Miller-Urey 杂谈

文摘   Science   2024-04-14 18:03   上海  

    马上要IB考试了,最近各个科目都(没)有在好好复习。前几天在准备生物有关生命起源的章节时又回顾到了其中的Miller-Urey实验。这是一项可以一眼看到道理,而同时仔细审视后还能发现更深层意义的实验。以下是对Miller-Urey实验的介绍和我的一些思考。

    Miller-Urey 实验在生命起源研究中既经典又有开创性。1952年,芝加哥大学的诺贝尔奖得主Harold Urey监督着Stanley Miller 进行它,并于次年发表。简单地说,Miller在两个玻璃瓶中模拟了地球早期环境,包括大气组成(2:2:1的甲烷、氨气、氢和水蒸气)、海洋(水)以及雷电(在容纳“大气层”的玻璃瓶中还有两个持续放电的电极)。在容纳气体的玻璃瓶底部有一个冷凝器。水性溶液(aqueous solutions)会随着时间从气体中凝出并聚集在这里,被MillerUrey采集并作为样本分析。

Miller-Urey 实验布置

    在实验的第二天,采集到的样本溶液就变成了粉色。在一周后,采集到的样本变成了混浊的深红色。Miller更换了容器,在剩下的溶液中添加了氯化汞(mercuric chloride,一种毒素)以杀菌,避免样本被微生物污染。他们通过添加氢氧化钡和硫酸终止了实验,然后去除掉了一些杂质。最后Miller通过纸层析法(paper chromatography)从样本中识别确切地识别出了三种氨基酸:甘胺酸(glycine)、α-丙氨酸(α-alanine)和β-alanine(β-丙胺酸),以及不是很确定地识别出了天门冬氨酸(aspartic acid)和α-氨基丁酸(α-aminobutyric acid)这另外两种氨基酸。也就是说,Miller展示了地球早期简单的大气环境以及其中的一些简单无机分子可以孕育出生命所必需的,更为复杂的有机分子。这些分子再进行组合即可开始创造出蛋白质了。

    目前一个大致的观点是,最早的生命是一堆可以自复制、自组装、自催化的有机分子。后来彗星、陨石等天体逐渐带来了碱基(nitrogenous bases),其它的有机分子(糖、脂等)也慢慢产生并自我组装,形成了诸如细胞膜的结构。它们繁衍、扩散、从四周的环境中摄取能量和需要的物质,也偶尔吞噬别的细胞为自己所利用(变成进行呼吸作用的线粒体或进行光合作用的叶绿体),最后在气候变化、演化等因素的作用下生命变得越来越多样与复杂。

适居的世界->前生命合成 -> 聚合物、囊泡 -> ...原始细胞?... -> LUCA(Last Universal Common Ancestor 最后普遍共同祖先)-> 多样的生命

    我在第一次认真细想这一切后,觉得有些细思极恐。人和所有生命一样,都来自于很久很久以前偶然出现(且运气很不错)的一些有机分子。我们的物种智人的出现只是这件事的延伸,只是地球上的一个随机自然现象,就像树枝上长的叶子、海边涨落的潮汐一样。我们每个人的诞生也是如此。随机“打乱“和组合过23只染色体被装载到某个精子或卵子的细胞核内,而这个精子或卵子在可能性几乎为零的情况下与另一只陌生的配子遇上并成功结合,最后产生了一只受精卵。这只受精卵受指令长成了胚胎,胚胎长出了神经管,神经管发育出了脑、脊髓与各条神经。最后不知道什么时候(也许是两三岁躺在床上发呆的某一天),我们突然意识到了自己的存在,意识到了自己具有意识(consciousness)。我们发现自己处于头上眼睛后面两耳之间的某个位置;我们能感受到各种不可名状的感觉刺激(sensations),能不可思议并不假思索地控制身上的许多肌肉,并且总能听到某个声音对着自己说话。有时候它说的有条有理,让我们能够进行一番思考,而有时候它只是在胡说八道。此外还有许多诸如情绪、睡眠等我们可以现在理性解释但也许永远无法从主观体验上说明白的现象。总的说,我们有一天突然意识到在没有任何没有解释的情况下,自己出现在了这个世界上,操纵着一副客观来说还不错的人类躯体,进行着其他人规划好的各种工作与活动。

有人发现米开朗基罗的《创造亚当》中,右边上帝的部分结构很像一颗人脑的矢状切面


“That I exist is a perpetual surprise which is life.” 

“我的存在是一个永恒的惊喜,这便是生命。”

泰戈尔《飞鸟集》


    Miller-Urey实验以及其它生命起源研究除了揭示了我们(作为物种和个体)是如何莫名其妙来到世界上的以外,也预告了我们的离去对于宇宙来说是多么不起眼和平淡,就像秋季的一片落叶一样。总有一天,在身体累积的各种内外伤害、疾病、器官退行以及系统无法继续违背热力学第二定律等因素下,我们会消亡(这也是生物繁衍的意义)。自己的生命也是有限的,总有一天自己会离世,而有一天所有自己所爱的人也会,甚至会有一天所有自己知道的人都会不再在这个世界上。也许死亡这条规则是在最早的那群有机分子出现时就决定好的,而如今的我们面临它也只是因为我们是那群分子的后代而已。我自己现在十八,就算十分乐观估计生命也过了五分之一了。这十八年不知道怎么就不见了,再过十八年,十八年,十八年... 自己的意识体验就终止了。“自己的生命天数有限,在那之后自己就没有了”这件事对所有生物来说都是最深刻、最真实的事情之一,但不知怎得对自己而言感受起来像是假的,往往觉得“我还年轻,死亡离我还太远了”,很难认真的接受这件事情。然而死亡以及孕育其的混乱永远潜伏在生活看似安稳的表面之下威胁着所有活着的东西。真可怕。

哀悼基督》- 米开朗基罗 · 博纳罗蒂

    每个生命体都无法逃避大自然的不确定性、混沌和灾难。或许(人类)社会会形成一部分也是为了抵御这种不确定性。在为我们自己和身边的东西、现象取名后,我们才开始将身边更多事情进行有意识的考虑。在有了科学与信仰后,我们对物质世界以及所体验的世界也逐渐有了更深认识。此外,社会还给我们每个人提出了在人生不同时期该去做的事情,无论是在古代耕一辈子地还是在现代上学然后去读大学、工作、退休和养老... 有时那些生在一个不错的时期和地方(稳定又富足)的人(像我们这一代的很多人),也许会把社会的稳定为自己命运的保障当作理所应当,认为所有人经历的教育、工作、组成(或不组成)家庭、退休等阶段就是“自然”的生活。我自己在陷入这种固化的思维后如果看到关于战争或疾病的报道就会很难受,有一种世界观破碎的感觉。在这种固化思维下会很难真正接受一个活生生、完整的人会在某一天突然被卷入战争或者被诊断出某个疾病,然后被一颗流弹或者疾病恶化之类随机而无意义的东西剥夺生命。但也许这种无意义和“无所谓”才是大自然对生物本来的态度... 在人类社会,尤其是在一个发达稳定的人类社会中长大或许会让我们抱有“世界是有规则和秩序的”、“这个世界上是有需要我做的事情的;我的存在是有意义有价值的”、“只要做了一些需要的事情(如好好受教育、认真努力工作、遵纪守法、注意身体健康等)就可以获得想要的东西、过上想要的生活”等印象。然而在归根结底我们还是大自然的产物,受大自然的约束和掌控。随时可能出现一场没有缘由或意义的天灾人祸把人压垮。这也许也是某种从有机分子一路传给我们背负的诅咒。

威廉 · 尤特莫伦在确诊阿尔兹海默症后创作的自画像系列;他于确诊12年后离世

《这是我的战争:孩子们》- 11 Bit Studios 宣传画

    想到这里,我又联想到了以前那些不愿意放弃宗教而接受进化论和现代生物学的人(那些坚持“人类是上帝创造而不是从猴子变的”的人)。我感觉可以开始理解他们了。认真严肃地接受进化代表接受自己来源于从虚无中偶然出现的几只有机分子,并且自己也是本质上和他们一样,只是复杂度更高的东西而已。我们自己,每个有血有肉,有喜怒哀乐、能力、理想追求的人也只是这种虚无的延伸。就连“爱”、“道德”、“美”、“幸福”、“情感”等等让人主观感觉赋予生活意义的东西都具有生理基础,是不同进化策略的产物。有时这种虚无被社会给我们的保障和责任所掩饰了,让我们有“只要做对的事情就可以好好活下去”的感觉。如果把这一切都扒走,确实会突然觉得空虚,没有目标或者方向。与此相比,可能还是相信我们由上帝以他的模样被创造,或者有目标和意义,死后还有来世好受一些。

《查尔斯 · 达尔文》- 约翰 · 柯里尔

    目前就想了这么多。本来不想写的很哲学的,我自己平时也不是很喜欢特别哲学的讨论,会让我觉得很不实在。这次写的有点超出控制。此外回到最开始的话题Miller-Urey实验,在最近十年中另有研究人员重新搬出了Miller在七十多年前采集到的样本,用最新的技术手段分析其中的物质后又发现了更多当年未被检测出的氨基酸。其实生命起源的过程中还有许多尚不明确的阶段。也许未来会有人能够揭示更多关于生命起源的细节,为我们的何去何从带来更多启示。

    好了。不写了。困了。


科学之美
由一群热爱科学的高中生组成的公众号——将定期分享一些有趣的科学知识