米勒實驗

米勒模擬實驗（Miller–Urey experiment）一種模擬在原始地球還原性大氣中進行雷鳴閃電能產生有機物（特別是胺基酸），以論證生命起源的化學進化過程的實驗。1953年由美國芝加哥大學研究生米勒（S.L.Miller）在其導師尤利（H.C.Urey）指導下完成，故名。

基本介紹

• 中文名：米勒實驗
• 外文名：Miller experiment
• 時間：1953
• 人物：美國芝加哥大學研究生米勒
• 對象：有機物
• 論證：論證生命起源的化學進化過程

指導思想

（1）遠離太陽、歷史上可能變化較小的巨行星（如木星和土星等），它們的大氣都是沒有游離氧（O2）的還原性大氣，其主要成分是氫（H2）、氦（He）、甲烷（CH4）和氨（NH3）；由此推測原始地球的大氣，大概也是這樣的還原性大氣。（2） 據測定，能作用於地球大氣層的能源，主要是太陽輻射中的紫外線、雷電和宇宙射線等。其中宇宙射線不足以合成有機物，還原性氣體僅吸收短波紫外線，但短波紫外線（波長<1500埃）在太陽輻射紫外線中僅占極微量，可作有機合成能源的量極少；而每年雷電次數較多，可作有機合成的能量較大，又在靠近海洋表面處釋放，這樣在原始地球還原性大氣中合成的產物就很容易溶於原始海洋之中。基於上述考慮，米勒在實驗室內進行了模擬原始地球還原性大氣中雷鳴閃電的實驗，看看能否合成有機物，特別是胺基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等組成蛋白質和核酸的生物小分子。

實驗步驟

裝置及操作

如圖所示。將水注入左下方的500毫升燒瓶內。

米勒的實驗

先將玻璃儀器中的空氣抽去。然後打開左方的活塞，泵入CH4、NH3和H2的混合氣體（模擬還原性大氣）。再將500毫升燒瓶內的水煮沸，使水蒸汽（H2O）和混合氣體同在密閉的玻璃管道內不斷循環，並在另一容量為5升的大燒瓶中，經受火花放電（模擬雷鳴閃電）一周，最後生成的有機物，經過冷卻後，積聚在儀器底部的溶液內（圖中以黑色表示）（模擬原始大氣中生成的有機物被雨水沖淋到原始海洋中）。

實驗結果

此實驗共生成20種有機物。其中11種胺基酸中有4種（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質所含有的。以後，米勒認為，構想原始地球還原性大氣的成分是CH4、N2、微量的NH3和H2O的混合氣體更為合理，因為NH3不可能在大氣中大量存在，它會溶于海水中。他和他的合作者於1972年在上述混合氣體中進行火花放電，結果得到35種有機物，其中有10種組成蛋白質的胺基酸，即甘氨酸（440微克分子，以下均同此單位）、丙氨酸（790）、纈氨酸（19.5）、亮氨酸（11.3）、異亮氨酸（4.8）、脯氨酸（1.5）、天冬氨酸（34）、谷氨酸（7.7）、絲氨酸（5.0）和蘇氨酸（～0.8）。若在分析之前進行水解，還可生成天冬醯胺和谷氨醯胺。若增加H2S，則可生成甲硫氨酸。在CH4、NH3、H2O和H2S混合氣體中進行光解作用，可以找到半胱氨酸。對CH4及其它碳氫化合物在高溫下進行熱解，可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前為止，用米勒模擬實驗和其它類似實驗，已能合成出20種天然胺基酸中的17種；其餘三種（賴氨酸、精氨酸和組氨酸）相信在改進技術之後，不久亦能合成。

由此實驗可以證明：由無機物合成小分子有機物是完全有可能的。

機理分析

胺基酸生成的可能機理：米勒在火花放電的頭125小時內，不斷打開“U”形管的活塞抽樣，進行分析，發現首先合成了大量的氰化物和醛類；以後它們的合成速度逐漸下降，而在整個實驗期間，均以近乎恆定的速度合成胺基酸，就是說，首先甲烷與氨作用生成氫，甲烷與水作用生成醛類；然後氫、醛類與氨作用生成氨基腈（aminoni- trile）；氨基腈水解就生成胺基酸。

佐證

上述過程現今在宇宙和其他天體中還在發生，星際分子和隕石中有機物的發現可以證明。據我國天文工作者統計，到1985年為止，已發現星際分子66種，其中除氨、氫等十幾種無機分子外，大都是含C的有機化合物如甲醛、甲醇、甲酸、乙醇、炳訣腈（N≡C-C≡CH）等。星際分子中甲醛和氫的量很大，與米勒放電實驗中最初的中間產物相同。當它們與氨反應再經水解就能生成胺基酸。1969年9月28日，一顆碳質球粒隕石（carbonaceous chon- drite）墮落在澳大利亞的麥啟遜（Murchison）鎮，經克文沃爾登（K.A.Kvenvolden）等化驗，發現含有18種胺基酸，其中有6種（甘、丙、纈、脯、谷、天冬）是生物所含有的，其種類與含量同米勒放電實驗生成的頗為相似。此外，1971年沃森（G.Wat-son）用紫外線照射含有NH3、CH2OH和HCHO的混合氣體25天，結果獲得了甘氨酸、谷氨酸與少量的天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、脯氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。這個實驗沒有水，原料都是已知的星際分子。以上種種事實表明，原始大氣由無機物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程宇宙間仍在發生。

科學意義

生命起源是一個極其複雜而又難以研究的問題。雖然19世紀70年代恩格斯在《反杜林論》中就指出：“生命的起源必然是通過化學的途徑實現的”；20世紀20年代奧巴林和霍爾丹也相繼提出生命起源的化學進化觀點，即認為在原始地球的條件下，無機物可以轉變為有機物，有機物可以發展為生物大分子和多分子體系，直到演變出原始的生命體；但這些都只是理論的推測，還缺乏令人信服的實驗證據。米勒首次在實驗室內模擬原始地球還原性大氣中的雷鳴閃電，結果從無機物合成出有機物，特別是多種組成蛋白質的胺基酸，這是生命起源研究的一次重大突破。後來，科學家們仿效米勒的模擬實驗，已合成出大量與生命有關的有機分子。例如，有人用紫外線或γ射線照射稀釋的甲醛（HCHO）溶液獲得了核糖和脫氧核糖（1966）；用紫外線照射HCN獲得了腺嘌呤和鳥嘌呤；用丙炔腈（N≡C-C≡CH）、KCN和H2O，在100℃下加熱一天得到了胞嘧啶（1966）；將NH3、CH4、H2O與聚磷酸加熱到100～140℃獲得了尿嘧啶（1961）；將腺嘌呤和核糖的稀溶液與磷酸或乙基偏磷酸鹽（ethyl- metaphosphate）放在一起，用紫外線照射，可生成腺苷（1977）；將腺苷、乙基偏磷酸鹽封入石英玻璃管中用紫外線照射，可產生腺苷酸（A）（1966）。此外，長鏈脂肪酸也可通過在高壓下用γ射線照射乙烯和CO2而獲得。可以說，幾乎全部的生物小分子，都可以通過模擬原始地球的條件，在實驗室內合成了。

質疑

（1）米勒試驗提供持續的電能，但是原始時代的地球不一定。

（2）不能完全確定米勒試驗各物質濃度的配比。

（3）胺基酸很可能是宇宙流星和彗星在撞擊地球的時候帶出的，因為當時這種現象十分普遍，科學證明胺基酸可以在宇宙的惡劣環境中存在。

(4)地球的高溫環境和強烈的紫外線會使有機物迅速分解。【生物科學家已經證明：原始的有機物能耐高溫，並不那么脆弱】

(5)【細菌變數】由於不能確定燒瓶中的水的無菌性，且取樣器與燒瓶為一聯通器，因此米勒實驗所產生的有機物不排除是微生物高溫分解得來的。