米勒-尤里實驗

米勒-尤里實驗（Miller-Urey experiment）是一項模擬假設性早期地球環境的實驗，研究目的是測試化學演化的發生情況。尤其是針對亞歷山大·歐帕林與約翰·伯頓·桑驗，該學說認為早期地球環境使無機物合成有機化合物的反應較易發生。

米勒-尤里實驗是關於生命起源的經典實驗之一，由芝加哥大學的史丹利·米勒與哈羅德·尤里於1953年主導完成，其結果以《在可能的早期地球環境下之胺基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions）為題發表。米勒實驗對後來探索前生物分子的非生物合成具有相當大的啟發性，至今依然是教科書中關於生命起源的經典實驗。

實驗方式與結果

實驗圖解。右下燒瓶模擬海洋環境，左上燒瓶則模擬閃電。

在實驗中，研究者將水（H₂O）、甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、氫氣（H₂）與一氧化碳（CO）密封於無菌狀態下的玻璃管於燒瓶內，並將其連結形成一個迴路。裝置中的一個燒瓶裝着半滿的液態水，另一個則含有一對電極。首先將液態水加熱促使其蒸發，進而產生水蒸氣；而另一燒瓶的電極通電後會產生火花，以模擬閃電。水蒸氣經過電極之後，又再度凝結並重回原先裝水的燒瓶中，使實驗得以循環進行。

於實驗開始一週後的觀察中發現，約有10%到15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬於胺基酸，以甘胺酸最多。而糖類、脂質與一些其他可構成核酸的原料也在實驗中形成；核酸本身，如DNA或RNA則未出現。在實驗中產生的各種化合物皆同時有左式與右式之鏡像異構物。（註：一般報導將「左式 L-form」「右式 D-form」誤譯為「左旋」「右旋」，事實上幾乎所有生物化學的教材均說明生物胺基酸為「左式 L-form」，但卻大多為「右旋光性」）

除了上述實驗之外，米勒還進行了其他相關的實驗，但這些實驗都沒有發表，產物也沒有進行分析。2008年，11名科學家重新分析了米勒-尤里實驗留下的實驗瓶樣品，藉助於高效液相色譜和質譜技術，他們發現該實驗產生的有機化合物比原先報道的要多。有機物數量最多的是一個模擬火山爆發情景的實驗：水蒸氣推動着其他氣體進入一個經過改造的燒瓶中，加入抽氣裝置，使氣體流動的速度加快。在電火花的作用下，水分子在這種情況下可以均裂生成羥基自由基，再加之其他分子參與的反應，該實驗一共得到了22種氨基酸，5種胺，以及很多羥基化的化合物。羰基硫可以幫助這些氨基酸縮合形成多肽。這些進一步的研究為化學演化的假說提供了證據，使生命起源的問題再次回歸焦點。

米勒實驗證明：由無機物合成小分子有機物是完全有可能的。

實驗反應式

實驗中首先形成醛（R-CHO）與氰化氫（HCN），而兩者可作為接下來化學反應的原料，經由下列等通式生成其他化合物：

式一:	R-CHO + HCN + H2O	→	H2N-CHR-COOH
	醛		胺基酸

式二:	R-CHO + HCN + 2 H2O	→	HO-CHR-COOH + NH3
	醛		羥基酸

含碳產物列表

由初始的59000微莫耳（μmol）的甲烷（CH₄）所形成的含碳產物：

產物	化學式	化合物莫耳數 (μmol)	每一分子的碳原子數	碳原子莫耳數 (μmol)
甲酸	$H-COOH$	2330	1	2330
甘氨酸*	$H_{2}N-CH_{2}-COOH$	630	2	1260
乙醇酸	$HO-CH_{2}-COOH$	560	2	1120
丙氨酸*	$H_{3}C-CH(NH_{2})-COOH$	340	3	1020
乳酸	$H_{3}C-CH(OH)-COOH$	310	3	930
β-丙氨酸	$H_{2}N-CH_{2}-CH_{2}-COOH$	150	3	450
乙酸	$H_{3}C-COOH$	150	2	300
丙酸	$H_{3}C-CH_{2}-COOH$	130	3	390
亞氨基二乙酸	$HOOC-CH_{2}-NH-CH_{2}-COOH$	55	4	220
肌氨酸	$H_{3}C-NH-CH_{2}-COOH$	50	3	150
α-氨基丁酸	$H_{3}C-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	50	4	200
α-羥基丁酸	$H_{3}C-CH_{2}-CH(OH)-COOH$	50	4	200
琥珀酸	$HOOC-CH_{2}-CH_{2}-COOH$	40	4	160
尿素	$H_{2}N-CO-NH_{2}$	20	1	20
N-甲基尿素	$H_{2}N-CO-NH-CH_{3}$	15	2	30
3-氮雜己二酸	$HOOC-CH_{2}-NH-CH_{2}-CH_{2}-COOH$	15	5	75
N-甲基丙氨酸	$H_{3}C-CH(NH-CH_{3})-COOH$	10	4	40
穀氨酸*	$HOOC-CH_{2}-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	6	5	30
天冬氨酸*	$HOOC-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH$	4	4	16
α-氨基異丁酸	$H_{3}C-C(CH_{3})(NH_{2})-COOH$	1	4	4
	總計	4916		8944

（*合成蛋白質的胺基酸)

對米勒試驗的補充

很多人使用斯坦利·米勒在1953年進行的實驗作為證據，證明生命在最初可能是自然發生的。可是，他的解釋能否成立，卻基於一個假設，就是地球的原始大氣是「還原性」，而非「氧化性」的。那就是說，當時的大氣僅含有極微量的自由（未經化學結合的）氧。這一點是一個十分重要的前提。

查爾斯·撒克斯頓《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》一書指出，如果當時有許多自由氧存在，「氨基酸就不可能形成；即使有些氨基酸碰巧產生了，它們也會迅速分解」。米勒完成了他的實驗後，過了兩年，發表了一篇經典的論文，其中指出：「當然，這些見解只是推測，因為我們根本不知道地球當初形成時，大氣是否處於還原狀態。……目前還沒有直接的證據證實這一點。」

大約二十五年後，科學作家羅伯特·考恩說：「科學家不得不重新評估他們的若干假設。……他們沒有找着什麼證據去支持他們的主張，證明最初的大氣是充滿氫而高度還原的，有些證據更顯示情形剛剛相反。」

1991年，約翰·霍根在《科學美國人》（Scientific American）發表的文章指出：「過去十多年來，有越來越多人質疑尤里和米勒就大氣所作的假設。根據科學實驗及用電腦重現的大氣……顯示，當時來自太陽的紫外線輻射（現在受大氣中的臭氧層所阻隔）可以破壞大氣里含氫的分子。……這樣的大氣［二氧化碳和氮］對於形成氨基酸和別的生命要素十分不利。」

既然這樣，為什麼還有許多科學家堅稱地球早期的大氣是還原的，只含有極少的氧呢？西德尼·福克斯和克勞斯·多斯在《分子進化與生命起源》中回答說：當時的大氣必然缺乏氧，原因之一是，「實驗室的實驗顯示，進化的化學階段……會受到氧所抑制」；此外，「在有氧的地質時期」，像氨基酸一樣的化合物是「不穩定」的。

後續探索

米勒教授在作了他的實驗四十多年後告訴《科學美國人》雜誌說：「生命起源的奧秘，原來比我和其他大部分人所估計的更難解開。」其他科學家的想法也有同樣的轉變。例如早在1969年，生物學教授迪安·凱尼恩跟別人合著了《生化學預定論》。但較近期的時候，他指出：「物質可以自行跟能量組織成生物系統，這件事根本是難以置信的。」

凱尼恩認為：「目前所有用化學解釋生命起源的理論，都犯了根本上的錯誤。」實驗證明他的看法是對的。米勒和其他科學家合成了氨基酸後，科學家着手製造蛋白質和DNA；這兩種物質都是地上生物維持生命所必需的。科學家在生命起源以前的環境裏進行了數千次試驗。《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》指出：「我們在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白質和DNA卻始終失敗；兩者形成了強烈的對照。」科學家在合成蛋白質和DNA方面所作的努力，可以用「總是失敗」來形容。

要解開的謎並非僅限於第一個蛋白質分子和第一個核酸分子（DNA或RNA）怎樣產生，同時也包括它們怎樣共同發揮作用。《新大英百科全書》說：「惟獨這兩種分子共同發揮作用，生物才可能在地上生存。」可是這套百科全書指出，這兩種分子怎麼會彼此緊密合作，「在生命起源方面」仍然「是個關鍵性的啞謎」。 米勒試驗中產生的氨基酸是外消旋體，既有L型也有D型的，二者的比例差不多相等。然而生物用於構建蛋白質的氨基酸卻都為L型氨基酸。為什麼生物偏好L型氨基酸，這仍然需要進一步探索。

在大約一百種已知的胺基酸中， 只有20種是蛋白質的成分，而所有這些胺基酸都是左式的。科學家曾仿照他們認為在生命起源以前的太古濃湯裏發生的情況，在實驗室裏製造胺基酸。他們發現，這樣製造出來的胺基酸分子，右式和左式的數目相等。《紐約時報》報道說：「生命完全有賴於左式的胺基酸，所以這種左右式胺基酸各佔一半的現象並不常見。」為什麼活物完全由左式胺基酸所組成，至今仍然是個「莫大的奧秘」。不過，根據NASA的科學家對隕石的研究，發現太空中隕石上的氨基酸存在異構體過量，即L型氨基酸比例高於D型氨基酸。

外部連結

• A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions by Stanley L. Miller