2008年9月16日

生命的源頭 - 水

仰望星空,除了地球之外,還有哪個星球具有生命?

天文學家嘗試著尋找地球以外的外星生物。他們第一個想到就是;水!
有了「會流動」的水,這個星球上面就有可能有生物存在。

地球,四分之三的面積被水所覆蓋;而生物,細胞中有70% - 95%(隨物種不同)是水。毫無疑問的,水是地球上生物所賴以維生的必需品。當然,外星生物可能不需要水;但,水是如此重要的物質,一個有活水的星球上讓生物的存在變得大有可能了!

水分子其實是很簡單的小分子;但因為他有非常特別的特性,使得它 成為生物的必需品。

水分子(H2O)由一個氧原子和兩個氫原子所構成。這是個V字形的分子,並且因為氧原子比氫原子具有更高的電子親和力,在這個分子中,電子總是比較靠近氧原子,使得相對之下,氫原子帶正電,而兩個氧原子帶負電:電子的不平均分布,使得水分子成為一個極性分子
 - 一頭帶正電另外一頭帶負電。正因為這樣,在一灘水之中,水分子彼此之間會形成氫 - 氧之間的吸引力;這個吸引力是正電與負電之間的吸引力,並不是共用電子所產生的供價鍵,我們叫它為氫鍵(Hydrogen Bond)。雖然氫鍵只是微弱的作用力,一個水分子卻因此可以和好幾個水分子之間形成氫鍵,並且;分子總是在運動;因此水分子之間的氫鍵夥伴總是在改變。

極性和氫鍵使水具有四大特性。

第一,水很黏。

拖地之後,地板上有一層薄薄的水,光著腳ㄚ踩起來是不是覺得黏黏的呢?

那就是水的第一個特性,氫鍵使水分子彼此之間緊密的手拉手(不是有隻真的手,但是有個力量讓他們愛在一起);我們稱這是水的內聚力。水的極性,也使水分子容易和細胞(或者其他的極性分子)之間產生氫鍵。比方說在大樹中,水分子會附著在負責傳導水分的導管細胞細胞壁上;此作用幫助水分在植物中的運輸;這是水的附著力。水的內聚力與另外一個現象的產生有關。這個現象叫做表面張力 - 水很難被戳破;一些昆蟲,可以利用水的表面張力在水面上移動而不會沈下去;小心的把一枚硬幣放到水面上,硬幣也不會沈下去喔!

第二,水能夠調節地球上的氣溫

水具有很高的比熱。所謂比熱,是指將一公克的物質上升(下降)一度C所需要的熱量(卡)。

水的比熱是 1 ,這是不尋常的高比熱,金屬類的比熱通常遠小於一。而酒精的比熱則只有 0.6。

因為水的高比熱,要讓一整個湖泊或一整個海洋上升一度C,需要非常多的熱量;而當他們下降一度C,則會釋放出很多的熱量。因此,靠湖泊邊的地方,他的溫度改變較內陸溫度的改變來的和緩許多。同理,具有四分之三海洋面積的地球,他的溫度並不會劇烈的改變(相較於沒有液態水的星球,比如火星),因此讓生物得以生存。

蒸發致冷是另一個與水的高比熱有關的特性。所謂蒸發,指的是液體轉變為氣體;這與分子的動能有關。通常在一灘水之中,運動越快的分子(動能越多)越有機會脫離大家散逸出去。蒸發熱指的是讓一克的液體蒸發掉所需要的熱能,水因為含有大量氫鑑,因此他的蒸發熱也相對的高。那麼,當一克的水蒸發掉以後(一克的具有高動能的水分子),剩下的水分子都是動能較低的,溫度(平均分子動能)自然也就比原先低了。

這個現象是具有全球效應的。熱帶地區的海洋吸收大量太陽的熱能以後,又熱又溼的水蒸汽上升到空氣中。當他們往較冷的地方移動之後,便會凝結成雨降下;順便也釋放出所夾帶的熱量。(颱風要來之前,空氣總是潮溼,並且悶熱)這是全球水循環的一部份,同時也調節了地球的溫度(那麼,當溫室效應越來越嚴重,全球一直暖化的情況下,會發生什麼事呢?)。

蒸發致冷對生物來說也是相當重要的。汗流浹背,讓我們打完籃球之後不至於過熱而起火燃燒;汗水的蒸發降低了我們體內的溫度。葉子的水分蒸發,除了帶動植物體內的水分傳輸之外,也降低了植物的溫度。

第三,水在零度C時體積最大。

這有什麼重要呢?大部分的液體,凝結固化時,體積都會縮小,密度變大。水則相反,他固化時體積反而變大,密度變得比液態時還小。這又是因為水的氫鍵。當零度C時,水開始固化,這個固化過程使得許多氫鍵斷裂,水分子在晶格中固定不動了,每個水分子固定與周圍的四個水分子形成氫鍵;當溫度開始上升時,水分子動能增加開始移動,原來固定不變得氫鍵開始斷裂,而開始移動的水分子自由尋找周遭的夥伴重新形成氫鍵;因此,水的體積減小(因晶格破裂)但是密度增大了(水分子彼此之間距離縮短);水在四度C時密度達到最大,溫度再繼續增加,水分子移動的速度繼續加快,彼此間的距離又拉大了!

冰的密度比水小,使得冬天時,湖面上浮著冰,但是冰下仍然有液態水;這使得水中生物能夠繼續存活呢。

第四,水是最好的溶劑。

因為水的極性特質,易解離的分子,如NaCl,會完全溶解在水中。而同樣帶有極性的分子,則因為這樣的關係,容易和水分子形成氫鍵,一樣也可以溶解懸浮在水中。這個特性堆生物來說非常的重要,因為蛋白質是一種大分子,大部分的蛋白質都是以懸浮的狀態存在細胞當中。蛋白質帶有極性的部份,呈現親水性(Hydrophilic),而非極性的部份則為斥水性(Hydrophobic);通常,蛋白質會將其斥水的部份包裹在親水層裡面。這樣的結構與某些酵素的功能有相當大的關係。

上述四個水的特性,讓地球上的生物,得以在和緩的氣候變化下生存;得以利用水溶解需要的養分,運輸養分,獲取需要的養分。