的實驗四十多年後告訴《科學美國人》雜誌説：“生命起源的奧秘，原來比我和其他大部分人所估計的更難解開。”其他科學家的想法也有同樣的轉變。例如早在1969年，生物學教授迪安·凱尼恩跟別人合著了《生化學預定論》[8]。但較近期的時候，他指出：“物質可以自行跟能量組織成生物系統，這件事根本是難以置信的。”
凱尼恩認為：“目前所有用化學解釋生命起源的理論，都犯了根本上的錯誤。”實驗證明他的看法是對的。米勒和其他科學家合成了氨基酸後，科學家着手製造蛋白質和DNA；這兩種物質都是地上生物維持生命所必需的。科學家在生命起源以前的環境裏進行了數千次試驗。《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》[9]指出：“我們在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白質和DNA卻始終失敗；兩者形成了強烈的對照。”科學家在合成蛋白質和DNA方面所作的努力，可以用“總是失敗”來形容。
要解開的謎並非僅限於第一個蛋白質分子和第一個核酸分子（DNA或RNA）怎樣產生，同時也包括它們怎樣共同發揮作用。《新不列顛百科全書》[10]説：“惟獨這兩種分子共同發揮作用，生物才可能在地上生存。”可是這套百科全書指出，這兩種分子怎麼會彼此緊密合作，“在生命起源方面”仍然“是個關鍵性的啞謎”。