指導(dǎo)思想（1）現(xiàn)在遠(yuǎn)離太陽、歷史上可能變化較小的巨行星（如木星和土星），它們的大氣都是沒有游離氧（O2）的還原性大氣，其主要成分是氫（H2）、氦（He）、甲烷（CH4）和氨（NH3）；由此推測原始地球的大氣，大概也是這樣的還原性大氣。（2） 據(jù)測定，現(xiàn)在能作用于地球大氣層的能源，主要是太陽輻射中的紫外線、雷電和宇宙射線等。其中宇宙射線不足以合成有機(jī)物，還原性氣體僅吸收短波紫外線，但短波紫外線（波長＜1500埃）在太陽輻射紫外線中僅占極微量，可作有機(jī)合成能源的量極少；而每年雷電次數(shù)較多，可作有機(jī)合成的能量較大，又在靠近海洋表面處釋放，這樣在原始地球還原性大氣中合成的產(chǎn)物就很容易溶于原始海洋之中。基于上述考慮，米勒在實驗室內(nèi)進(jìn)行了模擬原始地球還原性大氣中雷鳴閃電的實驗，看看能否合成有機(jī)物，特別是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等組成蛋白質(zhì)和核酸的生物小分子。
實驗步驟和結(jié)果 實驗裝置如圖所示。將水注入左下方的500毫升燒瓶內(nèi)。先將玻璃儀器中的空氣抽去。然后打開左方的活塞，泵入CH4、NH3和H2的混合氣體（模擬還原性大氣）。再將500毫升燒瓶內(nèi)的水煮沸，使水蒸汽（H2O）和混合氣體同在密閉的玻璃管道內(nèi)不斷循環(huán)，并在另一容量為5升的大燒瓶中，經(jīng)受火花放電（模擬雷鳴閃電）一周，最后生成的有機(jī)物，經(jīng)過冷卻后，積聚在儀器底部的溶液內(nèi)（圖中以黑色表示）（模擬原始大氣中生成的有機(jī)物被雨水沖淋到原始海洋中）。此實驗結(jié)果共生成20種有機(jī)物（如表1所示）。其中11種氨基酸中有4種（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質(zhì)所含有的。以后，米勒認(rèn)為，設(shè)想原始地球還原性大氣的成分是CH4、N2、微量的NH3和H2O的混合氣體更為合理，因為NH3不可能在大氣中大量存在，它會溶于海水中。他和他的合作者于1972年在上述混合氣體中進(jìn)行火花放電，結(jié)果得到35種有機(jī)物，其中有10種組成蛋白質(zhì)的氨基酸，即甘氨酸（440微克分子，以下均同此單位）、丙氨酸（790）、纈氨酸（19.5）、亮氨酸（11.3）、異亮氨酸（4.8）、脯氨酸（1.5）、天冬氨酸（34）、谷氨酸（7.7）、絲氨酸（5.0）和蘇氨酸（～0.8）。若在分析之前進(jìn)行水解，還可生成天冬酰胺和谷氨酰胺。若增加H2S，則可生成甲硫氨酸。在CH4、NH3、H2O和H2S混合氣體中進(jìn)行光解作用，可以找到半胱氨酸。對CH4及其它碳?xì)浠衔镌诟邷叵逻M(jìn)行熱解，可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前為止，用米勒模擬實驗和其它類似實驗，已能合成出20種天然氨基酸中的17種；其余三種（賴氨酸、精氨酸和組氨酸）相信在改進(jìn)技術(shù)之后，不久亦能合成。
氨基酸生成的可能機(jī)理 米勒在火花放電的頭125小時內(nèi)，不斷打開“U”形管的活塞抽樣，進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)首先合成了大量的氰化物和醛類；以后它們的合成速度逐漸下降，而在整個實驗期間，均以近乎恒定的速度合成氨基酸，其反應(yīng)過程大致如下：
就是說，首先甲烷與氨作用生成氰，甲烷與水作用生成醛類；然后氰、醛類與氨作用生成氨基腈（aminoni- trile）；氨基腈水解就生成氨基酸。
星際分子和隕石資料的佐證 上述過程現(xiàn)今在宇宙和其他天體還在發(fā)生，星際分子和隕石中有機(jī)物的發(fā)現(xiàn)可以證明。據(jù)我國天文工作者統(tǒng)計，到1985年為止，已發(fā)現(xiàn)星際分子66種，其中除氨、氰等十幾種無機(jī)分子外，大都是含C的有機(jī)化合物如甲醛、甲醇、甲酸、乙醇、丙炔腈（N≡C-C≡CH）等。星際分子中甲醛和氰的量很大，與米勒放電實驗中最初的中間產(chǎn)物相同。當(dāng)它們與氨反應(yīng)再經(jīng)水解就能生成氨基酸。1969年9月28日，一顆碳質(zhì)球粒隕石（carbonaceous chon- drite）墮落在澳大利亞的麥啟遜（Murchison）鎮(zhèn)，經(jīng)克文沃爾登（K.A.Kvenvolden）等化驗，發(fā)現(xiàn)含有18種氨基酸，其中有6種（甘、丙、纈、脯、谷、天冬）是生物所含有的，其種類與含量同米勒放電實驗生成的頗為相似（見表2）。此外，1971年沃森（G.Wat-son）用紫外線照射含有NH3、CH2OH和HCHO的混合氣體25天，結(jié)果獲得了甘氨酸、谷氨酸與少量的天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、脯氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。這個實驗沒有水，原料都是已知的星際分子。以上種種事實表明，原始大氣由無機(jī)物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程現(xiàn)在宇宙間仍在發(fā)生。
科學(xué)意義 生命起源是一個極其復(fù)雜而又難以研究的問題。雖然19世紀(jì)70年代恩格斯在《反杜林論》中就指出：“生命的起源必然是通過化學(xué)的途徑實現(xiàn)的”；20世紀(jì)20年代奧巴林和霍爾丹也相繼提出生
命起源的化學(xué)進(jìn)化觀點，即認(rèn)為在原始地球的條件下，無機(jī)物可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物，有機(jī)物可以發(fā)展為生物大分子和多分子體系，直到演變出原始的生命體；但這些都只是理論的推測，還缺乏令人信服的實驗證據(jù)。米勒首次在實驗室內(nèi)模擬原始地球還原性大氣中的雷鳴閃電，結(jié)果從無機(jī)物合成出有機(jī)物，特別是多種組成蛋白質(zhì)的氨基酸，這是生命起源研究的一次重大突破。后來，科學(xué)家們仿效米勒的模擬實驗，已合成出大量
麥啟遜隕石中檢測到的與模擬放電
實驗中生成的氨基酸之比較
對甘氨酸的克分子（=100）之比：*0.05～5；**0.5～5；***5～50；****＞50
與生命有關(guān)的有機(jī)分子。例如，有人用紫外線或γ射線照射稀釋的甲醛（HCHO）溶液獲得了核糖和脫氧核糖（1966）；用紫外線照射HCN獲得了腺嘌呤和鳥嘌呤；用丙炔腈（N≡C-C≡CH）、KCN和H2O，在100℃下加熱一天得到了胞嘧啶（1966）；將NH3、CH4、H2O與聚磷酸加熱到100～140℃獲得了尿嘧啶（1961）；將腺嘌呤和核糖的稀溶液與磷酸或乙基偏磷酸鹽（ethyl- metaphosphate）放在一起，用紫外線照射，可生成腺苷（1977）；將腺苷、乙基偏磷酸鹽封入石英玻璃管中用紫外線照射，可產(chǎn)生腺苷酸（A）（1966）。此外，長鏈脂肪酸也可通過在高壓下用γ射線照射乙烯和CO2而獲得。可以說，幾乎全部的生物小分子，現(xiàn)在都可以通過模擬原始地球的條件，在實驗室內(nèi)合成了。