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化學 1953

在可能的原始地球條件下生成胺基酸

史丹利·米勒

讓一道電火花穿過早期地球的氣體,生命的基石便自行組裝出來。

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In depth · the introduction

1953 年,一位研究生把一個玻璃迴路灌滿早期地球的氣體,讓一道火花在裡面放電一週,然後眼看著那池水,變成了一鍋由生命所用分子組成的濃湯。

核心想法

生命,是由一小套分子搭起來的——其中就有那些會彼此連成蛋白質的胺基酸。長久以來,有一個謎:在一顆沒有生命的行星上,周圍沒有任何活物去製造它們,這些分子裡最初的那一批,究竟是怎麼出現的?史丹利·米勒證明:它們根本不需要任何活物——只要給對的氣體一個能量源,它們就會自己造出自己。

他重現了當時對早期大氣的一個猜測——甲烷、氨、氫與水——把它封進玻璃,再用一道連續的電火花去轟擊它,權當閃電。幾天之內,清澈的水就變成了渾濁的紅棕色,而漂在其中的,是真正的胺基酸。生命的基石,竟從尋常的化學裡組裝了出來。

它是如何誕生的

生命起於一鍋化學「原始湯」的想法,早在 1920 年代就由亞歷山大·歐帕林與 J. B. S. 霍爾丹提出過,可它當了三十年的故事,因為沒人檢驗過。1952 年,23 歲的研究生米勒,向他的導師——諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里——請求一試。尤里覺得這是個勝算渺茫的嘗試,拿一個博士學位去押注,未免太冒險。

米勒親手搭起裝置,讓它運轉。那場變化,一天之內便肉眼可見。1953 年他發表論文時,署的是自己一個人的名字——尤里堅持把功勞讓給學生——結果登上了報紙頭條:一個年輕人,竟在芝加哥的一張實驗檯上,某種意義上「煮」出了生命的原料。它成了那個世紀最著名的實驗之一。

它為何重要

它把生命的起源,從純粹的臆測,搬到了實驗檯上。在米勒之後,你可以提出精確的問題——哪些氣體、多少能量、哪些分子——並得到可測量的答案。它沒有說明生命是怎麼開始的,但它表明:那最初、看上去最令人卻步的一步——用死物造出生命的基石——是尋常的自然輕而易舉就在做的事。僅這一次演示,就重塑了科學家、乃至所有人,對「我們從何而來」的想像。

一個可以想像的畫面

把早期地球想成一間無人照看、卻開著火的巨大廚房:簡單的氣體是食材,海洋是攪拌盆,閃電是爐灶。沒有人在做飯。可那一遍又一遍、歷經億萬年的加熱與攪動,足以把生的食材合成出更多的東西——就像一鍋湯,文火慢燉得夠久,自會變稠成醬。米勒所做的,不過是把這間廚房縮進一個燒瓶,再把時鐘快進。

米勒裝置的可互動示意圖:上方一只「大氣」燒瓶裡噼啪跳著火花,經冷凝管餵入下方一只「海洋」燒瓶。拖動一個滑桿就能改變空氣:滑向早期地球的還原性配方(甲烷、氨、氫),海洋便變深成一鍋紅棕色的胺基酸濃湯;滑向今天的氧化性空氣(二氧化碳、氮、氧),水則保持清澈,幾乎什麼也不生成。

它的位置

米勒的這道火花,串起了本館中兩條漫長的故事。在它身後,站著達爾文——他曾私下遐想,生命或許始於「某個溫暖的小池塘」——還有歐帕林與霍爾丹,把那一縷遐想變成了「原始湯」假說。在它前方,奔湧著遺傳的分子——華生與克里克的 DNA、克里克的中心法則——以及那個至今仍未解的問題:一鍋基石的濃湯,究竟是怎樣跨過那道界線,變成能夠自我複製之物的?七十年過去,那一跨,仍是前沿;而米勒所證明的,僅僅、卻也確鑿地,是這趟旅程的第一步,並不難。

The original document
Original source text
Stanley L. Miller · Science 117 (1953): 528–529
The paper opens by placing itself inside an older idea — that life's first organic molecules formed while the young Earth was wrapped in a reducing atmosphere — associated with Oparin and Haldane and pressed more recently by Urey and Bernal.
The idea that the organic compounds that serve as the basis of life were formed when the earth had an atmosphere of methane, ammonia, water, and hydrogen … was suggested by Oparin and has been given emphasis recently by Urey and Bernal.
The experiment
A mixture of gases, CH4, NH3, H2O, and H2, which possibly made up the atmosphere of the Earth in its early stages, has been subjected to spark and silent discharges for times of the order of a week.
The apparatus is a sealed glass loop: water in a small flask is boiled so its vapour carries up into a larger flask holding the gas mixture, where tungsten electrodes strike a continuous spark — the stand-in for lightning. The products are cooled in a condenser and washed back down into the water, which plays the part of the primitive ocean, so that whatever forms accumulates there across the week-long run.
What appeared
Within a day the water turned pink, then a deep red-brown. Analysed by paper chromatography, glycine, α-alanine and β-alanine were identified with confidence, and aspartic acid and α-amino-n-butyric acid more tentatively — while a substantial fraction of the carbon, on the order of a tenth, had been drawn out of the gas and into organic compounds.
[ … ]
The short discussion argues that the amino acids were not stamped out directly by the discharge but were assembled in the water from simpler fragments — aldehydes and hydrogen cyanide — made by the spark. The full two pages, with the apparatus diagram and the chromatograms, are at the source below.
Stanley L. Miller · University of Chicago · 1953