水——生命的要素
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水——生命的要素
当科学家在火星及太阳系中的其他任何地方查找生命的迹象时,他们搜索的首要线索确实是水,确切地说是液态水。这是什么原因呢?
液态水,这“液态”二字看起来有点多余,但科学家强调必须是液态水,而不是水的气态(水蒸气)和固态(冰)。维持生命存在的生物化学反应,需要有液体才能进行。在液体中,分子能够溶解,化学反应便得以发生。也正因为液体是流体,因此它能将代谢物和营养物等重要物质从一个地方转送至另一个地方,而不管那个地方是一个细胞、一个生物体、一个生态系统依旧一颗行星。在固体中转送分子不是完全不能够,但难度特别大;在气体中转送分子那么又容易得过头了,假如存在以蒸气为基础的生物,那么它会特别容易灰飞烟灭。
什么原因一定要强调是水,而不是其他液体呢?水或许是宇宙中最好的溶剂,因为每一种物质或多或少地都溶于水,其中所以也包括金。也许你要问:这是否意味着能够从海水中提炼黄金呢?理论上并非完全行不通,只是需要指出的是;在每一吨海水中溶解的黄金的价值大约是0.0000004美元。
水在生物化学过程中还有另一个重要作用:塑造酶的形状。酶是一些蛋白质,它们能大大加快化学反应的发生速度。要做到这一点,酶就必须具有特定的三维形态,而正是水分子给酶帮了那个忙。
水对生命来说之因此如此重要,在特别大程度上是因为水是不同寻常的一种液体。尽管水在地球上简直是无处不在、司空见惯。水分子的结构又是如此简单,然而水的确是特别到了极至。
首先,尽管其他物质也具有液态形式,然而在地球上最常见的温度和气压条件下,只有极少数物质能以液态形式存在。事实上,除了汞和氨,水是地球上其他唯一一种自然形成的无机液体,即不是因有机物生长而形成的液体。另外,水也是在地球表面条件下惟一同时拥有气态、液态和固态这三态的化合物。这真是一件好事,不然的话,地球上大多数生物所需要的水循环(水从海洋到陆地、再从陆地到海洋,如此周而复始)就不可能存在。也许正因为水在地球上的蒸发和凝聚是如此平常,因此我们才忽略了这一点:原来,除了水之外,地球上再也没有其他哪种物质能够如此灵活多变!
同其他大多数液体相比,液态水存在的温度范围也特别宽:从零摄氏度到100摄氏度。往水中加点盐,水的结冰点就会降低,天然盐水的结冰点在零下45摄氏度以下;施加压力,水的沸点那么会升高,海底热液喷口的水温可达345摄氏度.水的比热在所有物质中也是最高的之一,意思是说要想让水温上升哪怕只有几度,也需要大量的热量。
液态水存在的温度范围这么宽;水的比热又这么大,这些也基本上好事。地球表面三分之二以上都被水覆盖,假如没有水的蒸发或凝聚,气温随昼夜和季节的变化就会特别大,这至少对我们的生命形式极为不利。事实上,海洋是全球气候变化的一种强有力的平衡力量。液态水还有一个不同凡响的特性,正是这一特性让地球上最冷的地方也有生物存在。这是个什么特性呢?与其余大多数液体不同,水在凝固时体积会膨胀,密度因此降低。而其他大多数液体在凝固时密度却会增大,因此会沉下去。假如冰也下沉的话,由于上面的水具有隔热作用,因此冰可不能融化;最终寒冷地区的湖泊和海洋就会被冰填满,这些湖泊和海洋中就可不能有复杂的生物。幸好,冰可不能下沉!
假如没有水,生命是否就绝对可不能出现呢?有些科学家认为,在某些特别
寒冷的星球上,液态氨可能会取代水而孵化生命。只是,尽管液态氨是最常见的非水溶剂;但要作为生命的介质;它仍有许多劣势。比如,液态氨存在的温度范围比水小得多,而且液态氨凝固后也会下沉。
还有一些科学家相信,在土星的卫星提坦(也称泰坦)等星球上面可能存在由液态甲烷或其他碳氧化合物组成的海洋,其中也可能会孕育出生命。只是,这些星球上的气温太低,因此化学反应的速度应该极其缓慢,哪怕通过几十亿年也演化不出生命来。另外,氨基酸和DNA等化合物在这些液体中也不能溶解。
正是由子如此或那样的缘故。液态水仍然是科学家在查找地外生命时所要探究的重要目标,这不仅是因为地球上的生物离不开水,而且是由于水在宇宙中特别常见。