米勒-尤里实验是一项关于有机化合物非生物合成的开创性研究，可能与生命起源相关。将简单气体引入玻璃装置中，并通过电火花放电，模拟早期地球大气-海洋系统中闪电的作用。实验持续进行一周，随后对收集的样品进行分析，以检测其中是否存在生命所需的化学基本组分。
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摘要
摘要
1953年，斯坦利·米勒（Stanley Miller）报道了利用一种模拟原始地球大气-海洋系统的装置，从简单的气体起始原料中生成生物分子的实验结果。米勒向装置中加入200 ml水、100 mmHg的H2、200 mmHg的CH4和200 mmHg的NH3，然后在回流条件下对混合物施加电火花放电一周，同时加热水。本文的目的是为读者提供一个通用的实验方案，可用于使用简化的3 L反应瓶进行米勒-尤里（Miller-Urey）类型的火花放电实验。由于实验涉及将易燃气体暴露于高压电火花下，因此有必要强调可降低爆炸风险的关键步骤。本文所述的一般性操作步骤可推广用于设计和开展多种模拟原始行星环境的电火花放电实验。
引言
地球生命起源的本质仍是科学界最难以捉摸的重大问题之一。20世纪20年代，俄罗斯生物学家亚历山大·奥巴林（Alexander Oparin）与英国进化生物学家、遗传学家约翰·霍尔丹（John Haldane）提出了“原始汤”的概念1,2，用以描述早期地球海洋中可能含有促进化学进化的有机化合物。然而，直到20世纪50年代，化学家才开始系统地开展实验室研究，旨在阐明在早期地球条件下，有机分子如何从简单的起始物质合成。其中最早的一项研究报道于1951年，通过辐照水溶液中的CO2成功合成了甲酸3。
1952年，当时还是芝加哥大学研究生的Stanley Miller向Harold Urey提出进行一项实验，以评估生命起源所需的重要有机化合物是否可能在早期地球条件下非生物合成。该实验使用一套定制的玻璃装置（图1A）进行，旨在模拟原始地球环境。Miller的实验通过电火花放电作用于代表早期大气的气体混合物，并在存在液态水储层（代表原始海洋）的条件下模拟闪电过程。该装置还分别利用加热套和冷凝器模拟蒸发和降水过程。有关Miller所用装置的具体细节可参见其他文献4。经过一周的电火花作用后，烧瓶内的物质发生了明显变化：水变为浑浊的红褐色5，电极上积聚了黄褐色物质4。这项开创性工作被认为是首次在模拟原始地球条件下有意识、高效地合成生物分....
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方案
1. 搭建歧管/真空系统
- 使用玻璃歧管将气体引入反应瓶中。该歧管可购买或由玻璃吹制设施自制，但必须包含可与真空系统、气体钢瓶、真空计及反应容器连接的真空密封接口。
- 在歧管上使用磨口玻璃接头和带阀门的玻璃插头。确保插头上的所有O型圈均能实现必要的密封。若使用磨口接头，必要时可涂抹适量真空脂以帮助密封。可使用硅基真空脂以避免潜在的有机污染。
- 在歧管上使用玻璃活塞。仅需涂抹最低限度的真空脂以实现密封。
- 测量歧管的体积。该体积将用于计算3 L反应瓶中的最终气体压力，应尽可能精确地测定。
- 除非歧管具有足够接口可同时连接所有气体钢瓶，否则应一次连接一个钢瓶。连接时应包含一个旋塞，以便将歧管与环境大气隔离。
- 使用合适、洁净、惰性且耐化学腐蚀和防漏的管路及Ultratorr真空接头将气体钢瓶连接至歧管。使用Ultratorr接头时，应手动拧紧。
- 将可达到 <1 mmHg 真空度的真空泵连接至歧管。真空泵的排气口应置于通风橱内，或通过其他方式妥善排风。
- 为确保快速达到真空并保护真空泵，应在歧管与真空泵之间安装捕集阱。推荐使用液氮指形冷阱，因其可防止NH3、CO2和H2O等挥发性物质进入泵体。需注意，当捕集的挥发性物质升温时，可能造成歧管内压力过高，导致玻璃破裂。
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结果
电火花放电实验所合成的产物可能相当复杂，可用于研究这些产物的分析方法多种多样。本文讨论了文献中分析氨基酸时较为常用的几种技术。色谱法和质谱法是分析米勒-尤里型电火花放电实验所产生的复杂化学混合物时极具信息量的技术。氨基酸分析可采用以下方法进行 o邻苯二甲醛/N-乙酰-L-半胱氨酸（OPA/NAC）16一种手性试剂对，可标记伯氨基团，生成可在非手性固定相上分离的荧光非对映异构体衍生物。 图2 显示了通过高效液相色谱-荧光检测联用三重四极杆质谱（HPLC-荧光检测-QqQ-MS）获得的OPA/NAC衍生化氨基酸标准品的色谱图。该标准品所含氨基酸通常在米勒-尤里型火花放电实验中生成。这些氨基酸的种类列于下表 表1典型的样品和分析空白的代表性荧光轨迹如图所示 图3，展示了米勒-尤里型电火花放电样品的分子复杂性。该样品的色谱图如 图3 通过火花放电实验制备，起始条件如下：300 mmHg 的 CH4，250 mmHg 的 NH3，.......
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讨论
本实验方案中描述的多个步骤对于安全、正确地开展米勒-尤里（Miller-Urey）类型实验至关重要。首先，所有将与反应瓶或样品接触的玻璃器皿和样品操作工具均需灭菌。灭菌方法是使用超纯水（18.2 MΩ cm，总有机碳含量 <5 ppb）彻底冲洗待处理物品，随后用铝箔包裹，并在空气中 500 °C 下高温灼烧至少 3 小时。设备完成灼烧后，在准备样品进行分析的过程中，必须注意避免有机污染。可通过佩戴腈手套、实验服和护目镜来降低污染风险。操作样品时应远离身体，因为常见的污染源包括指纹、皮肤、头发和呼出的气体。应避免接触湿手套，并不得使用任何乳胶或尼龙材料。第二，在向反应瓶中通入气体之前，必须对反应瓶进行充分的脱气处理，这一步骤至关重要。即使反应瓶中存在微量分子氧，在电火花引入甲烷（CH4）等易燃气体时也可能引发爆炸风险。脱气过程中，瓶内水会沸腾，导致无法获得稳定的真空读数。此时可采用两种方法：1）通过冷冻-解冻循环进行脱气（通常使用 3 次循环），或 2）直接对液体溶液进行脱气。在后一种情况下，虽会损失少量水，但相对于总体积而言损失量较小。第三，必须精心构建一套配备完善且高效的装置，以确保在整个实验过程中电极间产.......
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披露
作者声明不存在竞争性财务利益。
致谢
本工作由美国国家科学基金会（NSF）和美国国家航空航天局（NASA）天体生物学项目共同资助，项目编号分别为化学演化研究中心 CHE-1004570 和戈达德天体生物学中心。E.T.P. 感谢 NASA 行星生物学实习项目提供的额外资助。作者还感谢 Asiri Galhena 博士在建立初期实验室设施过程中提供的宝贵帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 玻璃塞用于歧管 | Chemglass | CG-983-01 | |
| 高真空润滑脂 | Apiezon | N/A | 型号 M/N |
| 硅基高真空润滑脂 | 道康宁（Dow Corning） | 1597418 | |
| 特氟龙PFA管 | McMaster-Carr | 51805K54 | |
| Ultra-Torr真空接头 | Swagelok | SS-4-UT-6 | |
| 干式旋片真空泵 | Edwards | A72401905 | |
| U型管压力计 | Alta-Robbins | 100SS | |
| 钨电极 | Diamond Ground Products | TH2-1/16 | 含2%二氧化钍 |
| 甲醇 | Alfa Aesar | N/A | 超纯HPLC级 |
| 聚四氟乙烯涂层磁力搅拌子 | McMaster-Carr | 5678K127 | |
| 气态NH3 | Airgas | AMAHLB | 纯度99.99% |
| 气态CH4 | Airgas | ME UHP300 | 纯度99.99% |
| 气态N2 | Airgas | NI UHP300 | 纯度99.999% |
| 特斯拉线圈 | Electro-Technic Products | 15001 | 型号 BD-50E |
| 24小时插电式基本定时器 | 通用电气公司（General Electric Company） | 15119 | |
| 清洗洗涤剂 | Alconox | 1104 | |
| 甲苯 | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | N/A | Optima级 |
| Luna苯基-己基HPLC色谱柱 | Phenomenex | 00G-4257-E0 | 品牌：Luna |
| 甲酸 | Sigma-Aldrich | F0507 | 用于配制50 mM甲酸铵溶液 |
参考文献
- Oparin, A. I. The Origin of Life. , Izd. Moskovshii Rabochii. (1924).
- Haldane, J. B. The origin of life. Rationalist Annu. 148, 3-10 (1929).
- Garrison, W. M., Morrison, D. C., Hamilton, J. G., Benson, A. A., Calvin, M.
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重印与许可
