生活科學補給站

化學

生物

健康教育

地球科學

數學

生活科技

物理

專題導言

STEAM

米勒與尤里的生命起源實驗

文／周炳辰　臺大科教中心特約撰述
1953年，米勒（Stanley Lloyd Miller，1930-2007）在尤里（Harold Clayton Urey，1893-1981）的實驗室作 實驗。在五○年代世界上有許多實驗室都在尋找生命的起源。1924 年歐帕 林（Aleksandr Ivanovich Oparin，1894- 1980）提出假說，他認為地球早期的大 氣層和現在的組成成分不太一樣，原始的大氣層缺乏氧氣，只要給予充足的能量，例如閃電或紫外線，就可以組成簡 單的有機化合物，這些有機化合物會再 進行更複雜的有機化學，形成更複雜的 化合物，參與各種演化的過程，最終形成生命。在那之後，哈爾登（John Burdon Sanderson Haldane，1892-1964）也獨立 提出類似的假說，例如蘊釀生命的原湯理論（Primordial Soup Theory），溫暖 的大海有點像以太陽為能源的超大型實驗室，簡單的分子互相碰撞和反應，終於形成胺基酸，生命就此開始。這些關於生命起源的假說非常迷人，許多研究 如火如荼地展開，尤里的實驗室也不例外。
圖片來源：
圖片來源：
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/M/Miller.html
米勒是尤里的學生，剛到芝加哥 大學（The University of Chicago），尤 里在課堂上介紹實驗之後，隨口說了一句：「也許該有人來作這些實驗。」米 勒就在下課後自告奮勇：「我想作這些 實驗。」起初尤里想勸退米勒，他認為這些實驗的未知數太多，可能會害米勒 沒辦法準時畢業，但是米勒非常堅持，終於說服尤里。米勒的實驗很直接，他把原始大氣層可能有的成分通通放在一個封閉的系 統裡，然後持續通電。電流代表閃電，他相信那個時候的地球可能是一個雷電 交加、風雨頻仍的世界。在一個星期後 他再來分析實驗結果，發現約有一成的 碳變成有機化合物的一部分，有百分之 二的碳甚至成為胺基酸的一部分。這是一個令人驚喜的成果！如果科學家想像 的原始地球環境是正確的，那麼米勒的 實驗可以證明：這樣的環境確實有可能 誕生生命。米勒使用的實驗設備並不複雜，他 在封閉的玻璃器皿之中灌入甲烷、氨、 氫和 200 mL 的水，其中有一個不斷蒸 煮的水瓶，提供必要的水蒸氣――象徵 溫暖的大海。這些混合甲烷、氨、氫和 水蒸氣的氣體會經過細細的管子和連接 高壓電的玻璃球――象徵滿布雷電的天 空，然後通過冷凝管冷卻，回到一開始 蒸煮的水瓶。他將通往水瓶的最後一段 管路設計成Ｕ形，盡量避免回流，如此 一來，倘若產生胺基酸或比較安定的有 機化合物，就會慢慢累積在水瓶裡，方 便他分析實驗結果。
實驗才進行第一天，蒸煮用的水瓶 就變成粉紅色的，一週之後甚至變成深 沉的酒紅色，看起來很混濁的樣子。溶 液會混濁主要是因為矽溶膠（colloidal silica）產生，而隨著實驗進展，有機化 合物附著在玻璃壁上，溶液就會看起來 偏紅。實驗結束後米勒立刻加入高濃度 的氯化汞避免微生物滋長，他必須這麼 做才能夠確定：如果發現有機化合物， 是因為他灌入的甲烷、氨、氫和水進行 反應所形成，而不是因為操作過程中可能遭遇的生物汙染。 透過這個實驗，米勒可以清楚 地解釋他觀察到的反應，例如甘胺酸 （glycine）會在甲醛和氰化氫出現之 後才產生，但當他試圖在《科學》 （Science）期刊發表實驗結果時，還 是遇到一些問題。他的發現意義重大，即使尤里為他的實驗背書，《科學》仍 然不敢輕易刊登。幸好他的實驗方法簡 潔明白，容易重複，其他人很快就能夠 驗證，不過還是有人質疑他的實驗或許 遭受微生物汙染。為此，米勒將整套玻 璃器材放入滅菌釜中進行高壓滅菌，滅 菌條件設在 15 psi，時間長達十八小時（通常僅須十五分鐘），結果獲得同樣 的結果。 如同許多偉大的發現，米勒和尤里 的實驗也有運氣的成分。
尤里從一開始 就認定甲烷是原始大氣層的主要成分， 事後我們知道只要使用還原性氣體就可 以獲得類似的結果，只是效果可能沒那 麼好。此外，他們架設玻璃器皿和蒸煮 用水瓶的方式也有很大的幫助，顯然他 們的方法很成功，因為一下就「煮」出 許多胺基酸。許多年後，在默奇森（Murchison, Australia）發現一顆隕石，在大約 100 Kg 的隕石上有高濃度的胺基酸（約 100 ppm），種類多達九十種，情況和米勒的實驗中產生的胺基酸類似。如果 胺基酸可以在歷經漫長的太空旅行，穿 越大氣層後仍存留下來，那麼隕石是不 是也應該納入生命起源的考量之中？米 勒認為：無論是原始地球或隕石，或某 個遙遠的地方，只要環境和條件正確， 就有可能誕生生命！「其實不一定要溫 暖的大海！」米勒說：「古老的地球除 了大海，還有湖泊、潟湖和海灘，這些 地方容易沖積化合物，只要溫度適合，也很可能孕育生命！」有批評者認為原始大氣層中不一 定像歐帕林、哈爾登和尤里等人認為的 充滿還原性氣體，氨僅能夠在前三萬 年穩定存在於大氣之中，而相對於地球 生命的時間軸，甲烷也只存在百分之一 的時間，在宏觀的演化進程下，地球實 際的情況很可能和米勒數週的實驗非常 不同；也有人認為米勒在實驗中持續對混合氣體通電，不能夠代表早期的大氣 層，因為再怎麼頻繁的閃電也不會「持 續通電」。或許因為這些原因，地球生 命中發現的蛋白胺基酸（proteinogenic amino acids）僅二十二種，而不是像實 驗或隕石上發現的九十種。可是，就算 如此，米勒的實驗仍然提供給我們重要 的立足點，和對於生命起源的許多想像。