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氫鍵——生命形成的基礎

作者:管理員  來源:未知  更新時間:2015-07-26 22:43:10


    水是一種非常特殊的分子,主要是因為水分子之間具有相對強大的氫鍵,由于氫鍵的作用,可以讓水在常溫下是液體狀態。有科學家認為,恰好是因為水的這種特性,才導致地球生命的誕生。

    氫鍵使水分子之間形成牢固的相互結合力,這種作用可以在氣水界面形成水的表面張力。這種表面張力在生物學上也具有十分重要的作用,今天《科學》專門對這個問題進行了介紹。

    表面張力讓水面形成“堅硬”的外殼,特別是對小型生物來說,這個效應非常明顯。大家比較常見的水黽就可以利用這個外殼毫不費力地在水面奔跑。但同樣的表面張力,也可以形成類似流沙一樣的效果,讓螞蟻陷入險境。生物學家一般不太關注氣水界面,但是最近的一個研討會,使人們明白,這種氣水界面的效應不只是對小型生物才重要。表面張力可幫助植物種子掩埋在土壤中,能幫助蕨類植物在空氣中漂浮和潛入水下。飛沫是協助人和農業病原在空氣中長距離擴散的工具,也是利用這種作用的典型模式。

    相對于水的表面張力,人的體重十分巨大,可以忽略不計,所以我們不可能具備水上漂的能力。但對一些微小生物來說,水的表面張力的作用就不能忽視了。因為這個作用已經變成最顯著的作用,可以讓水黽這樣的昆蟲在水面自由奔跑,而不會沉入水下。生物學家一貫不太注重這種力的效應,但最近許多這方面的研究開始揭開這個領域的神秘棉紗。

    通過高速視頻和特殊染料,研究人員可以分析水黽在水面的活動過程,探討表面張力在這種過程中的作用。結果發現,水黽能制造旋渦幫助他們向前運動,而且不會破壞水的表面。水黽可以在水面跳躍都不破壞表面結構。

    沒有任何工具的情況下,有的植物種子能自行鉆入土壤內,研究發現一些種子的表面有一些芒刺,這些芒刺可隨著水份比例的變化盤成圈狀或張開,從而協助他們進入土下。一種多肉植物枯野葵的種子芒刺在濕度高時垂直,但干燥時呈彈簧圈狀。

動物小便也會受到這個因素的影響,對大型動物如人和大象,尿量很大,表面張力的影響可以不考慮,但男性排便后如果不抖動幾下,大家都知道后果,這就是表面張力的作用。對小型動物如老鼠,尿量很小,尿道也很細小,排便時只能一滴滴排泄,最后一滴可能會持續10分鐘才能脫落。

    物理學家對表面張力有比較深刻的認識,由于存在相互吸引的氫鍵,為了保持最小能量,水分子需要形成最小的體積,當平靜的水面受到外界擾動時,水分子的相互作用總是趨向于恢復到最小能量的結構。除非外界干擾物本身具有親水性,此時水就象膠水一樣黏附到物體上。

    水氣界面的生物學效應十分重要,其實脂水界面也十分重要,甚至對生物學效應來說更為重要。細胞膜的典型結構都是這個作用自然產生的,蛋白質內部一般都是疏水結構,而表面都是親水結構,許多生物大分子都是這樣的存在方式。這種結構特點一方面是必然,另一方面也是生物效應調節的重要模式。因為只要對其中很少的結構進行影響或修改,就有可能對整個結構產生劇烈的干擾或調節。生物分子正是利用這些工具實現許多功能的調節,完成復雜的生物功能。

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