米勒模拟实验

（Miller’s simulated experiment）一种模拟在原始地球还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物（特别是氨基酸），以论证生命起源的化学进化过程的实验。1953 年由美国芝加哥大学研究生米勒（S.L.Miller）在其导师尤利（H.C.Urey）指导下完成，故名。

指导思想（1）现在远离太阳、历史上可能变化较小的巨行星（如木星和土星），它们的大气都是没有游离氧（O2）的还原性大气，其主要成分是氢（H2）、氦（He）、甲烷（CH4）和氨（NH3）；由此推测原始地球的大气， 大概也是这样的还原性大气。（2） 据测定，现在能作用于地球大气层的能源，主要是太阳辐射中的紫外线、雷电和宇宙射线等。其中宇宙射线不足以合成有机物，还原性气体仅吸收短波紫外线，但短波紫外线（波长＜1500 埃） 在太阳辐射紫外线中仅占极微量，可作有机合成能源的量极少；而每年雷电次数较多，可作有机合成的能量较大，又在靠近海洋表面处释放，这样在原始地球还原性大气中合成的产物就很容易溶于原始海洋之中。基于上述考虑，米勒在实验室内进行了模拟原始地球还原性大气中雷鸣闪电的实验，看看能否合成有机物，特别是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等组成蛋白质和核酸的生物小分子。

实验步骤和结果 实验装置如图所示。将水注入左下方的 500 毫升烧瓶内。先将玻璃仪器中的空气抽去。然后打开左方的活塞，泵入 CH4、NH3 和 H2 的混合气体（模拟还原性大气）。再将 500 毫升烧瓶内的水煮沸，使水蒸汽

（H2O）和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在另一容量为 5 升的

大烧瓶中，经受火花放电（模拟雷鸣闪电）一周，最后生成的有机物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液内（图中以黑色表示）（模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中）。此实验结果共生成 20 种有机物（如

表 1 所示）。其中 11 种氨基酸中有 4 种（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白质所含有的。以后，米勒认为，设想原始地球还原性大气的成分是 CH4、N2、微量的 NH3 和 H2O 的混合气体更为合理，因为 NH3 不可能在大气中大量存在，它会溶于海水中。他和他的合作者于 1972 年在上述混

合气体中进行火花放电，结果得到 35 种有机物，其中有 10 种组成蛋白质的氨基酸，即甘氨酸（440 微克分子，以下均同此单位）、丙氨酸（790）、缬氨酸（19.5）、亮氨酸（11.3）、异亮氨酸（4.8）、脯氨酸（1.5）、天冬氨酸（34）、谷氨酸（7.7）、丝氨酸（5.0）和苏氨酸（～0.8）。若在分析之前进行水解，还可生成天冬酰胺和谷氨酰胺。若增加 H2S，则可生成甲硫氨酸。在 CH4、NH3、H2O 和 H2S 混合气体中进行光解作用，可以找到半胱氨酸。对 CH4 及其它碳氢化合物在高温下进行热解，可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前为止，用米勒模拟实验和其它类似实验，已能合成出 20 种天

然氨基酸中的 17 种；其余三种（赖氨酸、精氨酸和组氨酸）相信在改进技术之后，不久亦能合成。

图米勒模拟实验装置

1.电热锅 2.500 毫升烧瓶 3.活塞（由此泵入混入气体）4.电极 5.5 升烧瓶 6.冷凝器 7.抽提样品的活塞 8.U 形管

氨基酸生成的可能机理 米勒在火花放电的头 125 小时内，不断打开“U”形管的活塞抽样，进行分析，发现首先合成了大量的氰化物和醛类；以后它们的合成速度逐渐下降，而在整个实验期间，均以近乎恒定的速度合成氨基酸，其反应过程大致如下：

就是说，首先甲烷与氨作用生成氰，甲烷与水作用生成醛类；然后氰、醛类与氨作用生成氨基腈（aminoni- trile）；氨基腈水解就生成氨基酸。

星际分子和陨石资料的佐证 上述过程现今在宇宙和其他天体还在发生，星际分子和陨石中有机物的发现可以证明。据我国天文工作者统计，到1985 年为止，已发现星际分子 66 种，其中除氨、氰等十几种无机分子外， 大都是含 C 的有机化合物如甲醛、甲醇、甲酸、乙醇、丙炔腈（N≡C-C≡CH） 等。星际分子中甲醛和氰的量很大，与米勒放电实验中最初的中间产物相同。当它们与氨反应再经水解就能生成氨基酸。1969 年 9 月 28 日，一颗碳质球粒陨石（carbonaceous chon- drite）堕落在澳大利亚的麦启逊（Murchison） 镇，经克文沃尔登（K.A.Kvenvolden）等化验，发现含有 18 种氨基酸，其中

有 6 种（甘、丙、缬、脯、谷、天冬）是生物所含有的，其种类与含量同米勒放电实验生成的颇为相似（见表 2）。此外，1971 年沃森（G.Wat-son）用紫外线照射含有 NH3、CH2OH 和 HCHO 的混合气体 25 天，结果获得了甘氨酸、谷氨酸与少量的天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、脯氨酸、亮氨酸和异亮氨酸。这个实验没有水，原料都是已知的星际分子。以上种种事实表明，原始大气由无机物生成生物小分子不但是可能的，而且这种过程现在宇宙间仍在发生。

科学意义 生命起源是一个极其复杂而又难以研究的问题。虽然 19 世纪 70 年代恩格斯在《反杜林论》中就指出：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的”；20 世纪 20 年代奥巴林和霍尔丹也相继提出生

命起源的化学进化观点，即认为在原始地球的条件下，无机物可以转变为有机物，有机物可以发展为生物大分子和多分子体系，直到演变出原始的生命体；但这些都只是理论的推测，还缺乏令人信服的实验证据。米勒首次在实验室内模拟原始地球还原性大气中的雷鸣闪电，结果从无机物合成出有机物，特别是多种组成蛋白质的氨基酸，这是生命起源研究的一次重大突破。后来，科学家们仿效米勒的模拟实验，已合成出大量

表 2 麦启逊陨石中检测到的与模拟放电实验中生成的氨基酸之比较

氨基酸 麦启逊陨石中检测到的 模拟放电实验生成的

N-甲基丙氨酸 ** **

对甘氨酸的克分子（=100）之比：*0.05～5；**0.5～5；***5～50；****

＞50

与生命有关的有机分子。例如，有人用紫外线或γ射线照射稀释的甲醛

（HCHO）溶液获得了核糖和脱氧核糖（1966）；用紫外线照射 HCN 获得了腺嘌呤和鸟嘌呤；用丙炔腈（N≡C-C≡CH）、KCN 和 H2O，在 100℃下加热一天得到了胞嘧啶（1966）；将 NH3、CH4、H2O 与聚磷酸加热到 100～140℃获得了尿嘧啶（1961）；将腺嘌呤和核糖的稀溶液与磷酸或乙基偏磷酸盐（ethyl- metaphosphate）放在一起，用紫外线照射，可生成腺苷（1977）；将腺苷、乙基偏磷酸盐封入石英玻璃管中用紫外线照射，可产生腺苷酸（A）（1966）。此外，长链脂肪酸也可通过在高压下用γ射线照射乙烯和 CO2 而获得。可以说，几乎全部的生物小分子，现在都可以通过模拟原始地球的条件，在实验室内合成了。