米勒与福克斯的前生物体的模拟实验

二、米勒与福克斯的前生物体的模拟实验

米勒和福克斯是继奥巴林之后重要的蛋白质生命起源观的探寻者。米勒用大气放电将还原性大气成分合成了氨基酸等化合物，而福克斯用热干法合成类蛋白质，并提出氨基酸在形成类蛋白质的自排序能力，都为蛋白体的生命起源提供了可能证据。

1.米勒的原始大气模拟合成实验

（1）什么是原始大气

奥巴林在研究地球上生命起源时，就提出了早期地球是没有氧气的还原性大气圈的看法。这里将涉及地球降生之简历，地球是太阳系的一员，与太阳同源，比太阳略晚一点出现，年龄约50亿年。那时的太阳系是由宇宙大爆炸时出现的一团火热气体和尘埃物质组成的原始星云，地球就是其中一团星云不停地围绕太阳形成的球体。地球形成的第一个阶段称作冥古宙（Padean）。整个地球就像一个炽热的火球，温度高达5000℃。地球在燃烧了百万年之后才逐渐冷却下来，质量较大的地核下沉、质量较轻的矿物质则不断地上升形成了地壳。现在我们称之为“地球”的星球才真形成。

地球第一代大气圈的主要大气成分是氢、氦、氖，它们很快摆脱地球引力而遨游太空。随之，地核炽热再现，火山喷发不断，喷出大量气体，形成了第二代大气。这时的原始大气，不以碳、氢、氧、氦分子状态而以化合物形式存在。它们的成分主要有甲烷、CO、CO₂、NH₃、O₂（少量）、H₂、硫化氢、盐酸和水气等。科学家认为化学演化的初始阶段，CH₄、NH₃、H₂、CO₂和H₂O扮演了重要角色，它们在强烈阳光、射线、闪电、火山喷发作用下生成了氨基酸、嘌呤、核糖、叶啉以及烃类等有机小分子。通常人们喜欢用这样的形象图表达生命演化前的物质准备（图2-3），视为C、H、O、N四大元素大闹天宫的过程。

图2-3　原始地球大气与有机物形成

其实，如果当时大气圈含有大量的氢的高度还原性条件，则大气中的N₂或CO与氢反应，可直接生成的甲烷和氨，甲烷与氨在大气放电作用下，能产生氰化氢和乙酸，这样又可形成氨基酸和羟基酸。它们的简单反应式如下：

CO+3H₂→CH₄+H₂O

N₂+3H₂→2NH₃

CH₄+NH₃→HCN+3H₂

CH₄+CO→CH₃CHO

RCHO+NH₃+HCN→RCH(NH₂)CN+H₂O

这就是米勒等人所做的火花放电实验模拟原始大气组成成分的依据。

（2）米勒的模拟实验

1953年，美国芝加哥大学尤里（Harold Urey）和米勒（Stanley Miller）最先提出而后由米勒进行大量的生命起源的实验探讨而命名为尤里—米勒实验或米勒模拟实验。这个实验设计了还原性原始大气条件下的火花放电装置和水蒸气发生烧瓶组成（图2-4）。玻璃器事先抽真空，除去O₂ ，然后通入一定量的CH₄、NH₃、H₂和水蒸气（H₂O）给予火花放电，几天或一周后停止。取样分析表明，水液色泽发生改变，内含多种氨基酸，还有少量脂肪酸及甲烷、甲醛、乙酸等，其中，氰化氢和甲醛为中间产物容易消失。这是人类首次成功地模拟化学进化的第一步，即从无机分子合成简单的前生物化学分子。

图2-4　米勒模拟实验装置

随后，米勒及其他学者重复和改造他们的实验，采用不同的混合气体（如增加N₂ ）、不同形式的能源（如热、离子辐射、紫外线等）以及不同的催化剂（如重金属和黏土等），成功地进行了多种非生物有机合成的模拟试验。试验证明，H、C、N可以合成5种嘌呤、嘧啶，用HCHO可以合成多种糖和氨基酸，而多肽与核酸的无酶聚合试验也取得了进展。

总之，在20世纪后半期，这种模拟试验已别开生面向纵深发展，从模拟原始大气、原始海洋到海陆交替的黏土，矿物催化表面以及干热谷、海底热泉口的聚合反应进行探索。所以，有人认为米勒的实验是解开生命起源之谜的重要转折点，也为奥巴林的蛋白质团聚体和福克斯的类蛋白微球体实验提供了有力理论依据与修正了不足之处。

2.福克斯的类蛋白的微球体与干热聚合说

（1）干热聚合反应

美国化学家福克斯（Fox.S.W）学派研究生命起源始于20世纪50年代，比奥巴林晚，大有后来追上之势，其观点与奥巴林相近似。他们在六七十年代做了大量人工模拟试验，解决了自然性的多肽聚合难题，提出了生命起源的类蛋白微球体（proteinoid microbody ）干热聚合学说。福克斯著有《分子进化与生命起源》和《前生物系统的起源》，正好回答了当时生命起源化学演化三步曲的新论点。

根据热力学分析，蛋白质高分子的合成，只要消除产生水就可以完成，这样的条件在海洋不行而火山熔岩附近可以发生，使氨基酸合成多肽。福克斯等人利用这样的假设进行实验，开始以谷氨酸和天冬氨酸混合在160～200℃下加热1～6h得到分子量5000～6000的多肽聚合物。随之，逐步加入蛋白质组成的其他氨基酸，不断扩大热聚合，终于获得了蛋白质特性的聚合物，命名为“类蛋白质”（proteinoid）。如果在反应中加入磷酸化合物，类蛋白合成更容易，当温度降到700℃时产率更高。这种类蛋白具有催化作用，与酶的功能相似，也有水解、脱羧、氨化和氧化还原作用。

（2）类蛋白微球体

类蛋白微球体学说的含义就是把干热聚合的类蛋白质溶解于稀盐酸中制成类蛋白质微球体而言的一种原始型细胞模型。为此，福克斯实验完成了以下几方面有意义的工作。

①氨基酸测序。人们要问类蛋白的氨基酸排列结构怎样？从实验测定的统计数字看，它的内部排列并不完全随机，也不是均匀的或无序的混合物。那么，是什么力量能使氨基酸排列成一定秩序呢？他们认为氨基酸的个别性状、肽链的立体结构因素支配着氨基酸的排列。这样，氨基酸在形成类蛋白质时的自排序能力是非常有意义的。它至少回答了在没有核酸密码时，类蛋白也能形成一定秩序性，是成为化学进化的出发点。后来，Eigen（1971）提出的分子自组理论也支持了福克斯的这项研究成果。

②类蛋白微球体的功能。福克斯实验室把酸性类蛋白放到稀盐酸溶液中加热溶解冷却后，却出现白浊，用显微镜观察，发现形成了无数球状小体，称之为类蛋白质微球体。当它与酸接触时会形成大小不一致的微球体，并证明是一个较好的原始细胞模型。它与细菌有相似的形态、结构，可以用离心法收集经计数，1g类蛋白物质可生成大约1亿个微球体，大小在2μm左右，且有双层膜的外界。这种微球体在高渗盐溶液内发生收缩，在低渗液中发生膨胀反应，此外，它还能吸收营养，出现分裂增殖现象，即具备了新陈代谢能力。

以上奥巴林、米勒和福克斯的生命起源化学发生说，其主要观点与思路同出一辙，都是由无机到有机，先有氨基酸发生而聚合成蛋白质在溶液中形成类蛋白质的团聚体或微球体，具有原始细胞之模式进行生命之演化。当然，各人在论证中的方式方法有所不同，福克斯的实验性工作，无疑比奥巴林设想更进了一步，而米勒后来则转向肽核酸（PNA是RNA的前身）的研究。这些工作的重要意义在于提出了生命起源的化学演化之路，其中，蛋白质的生命演化是否是原始的成功之路还是值得讨论的。因为，从今天看来，蛋白质的生物合成，还需要先有核酸。