米勒-尤里实验：揭示生命起源的科学里程碑

米勒-尤里实验

通常认为，宇宙的起源、生命的起源和意识的起源是科学中的三大谜题。量子力学与第一个问题紧密相关，我们也已经讨论过它与第三个问题之间可能存在的联系。我们很快会发现，量子力学对解释第二个问题可能也会有帮助。不过，我们应该先来检验一下非量子力学的解释是否能为生命的起源提供一个完满的解答。

几个世纪以来，科学家、哲学家和神学家们一直在思考生命起源的问题，并提出了各种不同的理论解释这一问题，从神创论到所谓的“泛种论”（地球生命的火种来自星际空间），不一而足。

19世纪的科学家们（包括达尔文）开创了更为严谨的科学方法来研究这一问题，他们认为，在某种“温热的小水塘”中发生的化学过程，可能会创造出活性物质。基于达尔文的猜想，俄罗斯人亚历山大·奥巴林（Alexander Oparin）和英国人霍尔丹（J.B.S Haldane）于20世纪伊始，分别独立地提出了正式的科学理论，即通常所说的“奥巴林-霍尔丹假说”（Oparin-Haldane hypothesis）。他们两人都认为，在早期的地球上，大气中富含氢气、甲烷和水蒸气，这些物质在暴露于闪电、太阳辐射或火山引起的高热后，会结合形成简单有机物的混合物。他们提出，这些有机物随后会在原始海洋中积累，形成温热、稀释的有机浆汤。这些有机物在汤中冲刷了几百万年，或许还曾流经伊苏的泥火山，最终在各种机缘巧合下形成一种新的分子。该分子具有一种非凡的性质：进行自我复制的能力。

霍尔丹和奥巴林提出，就我们目前所知，原始复制体（primordial replicator）的出现是生命起源的关键事件。后续的发展遵循达尔文的自然选择。作为一个非常简单的主体，复制体在复制过程中会产生许多错误或突变。变异的复制体会与非变异的复制体竞争，抢夺更多的化学材料来进行自我复制。之后，最成功的那些复制体会留下更多的后代，而达尔文式的自然选择会推动一系列分子过程，让淘选出的大量复制体朝着更高效、更复杂的方向发展。有些复制体俘获了修饰分子，比如各种多肽分子，从而可以像酶一样催化复制过程，获得发展优势；有些复制体甚至会与外界隔绝，像现代的活细胞一样，包裹在由脂质膜形成的囊泡里（填有液体或空气的小囊），免受外界环境变换的侵扰。一旦封闭起来，细胞的内环境就可以进行自己的新陈代谢，通过生化反应来制造自己的生物大分子，并能避免生物分子漏到细胞外。能与外环境隔绝，且具备了维持和补给自身内部状态的能力，第一个活细胞就此诞生。奥巴林-霍尔丹假说为理解地球上的生命起源提供了一个科学的框架。但几十年来，这个理论从未经过验证，直到两个美国化学家对此产生了兴趣。

在20世纪50年代的科学家中，哈罗德·尤里（Harold Urey）算是非常杰出又饱受争议的一位了。你或许记得，在第2章中，我们曾利用氘来研究酶中的动态同位素效应，并由此证明酶的活动中有量子隧穿参与。正是尤里发现了氢的同位素氘，并因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。尤里是同位素提纯方面的专家。1941年，在美国试图制造核弹的“曼哈顿计划”（Manhattan Project）中，尤里被任命为铀浓缩部分的负责人。然而，尤里后来对“曼哈顿计划”的目的和其运作的秘密大失所望，甚至曾劝阻美国总统哈里·杜鲁门（Harry S.Truman）在日本投放原子弹。在广岛和长崎的核爆之后，尤里为流行杂志《科利尔周刊》（Collier’s）撰文，题目是《我好怕》（I’m a frightened man），警告人们原子武器带来的危险。在芝加哥大学时，他还积极反对20世纪50年代麦卡锡的政治运动，并给杜鲁门总统写信，支持朱利叶斯和埃塞尔·罗森堡（Julius and Ethel Rosenberg）夫妇。这对伉俪因间谍罪受审，并最终因为向苏联传递与原子弹有关的情报被处决。

斯坦利·米勒（Stanley Miller）是另一位参与验证奥巴林-霍尔丹假说的美国化学家。米勒于1951年成为芝加哥大学的一名博士生，师从被誉为“氢弹之父”的大科学家爱德华·特勒（Edward Teller）。米勒最初主攻的问题是恒星内元素的核合成。(www.xing528.com)

1951年10月，米勒的人生轨迹发生了改变。他去听了哈罗德·尤里关于生命起源的一次讲座。在演说中，尤里讨论了奥巴林-霍尔丹情景的可行性，并建议有人去做这个实验。米勒被深深吸引，从特勒的实验室转到了尤里的实验室，并设法说服尤里做了他的博士生导师，指导自己来做验证生命起源的实验。一开始，听说这个热情洋溢的学生计划做实验来验证奥巴林-霍尔丹假说，尤里持怀疑态度：他觉得，用无机化学反应来生产数量足以检测的有机分子，可能要花上几百万年的时间，而米勒只有三年的时间来拿这个博士学位。不过，尤里还是准备在半年到一年的时间内向米勒提供所需的空间和资源。这样的话，如果实验进展不太理想，米勒还有时间改变研究方向，找一个更“安全”的课题。

为了再现早期地球上生命初生时的条件，米勒在模拟原始大气时，只是简单地加了一瓶水来模拟原始海洋，并在装置中加入了一些可能出现在原始大气中的气体：甲烷、氢气、氨气和水蒸气。随后，他又通过周期性地释放电火花来模拟电闪雷鸣。在电击“原始大气”仅仅一周之后，米勒就在装置瓶中发现了数量显著的氨基酸——蛋白质的基本构成单位。这一结果让米勒大吃一惊，也同时震惊了整个科学界。

记录米勒实验的论文于1953年发表在顶级期刊《科学》上——米勒是唯一的作者。哈罗德·尤里坚持认为，他的博士生应该独享此荣誉，尤里的高风亮节在学界传为佳话。

米勒-尤里实验——尽管尤里很无私，但如今人们还是会这么命名这一实验——被誉为在实验室中创造生命的第一步，也是生物学史上的里程碑。虽然实验并没有制造出可以自我复制的分子，但人们普遍相信，只要有充足的反应时间且“原始海洋”的规模足够大，米勒的“原始”氨基酸便会聚合形成多肽和复杂的蛋白质，并最终得到奥巴林-霍尔丹式的复制体。

自20世纪50年代以来，有几十位科学家用不同方法重复过米勒-尤里实验，他们使用不同的起始反应物、气体和能源，不仅得到了氨基酸，还得到了糖类，甚至还有少量的核酸。但即使到了半个多世纪以后的今天，也没有一个实验室的“原始汤”成功地产出了哪怕一个奥巴林-霍尔丹复制体。这是为什么呢？为了解答这个问题，我们需要更加仔细地检视米勒的实验。

最重要的问题在于，米勒实验中生成的混合物具有复杂性。实验中生成的大多数有机材料以复杂焦油的形式存在。有机化学家们对这样的产物应该不会陌生，当复杂的化学合成过程没有严格控制反应条件时，就会产出许多错误的产物，与米勒实验的产物类似。实际上，要想生产这样的焦油其实很简单，只要在你自己的厨房里把晚饭烧糊就可以了：粘在锅底难以清除的棕黑色焦糊就与米勒实验中的焦油成分类似。这类化学混合物的问题在于，要想利用这些焦油状的焦糊再生产出点什么，真是比登天还难。用化学行话来讲，这些混合物没有“产率”，因为它们太过复杂，以至于任何一种特定的化学物质，比如氨基酸，会与焦糊中所有其他不同种类的化合物反应，迷失在没有意义的化学反应中。几个世纪以来，无数的厨师和化学系的本科生一直在制造着这种有机“焦糊”，除了留下一片狼藉难以清理以外，别无所成