生命之源与生命之键

刘萝卜锅

品质源于技术 服务源于态度

这是阿什卡微信公众号的第542篇原创文章

首发于2018年8月1日

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作者：暮色＆萝卜

2012年，一则有毒化学物质的帖子传遍网络，还惊动了央视《东方时空》。这种化学物质叫一氧化二氢，帖子揭示了它的十大罪状：

1.它是酸雨的主要成分；

2.对泥土流失有促进作用；

3.对温室效应有推动作用；

4.它是腐蚀的成因；

5.过多的摄取可能导致各种不适；
6.皮肤与其固体形式长时间的接触会导致严重的组织损伤；
7.被吸入肺部可以致命；
8.处在气体状态时，它能引起严重灼伤；
9.在不可救治的癌症病人肿瘤中已经发现该物质；
10.对此物质上瘾的人离开它168小时便会死亡…

尽管如此危险，一氧化二氢常常被用于：

1.各式各样的残忍的动物研究；

2.美国海军有秘密的一氧化二氢的传播网；

3.全世界的河流及湖泊都被一氧化二氢污染；

4.常常配合杀虫剂使用；洗过以后，农产品仍然被这种物质污染；

5.在一些“垃圾食品”和其它食品中的添加剂；

6.已知的导致癌症的物质的一部分。

然而，政府和众多企业仍然大量使用一氧化二氢，而不在乎其极其危险的特性。

我们知道，一氧化二氢就是水。

虽然这帖子是个恶作剧，但水的危险也是事实。就算是现在，每年也可以淹死38万人。要知道，冰岛全国才34万人。可见洪水猛兽并非浪得虚名。

不过，在地球上，水最暴虐的存在，不是洪水，而是蒸汽。那还是40亿—39亿年前，一场超级陨石雨扑向水灵灵的地球，给地球带来更多的水。但巨大的动能转化为热能，地球变成了岩浆翻滚的炼狱，水被气化，混着岩浆灰，一个脏云翻滚的超级大蒸笼，抹平了曾经的一切。

多年以后，大概38亿年前，水重新落回地面，湍急的河水渐渐变得清澈见底，河床里的顽石慢慢被打磨成洁白光滑的卵石。

地球重新享受了水的沐浴和滋润。生命，悄然出现。

水，是生命之源。

人体70%是水。随着年龄增长，含水量会略有减少，人看上去就衰老。说娃娃们水灵灵的，那不是夸张，而是事实。所以人是名副其实的“水货”。

不止人类，地球上几乎所有生命，体内60%以上都是液态水。

这么多水，减少一点行不行呢？

不行。正常人失水2%，口干舌燥；失水5%，焦虑烦躁；失水8%，脱水症兆；失水15%，休克昏倒；失水20%，很快死掉…

为啥水这么独特呢？一句废话是：每一种物质都很独特。特性不同，功用就不同。只不过，水的特性恰好更适合孕育生命，而已。我们来看看，水凭啥就成了生命之源：

1.

水的丰度高，也就是价格便宜量又足。量足够大，才能给生命产生以足够大的可能；量足够大，生命才有演化、繁衍的空间和物质基础。

2.

水的气、液、固态切换姿势神奇，适合生命存活。

一方面，水在液态温带中，也可以挥发成气态分子，增加空气湿度。这有啥用呢？它可以减缓生物失水速度，让生物不至于离开水就迅速死掉。纵然你转身离开，我也会护着你跟过来。

另一方面就更重要了，水在低温下，密度变化异常。正常物质是热胀冷缩，温度越低，密度越高。如果水也是这样，那么，低温时冰会沉底。然后会从下向上，逐渐全部冻成冰。即使回暖，也只能化开表面，越深越难融化。海底就可能常年是冰，很多水生物就没法存活了。由于生命产生于海洋，生命也就无法形成了。

但是，水偏偏就是与众不同，水的奇葩性质给了我们诞生的机会。水在4℃时密度最大，也就是会沉到下面。温度低于4℃，密度就开始降低，只能上浮。这直接导致两个后果：

一是低温水能更顺利地对流到上面，接受热能，保持上下水温的大致平衡。

二是只能从水面开始结冰。结成冰后，密度降低10%，是断然沉不下去的，只能当冰盖。而冰盖就是天然隔热层，减少水温散发，让下面的水保持液态。这样，水生物还可以正常生活，甚至夫妻生活。

刘萝卜锅

3.

生命需要不断和外界交换物质和能量，说人话就是吃喝拉撒（植物也有）。这就离不开液体运载物质在体内流动，实现新陈代谢。水保持液态的温带非常宽，从0℃—100℃ 都可以保持液态。如果生命液体很容易冻结，或很容易蒸发，那么，生物的存活温带就太窄。温度稍高稍低，就灭绝了。

4.

水是一种溶解性很强的溶剂。大多数物质可以在水中溶解。生命必须的那些物质，溶解在水中，才得以顺利地运送、交换，反应，完成生命的构造和新陈代谢。

这些特点决定了：在地球上，一切生物过程都离不开水。水是生物分子的天然溶剂和自然生存环境，水也是生物分子的一部分——从结构到功能，水用它的极性构架了生态环境，构建了生物分子，决定了生物分子的性质和作用。这一切是怎么发生的？这还得从电负性说起。

还记得生物元素四大金刚吧，它们的电负性如下:

氢 2.2，碳 2.55，氧 3.04，氮 3.44。

前面说了，所谓电负性，就是吸引异性的能力。说白了就是原子核吸引电子的能力。那么，两个不同的元素合体，由于吸引电子的能力不同（电负性差），所以成键就不同。一般规则：

电负性差＜0.5，抢电子的能力差不多，电子公平共价共享，键是非极性的。

差别在0.5~2.0，抢电子的能力相差明显，电子非公平共享，键就是极性的。

差别＞2.0，高下立现，一方独霸电子，搞成了离子，不再共价，键当然是极性的。

当然，仅仅考虑两个原子，只是最简单的情况。三个原子一台戏，多个原子就复杂到不知哪里去了。在多原子的分子中，每个原子吸引电子的能力，不仅取决于它自身的电负性，而且还相互牵制，相互影响，可以拍一部甄嬛传。不过，如果只是为了从理论上阐明水的作用，简单考虑就足够了。

OK，学了这么久，该考试了。请听题——

水的氢氧键的电负性差为0.84，氢氧键是极性键还是非极性键？

对，是极性键。

这个答案很重要！

首先，氢氧键的极性导致了一个特殊的极性作用力的产生，也就是上文提到的氢键。正是氢键，决定了水的神奇特点。

一个水分子，是一个氧原子+两个氢原子：H2O。电子偏向氧原子，于是氧原子这边，电性就偏负一点。而氢原子那边，核底裤都露出来了，电性就偏正一点。上文讲过，这三个原子不是呆板的直线排列，而是形成104.5度角。角状对称。大概就是米老鼠的脑袋那种形状，一个氧原子是头，两个氢原子就是俩耳朵。于是，氢氧键的极性就转化为水分子的“极性”。一块燕尾状小磁体就诞生了。

水分子的极性比较明显，而且是一负两正，十分别致。这一招鲜，水分子玩出了很多神奇的花样。

我们先来看看氢键到底咋回事儿。

水分子中氢原子带着正电，自然会寻找其他分子中的负极，并勇敢地往上冲，让分子黏在一起。

氢虽活泼多情，却并非来者不拒，只有遇到氧、氮、氟这些电负性很高，又带“孤对电子”的原子时，才能感受生命大和谐，产生氢键这种特殊的极性作用力。

孤对电子。看着像生客，其实是熟人。说的就是在原子大楼外层游荡的那些闲散电子。

同样在外层游荡，怎么区分谁闲散，谁不闲散？

其实很好区分。化学老师告诉我们，游荡在外层的电子，叫“价电子”。而原子能干啥，就取决于价电子。

价电子也有区别。有的价电子是单身狗，嗷嗷想找别的电子配对。所以，原子合体时，那些还没配对、不满足的电子，就积极主动搭桥、成键。态度积极、干事成事，当然不能叫闲散电子。

而有些价电子，已经配了对，和爱人住同一个标间，比较满足了，不想成键。这就成了闲散电子。因为它们没成键，于是称“孤”。又因为他们本身是成对儿的，所以就叫“孤对电子”。

下面掌声欢迎碳、氧两位原子来为我们现身说法。

刘萝卜锅

大家好我是碳的经纪人阿喆。碳有四个外层电子，正好一个房间一个，谁也不成对，因此可以形成四个化学键。这就是说碳没有孤对电子。

大家好我是氧的闺蜜阿实。氧有六个外层电子，因为外层只有4个标间，所以，有两对电子幸福地配对入住两间房，而另外两个单电子只好按照“先占房后配对”的规定，各住一间房，成了单身狗。两个单身狗可以形成两个化学键。各位法官相必已经猜出氧原子有几个孤电子对了。是的，那两对幸福电子，就是不想成键的孤对电子。

按照这个方法安检一下，你会发现氮、氟都携带了孤对电子。

孤对电子都已经自己配对了，又没成键，除了在外层闲逛，还有啥用？

其实用处大了去了。别忘了，闲逛的电子也是电子，它们是带负电的，所以正电对它们来讲，具有无法抗拒的天然魅力。比方说水分子风骚的氢燕尾，走到哪里都带着一缕正电的幽香。氧原子当然是闻香而动，正负相吸，于是形成了妙曼的氢键（图一）。

氢键不是共价键，所以在图中用虚线表示。

氢键虽然柔和，但江湖地位显赫。所以江湖上就有了以氢键为体的名号。

和氢共价结合的原子，可以提供氢键给你用，所以叫做氢键的供体。

有供就有受。跑来使用这个氢键，与氢结合的原子，就是氢键的受体。

氢键的强度也有大小之分，不同的供体、受体，以及它们的距离和结合的角度，都会影响氢键的强度。如果供体、氢、受体这三体成一直线，那么氢键最强。拐了弯，氢键就弱了（图一）

图一 X为氢键供体，Y为氢键受体，最常见的X，Y为氧(O)，氮(N)和氟(F)，它们都带孤电子对。氢键由虚线表示。Y离H距离越远，或者角度弯曲，氢键结合力变小。

氢键是个相当重要的概念。氢键、范德华力，都不是共价键，它们的作用力没有共价键那么强，既可以让分子们腻在一起，又不至于黏太紧分不开。当你需要我，我会在你身边。当你有新的彼岸，我会离开你，变成一丝云彩。

虽然都是非共价键，氢键却比范德华力要强几倍到几十倍，往往一两个氢键就可以把两个分子拉到一起，如果靠范德华力，则需要更多的原子相互作用。

刘萝卜锅

氢键将水分子连成了一张奇特的三维快舞网（图二），每个水分子平均和周围3到4个其他水分子以氢键小手相连，并迅速切换舞伴，大约10亿次/秒，你拉一下我，我扯一下她，看似散漫，但在任何时刻，都有大约15%的水分子结合在一起。这让水不黏不稠，浪漫温柔，又可以聚成滴，汇成流。常温时，水分子也有机会脱离快舞网，自由翱翔，但你想通过升温把水分子飞快地一个个地蒸出去，也并不是很容易。瞧，水的液态温带比较宽，就是氢键的功劳。

图二 水的氢键网络

氧和氮是组成地球上各种分子的常见元素。这些分子落入水的舞池，就热闹了。遇到新舞伴的水分子，纷纷见异思迁，放开同类舞伴，热情地和氧、氮等舞伴形成氢键。在水的七拉八扯下，这些分子互相脱离，和水分子搭伴轻舞飞扬起来，渐渐融入整个舞池，这就是溶解过程。所以，水分子能溶解大量物质，它的极性和氢键功不可没。别小看“溶解”能力，它对生命的作用是根本性的。这让它在物质化合中，既是媒婆、虔婆，又是接生婆、催生婆…哪儿都少不了她，人称八婆。

刚才说到水的固态轻于液态，这个奇葩性质也和氢键有关。液态水分子之间的氢键是不停地断裂又形成的，这让水分子随时开溜，见手就拉，见缝就钻，闹哄哄挤作一团，亲密接触。而结冰以后呢，水分子只能老老实实手拉手站成队列，也就是通过氢键形成晶格结构，这让水分子之间的距离加大，导致冰的密度下降，从而可以浮在水面上。

这是一个伟大的设计，还是一个绝妙的巧合？

要注意的是，氢键并不是水分子的专利，氢键在生物分子的相互作用中也至关重要，DNA碱基的专一配对就全是碱基之间氢键的功劳，这个后面会讲到。

现在再来看看生物分子。还是要回到电负性。碳化学中三个常见键的电负性差分别为：

碳氢键0.35

碳氧键0.5

碳氮键0.9

问：哪个是非极性键，哪个是极性键？

是不是一道送分题？

如果没记住，就无耻地看答案吧：碳氢键为非极性键，碳氧键、碳氮键为极性键。

这个答案告诉我们：生物分子是极性键、非极性键的混合物。

这有啥了不起呢？生物学家一脸严肃地告诉你“这个很关键！”

不信你看下面这道送命题：

如果极性分子、非极性分子同时掉进水里，你先救谁？

不要紧张，这道题的正确答案是：谁也不用救。

因为，极性分子掉进极性水里，那就是臭味相投如鱼得水，马上正负相吸，69式相依，你拉都拉不开，何必棒打鸳鸯做法海。

非极性分子掉进极性水里，就更不用救了。因为没极性，本来就和水没有异性相吸的条件，加上熵的策动，所以恨不得离水分子越远越好，只要一遇到其他非极性分子，立即抱团。对，这就是油滴入水的情况。

原理不能再简单了是吧？然而，神奇的事情就从这里发生了：

当生物分子进入水中，它们不再舒展自如，不再自由散漫，而开始翻转折叠——亲水的极性部分拼命往表面挤，以一亲水分子芳泽；疏水的非极性部分拼命往内部钻，以逃避水分子的鄙视。就这样一个简单的动作，却形成了生物分子的特定构型。

而结构，决定了功能。

也就是说，水分子在塑造生物分子结构的同时，也确定了其功能。

如果存在外星生命的话，或许它们和地球生命有着本质上的不同。除非，这个星球也存在充足的水资源。

本图来自网络

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