生命之鍵與生命之源

最新 08-12

嚴肅點，上課呢！

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親愛的同學們，今天小編帶大家了解一下生命的源頭。

2012年，一則有毒化學物質的帖子傳遍網路，還驚動了央視《東方時空》。這種化學物質叫一氧化二氫，帖子揭示了它的十大罪狀：

1.它是酸雨的主要成分；

2.對泥土流失有促進作用；

3.對溫室效應有推動作用；

4.它是腐蝕的成因；

5.過多的攝取可能導致各種不適；

6.皮膚與其固體形式長時間的接觸會導致嚴重的組織損傷；

7.被吸入肺部可以致命；

8.處在氣體狀態時，它能引起嚴重灼傷；

9.在不可救治的癌症病人腫瘤中已經發現該物質；

10.對此物質上癮的人離開它168小時便會死亡…

儘管如此危險，一氧化二氫常常被用於：

1.各式各樣的殘忍的動物研究；

2.美國海軍有秘密的一氧化二氫的傳播網；

3.全世界的河流及湖泊都被一氧化二氫污染；

4.常常配合殺蟲劑使用；洗過以後，農產品仍然被這種物質污染；

5.在一些「垃圾食品」和其它食品中的添加劑；

6.已知的導致癌症的物質的一部分。

然而，政府和眾多企業仍然大量使用一氧化二氫，而不在乎其極其危險的特性。

我們知道，一氧化二氫就是水。

雖然這帖子是個惡作劇，但水的危險也是事實。就算是現在，每年也可以淹死38萬人。要知道，冰島全國才34萬人。可見洪水猛獸並非浪得虛名。

不過，在地球上，水最暴虐的存在，不是洪水，而是蒸汽。那還是40億—39億年前，一場超級隕石雨撲向水靈靈的地球，給地球帶來更多的水。但巨大的動能轉化為熱能，地球變成了岩漿翻滾的煉獄，水被氣化，混著岩漿灰，一個臟雲翻滾的超級大蒸籠，抹平了曾經的一切。

多年以後，大概38億年前，水重新落回地面，湍急的河水漸漸變得清澈見底，河床里的頑石慢慢被打磨成潔白光滑的卵石。

地球重新享受了水的沐浴和滋潤。生命，悄然出現。

水，是生命之源。

人體70%是水。隨著年齡增長，含水量會略有減少，人看上去就衰老。說娃娃們水靈靈的，那不是誇張，而是事實。所以人是名副其實的「水貨」。

不止人類，地球上幾乎所有生命，體內60%以上都是液態水。

這麼多水，減少一點行不行呢？

不行。正常人失水2%，口乾舌燥；失水5%，焦慮煩躁；失水8%，脫水症兆；失水15%，休克昏倒；失水20%，很快死掉…

為啥水這麼獨特呢？一句廢話是：每一種物質都很獨特。特性不同，功用就不同。只不過，水的特性恰好更適合孕育生命，而已。我們來看看，水憑啥就成了生命之源：

水的丰度高，也就是價格便宜量又足。量足夠大，才能給生命產生以足夠大的可能；量足夠大，生命才有演化、繁衍的空間和物質基礎。

水的氣、液、固態切換姿勢神奇，適合生命存活。

一方面，水在液態溫帶中，也可以揮發成氣態分子，增加空氣濕度。這有啥用呢？它可以減緩生物失水速度，讓生物不至於離開水就迅速死掉。縱然你轉身離開，我也會護著你跟過來。

另一方面就更重要了，水在低溫下，密度變化異常。正常物質是熱脹冷縮，溫度越低，密度越高。如果水也是這樣，那麼，低溫時冰會沉底。然後會從下向上，逐漸全部凍成冰。即使回暖，也只能化開表面，越深越難融化。海底就可能常年是冰，很多水生物就沒法存活了。由於生命產生於海洋，生命也就無法形成了。

但是，水偏偏就是與眾不同，水的奇葩性質給了我們誕生的機會。水在4℃時密度最大，也就是會沉到下面。溫度低於4℃，密度就開始降低，只能上浮。這直接導致兩個後果：

一是低溫水能更順利地對流到上面，接受熱能，保持上下水溫的大致平衡。

二是只能從水面開始結冰。結成冰後，密度降低10%，是斷然沉不下去的，只能當冰蓋。而冰蓋就是天然隔熱層，減少水溫散發，讓下面的水保持液態。這樣，水生物還可以正常生活，甚至夫妻生活。

生命需要不斷和外界交換物質和能量，說人話就是吃喝拉撒（植物也有）。這就離不開液體運載物質在體內流動，實現新陳代謝。水保持液態的溫帶非常寬，從0℃—100℃ 都可以保持液態。如果生命液體很容易凍結，或很容易蒸發，那麼，生物的存活溫帶就太窄。溫度稍高稍低，就滅絕了。

水是一種溶解性很強的溶劑。大多數物質可以在水中溶解。生命必須的那些物質，溶解在水中，才得以順利地運送、交換，反應，完成生命的構造和新陳代謝。

這些特點決定了：在地球上，一切生物過程都離不開水。水是生物分子的天然溶劑和自然生存環境，水也是生物分子的一部分——從結構到功能，水用它的極性構架了生態環境，構建了生物分子，決定了生物分子的性質和作用。這一切是怎麼發生的？這還得從電負性說起。

還記得生物元素四大金剛吧，它們的電負性如下:

氫 2.2，碳 2.55，氧 3.04，氮 3.44。

前面說了，所謂電負性，就是吸引異性的能力。說白了就是原子核吸引電子的能力。那麼，兩個不同的元素合體，由於吸引電子的能力不同（電負性差），所以成鍵就不同。一般規則：

電負性差＜0.5，搶電子的能力差不多，電子公平共價共享，鍵是非極性的。

差別在0.5~2.0，搶電子的能力相差明顯，電子非公平共享，鍵就是極性的。

差別＞2.0，高下立現，一方獨霸電子，搞成了離子，不再共價，鍵當然是極性的。

當然，僅僅考慮兩個原子，只是最簡單的情況。三個原子一台戲，多個原子就複雜到不知哪裡去了。在多原子的分子中，每個原子吸引電子的能力，不僅取決於它自身的電負性，而且還相互牽制，相互影響，可以拍一部甄嬛傳。不過，如果只是為了從理論上闡明水的作用，簡單考慮就足夠了。

OK，學了這麼久，該考試了。請聽題——

水的氫氧鍵的電負性差為0.84，氫氧鍵是極性鍵還是非極性鍵？

對，是極性鍵。

這個答案很重要！

首先，氫氧鍵的極性導致了一個特殊的極性作用力的產生，也就是上文提到的氫鍵。正是氫鍵，決定了水的神奇特點。

一個水分子，是一個氧原子+兩個氫原子：H2O。電子偏向氧原子，於是氧原子這邊，電性就偏負一點。而氫原子那邊，核底褲都露出來了，電性就偏正一點。上文講過，這三個原子不是呆板的直線排列，而是形成104.5度角。角狀對稱。大概就是米老鼠的腦袋那種形狀，一個氧原子是頭，兩個氫原子就是倆耳朵。於是，氫氧鍵的極性就轉化為水分子的「極性」。一塊燕尾狀小磁體就誕生了。

水分子的極性比較明顯，而且是一負兩正，十分别致。這一招鮮，水分子玩出了很多神奇的花樣。

我們先來看看氫鍵到底咋回事兒。

水分子中氫原子帶著正電，自然會尋找其他分子中的負極，並勇敢地往上沖，讓分子黏在一起。

氫雖活潑多情，卻並非來者不拒，只有遇到氧、氮、氟這些電負性很高，又帶「孤對電子」的原子時，才能感受生命大和諧，產生氫鍵這種特殊的極性作用力。

孤對電子。看著像生客，其實是熟人。說的就是在原子大樓外層遊盪的那些閑散電子。

同樣在外層遊盪，怎麼區分誰閑散，誰不閑散？

其實很好區分。化學老師告訴我們，游

盪在外層的電子，叫「價電子」。而原子能幹啥，就取決於價電子。

價電子也有區別。有的價電子是單身狗，嗷嗷想找別的電子配對。所以，原子合體時，那些還沒配對、不滿足的電子，就積極主動搭橋、成鍵。態度積極、幹事成事，當然不能叫閑散電子。

而有些價電子，已經配了對，和愛人住同一個標間，比較滿足了，不想成鍵。這就成了閑散電子。因為它們沒成鍵，於是稱「孤」。又因為他們本身是成對兒的，所以就叫「孤對電子」。

下面掌聲歡迎碳、氧兩位原子來為我們現身說法。

大家好我是碳的經紀人阿喆。碳有四個外層電子，正好一個房間一個，誰也不成對，因此可以形成四個化學鍵。這就是說碳沒有孤對電子。

大家好我是氧的閨蜜阿實。氧有六個外層電子，因為外層只有4個標間，所以，有兩對電子幸福地配對入住兩間房，而另外兩個單電子只好按照「先佔房後配對」的規定，各住一間房，成了單身狗。兩個單身狗可以形成兩個化學鍵。各位法官相必已經猜出氧原子有幾個孤電子對了。是的，那兩對幸福電子，就是不想成鍵的孤對電子。

按照這個方法安檢一下，你會發現氮、氟都攜帶了孤對電子。

孤對電子都已經自己配對了，又沒成鍵，除了在外層閑逛，還有啥用？

其實用處大了去了。別忘了，閑逛的電子也是電子，它們是帶負電的，所以正電對它們來講，具有無法抗拒的天然魅力。比方說水分子風騷的氫燕尾，走到哪裡都帶著一縷正電的幽香。氧原子當然是聞香而動，正負相吸，於是形成了妙曼的氫鍵（圖一）。

氫鍵不是共價鍵，所以在圖中用虛線表示。

氫鍵雖然柔和，但江湖地位顯赫。所以江湖上就有了以氫鍵為體的名號。

和氫共價結合的原子，可以提供氫鍵給你用，所以叫做氫鍵的供體。

有供就有受。跑來使用這個氫鍵，與氫結合的原子，就是氫鍵的受體。

氫鍵的強度也有大小之分，不同的供體、受體，以及它們的距離和結合的角度，都會影響氫鍵的強度。如果供體、氫、受體這三體成一直線，那麼氫鍵最強。拐了彎，氫鍵就弱了（圖一）

圖一 X為氫鍵供體，Y為氫鍵受體，最常見的X，Y為氧(O)，氮(N)和氟(F)，它們都帶孤電子對。氫鍵由虛線表示。Y離H距離越遠，或者角度彎曲，氫鍵結合力變小。

氫鍵是個相當重要的概念。氫鍵、范德華力，都不是共價鍵，它們的作用力沒有共價鍵那麼強，既可以讓分子們膩在一起，又不至於黏太緊分不開。當你需要我，我會在你身邊。當你有新的彼岸，我會離開你，變成一絲雲彩。

雖然都是非共價鍵，氫鍵卻比范德華力要強幾倍到幾十倍，往往一兩個氫鍵就可以把兩個分子拉到一起，如果靠范德華力，則需要更多的原子相互作用。

氫鍵將水分子連成了一張奇特的三維快舞網（圖二），每個水分子平均和周圍3到4個其他水分子以氫鍵小手相連，並迅速切換舞伴，大約10億次/秒，你拉一下我，我扯一下她，看似散漫，但在任何時刻，都有大約15%的水分子結合在一起。這讓水不黏不稠，浪漫溫柔，又可以聚成滴，匯成流。常溫時，水分子也有機會脫離快舞網，自由翱翔，但你想通過升溫把水分子飛快地一個個地蒸出去，也並不是很容易。瞧，水的液態溫帶比較寬，就是氫鍵的功勞。

圖二水的氫鍵網路

氧和氮是組成地球上各種分子的常見元素。這些分子落入水的舞池，就熱鬧了。遇到新舞伴的水分子，紛紛見異思遷，放開同類舞伴，熱情地和氧、氮等舞伴形成氫鍵。在水的七拉八扯下，這些分子互相脫離，和水分子搭伴輕舞飛揚起來，漸漸融入整個舞池，這就是溶解過程。所以，水分子能溶解大量物質，它的極性和氫鍵功不可沒。別小看「溶解」能力，它對生命的作用是根本性的。這讓它在物質化合中，既是媒婆、虔婆，又是接生婆、催生婆…哪兒都少不了她，人稱八婆。

剛才說到水的固態輕於液態，這個奇葩性質也和氫鍵有關。液態水分子之間的氫鍵是不停地斷裂又形成的，這讓水分子隨時開溜，見手就拉，見縫就鑽，鬧哄哄擠作一團，親密接觸。而結冰以後呢，水分子只能老老實實手拉手站成隊列，也就是通過氫鍵形成晶格結構，這讓水分子之間的距離加大，導致冰的密度下降，從而可以浮在水面上。

這是一個偉大的設計，還是一個絕妙的巧合？

要注意的是，氫鍵並不是水分子的專利，氫鍵在生物分子的相互作用中也至關重要，DNA鹼基的專一配對就全是鹼基之間氫鍵的功勞，這個後面會講到。

現在再來看看生物分子。還是要回到電負性。碳化學中三個常見鍵的電負性差分別為：

碳氫鍵0.35

碳氧鍵0.5

碳氮鍵0.9

問：哪個是非極性鍵，哪個是極性鍵？

是不是一道送分題？

如果沒記住，就無恥地看答案吧：碳氫鍵為非極性鍵，碳氧鍵、碳氮鍵為極性鍵。

這個答案告訴我們：生物分子是極性鍵、非極性鍵的混合物。

這有啥了不起呢？生物學家一臉嚴肅地告訴你「這個很關鍵！」

不信你看下面這道送命題：