20世紀早期的科學同時經歷了許多革命。放射性測年法計算了地球的年齡,而億萬年的沉積物證明了它的地質演化。進化的生物學理論已經被接受,但其選擇機制和遺傳學的分子生物學仍然是一個謎。生命的起源可以追溯到很久很久以前,從簡單的生物開始。這些想法在自然發生的問題上達到了頂點:第一個生命可能是從非生命物質中產生的嗎?
1952年,年僅22歲的研究生斯坦利·米勒設計了一項實驗,以測試構成蛋白質的氨基酸是否可以在原始地球上存在的條件下產生。他和他的諾貝爾獎得主顧問哈羅德·尤里一起做了這個實驗,這個實驗現在在世界各地的教科書中被反覆提及。
實驗將水和甲烷、氨和氫混合,並在密封的玻璃裝置內用人工閃電電擊它們。幾天之內,一種厚厚的有色物質在儀器的底部堆積起來,這些碎屑含有五種生物共有的基本分子。經過多年的修正,米勒聲稱發現了多達11種氨基酸。隨後的工作改變了電火花、氣體和儀器本身,又產生了大約12個氨基酸。2007年米勒去世後,他以前的學生重新檢查了他最初的實驗成果。即使在那個原始的實驗中,也可能產生了多達20-25種氨基酸。
米勒-尤里實驗是檢驗一個複雜假設的大膽例子。從中得出的不僅僅是最謹慎和有限的結論,這也是一個教訓。
有人考慮過玻璃器皿嗎
在原作發表後的幾年裡,有幾個缺陷限制了人們對其結果的興奮。簡單的氨基酸沒有結合形成更復雜的蛋白質或任何類似原始生命的東西。此外,年輕地球的確切組成並不符合米勒的條件。而一些小細節的設定似乎已經影響了結果。發表在《科學報告》上的一項新研究調查了這些煩人的細節之一,它發現,容納實驗裝置的精確組成對氨基酸的形成至關重要。
在最初和隨後的實驗中,高鹼性的化學肉湯溶解了少量的硼矽酸鹽玻璃反應容器。溶解的二氧化矽滲透到液體中,可能產生並催化反應。玻璃的侵蝕壁也可以促進各種反應的催化作用。這增加了氨基酸的總產量,並允許形成一些化學物質,而這些化學物質是在特氟龍裝置中重複實驗所不能產生的。但是,在故意用硼矽酸鹽汙染的特氟龍裝置中進行實驗,恢復了一些丟失的氨基酸產量。
複雜的問題需要精心設計的實驗
米勒-尤里實驗是基於一個複雜的系統。多年來,許多變數被調整,如氣體的濃度和成分。為了證明生物分子是否可以從無機材料中生成,這項研究取得了驚人的成功。但是沒有一個好的控制變數,我們現在看到,這可能是一個相當大的錯誤。
科學的要素之一,就是要判斷無數複雜事物中哪些是重要的,哪些不是。哪些變數無需測試就可以解釋或理解,哪些變數可以透過實驗設計巧妙地省略。玻璃在結果中起作用當然不是很明顯。
一種更確定和謹慎的科學形式是進行一次只改變一個變數的實驗。這是一個緩慢而費力的過程。要驗證複雜的假設是非常困難的,比如“生命能從早期地球上的非生命進化而來嗎?”這項新研究的作者就進行了這樣一個單變數測試。他們進行了整個米勒-尤里實驗多次,只改變矽酸鹽玻璃的存在。在玻璃容器中進行的實驗產生了一組結果,而在特氟龍裝置中進行的實驗產生了另一組結果。
在這種情況下,我們瞭解到玻璃矽酸鹽在米勒-尤里實驗中發揮了重要作用。也許這意味著早期地球上的矽酸鹽岩層是生命產生的必要條件。