米勒 -- 尤里的实验

 

进化论的第一个圣像是米勒 -- 尤里的实验。达尔文曾猜想,生命的起源可能在“某个温暖的小池”开始。1920年代,前苏联科学家奥帕林(A. I. Oparin)和英国科学家霍尔丹(J. B. S. Haldane)提出假设:生命出现以前,原始大气主要由甲烷、氨、水气和氢组成,有极强的还原性;闪电可以从还原大气中产生制造生命的原材料;这些原材料溶解到原始的海洋中,形成了“清淡的热汤”,第一个活细胞就在这个热汤中诞生了。奥帕林和霍尔丹的假说被许多科学家所接受,认为这是生命的起源的第一步。当时的科学家大都相信地球是由星际的灰尘和气体凝聚而成的;因此,相信地球的大气层与星际的气体相似 -- 以氢气为主,是颇为合理的。

 

1952年,获诺贝尔奖的化学家尤里(Harold Urey)支持奥帕林和霍尔丹的假说,认为地球的原始大气是由氢、甲烷、氨和水气组成的。1953年,尤里在芝加哥大学的研究生米勒(Stanley Miller)开始用试验测试奥帕林和霍尔丹的假说。米勒在尤里的实验室,组合了一套封闭的玻璃器皿,将空气抽出来,充进甲烷、氨、氢和水。然后,他加热气体并使之循环地经过模拟闪电的高压电火化。一周以后,器皿内的水变浑并呈深红色。取样作化学分析后,确认其中含有甘氨酸和丙氨酸等简单氨基酸,似乎证实了奥帕林和霍尔丹对生命的起源的第一步的假设。这个试验在科学界引起了极大的反响。氨基酸是蛋白质的组成成分,而蛋白质是“生命存在的形式”(恩格斯语)。不久,米勒 -- 尤里试验载入了几乎每一本中学和大学的生物学教科书,并宣称:科学家已演示了生命起源的第一步。

 

但是,科学家们对米勒 -- 尤里试验的质疑与日俱增。[4] 其中,最关键的问题是:原始大气真是还原性的吗?早在1952年,芝加哥大学的地球化学家布朗(Harrison Brown)就注意到,地球大气层中的氖、氩、氪等稀有气体至少比星际的平均值的百万分之一还低。所以他推论道,在地球形成不久,它就失去了它原来的大气层(如果它曾经有过原始的大气层的话)。1960年代,普林斯顿大学的地球化学家荷兰德(Heinrich Holland)和卡内基研究所(Carnegie Institution)的地球物理学家阿贝逊(Philip Abelson)认为,地球早期的大气并非来自星际的气云,而是来自地球火山爆发中释放的气体,如水蒸气、二氧化碳、氮气、和少量的氢气;因为氢气太轻,地球的引力不能吸住它,于是氢气会和其他稀有气体一起,很快向太空散逸。如果地球早期的大气的主要成分是水汽,那么大气中必然含有一些氧气。因为太阳光中的紫外线可以分解地球大气最外层的水汽,形成氧气和氢气,这叫“光水解作用”(photo-dissociation)。氢气散向太空,氧气则留在地球的大气层中。1975年,英国生物学家卢丹(J. Lumsden)和何尔(D. O. Hall)报告说,有一种被活细胞用来保护自己免受氧气伤害的酶 -- 超氧物岐化酶(superoxide dismutase)存在于一些生物体中,这些生物的的祖先被认为在光合作用出现以前就已经存在了。他们推论说,超氧物岐化酶的演化,可能是为了防止生物受到水光解作用所产生的原始氧气的伤害。

 

地球原始大气中是否有氧气、有多少氧气,在二十世纪六十年代至八十年代曾有过激烈争论。地球早期的大气层可能有氧气的推论得到了地质学证据的支持。含氧化铁的红色岩层,即所谓“红色石床”或“红床”,在比二十亿年更早的岩层 (放射性同位素测年法的的测定 -- 笔者注)中被发现。加拿大地质学家丁诺(Erich Dimroth)和金波利(Michael Kimberly)在1975年写道,“从铁质沉淀的分布来看,在整个地质历史保存良好的石层中找不到证据,证实大气缺氧。”[5]  1982年,英国地质学家克里米(Harry Clemmey)和拜罕(Nick Badham)写道,有证据显示,“从所测的37亿年前的最古老的石层 (放射性同位素测年法的的测定 -- 笔者注)至今,地球一直都有产生氧的大气。”[6] 支持原始大气有氧的证据不断增多。阿贝逊写道,“到底有什么证据支持原始地球有含甲烷和氨的大气呢?答案是没有!但反对的证据却很多。”[7] 在考证了各种证据之后,斯密生博物馆(Smithsonian Istitution)的古生物学家托尔(Kenneth Towe,现已荣修)说,“地球早期的大气很可能含有自由氧。”[8]

 

如果原始大气有氧,二氧化碳就不会被还原为甲烷,氮气也不会被还原为氨。傅克斯和杜西(Fox & Dose)於1977年报道说,电火花在水汽、二氧化碳、氮的混合气体中,不能产生氨基酸。米勒在1983年报告说,他和他的同事用一氧化碳和二氧化碳代替甲烷做试验,只要同时有氢气存在,电火花就能产生最简单的氨基酸,甘氨酸。1984年和1991年,何兰和侯根(John Horgan)也分别有类似的报道:电火花作用于二氧化碳、氮、和水汽的混合气体,完全不能产生氨基酸。威尔斯写道:

 

 

 

根据福克斯和杜西,不但米勒 -- 尤里试验从一开始就用错了气体,并且也“没有正确地代表早期地质学上的真实情况,因为没有考虑到从体系中排出氢气的问题”。在米勒 -- 尤里的实验中,氢气的浓度不断地累积到76%之高,但在早期的地球,它会向太空散去。福克斯和杜西结论说,“人们已经普遍了解,米勒的合成并没有地质学上的真实意义。”

 

1977年以来,以上的观念在地质学家中已渐渐地达成了几乎完全一致的共识。正如1995年科汉(Jon Cohen)在《科学》期刊上写的:很多研究生命起源的工作者,如今摒弃了1953年的实验,因为“早期的大气完全不像米勒 -- 尤里所模拟的那样。” [9]

 

 

 

令人吃惊的是,在这以后,许多教科书、刊物不顾事实,仍在继续鼓吹米勒 -- 尤里的实验:

 

19983月,美国《国家地理》(National Geographic)杂志刊登了一幅米勒站在他实验仪器旁边的照片,解说词是:“现在在加州大学圣地亚哥分校的米勒,在1953年的实验模拟了地球初期的情况,产生了氨基酸。他说:‘只要将仪器装好,其他的就很容易了。’”在照片的数页之后的文章里才有一句话:“现在很多科学家怀疑早期大气跟米勒首次猜想的不同。”[10] 但是, 一图胜千字。照片的解说词是明显的误导,却将真情深深地埋在文章的一句话里!即使很小心的读者,也会留下一个印象,以为米勒 -- 尤里试验显示生命在地球的起源是很容易的事情。

 

波云斯(William Purves)等人合编的大学课本《生命:生物的科学》(Life: The Science of Biology)告诉学生,米勒“用如地球初期所拥有的还原性大气”造出了“生命的原材料”,并且说,“早期的大气中没有自由的氧气。”[11] 课本没有给学生提供任何线索,让他们知道现在大多数科学家认为米勒 -- 尤里试验并没有真正模拟地球初期大气的状况。

 

大学高年级的课本也是如此。菲秋马(Dougles Futuyma)的《进化生物学》(Evolutionary Biology, 1998年版)转载了一幅图,并说,“是米勒用来模拟地球初期的情况并合成了有机化学分子的仪器。”还说,“最早的生命出现时,大气中几乎完全缺氧。”[12]

 

米勒和利弯(Kenneth R. Miller & Joseph Levine)合编的《生物学》(Biology)是高中常用的课本之一。在2000年版中,它引用了一幅米勒 -- 尤里试验的仪器图,标题是:“再造早期大气(氨、水、氢和甲烷),加上电火花(闪电),米勒 -- 尤里证明有机分子如氨基酸可能自动产生。”然而,他们在课文中也加了一句推卸责任的话:“米勒原来对地球早期大气的猜想可能错误。”这句本来就很含糊的话,进一步被后面附加的话软化了:用其他混合气体“也产生了有机化合物”。[13]

 

由美国国家科学院主席爱伯斯(Bruce Alberts)和同事编写的《细胞的分子生物学》(Molecular Biology of the Cell)是研究生的课本。在最近一版里,还选用了米勒的仪器图,并称之为“一个典型的实验,模拟初期地球的情况”。在课本的文字中,还声言,有机化学分子“很可能就在这种情况下合成。最佳的证据就是从实验室的工作来的。”[14]

 

美国国家科学院是全国最高的科学组织,1863年受国会委任,作为政府在科学方面的顾问。其成员囊括了美国最出色的科学家。但是,使人费解的是,1999年美国国家科学院出版了一本小册子,竟继续误导读者:“刻意模仿地球原始条件的实验已经产生了一些组成蛋白质的原材料。”颇为讽刺的是,这本小册子由科学院主席爱伯斯作序;他在序中说:“科学与谎言不能共存。”[15]

 

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