米勒实验：早期地球生命的起源

米勒实验：早期地球生命的起源

1953年，年轻的化学家斯坦利·米勒在《科学》杂志上发表了一项开创性实验结果，该实验模拟了早期地球的环境条件，成功合成了生命必需的氨基酸。这一发现不仅为生命起源研究开辟了新方向，也为后续的科学研究提供了重要参考。

原始地球

斯坦利·米勒刚获得化学学位，就来到芝加哥大学开始他的博士论文研究。这是他职业生涯中的一个关键时刻，不久之后，他遇到了著名的诺贝尔奖获得者哈罗德·C·尤里，后者举办了一场关于地球起源和早期大气的研讨会。米勒对这个话题非常着迷，以至于他决定改变他的论文方向，并根据这些想法设计一个实验。俄罗斯生物化学家亚历山大·I·奥帕林出版了一本名为《生命的起源》的书，在书中他解释了自发的化学反应如何在数百万年的时间尺度上产生了第一种生命形式。

40亿多年前，早期地球与我们今天所知的情况大相径庭。根据奥帕林和霍尔丹的假设，大气中几乎没有氧气，主要由甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢气（H2）和水蒸气（H2O）等气体组成。在这种恶劣的环境中，无机分子可能会发生反应，产生第一个有机分子。反过来，它们会逐渐进化成更复杂的生物体。地球表面被原始海洋淹没，其中化学物质的“生命起源汤”不断发生反应。在没有臭氧层的情况下，雷暴、火山爆发和紫外线辐射为这些反应的发生提供了必要的能量。

这种极其动荡的环境对于更简单的分子让位给更复杂的化合物至关重要，例如构成蛋白质的氨基酸，这是我们所知的生命所必需的。

米勒实验的线索

米勒的工作基于这样的假设：早期地球的大气层正在减少，即氧气很少，但富含甲烷、氢气和氨等气体。这一理论得到了天文学研究的支持，这些研究表明太阳系中的其他大气层也具有类似的成分。木星和土星等行星的大气层富含这些气体。在这个原始世界里，风暴的能量和强烈的太阳辐射引起了不断的化学反应。米勒决定将这些想法更进一步，设计一个在实验室中模拟这些条件的实验。

通过将注意力转向缺氧，米勒设计了一种可以维持厌氧和无菌条件的装置，以确保任何结果完全归因于化学反应，而无需生物体的干预。这是他著名实验的基础。

米勒的深入实验

米勒提议通过在实验室中重现早期地球的条件来检验奥帕林的假设。他在密封装置中混合了甲烷、氨、氢气和水蒸气等气体，这些气体代表了原始大气的主要成分。放电模拟了当时常见的强烈风暴产生的闪电。米勒的实验由一个玻璃装置组成，其中水被连续加热直至蒸发，蒸汽穿过气体混合物。在冷凝器中冷却后，蒸汽和气体再次混合，完成恒定的循环。这是关键，因为它模拟了早期地球大气中的水循环。

连续运行一周后，米勒注意到设备中的液体变成了深棕色。在分析时，他发现产生了氨基酸，一种生命必需的有机化合物。其中包括甘氨酸、丙氨酸和天冬氨酸，它们对于细胞结构和功能至关重要。这是了解地球上生命如何形成的第一个具体步骤。米勒的实验证明，在适当的条件下，简单的无机化合物可以自发 形成有机分子。

来自太空的有机分子

然而，多年后，研究得出结论，地球早期的大气层可能并不像最初假设的那样还原，并且它所含有的二氧化碳 (CO2) 和氮气 (N2) 可能比之前想象的要多。正如尤里和米勒所提出的，这使得生命形成的可能性变得复杂。1969年，一颗名为默奇森（Murchison）的陨石坠落在澳大利亚，该陨石形成于约46亿年前。

当科学家分析这块陨石时，他们发现其中含有丰富的有机分子，包括氨基酸，这些有机分子与米勒在实验室获得的非常相似。因此，这一新证据表明，如果地球上的条件不完全适合生命的形成，必要的分子可能会通过陨石和彗星从外太空到达，这会丰富“生命起源汤”。这一发现支持了有源论，该理论表明生命的基本成分可能是从外太空到达地球的，因此生命或至少其组成部分可能在整个宇宙中普遍存在。

实验的影响和连续性

尽管米勒的实验具有革命性，但随着时间的推移，批评也开始出现。随着早期大气模型的改进，得出的结论是它的减少程度可能比米勒和尤里想象的要少。然而，最近的实验继续证明，即使在还原性较低的气氛中，也可以合成有机分子。这导致了生命起源化学领域的新发展。

最近，人们发现某些矿物质，例如硼硅酸盐玻璃，可能在这些分子的合成中发挥了至关重要的作用。米勒等实验中使用的玻璃反应器似乎有利于这些有机化合物的形成。目前的研究探讨了早期地球上存在的这些物质以及活火山释放的气体如何为生命的出现提供动力。

今天，由于天体生物学和生命起源化学的进步，我们了解到生命的分子基础是自然化学过程的结果，只要有适当的能量，这些过程就可以发生在地球和宇宙的任何地方。令人着迷的是，无论是通过地球过程还是在太空材料的帮助下，形成生命的分子都是通过简单而自发的反应起源的，就像斯坦利·米勒在 70 多年前所证明的那样。这项实验仍然是生命起源研究的基石，并继续激励新一代科学家寻求最基本问题之一的答案：生命是如何开始的？