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。