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水是生命所必需的吗?

我们通常认为,生命基本离不开液态水。如果天文学家找到另一颗表面覆盖着大量液态水的行星,那么就有很大机会在那里找到外星生命。

但是,液态水真的是生命所必需的吗?

最为特别的液体

如果仔细分析的话,你会发现水十分特别,好像专为生命独特设计的。事实上,水是地球上最为特别的液体。例如,其他简单的氢化物物质,比如甲烷、硫化氢、氨、氯化氢等,在常温和常压下都是气体,但是水却是液体。

水具有较高的比热容,也就是说水可以吸收大量的热量,但不会提高很多的温度。这样,海洋可以处理来自太阳的大部分热辐射,帮助整个地球有一个更稳定的气候。而且,与其他液体不同,水结冰时体积会膨胀,所以冰能浮在水面上。因此,池塘里的水不会从底往上完全冻住,相反,一个冻结的冰盖会罩住池塘。

水还能溶解很多物质,所以它能携带生物所必须的营养物质和元素。没有水的超常的溶解能力,那么就不会有光合作用或神经冲动等生物活动。此外,水还具有较大的表面张力,水可以在细小的管道上升很高的地方,这就是毛细现象,植物茎内很细的导管就能借助此作用吸收和运送水分和养分。

水并非完美无缺

公平地说,水在某些方面是独一无二的,但在另一些方面并非如此。事实上,水的一些属性并非都有助于生命——有些会带来明显的不利因素。其中之一就是,水太活跃了。

水分子中的氧原子由于带有微量负电荷,所以能够吸引其他分子中带正电的原子或原子团,这会破坏其他分子的结构,这就是所谓的“水解”。比如蛋白质、纤维素、淀粉之类的多糖复合物,都会被水解。

由于水过于活跃,实验室和工业生产中,人们有时不得不选择其他的溶剂来代替水。

当然,对于今天的生命体来说,这并不是什么大问题,酶可以过来修补水解带来的伤害。但是当生命开始诞生的时候,这却是一个大问题。在水中最初诞生的生物分子,因为缺乏相应的酶的协助,它们很容易被水解。很显然,那时的水对最初的生命并不友好。

谁能替代水

水虽然对地球生命来说十分重要,但某些其他的液体也能像水一样支持许多生物化学反应。比如,科学家早就发现,液氨、甲酰胺或其他液态碳氢化合物,也支持许多生物反应。

土卫六的表面上就存在液态碳氢化合物,比如液态甲烷和液态乙烷。那么,这种液态中能否支持生命呢?最近,一些科学家做了些实验,来研究这种环境下,是否能保存正常发挥作用的遗传物质,就像DNA或RNA那样。

研究结果显示,一种叫做直链醚类的有机分子可以很好地溶解在-70℃下的液态丙烷中。科学家认为,在液态丙烷中,这种直链醚能发挥类似DNA或RNA那样的作用。

但是土卫六表面温度要低得多。那里,由液态碳氢化合物构成的海洋,其温度只有约-178℃。在这样的极端低温下,大部分直链醚是不能溶解于丙烷中的。所以说,土卫六上太冷,几乎无法溶解能构成生命的物质。科学家推测,如果把土卫六搬到火星的位置上,那么温度就比较适合了,也许就能诞生出一种新生物。

另一种替代水的理想液体是甲酰胺,它可以由一氧化碳和氨,或氰化氢和水合成,而这些分子都可以在星际空间和其他星球上找到。甲酰胺的溶解力与水非常相似,而且在一个标准大气压下,甲酰胺的溶点是2℃度,沸点是210℃,处于液态的温度范围比水的更大一些。而且,它不像水那么活跃。一些实验显示,在某种催化作用下,磷酸盐能够在甲酰胺溶剂里与腺苷分子结合,形成磷酸腺苷——是一种构成RNA的基本材料。

地球生命已经习惯了水这种液体,但也有许多地球生命能在极端缺水的环境中生存,一些酶在完全无水的环境下,也能或多或少地发挥作用。这表明,生命一旦有机会诞生出来,那么它会近全力适应各种环境。

假如在宇宙其他地方,的确存在其他种类的液态,能起到类似于水的作用,那么也极有可能诞生出基于此液态的生命。考虑到,宇宙中数不尽的恒星和行星,这种可能性并不是很低。

总之,水仍是很特殊的液体,但我们可能高估了水对生命的重要性。有时,生命可以不需要水。

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