大家都知道，水对生命非常重要，没有水就不会有生命，水的不足和过多都可以导致生命功能的紊乱，所以生命进化出使用和排泄水的重要机制，水通道就是细胞膜上调节水进出的重要机构。但是从水自身的物理化学特性看，水的许多特征是水所以成为生命之母的重要根源。今天有幸阅读了一本关于水的英文著作，作者70年代博士期间就开始研究惰性气体在水中溶解规律的物理学家，书中第一章有大量篇幅是关于水和生命关系的描述，感觉非常不错，过去也曾经希望找到这种资料，肯定有许多人希望了解这些资料。故记录如下。

一、关于水的背景知识。

一般学者认为水的许多重要特征是由于氢键的作用，其实水的特征不仅是因为氢键。在气体状态下，水分子的氢氧键距离为0.957 Å，H-O-H键角为104.52°，这个角度比四面体角109.46°小5°，这个差别是非常重要的。化学中CH4、CCl4和SiH4等物质是正四面体结构，键角是109度28分，约为109.47°。在液体情况下，由于氢键形成，让水分子结构发生改变，形成了根稳定的正四面体结构。

图1. 气体情况下水分子的基本结构图

研究水分子的特征，千万不要被这个气体状态下的分子结构所欺骗，在液体条件下，水分子能部分水解为氢离子和氢氧根离子，因为这两个粒子是离子，不是分子，他们产生的离子和水分子之间的作用力比水分子之间的氢键要强许多倍，这会把水的结构变得异常复杂多变。

二、水是最佳生物溶剂

水对生命极其重要，水是血液能流动的主要条件，为保证我们自己的机体功能正常运转，必须随时补充水分。作为溶剂，水可以帮助各种营养物质的吸收和在身体内各部位的运输和分布，也能协助将各种代谢废物排泄到体外。水不仅可以作为溶剂，也能直接参与许多生物化学过程。

三、冰比水轻为生命进化提供了良好环境条件

没有水，不可能进化出生命。大多数物质都符合热胀冷缩的规律，但水结冰后体积没有缩小，而是增大，这一特征使水结冰后漂浮在水面，这能保证地球上的水不会被冻结成为一块冰。因为假如不是这样，冰的密度如果大于水，水结冰后就会沉入水下，而水底的温度比水面低，这样冰就难以融化，水反复结冰沉入水下，长期下来，整个地球表面上的水将全部结成冰。没有液体的水，也就不会有生命的产生了。我们应该庆幸冰的密度比水小这个自然界馈赠给生命的水特性。水面结冰不仅保证了地球上存在液体的水，也能减少冰下水热量的散失，让水维持相对高的温度，这也是生命进化的重要条件。当环境温度增加时，水面上的冰可以吸收热量融化成为水，这样能保持周围水温不会因为气温变化而明显改变。

当然水结冰体积变大也会成为生命的杀手，但细胞结冰时，体积的扩大能将细胞膜胀破，一些生活在极端低温环境中的生物，进化出能抗冻的蛋白，这些蛋白能降低水的冰点延迟水结冰，在低温下保护细胞。

四、水热学特点符合生命需要

水的比热大，可以稳定环境温度，也是细胞和身体温度稳定的重要条件。水的比热非常大，意味着具有非常强大的缓冲热量的能力，这也是海洋周围气温波动小的重要原因。高必热的水也是生命系统保持温度平稳的重要条件。每个细胞中时刻发生成千上万的化学反应，有许多生物化学反应会产生热量，如果这些热量不能被周围环境及时吸收，局部温度会迅速增加，温度增加会危害细胞的生命。水的强大比热是缓冲这种化学反应产生热量的重要条件。这也是为什么汽车采用水箱缓冲发动机温度的原因。当然整体机体仍然需要一定的模式将代谢产生的热量散发出去，这也离不开水的功能。皮肤表面和呼吸气体中的水分挥发会吸收大量热量，这得宜于水的蒸发热比较高。但气温比较高时，动物和植物都依靠水的蒸发散热，每个人都知道气温高时会大汗淋漓，就是这个道理。由于水的蒸发热比较高，很少水分挥发就会吸收大量热量，这对维持体温非常重要。不过要注意的是，出汗和水分挥发或者说不显性失水不是一个概念，水蒸气是看不到的，不出汗也会有水分挥发，不过出汗时更多。水分挥发也受到空气湿度的影响，所以在空气潮湿或湿度大时，人会感觉到不爽，容易感到闷热，空气湿度低时，皮肤会干燥，但感觉相对舒服。

水蒸发吸收热量不仅是人体散热的重要方式，也是地球表面吸收太阳能量的重要方式，来自太阳的能量，最重要的吸收方式是海洋中的水蒸气形成，这对地球环境产生重要影响，因为这样可以避免地球气温大幅度提高，产生剧烈波动。假如海洋中不是水，而是酒精。当太阳照射到地球表面时，气温会剧烈升高，这种剧烈的温度波动会导致自然灾害的形成，导致大量生命的灭绝。

如前所述，冰融化也会吸收大量热量，细胞内水分结冰会伤害细胞膜。如果水的温度低于冰点，水就会结冰，同时释放大量热量，这种热量会延缓更多水结冰。

五、水介电常数大是整合生命物质的条件

组成生命的物质种类繁多，有小分子物质，有电解质离子，也有大分子脂肪核酸和蛋白，能将所有这些物质都溶解的物质只有水，因为水的介电常数比较大，这也是水成为生命载体的重要原因。

对植物来说，水的表面张力大也是重要因素。表面张力是影响植物吸收水分的重要因素，与其他液体，如酒精和石蜡等相比，水的表面张力非常大，在20◦C时，水的表面张力系数为72.75 ×10^-3N·m^-1，而乙醇只有22.32×10^-3N·m^-1。表面张力是液体被毛细管吸收的原始动力，表面张力越大，毛细管吸收这种液体的能力就越强，这就是树木能从土壤种吸收水分的重要动力。

另外一个和生命相关的水的特性是介电常数大，水的介电常数比大多数液体都高。水在20度时的介电常数81.5，而乙醇的只有25.7。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中电场与原外加电场的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。

水的介电常数大意味着能溶解不同类型的分子，从小分子的盐离子如NaCl，到超大分子的蛋白质，全部都可以溶解，酒精显然就不可以，其他任何溶液都不具备这个能力。

总之，水是生物进化的条件，水是生命运行的内外条件基础，没有水就没有生命，水是生命之母。水拥有的这些能支持生命的重要特性，甚至让许多人觉得一定存在超自然力对水的设计，或者说水是超智慧设计的非自然产物。Henderson在1913年的书“The Fitness of the Environment,”中问到，水是如此完美的物质，有没有其他物质也能这样？氨是否能代替水？他在关于水的描述中得出的结论是：In truth Darwinian features are a perfectly reciprocalrelationship. In the world of modern science a fit organism inhabits a fitenvironment

.总之，水是生物进化的条件，水是生命运行的内外条件基础，没有水就没有生命，水是生命之母。

水分子的特征英文资料.pdf