第十五讲 创生记——米勒实验

道生一，一生二，二生三，三生万物。

生命从哪里来？

这是一个科学的问题，也是一个哲学的问题。是生物学的第一“天问”。

最早的第一个细胞是怎么产生的？

遗传物质的RNA、DNA是怎么拼出复杂的密码的？

蛋白质是怎么从氨基酸、多肽链盘绕折叠形成的？

我们这里讲的第一个实验，探讨氨基酸形成。　

这个实验是由一对师生设计完成的。老师叫尤里，曾经得到过玻尔的指点和培养。因为发现氢的同位素氘（重氢），于1934年获得诺贝尔化学奖。

他在芝加哥大学上课时，曾经有一次讲座，讲到太阳系的起源和地球原始大气中可能的有机物合成，让教室里的一个博士生灵感迸发。这位学生叫米勒。

1952年，米勒和尤里一起设计了一个模拟实验，模拟在原始地球大气中进行雷鸣闪电能产生有机物（特别是氨基酸），以论证生命起源的化学进化过程。当年米勒年仅22岁。

我们知道，有机物（如氨基酸，蛋白组，DNA,RNA，多肽，纤维素等等）是构成生物的基础物质。

他们在一个密封的装置内，注入甲烷、氨、氢气以模拟原始大气成分，小烧瓶中的水模拟原始海洋，用酒精灯加热烧瓶模拟地热活动，形成水蒸气，进入大烧瓶。然后，电极持续产生电火花，拟电闪雷鸣。之后，模拟大气冷却，水冷凝成溶液进入设备底部的U型阱中。

考虑到生命起源是个非常漫长的演变过程，米勒本来预计实验会进行很长时间，但没想到U型阱中的溶液一天后就变成粉色，一周后就变浑浊了，成了一锅“原始汤”。米勒提取这个“原始汤”进检测，发现了有机物和氨基酸——这是“无中生有”，从无机物生出了有机物。

很短时间内，他们得到了20种有机化合物，其中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的。

米勒的实验在当时很有创新性，启发科学家沿着化学进化这一方向进行更深入的研究，去探索生物分子的非生物合成。世人为之震惊，他们的成果登上了当年《时代周刊》的封面。

2007年米勒去世后，他的学生“继承”了他的实验装置，通过更精密的仪器测试，发现40多种氨基酸——这锅汤里的“黑暗料理”居然远远超过生命所需。

米勒曾经因为这个实验，被多次提名诺贝尔奖。为了纪念他，国际天体生物学会设立了“斯坦利·米勒奖”，奖励37岁以下的年轻科学家。

虽然米勒实验证实由无机物合成小分子有机物是完全有可能的，但这仅仅碰触到了化学进化的冰山一角，还远远不能完全揭示生命的奥秘。

首先，很难证实米勒模拟的大气状况完全符合真实情况，据说米勒自己也曾经指出：“这些见解只是推测，因为我们根本不知道地球当初形成时，大气是否处于还原状态……目前还没有直接的证证实这一点”。

其次，即使米勒实验的模拟是成功的，无机小分子可以生成生物小分子，但也只是为历史上的生命来源提供一种可能性。化学进化的另一种可能方式是新泛种论，这种理论认为在地球早期演化过程中，星际有机分子进入地球，“一石西来，天外飞仙”，带来了生命的萌芽和原料。米勒和尤里在发表关于该经典实验的文章时，采用的题目为《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》，表只是一种可能的猜测。

最后，假设米勒解决了氨基酸形成的问题，他距离生命起源的真正答案仍然很遥远，因为随着科学研究的进展，人们已经证明了DNA和RNA才是遗传物质，是它们指导氨基酸合成蛋白质。

那么，DNA和RNA是怎么产生的呢？

我们先假设化学进化学说是对的，那么由无机物可以得到简单的有机物小分子，后者将进一步构成具有生物功能的大分子，而这些生物大分子又是以什么顺序出现？

1967 年，施皮格尔曼在试管中制造出了一种“怪物”，给了人们一种思路。

施皮格尔曼用一种编号为 Qβ的噬菌体做实验。这种病毒有4217个核苷酸。

施皮格尔曼向试管中的噬菌体添加复制酶和核苷酸，病毒连续进行几轮自我复制后，一个突变体出现了。这个突变体小一些，核苷酸数目少一些，但它的复制速度比原来的病毒快得多。复制速快是一种生存竞争优势。

随后，另一个更小的变体出现，并替换了前一个变体。

由于整个实验在试管内进行，底物资源有限，噬菌体的RNA 分子越短，复制所需要的能量、物质与时间就越少，复制出的总量就越大，所占比例也就越高。

最后，病毒演化成为一小段只有220个核苷酸的RNA，它是能识别复制的最小单位。这个试管小怪物只要条件允许，就可以继续高速地复制，比原来的噬菌体更有生存优势。

施皮格尔曼的实验，好似领着我们时光逆转，看到RNA分子还是很小单位的时候，是如何生机勃勃的。

RNA作为很多病毒的遗传物质载体，既有DNA的自我复制能力，又具有蛋白质的催化性质，科学家推测RNA可能是RNA、DNA和蛋白质这三者中最古老的分子，在起初时“既当爹又当妈”，同时承担了NA和蛋白质的功能。后来渐渐出现形态功能的分化，分别衍生出了DNA和蛋白质。

1986年，诺贝尔奖得主吉尔伯特提出“RNA世界”一词，认为在生命创生的过程中，先出现RNA。

因为没有人目睹生命形成的过程，前面介绍的应该说都只是假说和理论，不是绝对的事实。

如果把地球46亿年历史，压缩成一天一夜24小时，会发生什么？你眼里的世界就像一部卡通影片。

0:00，太阳系刚刚形成，剩下的星云残骸开始逐渐融合到一起，这个滚烫的煤球就是原始的地球。

0:47，地球表面开始慢慢冷却，固体地壳也逐渐形成。

1:50，大气层温度渐渐趋于稳定，地球下起一场持续百万年之久的滂沱大雨，所有的水源汇聚在一起，并形成了早期的原始海洋。

3:00，在海底最深处火山口的边缘，一群有机分子悄然出现。米勒实验产生的氨基酸，施皮格尔曼怪物，都出现在此刻。

5:00，所有细胞的祖先“露卡”诞生了。

下午4-5点，线粒体被某一个细胞捕获。这个故事，我们将在下一讲中分解。

晚上8点半左右，夜幕中，复杂的多细胞生物开始出现。而后，寒武纪的生物蓬勃生长，奥陶纪、泥盆纪、二叠纪和三叠纪共四次生物大灭绝。两栖动物在水陆间游刃有余，爬行动物在陆地游，昆虫在空中翩翩起舞，恐龙成了王者。

晚上11:39，一个直径达10公里的陨石撞上了地球，巨大的冲击力引发了毁灭性的灾难，古生物“明星”恐龙灭绝。

晚上11:40，一只浑身覆盖着毛发、外形像老鼠的小动物在灾难中幸存了下来，它是如今所有灵长类动物的共同祖先——始祖兽。你是认还是不认？

晚上11:59:22，人属的第一个动物，在地球上站立了起来。

晚上11:59:58，拥有思维能力的早期智人，在非洲大陆上狩猎。

在最后的0.1秒，苏美尔文明，华夏文明，埃及古文明，印度古文明，陆续出现。

在最后的0.002秒，科学家提出了进化论、豌豆实验、染色体理论、DNA双螺旋结构、基因编码、DNA测序、米勒实验……

如果你把各种生命看作是DNA的一种形式或者容器，你会发现在地球和生物的漫长历史中，DNA利用变异来探索各种生存的可能，通过遗传把种子繁衍下来，在环境的变化中进行各种各样的演化一步步成就了如今的世界，此刻的你我。

而此刻的你我，是石火光中的一刹那。这一刹的花火，该如何存在？