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化学进化论:Miller-Urey实验

生命从哪里来?在生命起源的问题上,化学进化论目前被多数人所接受。该学说认为在原始地球的条件下,简单的无机小分子可以转化为有机小分子,进而发展为生物大分子,最终出现最原始的生命体系。科学家们发现在远离太阳,历史上可能变化较小的巨行星木星和土星上,没有我们赖以生存的氧气的存在。那里的大气充满了氢(H2)、氦(He)、甲烷(CH4)和氨(NH3)等还原性气体。所以原始地球极有可能也笼罩在还原性大气层中。


那么,简单的生物小分子氨基酸又从何而来?在地球早期演化过程中,星际有机分子可能进入地球成为前生命化学进化的基本原料。还有一种可能性是太阳辐射中的紫外线、雷电和宇宙射线等作用于原始地球大气层,致使大气层中的无机小分子转化为有机物。由于还原性气体小分子仅吸收短波紫外线,导致太阳辐射和宇宙射线不足以合成有机物。然而雷电常出现在靠近海洋表面的地方,这样在原始地球大气中合成的产物就很容易溶解于原始海洋之中,随后最早的生命在海洋中诞生。


1953年美国芝加哥大学的研究生Stanley L. Miller在导师Harold C. Urey的指导下,进行了模拟原始大气条件的实验(图1,Miller-Urey实验,Science, 1953, 117, 528)。在实验中,Miller将水(H2O)、甲烷(CH4)、氨气(NH3)、氢气(H2)和一氧化碳(CO)密封于无菌的玻璃器皿内,并将其连接成一个回路。装置中的一个烧瓶装有半满的海水,另一个则含有一对电极。他首先将海水加热促使其汽化,产生水蒸气,随后通电产生电火花。水蒸气经过电极之后,又再度凝结重新回到原先装有水的烧瓶中,由此构成循环。Miller利用无机物混合物得到了20种有机化合物,包括11种氨基酸,其中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生命体蛋白质的重要组成单元。

图1. Miller-Urey实验。图片来自网络


2008年,Jeffrey L. Bada等科学家重新分析了在1953年Miller-Urey实验留下的实验瓶样品Science, 2008, 322, 404),他们怀疑由于当年分析仪器设备的限制,一些微量的有机物很可能无法检出。借助于现代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Miller早期报道的更多(14种氨基酸)。


除了上述实验之外,Miller还进行了其他相关的实验(加入抽气装置使气体流动的速度加快,模拟火山爆发场景等),但这些实验结果都没有发表,也没有进行相关产物的分析。在电火花的作用下,水分子可以均裂生成羟基自由基。Bada等科学家通过现代仪器的检测,一共得到了22种氨基酸、5种胺以及多种羟基化合物。


上世纪五十年代,人们认为蛋白质是生命的本质。Miller的实验在当时很有创新性,不仅启发人们沿着化学进化这一方向进行更深入的研究,也启发人们去探索生物分子的非生物合成。然而,随着科学研究的进展,核酸又“搅进了这个局”。科学家证明由氨基酸构成的蛋白质是在核酸的指导下合成的,致使生命起源的问题更加复杂化。所以在化学生命起源的研究领域,仍然存在“核酸起源”与“蛋白起源”的争议。中国科学院院士赵玉芬也提出了“核酸与蛋白共起源”的学说,该假说利用磷元素作为中心,证实了磷酰化氨基酸的“共起源”能力Sci. China Chem., 2015, 58, 374)


近期,英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)Leroy Cronin教授,在“氘代的世界里”重复了Miller的实验(图2)。非常有趣的是,H原子核和D原子核仅仅一个中子的区别,在Miller实验的产物分布中却有着明显的区别(图3)。

图2. Miller-Urey氘代实验。图片来源: Angew. Chem. Int. Ed.


图3. Miller-Urey氘代实验产物的分析。图片来源: Angew. Chem. Int. Ed.


事实上,Miller的实验以很多目前无法证实的“推测”为前提。举例来说,原始地球的大气环境究竟是氧化性还是还原性尚不十分明确。其次,雷电释放的持续时间有限,然而Miller实验需要持续放电七天。在实验中产生的氨基酸均为L型和D型的混合物,然而组成天然蛋白质的氨基酸都是L构型,手性又从何而来。科学家将基于这些问题做进一步研究。


近年来生命起源的问题一直备受化学家们的关注。Nature Chemistry 在近五年内,有整整两期化学生命起源的专辑,[1,2] 感兴趣的读者可以阅读。


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Miller–Urey Spark-Discharge Experiments in the Deuterium World

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201610837


参考资料:

1. http://www.nature.com/nchem/focus/origin-of-life/index.html

2. http://www.nature.com/nchem/focus/prebiotic-chemistry/index.html


(本文由chemliu供稿)

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