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[阿什卡咖啡馆] 水凭啥是生命之源?

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发表于 2018-4-8 16:29:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
生命之源.jpg
品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第500篇原创文章
首发于2018年4月7日


多年以后,当地球上的一只智慧生物思考地球时,他会想起40亿年前太古宙开篇的那场超级流星雨。

那就像泼在稿纸上的涂改液,让地球这篇刚开头的作文变回一张白纸,一切从头再来,一切迥然不同。

这场天地大冲撞究竟抹杀了什么,没人知道。但它留下了什么,我们今天看到了。比如,地球引力留下了蒸腾翻滚的水。

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。

是的,地球重新享受了水的沐浴和滋润。生命,悄然出现。

当水再一次变得浑浊时,地球人恍然大悟:水是生命之源,不能再污染啦!
那么,问题来了:地球幅员辽阔,物产丰富,元素众多,凭啥单说水是生命之源?

其实看看我们自己,就知道了。

人体70%是水,当然随着年龄增长,含水量会减少,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”。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…

有人表演辟谷,不吃东西只喝水,靠消耗脂肪,可以撑十几天。但你反过来试试,只吃饼干不喝水,7天都撑不过去。

为啥呢?因为人体结构要靠水维持,营养要靠水传送,能量要靠水化合、运输…

不止人类,地球上几乎所有生命,60%以上是液态水。

我们赖以生存的农作物,一般水含量在80%以上。

都知道万物生长靠太阳,植物靠光合作用。但光合作用要靠水来完成。植物生长出干物质,要消耗几百倍的水。产1公斤干物质,玉米要浇灌400公斤水,小麦要500公斤水,棉花要600公斤水,水稻要1000公斤水…

这位童鞋拍案而起:上面说的,只是地球上的情况。地球水多,地球生物利用水、离不开水,那是很自然的事。但你能保证,在没水的外星上,就不会出现生命吗?所以,你凭什么说“水是生命之源”呢?

确实没人敢保证“没水的外星上就一定没有生命”。但是,有两大理由,让水稳坐“生命之源”的宝座。
第一个理由,是认知。我们并没有发现“无水的生命”,也没找到“无水演进生命”的机制。

不是说不能假设,而是说假设也有边界。边界越清晰,认知越扎实。我们的知识,必须在已知、可检验的基础上,合乎逻辑地向前演绎、验证、推进,这就是边界。离开这些,脑洞就是无本之木。这个说“没水可能有生命”,那个说“可能有脱离物质的生命”…这样凭空猜想,没人不会。但没有现实意义。“一切皆有可能”就成了“啥也不知道”。

前面说了,物质是原子构成的。而原子之间的分别,仅仅是质子、中子、电子数的不同。知道这个,我们就该知道,人类已经找到了几乎所有稳定的原子。哪些原子适合搭建生命,我们也基本清楚。
第二个理由,是水的特性。这是我们重点要说的。
1
生命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。

水保持液态的温带比较宽,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。
2
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。
3
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,完成生命的构造、新陈代谢。
4
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,低温水会沉底。天冷时,会从下向上,全部冻成冰。即使回暖,也只能化开表面,越深越难融化。深一些的水底,比如海底就常年是冰,很多水生物就没法活了。

幸好水不是这样。水在4℃时密度最大。低于4℃,密度就开始降低。结成冰后,密度降低10%。这有啥用呢?主要有两个用处:

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。结冰后,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。

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。

一个水分子,是一个氧原子+两个氢原子:H2O

正常来讲,如果这仨原子排成一条直线,线性对称,那就没戏唱了。

水分子的神奇之处,就在于三个原子排成V形,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。

氢氧组合,是氢把唯一的电子拿去跟氧共享。化学家管这叫“共价键”。说好是共享,但氧有电负性,也就是更渴望电子。所以,电子们偏向氧原子那边。我们知道,电子带负电,而原子核带正电。

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。于是,水分子就有了“极性”。一块燕尾状小磁体就诞生了。可千万别小看“极性”,它是我们大千世界如此丰富多彩的根本原因之一。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。

氢原子这边,只要遇到其他分子的负极,就会勇敢地吸上去,让分子黏在一起。这叫氢键。氢很活泼多情,可以和很多种元素合体。但只有和氧、氮、氟合体,才能感受生命大和谐,产生键能强大的氢键。像水分子这样坚挺的氢键,是相当难得的。

水分子的这种极性,比几乎其他所有分子都明显些。换句话说,和别的分子异性相吸,水分子这边出的力大些。这就是为啥水能帮助很多物质化合。

这种极性,还让水成了生物的建材。比如,细胞膜就是靠水分子的极性保持稳定的结构。

水分子能溶解绝大多数物质,它的极性和氢键功不可没。别小看“溶解”能力,它对生命的影响是根本性的。这让它在物质化合中,既可以当媒婆,又可以当接生婆、甚至催生婆。

氢键的作用力,比共价键小。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。水的液态温带宽,就是氢键的功劳。

38亿年前,地球上丰富的物质,欢乐地溶入小溪,流进大河,汇成海洋。

在原始大气中,一个碳原子和一个水分子结合,产生了一种叫做甲醛简单分子。

甲醛和氰、氨反应,产生了一种叫“氨基乙酰氰”的有机分子。

这种分子跑到水里凑热闹,同类相见,希望成为一个整体。但水太多,不好结合。

沧海桑田,终于,有一大池水慢慢干涸。

在泥里,一些氨基乙酰氰聚合在一起。水一点点蒸发,聚合体慢慢水解,形成了多肽链,也就是聚甘氨酸。

经过一系列变化,各种氨基酸残基组成了一种神奇的结构:蛋白质。

剧情很曼妙,但地球编剧并没有停下手中飞舞的笔。看那边——

在那山的那边海的那边有一群小精灵。
它们活泼又聪明。
它们调皮又灵敏。
它们共享电子共价键离子键还有极性。
欧,可爱的氧氮磷,可爱的碳和氢。
它们青春激射猛谈恋爱上演着狗血剧。
它们三角八角虐恋很欢欣。
闹得不亦乐乎,演绎出磷酸、核糖、碱基等各种奇葩组合。
不思蜀,此间乐。纵如斯,仍寂寞。世间难耐是湿热。

这些奇葩组合越聚越多,熙熙攘攘,耳鬓厮磨,数不尽那机缘巧合。某年某月的某一天,几个组合开了挂,冷不丁排出一种神奇的结构——它可以吸取能量,维持自己的结构,还有了复制自己的冲动——这当然是一种无意识的机制。

然而,在慢慢干涸的泥水里,只能坐吃山空。没前途。

也许是一场暴雨,也许是一波洪水。这些结构被送进了江河湖海。

那是一片广阔天地,在那里是可以大有作为的。


地球故事目录:



相关科普:

-END-





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