水:仍有諸多謎團(tuán)未解

水與人們的生活密不可分，似乎是一種人們?cè)偈煜げ贿^(guò)的物質(zhì)，但在科學(xué)家看來(lái)，水里依然大有乾坤，仍有不少未解謎團(tuán)待未來(lái)的科技去揭開(kāi)。

水能決定生命

在地球環(huán)境中，水大多是以液體的形式存在，這成了生物大分子的理想介質(zhì)，氨基酸、甘油、核苷酸、多糖等，總是在水中漂浮著，直到碰上能同自己發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)為止，這就為生命的誕生創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。水分子高表面張力和高流動(dòng)性的完美結(jié)合，比油稀又比油流動(dòng)快的特性，能迅速在蛋白質(zhì)周圍形成保護(hù)型支架，又不妨礙小分子的糖類在它的空隙間穿行，直到它們被完全消耗為止。這種特性，正是生命的同化作用和異化作用所必需的，在地球上再也沒(méi)有一種液體比水更合適充當(dāng)此任了。但是，決定我們生命的水，是我們最熟悉同時(shí)也是了解最少的物質(zhì)。

水分子帶有氫原子，氫是很好的催化劑，能參加各種化學(xué)反應(yīng)。藍(lán)藻的光合作用是地球生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)路先鋒，沒(méi)有藍(lán)藻就沒(méi)有現(xiàn)在生機(jī)勃勃的地球。藍(lán)藻與綠色植物的魔力，來(lái)自于葉綠素和氫。當(dāng)太陽(yáng)的光子射到葉綠素，就激發(fā)了電子得失反應(yīng)，水光解得到氧和高能氫。氫的催化導(dǎo)演出一系列的化學(xué)反應(yīng)，用水和二氧化碳合成糖類，將光能存在化學(xué)鍵中。在生物需要能量時(shí)，氫又擔(dān)當(dāng)起分解糖的角色，將能量釋放供生命活動(dòng)需要。

水是基本生物化學(xué)反應(yīng)的基質(zhì)和搖籃。一粒干燥的種子落在潮濕松軟的土壤中，種子的吸脹作用使它吸足了水分，陽(yáng)光帶來(lái)的溫暖喚醒了種子里的酶，于是酶發(fā)揮威力，讓種子中的淀粉分解為葡萄糖，葡萄糖繼續(xù)分解釋放出能量，胚芽獲得能量，細(xì)胞分裂生長(zhǎng)，一株嫩綠的幼苗出土了。這就是新的生命，生生不息的輪回。如果沒(méi)有水，就沒(méi)有這種生命的輪回，各種蛋白質(zhì)和其他構(gòu)成生命的物質(zhì)都是在水中游泳，并依賴水來(lái)進(jìn)行鏈接與交換。人體的倉(cāng)庫(kù)里有一定的有機(jī)物貯存，短時(shí)間內(nèi)無(wú)東西吃，身體可以用儲(chǔ)備的物質(zhì)維持生命。但如果沒(méi)有水，物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝廢物的排出就無(wú)法進(jìn)行，酶的活動(dòng)就要發(fā)生紊亂，生命就會(huì)終止。

地球上的生命一刻也離不開(kāi)水。水的一些獨(dú)特性質(zhì)對(duì)地球上的生命非常重要，那就是固態(tài)的水，也就是冰，比液態(tài)的水輕。一般的物質(zhì)在變成固體后，由于原子排列緊密的緣故，會(huì)比液態(tài)的密度要大。但是，水是一個(gè)例外，冰的密度比液態(tài)的水要小。這種違反常規(guī)的特點(diǎn)避免了江河湖海從下到上統(tǒng)統(tǒng)被凍住，從而保證了水中生物的生存。

試想一下，如果水服從普通的轉(zhuǎn)變規(guī)律，在凝結(jié)成固體的時(shí)候，密度比水大，并沉在水底，這個(gè)后果是災(zāi)難性的。就像往池塘扔一塊小石頭一樣，冰沉入了水中，比冰輕的水浮上，然后由于凍結(jié)成冰，繼續(xù)沉下水底。沒(méi)多久，地球上所有的海洋就會(huì)凝結(jié)成冰，地球?qū)⒊蔀橐粋€(gè)大冰球。所有的生物都被凍結(jié)起來(lái)，談不上生命，也無(wú)從談起后來(lái)人類的誕生。幸好不是這樣，我們生活的世界，即使最上一層水凍結(jié)成冰后，冰會(huì)覆蓋在水面上，保證了水面下的溫度保持在生命適合的范圍內(nèi)。而且水還是熱的不良導(dǎo)體，這一特性使得海洋可以延遲溫度的驟變，為生物體適應(yīng)氣候變化而贏得時(shí)間。

家族成員龐大

和水有關(guān)的另一個(gè)未解之謎還包括雪花。它們擁有復(fù)雜而多變的內(nèi)部紋路，而無(wú)論如何變化，它們大致都呈現(xiàn)出一種網(wǎng)狀六邊形。

這一點(diǎn)原本并不值得驚奇，因?yàn)檠┗?水)內(nèi)部的分子都是通過(guò)氫鍵相連的。然而，讓人驚奇的是，雖然每一片雪花的形態(tài)各異，但它們都帶有6個(gè)角，而且同一片雪花的每個(gè)角都幾乎完全一樣，整片雪花呈一種中心對(duì)稱形，就好像每一個(gè)角都“知道”其他5個(gè)同伴的形成方式。

有一種假設(shè)認(rèn)為，在雪花的晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一種振動(dòng)，向前和向后不斷反彈傳遞，就好像電信號(hào)在人體器官的管道中傳播一樣，雪花晶體的各個(gè)部位也是依靠這種方式“交流”的，并最終形成這樣的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。和雪花相似，冰的結(jié)構(gòu)也還有很多有待研究的地方。在地球上，自然形成的冰通常有兩種形式：一種是六邊形，另一種是立方體形。立方體形的冰一般存在于更高、更冷的大氣環(huán)境中。然而，在實(shí)驗(yàn)室中，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能夠制造出超過(guò)15種不同種類的冰，每一種都有各自獨(dú)特的晶體。由于水結(jié)成冰形成的原子排列結(jié)構(gòu)中，各原子之間有很大的空隙，只要改變這些空間和原子排列結(jié)構(gòu)，就能夠制造出各種不同的冰了。這對(duì)科學(xué)家們研究水分子的排列結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的幫助。

除此之外，還有一種冰被稱作不定形晶體，它也是自然存在的。它的分子排列不規(guī)則，導(dǎo)致這種物質(zhì)的性質(zhì)比較特別，有點(diǎn)像人工制造的玻璃。這種冰最初是在彗星上發(fā)現(xiàn)的，并于1936年在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)第一次被人工復(fù)制出來(lái)。制造這種冰的方法是在一個(gè)銅制的罐子內(nèi)，將水蒸氣在－140℃的情況下冷凝。當(dāng)溫度緩緩降低到一定程度，原本凝固的水分子又重新開(kāi)始活動(dòng)，形成一種半膠狀的液體形態(tài)，直到溫度降低到－120℃，它們開(kāi)始重新結(jié)晶，慢慢形成像普通冰一樣的冰，但是，它和彗星上的冰基本一樣，與普通冰的原子排列并不相同。

通過(guò)對(duì)這種冰的研究，可以推測(cè)，應(yīng)該存在著兩種樣式的液態(tài)水，一種密度較低，另一種密度非常高。還有一種被稱作“超冷凝水”，它在－38％的時(shí)候也不會(huì)被凍結(jié)。實(shí)際上，宇宙中的很多星云都是由這種水或者部分由這種水構(gòu)成，它們通常以冰的形態(tài)出現(xiàn)，但有時(shí)候在一些較小的塵埃和固體周圍也有它們的身影。這種超冷凝水對(duì)于生活在北極的許多魚(yú)類生物是非常有意義的。在溫度低于－1.9℃的時(shí)候，生物的血液會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)低凍結(jié)成冰，但是在這種水中，生物依然可以生存。超冷凝水的這種能力，也許對(duì)研究宇宙中生命的存在也有幫助。

天文學(xué)家認(rèn)為，我們的星球形成的初期，有很多彗星撞擊地球，而地球上的水就直接來(lái)自于這些頻繁光臨地球的彗星，或者有一部分來(lái)自于這些彗星。撞擊地球的彗星和流星帶來(lái)了很多水，這些水中還可能蘊(yùn)含了很多其他物質(zhì)，最后，它們?cè)趶?fù)雜的條件下進(jìn)化成為各種生命體。因此，水是生命之源，它其中包含的物質(zhì)使沒(méi)有生命的星球誕生了生命的基本單元：蛋白質(zhì)。細(xì)胞的大部分組成成分是水，不提別的，光是人身體的70％就由水組成。人在出生以前，受精卵細(xì)胞中97％是水，即使之后隨著人的生長(zhǎng)，這個(gè)比例會(huì)有所降低，但臨死之前，水占據(jù)人的比重還是有50％。

水在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度降至0℃以下結(jié)成的冰，跟寒冷聯(lián)系在一起的叫寒冰。但水結(jié)成冰跟大氣壓有著直接的關(guān)系，就是說(shuō)，壓力越大，冰點(diǎn)溫度越高。所以，在超高壓條件下結(jié)成的冰，不但不寒冷，反而成為“熱冰”。經(jīng)科學(xué)家研究測(cè)定，在2萬(wàn)個(gè)大氣壓下，80℃的熱水可以結(jié)成冰：如果達(dá)到了3.9萬(wàn)個(gè)大氣壓，冰的溫度可達(dá)180℃以上。這時(shí)，如果用手觸及冰面，將受到嚴(yán)重燙傷!

另外，利用強(qiáng)電場(chǎng)的作用，也能夠把室溫下的水結(jié)成冰。韓國(guó)科學(xué)家在室內(nèi)，就利用強(qiáng)電場(chǎng)把25℃的水變成了冰。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在世界上屬首例，且施加的電場(chǎng)強(qiáng)度僅為原設(shè)想的1/1000。關(guān)于強(qiáng)電場(chǎng)促進(jìn)水結(jié)成“熱冰”，在自然現(xiàn)象中也可見(jiàn)到。如炎夏，高空在太陽(yáng)的照射下，氣溫一般不會(huì)達(dá)到0℃以下，然而，有些地方卻下了冰雹。科學(xué)家認(rèn)為，這是高空雷電強(qiáng)電場(chǎng)作用下，水汽加快凝結(jié)，一部分變成雨水，一部分變成冰雹落下來(lái)。那地質(zhì)工作者在地下巖石中探測(cè)到冰塊，又是怎么回事?科學(xué)家解釋說(shuō)，這些巖層在斷裂過(guò)程中互相摩擦產(chǎn)生了強(qiáng)大的靜電場(chǎng)，因而使巖縫中的水結(jié)咸了冰。

諸多未解謎團(tuán)

我們可以這樣想象水分子的結(jié)構(gòu)：我們的兩只手如同兩個(gè)氫原子，兩只腳代表兩對(duì)自由電子。現(xiàn)在，我們把雙腿分開(kāi)呈90度站立，將雙手平舉過(guò)頭頂，保持相互垂直的角度，并扭動(dòng)腰身到正側(cè)方，在你腹部的中心位置有一個(gè)氧原子，現(xiàn)在你的身體就是一個(gè)水分子了。液體狀態(tài)下的水好像一個(gè)舞蹈者，它揮舞著雙手，并通過(guò)各個(gè)化學(xué)鍵末端和其他的水分子一個(gè)個(gè)手牽著手。它們不斷地牽手、分離，以不可思議的速度進(jìn)行著集體舞蹈。聽(tīng)上去好像很簡(jiǎn)單，但其實(shí)沒(méi)有人能夠準(zhǔn)確地描述出水分子自身的舞蹈軌跡，更無(wú)法構(gòu)建出精確的模型。它的連接與分離速度極快，級(jí)數(shù)在百萬(wàn)分之一秒。水分子中氫鍵的形成和分解并不是規(guī)律地一個(gè)接著一個(gè)進(jìn)行，它們的運(yùn)動(dòng)曲線呈一種不規(guī)則的流線型，而且每一個(gè)都不盡相同。缺少一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述這一神奇的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，給各種研究造成了不便，也是最讓科學(xué)家們頭疼的事。

如果用科學(xué)的眼光來(lái)看，水分子就是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成。然而簡(jiǎn)單的化學(xué)表達(dá)式H2O掩蓋了水的一些微妙事實(shí)。解開(kāi)謎底的鑰匙，并不在于水分子的一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子間的化學(xué)鍵，而在于屬于不同水分子的氫原子之間的聯(lián)系——?dú)滏I。在室溫條件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就離散。因此，在一滴水中，水分子們不斷地聚合和離散，形成一個(gè)有序和無(wú)序并存的矛盾體。于是就形成了水的諸多反常特性。比如，水的沸點(diǎn)比一般液體的都要高，水難以壓縮。

目前有科學(xué)家提出，影Ⅱ自水分子形態(tài)的氫鍵，可以歸結(jié)到量子效應(yīng)的作用，而氫鍵可與一種量子現(xiàn)象——零點(diǎn)振動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。海森堡著名的測(cè)不準(zhǔn)原理，為零點(diǎn)振動(dòng)提供了理論基礎(chǔ)。根據(jù)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，人們不可能同時(shí)以較高的精確度測(cè)量到一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，即使溫度降低到絕對(duì)零度(－273.5℃)，粒子也必定在振動(dòng)。否則，一個(gè)完全靜止的粒子會(huì)違反測(cè)不準(zhǔn)原理。這種粒子在絕對(duì)零度時(shí)的振動(dòng)就是零點(diǎn)振動(dòng)。

絕對(duì)零度是現(xiàn)實(shí)中不可達(dá)到的極限，因此在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，粒子的振動(dòng)會(huì)比零度時(shí)粒子的振動(dòng)更為強(qiáng)烈。振動(dòng)會(huì)影響氫原子與氧原子之間的化學(xué)鍵，當(dāng)氫原子與氧原子之間的聯(lián)系被消弱，相對(duì)的，鄰近水分子就更加容易聯(lián)系起來(lái)。水分子依靠氫鍵連接，其連接方式就像彈簧上系的兩個(gè)小球。振動(dòng)使得彈簧一直處于壓縮與伸張運(yùn)動(dòng)中，從而造成了小球處于靠近與遠(yuǎn)離交替狀態(tài)。而在水分子中，連接的彈簧是氫鍵，由于氫鍵的特殊性《氫鍵強(qiáng)度只有典型化學(xué)鍵的1/10)，能夠使水分子不斷聚合離散，從而構(gòu)成水這種奇異的特征。

直到如今，我們還無(wú)法解釋為什么水4℃時(shí)比2℃時(shí)密度要大。有一種假設(shè)認(rèn)為，水在0～4℃時(shí)存在一種較為特殊的形態(tài)，它的分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一些改變，這個(gè)時(shí)候，通常我們認(rèn)為是一種冰水混合物的狀態(tài)，水的一些化學(xué)鍵的形狀變成了六邊形，并且密度變小。由于水分子本身的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致它比四條氫鍵呈正四面體時(shí)體積變小，但這種變化又不能形成一套完整的體系來(lái)研究。

建造一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)分析描述這種運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題在于，它只能反映一個(gè)定點(diǎn)定時(shí)狀態(tài)，而實(shí)際上，水分子的變化是持續(xù)的。目前，雖然能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)描述數(shù)百萬(wàn)粒子的運(yùn)動(dòng)，但前提是，這些物質(zhì)的微粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的體積并不會(huì)發(fā)生改變。但液態(tài)的水就顯得比較特別了：一小滴水中有數(shù)百億的分子，每一個(gè)分子的體積都發(fā)生很小的變化，累積下來(lái)的結(jié)果是相當(dāng)驚人。生命無(wú)時(shí)無(wú)刻不與水有關(guān)，細(xì)胞的大部分組成成分是水，各種蛋白質(zhì)與組成生命的物質(zhì)都在其中，并依靠水來(lái)進(jìn)行交換與鏈接。然而，在所有的已知液體物質(zhì)中，水是被人們研究得最多，而了解得最少的物質(zhì)。