斯坦利 · 米勒（Stanley Miller）在1953年第一个提出了可以在简易的实验室中进行研究生命起源的试验，他当时是美国芝加哥大学一年级研究生。由于他的这一见解，才使哈罗德 · 尤里（Harold Urey）相信可以通过实验来检验——即原始地球的生命起源是由大气分裂而产生的。
米勒利用电火花在甲烷、氨、氢和水蒸气混合物中放电的方法，成功地制得了氨基酸。从那以后，人们经常利用各种能源冲击模拟的原始地球大气层来演示氨基酸和其他有机物的形成。
目前，我们可以在实验室的水域内进行关于生命起源的实验。有关氨基酸的合成和其他生命所必需的简单的单体都已做了广泛的调查研究。在研究生命形成前的生物单体方面，近三十年来，我们已经获得了大量的实验数据，而且在其他领域也有了进展。因此，目前在这方面的工作是很容易开展的。现在的重点已转移到聚合物的形成问题上来。
基于这些条件，人们能更好地理解生命可能源于正在探索中的太阳系。通过对微生物化石和古岩石的研究，可以更明确地得出生命的起源及其化学演变的时间。目前，由于计算能力已大大提高，所以，可以用数学方法来研究聚合物的形成及其演变过程。
然而，重要的是首先应当给生命下个定义，以便使生命系统的基本特性能与其他分子的排列区别开。在这方面，我认为加利福尼亚技术研究院的诺曼 · 霍洛威治（Norman Horowitz）提出的判断生命的标准一一生命具有复制、催化和不定性这三点是很可取的，具有这三个特点的任何化学系统都是有生命的。
生命起源的关键在于生物是怎样利用复制、催化和不定性的特点在地球上形成。这些基本上属于化学方面的问题，归纳起来大致上分三步完成：首先是由碳氢化合物、氢氰酸、氰基化合物、醛和酮合成氨基酸和核苷酸单体；其次，这些单体在一定的反应条件下发生聚合作用；最后，经过复制、转移和信息贮藏自发地形成了一个系统。通过对古岩石和微化石进行研究，可以找出地球上最适宜的反应条件，以及在生命逐渐形成之前化学演变所需要的时间。
应该着重强调的是，尽管在探索早期地球上的化学及物理变化方面已经有了巨大的进展，但所得到的实验数据都不十分可靠，也没有一套适于研究生命起源的特殊方案。
原始地球化学是由组成地球的那些元素决定的，因此，了解太阳系的形成，是了解生命如何起源的首要—步。在太阳系中，太阳和行星大约形成于45亿年前，而星系中心的第一颗星大约在100亿年前就形成了。太阳系是由云雾状气体和尘埃凝聚而成。由于附近星球爆炸成超新星，制止了形成太阳系的云雾状气体和尘埃的凝聚，使云雾状气体和尘埃崩溃后成为盘状灰云，这些微星形行了太阳和行星。
接近太阳系中心的行星依次是水星、金蜇、地球和火星，这些鼠球上所含的重元素比距太阳较远的木星上的含量要高得多。由于太阳附近温度较高，防止了元素周期表上第一排轻元素发生凝固。在木星轨道上，温度低于150 K就会引起水的凝结。随着木星、土星及木星的卫星逐渐形成，这些星体的质量会积累增大，以至于可以把氢和氦牢牢地吸在星球的周围，使它们与稠密元素混合在一起。
地球最初是由重元素组成的，但当它绕太阳运行时，扫落了大量的灰尘和微星（比行星小得多的固体），而这两种物质内又都含有较大比例的轻元素，地球因此而积累了大盘的轻元素。通过对月亮，水星和木星的卫星上的火山爆发的大量观察，萨特（Saturn）也支持地球曾受到早期剧烈的碰撞这一观点，而这个过程使化学演变前进了一步。然而，这种稀薄物质的表面层内含有丰富的轻元素，而生命是由这些元素起源的。
对星系中云雾状灰尘的分子进行的光谱分析，为尘埃和气体内的化合物形成了太阳系这一理论提供了良好的依据。现已查明灰尘中含有丰富的碳氢化合物，其中有甲烷、甲醛、甲酸、氨和氰化氢。化学家们对原始地球上有机化合物的合成进行了研究，满意地得出了结论，即这些有机化合物来自放射性天体。因为他们早就预言了这些化合物中的大多数可能是生命起源的初始物质。
这些物质在星际介质内的存在（在泰坦的大气层中和土星的最大卫星上也有很多最大限度的集合体存在）证实了这样一种论点，即它们也可能在原始地球上存在。虽然这些碳氢化合物不可能从尘埃中完全转移到原始地球上，但在地球的大气层和水界内，它们还是可以形成和生存的。关于这一点，可以从其起始物形成的容易性这一特点得到有力的证实。
有些被地球扫落的比重不大的微星是彗星或类似于彗星的物体。今天所看到的彗星还含有当时灰尘云的痕迹，位于太阳系冷外层的彗星（冥王星以外）由于环境寒冷，化学变化可能相对减少。在星际空间探测到的一些分子也在彗星内找到了，这就证实了彗星是由原始灰尘云中的化合物凝固而成的。
星际介质的直接探测器是落到地球上的陨星，化学演变领域特别感兴趣的是碳质陨星，它含有高达5%以上的碳，用水和稀酸对陨星进行萃取，会得到嘌呤、嘧啶和氨基酸，以及其他一些化合物。在40亿至45亿年前，类似于这样的陨星冲击很可能在地球上发生。碳质陨星所含有的碳、氢、氮大致与太阳的含量差不多。
关于早期地球的上化学过程，碳质陨星是一个十分诱人的信息源。遗憾的是由于缺乏有关它们的来源、形成和富集的一些数据，因此很难解释这种信息。
行星雾围
国际航空协会和宇宙管理协会把探测器发射到其他行星上去，利用探测器所获得的资料可以推断出40亿年前地球大气层的化学组成，并发现金星和火星的大气主要成分是二氧化碳，这表明原始地球大气层的主要组成也可能是二氧化碳。
火星和金星原来有还原大气层，经过40多亿年，就像水发生光解作用变成羟基和氧分子一样，逐渐被氧化了。这个设想可能会引起争议，但不管怎样，提出地球上含有丰富的二氧化碳是从地球上含有大量的石灰石沉积物为依据的，在具有38亿年历史的原始岩石中，发现含有沉积的碳酸盐成分。事实上，现在火山爆发所喷射出来的主要气体之一就是二氧化碳，这个结论与尤里（Urey）的观点显然不同，尤里是从热力学的角度考虑来假设大气是由甲烷 - 氨 - 水所组成的_这个假设并没有排除存在少量分解的碳化合物，生命的起源就是由这些必不可少的原生质形成的。
含氢丰富的木星不能成为原始地球的理想模型，因为地球大气中含氢量很少，所以我们没有必要研究含氢量多的情况。旅行者1号提供了一些泰坦大气的化学情况，这些比当今太阳系内任何其他物体更能反映出地球上过去的化学变化，在宇宙飞行中心用红外发射光谱法测出了泰坦大气中含有氰化氢、氰、乙炔氰、乙炔、丁二炔、甲基乙炔、乙烯和乙烷。泰坦的甲烷 - 氮大气经高能电子、宇宙射线（高能质子）和紫外光作用而形成了这些化合物。
不管怎样，在星际空间、彗星及泰坦上所发现的混合物组成基本相同，这有力地说明在原始地球大气层中，也可以形成类似的化合物。但它们以后的反应却明显不同，这是因为一个是在地球附近温和、含水的地方，另一个是在寒冷、含碳氢淤泥的泰坦上。
如果大气层的主要成分是二氧化碳，则原始地球不可能产生氰化氢和乙炔氰这种氧化程度较高的化合物。有人可能会举出例证反对这种观点，如：在原始地球的模拟实验中，当以二氧化碳为起始物质时，最多也只能得到痕量甲醛。不过，用水和氮气还原二氧化碳是比较困难的。
但不管怎样，围绕这个障碍可能有几种方法来实现：彗星和陨星可能把少量更具有还原性的碳，如像一氧化碳、甲醛和甲烷之类的化合物带到了地球上；在生物前时代，利用亚铁还原二氧化碳的方法，有选择地将这些还原化合物与氢一起从火山中除掉。
另外还有一个可供参考的设想，即火山口中喷射出来的甲烷是由厌氧菌产生的。据报道，在样品中，从火山中产生的甲烷微生物，能在250°C和265 atm的条件下生存，这个有争议的发现如果属实的话，那么将表明，即使在比人们以前所认为可能的条件更苛刻的情况下，生命过程的生物化学也能发生。
地球上最原始的生命
通过对太阳系的探索以及对星系的研究，我们对原始地球的反应物和反应条件已有了清楚的认识，但还需要确定生命出现以前反应进行了多长时间，根据能证明地球上最原始生命的证据，可得出反应时间的上限。
第一个证明前寒武纪时代生命（六亿年到四十五亿年前）的证据，是在1954年由威斯康辛大学地理系已故的斯坦德利 · A · 泰勒（Stanley A. Tyler）和哈佛大学生物系已故的埃尔索 · S. 巴胡恩（Elso S. Barghoorn）所报道的，这个证据具有决定性的意义。他们在报道中阐述了在加拿大苏必略湖附近发现了有20亿年历史的枪燧石，这些岩石结构中含有各式各样的细菌，这种简单形式的生命在沉积物内得到栽种和保存，后来转变成岩石。
1980年，一个由24位科学工作者组成的国际团体，在洛杉矶加利福尼亚大学报道说，在地球上存在着具有35亿年历史的微生物生命化石。这个组织收集了各学科研究地球上最古老的岩石方面的成果，岩石包括位于澳大利亚西部的古老的叠层石，这是一种原始微生物的矿脉。
叠层石呈结晶的坡面状结构，生长在潮汐盆内，它们是由沙子、石灰石和其他一些粘有细菌微生物粘膜的岩石形成的，在沙子和岩屑的顶上每年都长一层新的微生物。利用放射性测定年代技术对叠层石中的，矿物质进行测定，发现它具有35亿年的历史。这种在澳大利亚西部找到的叠层石与在澳大利亚夏克海湾找到的同时代叠层石相类似。由于地球的年龄通常被认为大约是45亿年，所以我们可以断定生命起源所用的时间不超过10亿年，但究竟是多少年我们不知道。
尽管我们对原始地球化学过程的了解程度已大大提高，但还没有真正弄清导致生命起源的反应条件。在我们目前的知识范围之内，会产生各种明显不同的方案。实验室中的大部分实验都是用来验证由对原始地球的设想所构成的特殊方案，这些实验只是在证明这些设想有效时才显得有意义。
在大多数关于化学演变的讨论中，下列的假想一般来讲是没有疑问的：
· 根据在地球上某一地方起源的生命所建立的方案，对于在其他地方起源的生命几乎无能为力。
· 初始生命的生物化学是相似的，即使用硅代替碳和（或）用氨代替水来推究生命体系，也比现代生物化学简单得多。
· 存在水和无机物的地方，当水相的pH值范围在6 ~ 9之间时，虽然可能存在着局部变异，但仍可以发生导致生命起源的化学变化。大气的主要成分是二氧化碳和水，氧分子所占的比例很小。大气中还含有低分压的一氧化碳、甲烷和氢气，而少量的氨、氰化氢和硫化氢溶入原始的湖泊和海洋中，由于得到了及时的补充，这些化合物中某一部分的浓度可能变得较高。
· 导致生命起源的化学变化所需要的能量主要来自太阳能，太阳可以向地球直接输入紫外光和可见光，也可以利用闪电（放电及其冲击波）或热能的形式间接输入。除来自太阳的热之外，还有一部分能量来自于结构能（火山和地壳产生裂缝）、陨石冲击和放射线衰变。
让我们首先看看为了模拟生物出现前氨基酸的形成所设计的实验，因为氨基酸是生命的关键基石，米勒首先完成了这类实验，并明确提出可以在实验室中研究生命的起源。米勒利用电火花对甲烷、氨、氢和水蒸气的混合物进行放电，经过一个星期制得了氨基酸。如果通电时间再长些，能产生羟酸、乙醛和氧化氢。这种现象表明氨、氰化氢和乙醛反应先形成α - 氨基腈，然后氨基腈再水解成相应的氨基酸。
氢氰酸在含水溶液中自凝而成的低聚物水解后可以释放出氨基酸。通过对模拟原始大气的放电和冲击波作用，产生可观的氰化氢，这说明氰化氢可能是生物出现前的起始物质。甘氨酸、丙氨酸、丁氨二酸以及朱在蛋白质内发现的五种氨基酸都已被确定是HCN低聚体的水解产物。
利用加热（900℃）、γ射线、冲击波、短波长的紫外光这些能源，可以从模拟的原始大气产生少量的氨基酸。这就说明在原始地球上可以通过各种途径产生氨基酸。如上所述，氨基酸还可以随碳质陨星落到地球，但还不清楚氨基酸最重要的来源来自何方。
核酸的组成
核苷酸是生命基石的另一基本成分。虽然遗传过程可能没有现在精确，但通常假定在早期的生物系统里，核酸是遗传信息的携带者，所以，从核苷酸合成核酸的过程可能是在生命起源之前发生的。
嘌呤不仅是核酸的成分，而且是许多辅酶的重要组成。在一些生物化学结构中，含杂环多的物质之一就是腺嘌呤，它在原始地球的模拟实验中是最容易合成的。
在兰斯莱尔（Rensselaer）工艺研究院，我们科研小组断定，奥罗所观察到的由氢氰酸浓缩液生成的生物分子，也可以用浓度为0.01 ~ 0.1 M的氰化物来生成，但还没有确定在原始地球上究竟能积累多少0.01 ~ 0.1 M的HCN溶液。由于氢氰酸比水容易挥发，所以，在原始湖泊蒸发期间，得不到的HCN溶液，但在较小的海洋或地势较高的地方，由于受到彗星的冲击，氢氰酸很可能达到这种浓度。
奥格尔（Orgel）的建议十分有想象力。他指出，当溶液冷却到-23.4°C时，氢氰酸的共结晶浓度是74.5 mol%（摩尔百分数），这样，当氢氰酸稀溶液冷却到-20°C时，大多数的水结成了冰，留下了非常浓的氢氰酸溶液。此溶液反应生成二氨基顺丁烯二腈。但在室温时，一点也检测不到有氢氰酸的低聚物出现。
所以，氢氰酸的低聚作用，可能是在冬天的几个月内，由于古湖泊冻结而开始产生的。随后，到了夏季较暖和的几个月，在较稀溶液或沉积物中继续发生低聚反应。
在研究核糖核酸（RNA）中嘧啶的前生物合成方面，目前已经有了较大进展。从而补充了从嘌呤制取嘧啶的方法，氰化氢和乙炔氰都有可能是这个合成法的初始物。
具有代表性的三种主要含氮生物单体——氨、嘌呤和嘧啶——用氰化氢作为碳原子的唯一来源，这个发现是激动人心的。所有这样三种结构形式可以在原始地球相同的时间地点条件下产生，这并不是说就没有另外途径产生这些生物分子——这是有可能的，特别是氨基的形成。但可以用一种起始物质和反应条件都相同的合成方案，来对不同反应条件下单独合成各种单体的问题进行估计，然后把这些单体汇集起来进一步冷凝直到聚合物出现。
糖的合成
就我们今天所知，核糖单体是RNA主要成分中的基本结构要素。地球上的生命最初形成时，核糖与核酸的作用大概相同。虽然还有很多困难，但看来甲醛最可能是生物出现前合成糖的起始物。在模拟的原始地球上，利用甲烷——水、一氧化碳——水，或二氧化碳——水 - 亚铁混合物的光解作用，和电火花通过甲烷——水或一氧化碳——水——氮混合物放电的方法，很容易形成甲醛。
在生命的最初形态中，作为遗传信息贮存器的，可能是RNA而不是DNA。人们已经对生物出现前合成RNA的途径进行了研究。
有人提出一个与之相类似的固相反应，用来解释相应的核苷酸的形成。19舫年，报道了加热核苷和无机磷酸盐形成核苷酸的情况。后来，奥格尔等人观察到，把干态的核苷和尿素、无机磷酸盐放在一起加热，最初会产生5' - 磷酸酯和2' - 及3' - 磷酸酯衍生物。对反应混合物继续进行加热，会导致增加磷酸化作用，还可以使2' - 或3' - 磷酸酯衍生物转变成2'，3' - 环二酯。
从这些反应可以看出，氰化物、氰及其衍生物可以作为生物出现前的凝聚剂，也可作为合成嘌呤、嘧啶、氨基酸的初始物。这正是人们所希望的。如果有足够的氰化氢用于合成杂环碱，那么，在其他生物出现前的过程中也应该有足够的氰化氢存在。
脂类化合物是组成细胞膜的关键，细胞膜是构成生命的基本要素，由于细胞膜的存在，维持了细胞内部的反应介质，这种介质与外界环境完全不同。对生命起源来说膜是重要的，因为在最早的生命形成中，有机物和无机物分子的浓缩和分离可能是一个重要过程。
聚核苷酸的形成
聚核苷酸是生命最初形成的基本要素，科学家们已经找到了有关贮存生物化学信息的机理，该生物化学信息与最初生命的形成有关，科学家们还指出了通过聚核苷酸序列的变异达到演变的可能性。了解生命出现前的核糖核苷酸合成法是揭示生命起源的关键。
研究生命出现前聚核苷酸的形成首先要研究2'，3' - 环核苷酸的凝聚，用化学凝聚剂或干相加热使2'或3' - 磷酸酯变成相应的2'，3' - 环磷酸酯。奥格尔等人已经观察到用脂肪族的联氨作催化剂，通过干相凝聚反应可产生多达6个单位的低聚物。在聚核苷酸模板存在的情况下，当利用乙二胺作催化剂时，腺苷2'，3' - 环磷酸酯也可以在含水相内进行反应。
用2'，3' - 环磷酸酯凝聚成聚核苷酸，这种方法有可能是产生少量核糖核苷酸的生物出现前途径。人们对这种方法特别感兴趣，因为当核糖核苷酸水解时，最先形成的是2'和3' - 单磷酸酿，而不是51 - 同分异构体。所以，反应物所需的21和31 - 磷酸酯的起始浓度比51 - 磷酸酯的起始浓度要高得多。
近来，在前生物聚核苷酸合成法方面，大多数的方法已经合成出有30 ~ 40个单体的低聚物，这是一个激动人心的发展。在萨尔克（Salk）研究院，用5' - 磷酸基咪唑作为合成反应的起始物质，这种物质是在前生物模拟实验中，反应条件为室温和70%的湿度时，用核苷三磷酸酯与咪唑发生固相反应得到的。
近来，萨尔克研究院的化学家们发现，鸟苷 - 5' - 磷酸酯的2 - 甲基咪唑化物能凝聚成多达50个单体的低聚物，而且不需要或Zn2+或Pb2+作催化剂。这些2 - 甲基咪唑的反应有明显的配向性（区域专一性），即反应几乎是排斥3'，5' - 键合低聚物的生成。虽然咪唑化物的直接模板凝聚仅仅是前生物学上核酸复制的一种模型，但它是了解无酶情况下复制核酸过程中的重要一步。
奥格尔实验的根据之一就是他相信生命最初形成的基本要素是RNA，而且不需要蛋白质的催化作用，他指出：起催化作用的实际上是RNA。
如果假设RNA具有催化性质，就会与生物化学的一贯说法相违背，对那些研究生物化学的团体来说，这一观点通常是不能被接受的，但在1982年，托马斯 · 赛奇（Thomas Cech）和合作者在科罗拉多大学报道了原生动物的RNA能催化它本身的绞接键，从而改变了生物化学的基本规律，即只有蛋白质能作催化剂的规律。
关于密码的最初起源，已提出了许多巧妙的建议，但每一种建议在实验时都会发现有缺陷存在，其中有一种建议是假定氨基酸与反密码子（反密码子是补充密码中氨基酸的三核苷酸序列）三核苷酸序列之间进行有选择的亲合，从而引起密码的起源。
纵观整个研究领域，可以得出一个结论：即在太阳系内的其他地方是不可能检测到生命的。但是，通过探测器在行星和其他星球上的探索，有可能弄清导致生命起源的化学过程。如果要想描绘一些导致生命起源的化学现象，最好的办法就是把探测器发射到泰坦、彗星、小行星（火星和木星轨道之间）和火星上去。
人们在陆地上就可以测定温定为94 K的泰坦表面是否覆盖有一层碳氢和氮的淤泥，淤泥中的碳氢和氮是45亿年前在泰坦大气层中形成的。另外，还可以辨别这些化合物在泰坦表面发生的一些化学变化。其中有些相同的化学过程也可能在原始地球上发生。在各种条件下，加热这种碳氢和氮的有机化合物的混合样品，可以目击40亿年前在较温和的地球上所发生的化学转变的重现。
探测器在彗星上的探测表明，在尘埃中也存在着这些化合物，太阳系就是由这些尘埃形成的。这些化合物借助于彗星传到原始地球上，成为化学演变的起始物质。
探测器在小行星上的探测结果，揭示了一些在早期地球上产生生物单体的化学过程，同样的，在泰坦上的探测揭示了地球大气层中活性烯烃和腈的形成过程，这说明泰坦也可以作为研究的模型。有人提出用小行星作为碳质陨星的一个来源。因为这些小物体的吸引力较小，所以在它上面取样品回来分析很容易。
尽管海盗号着陆器得出了相反的结论，但在火星上还是可能存在古生命痕迹的。火星表面上已发现有水道，这说明在某一时期那里曾有过很多表面水，并产生浓厚的大气层，在这种适宜的环境里，有可能发生化学演变甚至产生生命。在35亿年到45亿年前形成的化合物和微化石可能被古老的火星河埋葬在沉积物中。利用海盗号从高度氧化的表面层深处取来泥土样品，可能是进行有机分子研究的最好方法。它可以在火星上对岩芯内的有机物进行分析，也可以把样品带到地球上来分析。
虽然在模拟的原始地球上已经合成出许多单体，但还需要进行有关生物出现前的核糖、核苷、直链脂肪酸和大多数辅酶的实验。可以拟定一个实验来研究生物聚合体是怎样用这些物质和其他单体形成的，这是一个很有挑战性的课题。
如果假定RNA是早期生命的基本成分，那么，围绕着如何合成RNA，将会产生一系列的问题。如：磷酸酯集团是怎样活化的？它是同奥格尔实验中的咪唑一样？还是与从氨基酸得到的氨基磷酸酯相似？或者像同时期生化系统中较简单的三磷酸酯？最初的RNA模板是无机矿石和粘土？还是短链低聚核苷酸？或者是短链低聚核苷酸与前者的结合？
所谓直接的模板合成法是把单体凝固成模板，随后将刚合成好的低聚物从模板中分离出来。通常，用低聚物凝聚成的模板比单体要牢固得多。那么，最初部分的分离是怎样发生的呢？
如果我们假定氨基酸对反密码子的核苷酸具有选择亲合性这一点，能导致遗传密码发展的话，那么，为了揭开这些弱小的相互作用力是如何引起蛋白质合成系统发生进化的，还需要在实验上作进一步的研究。但这样简单、含有反密码子序列并可与特定的氨基酸进行有选择地结合的RNA存在吗？在有β - 氨基酸、α - 和β - 羟基酸以及处于生物前环境中的其他非蛋白质氨基酸同时存在的情况下，是怎样选择α - 氨基酸的呢？L - 氨基酸比D - 氨基酸是否能更有力地结合成D - 核苷酸？
所有这些观点都认为蛋白质和核酸是最初生命的基础。由于初层粘土或有关其他一些初始生命的方案而产生了一系列的问题，为此有了这些实验。
然而，这种最初的生命在原始地球上是怎样从普通的环境中分离出来的还是个有待解决的问题。
[Chemical and Engineering，1984年8月]