迄今最著名的生命起源实验 忽视了一个重要细节…
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迄今最著名的生命起源实验 忽视了一个重要细节…

2021年11月25日 07:45:48
来源:科普中国网

1924年和1929年,亚历山大·奥巴林(Alexander Oparin)和J. B. S. 霍尔丹(J. B. S. Haldane)分别提出假设认为,我们原始地球上的条件有利于一类化学反应的发生,这类反应可以从简单的无机前体合成复杂的有机分子,这有时也被称为“原始汤”假说。氨基酸是最初形成的分子,也是构成生命的基本要素,当氨基酸结合在一起时,就能形成更复杂的有机聚合物。

随后,到了20世纪50年代,现代科学开始了对生命起源的系统性探索。1952年,芝加哥大学的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)和他的导师、诺贝尔奖化学奖得主哈罗德·尤里(Harold Urey)进行了一项迄今为止最著名的生命起源实验,并将研究结果于次年发表。

米勒-尤里实验论文。|图片来源:Science (1953)

这项实验表明,只要水、氨、氢和甲烷,以及模拟闪电的电火花,你就可以得到地球上生命所必需的几种蛋白质前体。它提供了第一个证据,证明生命出现所必需的复杂有机分子可以使用更简单的无机前体形成。这改变了人们对前生命合成的看法,也成了前生命化学领域奠基性的开端。

现在,一个由西班牙和意大利科学家组成的团队重新进行了这项开创性的实验,并发现了米勒和尤里遗漏的一个因素,那就是实验容器的材质对结果的影响。论文已于近日发表在《科学报告》上。

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在米勒-尤里实验中,米勒设计了一个特殊的装置,通过模拟当时科学家认为的原始大气的成分来验证“原始汤”假说。

他将甲烷、氨和氢密封在一个无菌的硼硅酸盐玻璃大烧瓶里,并将它连接到另一个水装得半满的较小的烧瓶中。随后,米勒对水进行加热,产生的蒸汽进入装有化学物质的大烧瓶中,模拟出一种微型的原始大气环境。在这里,电极不断放电,就像天空中的闪电一样。接着,大气被冷却,蒸汽凝结成液体,再被收集起来。

有趣的是,这些溶液在一天之后变成了粉色,实验进行一周的时候,它已经是深红色了。米勒取下烧瓶并加入氢氧化钡和硫酸,终止反应。在除去所有杂质后,他用纸色谱分析法检测了剩下的化学物质,结果显示,实验中产生了丰富的有机物质。

我们已知的构成蛋白质的标准氨基酸共20种,而米勒在最初的实验中已经创造出了其中5种。他还进行过其他模拟,比如富含水蒸气的微型火山喷发等。他在之后的采访中曾表示,只要在一个基本的前生命实验中放电产生火花,许多有机物就能产生。

21世纪初,米勒的一位学生还曾对1952年和其他实验的原始样品进行过重新分析,结果发现,这些实验实际上产生了比当时认为的更多化合物。换句话说,米勒的支持者都认为,当初的实验比他们意识到的还要成功。

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在米勒-尤里实验之后,更多科学家开始了有关生命起源的实验探索。但半个多世纪之后,西班牙格拉纳达大学的杰奎因·克里亚多-雷耶斯(Joaquin Criado-Reyes)和同事意识到,原先实验中一个潜在的因素被忽视了:容器的材质

米勒所模拟的大气是高度碱性的。当碱性液体与烧瓶内壁的硼硅酸盐玻璃接触时,即使是这种被强化过的玻璃应该也会出现轻微的溶解,并释放出一些物质进入蒸汽。

为了验证他们的设想,团队重新设计了三个不同版本的米勒-尤里实验,三项实验的实验装置和化学试剂都一样,但主要差异在于容器的材质。

他们使用了原始实验中用到的相同类型的硼硅酸盐玻璃容器重复了实验,并用特氟龙(聚四氟乙烯)的容器重新进行了研究。特氟龙在20世纪50年代还没有得到广泛使用,而这种材料具有较高的化学惰性。

在第三个版本的重复实验中,他们还将玻璃碎片加到了特氟龙容器中混合。

实验设计示意图。| 图片来源:Scientific Report (2021)

结果表明,玻璃容器确实含有最多样的复杂有机反应产物的混合物,而在没有玻璃碎片的特氟龙容器中产生的复杂化合物要少得多,相比之下,含有玻璃碎片的特氟龙容器产生的复杂化合物要少一些,这可能是因为玻璃碎片的组合表面积比玻璃烧杯本身的表面积更少。

这一结果实际上支持了团队的猜想,玻璃内表面的腐蚀影响了实验的结果。被释放进溶液的二氧化硅分子可能起到了催化剂的作用,加速了氮、碳和氢原子之间的化学反应,最终促成了有机分子的形成。

此外,腐蚀也在玻璃内表面形成了许许多多的小坑,它们或许也能扮演一种微型反应室的角色,从而加速反应。

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有趣的是,对一些“米勒派”的学者来说,这样的结果是对最初实验结果的又一次肯定:这恰恰更真实地模拟了地球环境,因为超过九成的地壳是由硅酸盐组成的,实验中的玻璃就好像地球上的岩石,可能催化了反应。

更近期的一些研究同样认为,生命起源很有可能是大气、雷电风暴、富含硅酸盐的地表和液态水共同作用的结果。

但显然,答案远没有那么简单。一些科学家表示,米勒-尤里实验在某种程度上来说“过于成功”了,以至于人们一度以为,生命起源之谜已经有了答案。

但随着更多发现的出现,比如深海“黑烟囱”生态系统的发现,让人们意识到,在化学能的推动下,生命在不见阳光的地方仍然可以蓬勃发展。

生命远比我们想象的顽强得多,而答案也不一定就藏在被原始大气笼罩的地表“原始汤”里。