为什么所有生命都离不开水?

为什么所有生命都离不开水?

地球上所有的生物,无论大小,都需要水才能生存。没有水,人类所知道的生命形式就不会存在。在地球上,有水的地方就有生命。

为什么所有生命都离不开水?

生命离不开水主要有下面几个原因:水具有独特的分子结构和特殊的化学性质。水是一种简单的分子,由两个带正电的小氢原子和一个带负电的大氧原子组成。当氢与氧结合时,它会产生一个不对称分子,一侧带正电荷,另一侧带负电荷。这种电荷差异称为极性,极性决定了水如何与其他分子相互作用。通俗点说,极性让水成为一种“万能溶剂”,它能够让生物细胞当中数以千计的化学反应得以快速有效地发生。虽然其他物质也具有与水相似的溶解能力,但它们不具有化学稳定性和中和强酸和强碱的能力。

水的极性还有助于形成包裹所有活细胞的脆弱膜。在水中,称为脂类的特殊脂肪排列成一排,它们喜水的一端朝外,讨厌水的一端朝内,形成一个连续但柔韧的两层薄膜,就像肥皂泡的外面一样。这些脂质膜在将生命的复杂性集中在一个地方,创造与彼此及其环境分离的个体方面发挥着重要作用。水在生物学中也具有重要的结构作用。水会填充细胞以帮助保持形状和结构,许多细胞内的水会产生抵抗外力的压力,类似于将空气放入气球中。水使细胞内的一切都在分子水平上具有正确的形状。形状对生化过程至关重要,这也是水最重要的作用之一。

水也有助于细胞周围膜的形成。地球生命当中的每个细胞都被一层膜包围着,其中大部分是由称为磷脂的分子形成的。和水一样,磷脂有两种不同的成分:极性“头部”和非极性“尾部”。因此,极性头部与水相互作用,而非极性尾部试图避开水并相互相互作用。为了寻求这些有利的相互作用,磷脂自发地形成双层,头部朝外面向周围的水,尾部朝内,不包括水。双层围绕细胞并选择性地允许盐类和营养物质等物质进出细胞。形成膜所涉及的相互作用足够强,以至于膜自发形成并且不容易被破坏。没有水,细胞膜就会缺乏结构,没有适当的膜结构,细胞将无法将重要分子保留在细胞内,将有害分子保留在细胞外。

极性还有助于水分子相互粘连,赋予水另一个有用的特性,称为“内聚力”。它有助于植物从根部吸收水分,也有助于水的高沸点,从而让动物调节体温。举个例子,水分子的内聚力能够让植物通过非常细的管子吸入水分,即使是在重力的作用下,水也能从地面流到数十米的高的树的顶部。这种输送作用有助于生命通过水输送营养物质、清除废物并为结构支撑提供压力。以我们人为例,水占人体重量的 60-75%,仅损失 4%的全身水分,人就会脱水,损失15%的水对人来说可能是致命的。一个人可以在没有食物的情况下存活一个月,但是,如果没有水则无法存活3天。可见水对我们来说至关重要。

水直接参与许多化学反应,以构建和分解细胞的重要组成部分,影响每个细胞的一些基本成分。光合作用是植物中为所有生命形式制造糖的过程,需要水。水还参与在细胞中构建更大的分子。 DNA和蛋白质等分子由小分子的重复单元组成。通过产生水的反应将这些小分子聚集在一起。分解这些分子的逆反应也需要水,让细胞获得营养或重新利用大分子碎片。

水可以缓冲细胞免受酸和碱的危险影响。蛋白质需要特定的结构才能正常发挥作用,因此保护它们免受酸和碱的影响很重要。水通过充当酸和碱来实现这一点。虽然水分子中的化学键非常稳定,有可能为水分子放弃氢气,并成为OH -,因此充当碱,或接受另一个氢并变成H 3 O + ,从而充当酸。这种适应性允许水在称为缓冲的过程中抵抗由于体内酸性或碱性物质引起的 pH 值的剧烈变化。最终,这可以保护细胞中的蛋白质和其他分子。

是否存在不需要水的生命?比如地球深处的极端环境、外太空,太阳系之外的行星上,答案是也许。但是,在人类目前理解的生命认知范围内,生命是离不开水的。

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