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化學(xué)進(jìn)化論：Miller-Urey實(shí)驗(yàn)

來源: X-MOL 2017-06-12 11:59:48

生命從哪里來？在生命起源的問題上，化學(xué)進(jìn)化論目前被多數(shù)人所接受。該學(xué)說認(rèn)為在原始地球的條件下，簡單的無機(jī)小分子可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)小分子，進(jìn)而發(fā)展為生物大分子，最終出現(xiàn)最原始的生命體系。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)離太陽，歷史上可能變化較小的巨行星木星和土星上，沒有我們賴以生存的氧氣的存在。那里的大氣充滿了氫（H2）、氦（He）、甲烷（CH4）和氨（NH3）等還原性氣體。所以原始地球極有可能也籠罩在還原性大氣層中。

那么，簡單的生物小分子氨基酸又從何而來？在地球早期演化過程中，星際有機(jī)分子可能進(jìn)入地球成為前生命化學(xué)進(jìn)化的基本原料。還有一種可能性是太陽輻射中的紫外線、雷電和宇宙射線等作用于原始地球大氣層，致使大氣層中的無機(jī)小分子轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。由于還原性氣體小分子僅吸收短波紫外線，導(dǎo)致太陽輻射和宇宙射線不足以合成有機(jī)物。然而雷電常出現(xiàn)在靠近海洋表面的地方，這樣在原始地球大氣中合成的產(chǎn)物就很容易溶解于原始海洋之中，隨后最早的生命在海洋中誕生。

1953年美國芝加哥大學(xué)的研究生Stanley L. Miller在導(dǎo)師Harold C. Urey的指導(dǎo)下，進(jìn)行了模擬原始大氣條件的實(shí)驗(yàn)（圖1，Miller-Urey實(shí)驗(yàn)，Science, 1953, 117, 528）。在實(shí)驗(yàn)中，Miller將水（H2O）、甲烷（CH4）、氨氣（NH3）、氫氣（H2）和一氧化碳（CO）密封于無菌的玻璃器皿內(nèi)，并將其連接成一個回路。裝置中的一個燒瓶裝有半滿的海水，另一個則含有一對電極。他首先將海水加熱促使其汽化，產(chǎn)生水蒸氣，隨后通電產(chǎn)生電火花。水蒸氣經(jīng)過電極之后，又再度凝結(jié)重新回到原先裝有水的燒瓶中，由此構(gòu)成循環(huán)。Miller利用無機(jī)物混合物得到了20種有機(jī)化合物，包括11種氨基酸，其中有4種（甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸）是生命體蛋白質(zhì)的重要組成單元。

2008年，Jeffrey L. Bada等科學(xué)家重新分析了在1953年Miller-Urey實(shí)驗(yàn)留下的實(shí)驗(yàn)瓶樣品（Science, 2008, 322, 404），他們懷疑由于當(dāng)年分析儀器設(shè)備的限制，一些微量的有機(jī)物很可能無法檢出。借助于現(xiàn)代高效液相色譜和質(zhì)譜技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有機(jī)化合物比Miller早期報道的更多（14種氨基酸）。

除了上述實(shí)驗(yàn)之外，Miller還進(jìn)行了其他相關(guān)的實(shí)驗(yàn)（加入抽氣裝置使氣體流動的速度加快，模擬火山爆發(fā)場景等），但這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒有發(fā)表，也沒有進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)物的分析。在電火花的作用下，水分子可以均裂生成羥基自由基。Bada等科學(xué)家通過現(xiàn)代儀器的檢測，一共得到了22種氨基酸、5種胺以及多種羥基化合物。

上世紀(jì)五十年代，人們認(rèn)為蛋白質(zhì)是生命的本質(zhì)。Miller的實(shí)驗(yàn)在當(dāng)時很有創(chuàng)新性，不僅啟發(fā)人們沿著化學(xué)進(jìn)化這一方向進(jìn)行更深入的研究，也啟發(fā)人們?nèi)ヌ剿魃锓肿拥姆巧锖铣伞Ｈ欢S著科學(xué)研究的進(jìn)展，核酸又“攪進(jìn)了這個局”。科學(xué)家證明由氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)是在核酸的指導(dǎo)下合成的，致使生命起源的問題更加復(fù)雜化。所以在化學(xué)生命起源的研究領(lǐng)域，仍然存在“核酸起源”與“蛋白起源”的爭議。中國科學(xué)院院士趙玉芬也提出了“核酸與蛋白共起源”的學(xué)說，該假說利用磷元素作為中心，證實(shí)了磷酰化氨基酸的“共起源”能力（Sci. China Chem., 2015,58, 374）。

近期，英國格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）的Leroy Cronin教授，在“氘代的世界里”重復(fù)了Miller的實(shí)驗(yàn)。非常有趣的是，H原子核和D原子核僅僅一個中子的區(qū)別，在Miller實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物分布中卻有著明顯的區(qū)別

事實(shí)上，Miller的實(shí)驗(yàn)以很多目前無法證實(shí)的“推測”為前提。舉例來說，原始地球的大氣環(huán)境究竟是氧化性還是還原性尚不十分明確。其次，雷電釋放的持續(xù)時間有限，然而Miller實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)放電七天。在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氨基酸均為L型和D型的混合物，然而組成天然蛋白質(zhì)的氨基酸都是L構(gòu)型，手性又從何而來。科學(xué)家將基于這些問題做進(jìn)一步研究。

無機(jī)化學(xué)

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