论文部分内容阅读
水与人们的生活密不可分，似乎是一种人们再熟悉不过的物质，但在科学家看来，水里依然大有乾坤，仍有不少未解谜团待未来的科技去揭开。
水能决定生命
在地球环境中，水大多是以液体的形式存在，这成了生物大分子的理想介质，氨基酸、甘油、核苷酸、多糖等，总是在水中漂浮着，直到碰上能同自己发生反应的物质为止，这就为生命的诞生创造了机会。水分子高表面张力和高流动性的完美结合，比油稀又比油流动快的特性，能迅速在蛋白质周围形成保护型支架，又不妨碍小分子的糖类在它的空隙间穿行，直到它们被完全消耗为止。这种特性，正是生命的同化作用和异化作用所必需的，在地球上再也没有一种液体比水更合适充当此任了。但是，决定我们生命的水，是我们最熟悉同时也是了解最少的物质。
水分子带有氢原子，氢是很好的催化剂，能参加各种化学反应。蓝藻的光合作用是地球生态系统的开路先锋，没有蓝藻就没有现在生机勃勃的地球。蓝藻与绿色植物的魔力，来自于叶绿素和氢。当太阳的光子射到叶绿素，就激发了电子得失反应，水光解得到氧和高能氢。氢的催化导演出一系列的化学反应，用水和二氧化碳合成糖类，将光能存在化学键中。在生物需要能量时，氢又担当起分解糖的角色，将能量释放供生命活动需要。
水是基本生物化学反应的基质和摇篮。一粒干燥的种子落在潮湿松软的土壤中，种子的吸胀作用使它吸足了水分，阳光带来的温暖唤醒了种子里的酶，于是酶发挥威力，让种子中的淀粉分解为葡萄糖，葡萄糖继续分解释放出能量，胚芽获得能量，细胞分裂生长，一株嫩绿的幼苗出土了。这就是新的生命，生生不息的轮回。如果没有水，就没有这种生命的轮回，各种蛋白质和其他构成生命的物质都是在水中游泳，并依赖水来进行链接与交换。人体的仓库里有一定的有机物贮存，短时间内无东西吃，身体可以用储备的物质维持生命。但如果没有水，物质的运输和代谢废物的排出就无法进行，酶的活动就要发生紊乱，生命就会终止。
地球上的生命一刻也离不开水。水的一些独特性质对地球上的生命非常重要，那就是固态的水，也就是冰，比液态的水轻。一般的物质在变成固体后，由于原子排列紧密的缘故，会比液态的密度要大。但是，水是一个例外，冰的密度比液态的水要小。这种违反常规的特点避免了江河湖海从下到上统统被冻住，从而保证了水中生物的生存。
试想一下，如果水服从普通的转变规律，在凝结成固体的时候，密度比水大，并沉在水底，这个后果是灾难性的。就像往池塘扔一块小石头一样，冰沉入了水中，比冰轻的水浮上，然后由于冻结成冰，继续沉下水底。没多久，地球上所有的海洋就会凝结成冰，地球将成为一个大冰球。所有的生物都被冻结起来，谈不上生命，也无从谈起后来人类的诞生。幸好不是这样，我们生活的世界，即使最上一层水冻结成冰后，冰会覆盖在水面上，保证了水面下的温度保持在生命适合的范围内。而且水还是热的不良导体，这一特性使得海洋可以延迟温度的骤变，为生物体适应气候变化而赢得时间。
家族成员庞大
和水有关的另一个未解之谜还包括雪花。它们拥有复杂而多变的内部纹路，而无论如何变化，它们大致都呈现出一种网状六边形。
这一点原本并不值得惊奇，因为雪花(水)内部的分子都是通过氢键相连的。然而，让人惊奇的是，虽然每一片雪花的形态各异，但它们都带有6个角，而且同一片雪花的每个角都几乎完全一样，整片雪花呈一种中心对称形，就好像每一个角都“知道”其他5个同伴的形成方式。
有一种假设认为，在雪花的晶体网状结构形成的时候，会产生一种振动，向前和向后不断反弹传递，就好像电信号在人体器官的管道中传播一样，雪花晶体的各个部位也是依靠这种方式“交流”的，并最终形成这样的对称结构。和雪花相似，冰的结构也还有很多有待研究的地方。在地球上，自然形成的冰通常有两种形式：一种是六边形，另一种是立方体形。立方体形的冰一般存在于更高、更冷的大气环境中。然而，在实验室中，物理学家已经发现，能够制造出超过15种不同种类的冰，每一种都有各自独特的晶体。由于水结成冰形成的原子排列结构中，各原子之间有很大的空隙，只要改变这些空间和原子排列结构，就能够制造出各种不同的冰了。这对科学家们研究水分子的排列结构会有很大的帮助。
除此之外，还有一种冰被称作不定形晶体，它也是自然存在的。它的分子排列不规则，导致这种物质的性质比较特别，有点像人工制造的玻璃。这种冰最初是在彗星上发现的，并于1936年在实验室内第一次被人工复制出来。制造这种冰的方法是在一个铜制的罐子内，将水蒸气在－140℃的情况下冷凝。当温度缓缓降低到一定程度，原本凝固的水分子又重新开始活动，形成一种半胶状的液体形态，直到温度降低到－120℃，它们开始重新结晶，慢慢形成像普通冰一样的冰，但是，它和彗星上的冰基本一样，与普通冰的原子排列并不相同。
通过对这种冰的研究，可以推测，应该存在着两种样式的液态水，一种密度较低，另一种密度非常高。还有一种被称作“超冷凝水”，它在－38％的时候也不会被冻结。实际上，宇宙中的很多星云都是由这种水或者部分由这种水构成，它们通常以冰的形态出现，但有时候在一些较小的尘埃和固体周围也有它们的身影。这种超冷凝水对于生活在北极的许多鱼类生物是非常有意义的。在温度低于－1.9℃的时候，生物的血液会因为温度过低冻结成冰，但是在这种水中，生物依然可以生存。超冷凝水的这种能力，也许对研究宇宙中生命的存在也有帮助。
天文学家认为，我们的星球形成的初期，有很多彗星撞击地球，而地球上的水就直接来自于这些频繁光临地球的彗星，或者有一部分来自于这些彗星。撞击地球的彗星和流星带来了很多水，这些水中还可能蕴含了很多其他物质，最后，它们在复杂的条件下进化成为各种生命体。因此，水是生命之源，它其中包含的物质使没有生命的星球诞生了生命的基本单元：蛋白质。细胞的大部分组成成分是水，不提别的，光是人身体的70％就由水组成。人在出生以前，受精卵细胞中97％是水，即使之后随着人的生长，这个比例会有所降低，但临死之前，水占据人的比重还是有50％。
水在一个标准大气压下，温度降至0℃以下结成的冰，跟寒冷联系在一起的叫寒冰。但水结成冰跟大气压有着直接的关系，就是说，压力越大，冰点温度越高。所以，在超高压条件下结成的冰，不但不寒冷，反而成为“热冰”。经科学家研究测定，在2万个大气压下，80℃的热水可以结成冰：如果达到了3.9万个大气压，冰的温度可达180℃以上。这时，如果用手触及冰面，将受 到严重烫伤!
另外，利用强电场的作用，也能够把室温下的水结成冰。韩国科学家在室内，就利用强电场把25℃的水变成了冰。这个实验在世界上属首例，且施加的电场强度仅为原设想的1/1000。关于强电场促进水结成“热冰”，在自然现象中也可见到。如炎夏，高空在太阳的照射下，气温一般不会达到0℃以下，然而，有些地方却下了冰雹。科学家认为，这是高空雷电强电场作用下，水汽加快凝结，一部分变成雨水，一部分变成冰雹落下来。那地质工作者在地下岩石中探测到冰块，又是怎么回事?科学家解释说，这些岩层在断裂过程中互相摩擦产生了强大的静电场，因而使岩缝中的水结咸了冰。
诸多未解谜团
我们可以这样想象水分子的结构：我们的两只手如同两个氢原子，两只脚代表两对自由电子。现在，我们把双腿分开呈90度站立，将双手平举过头顶，保持相互垂直的角度，并扭动腰身到正侧方，在你腹部的中心位置有一个氧原子，现在你的身体就是一个水分子了。液体状态下的水好像一个舞蹈者，它挥舞着双手，并通过各个化学键末端和其他的水分子一个个手牵着手。它们不断地牵手、分离，以不可思议的速度进行着集体舞蹈。听上去好像很简单，但其实没有人能够准确地描述出水分子自身的舞蹈轨迹，更无法构建出精确的模型。它的连接与分离速度极快，级数在百万分之一秒。水分子中氢键的形成和分解并不是规律地一个接着一个进行，它们的运动曲线呈一种不规则的流线型，而且每一个都不尽相同。缺少一个统一的数学模型来描述这一神奇的运动现象，给各种研究造成了不便，也是最让科学家们头疼的事。
如果用科学的眼光来看，水分子就是由两个氢原子和一个氧原子组成。然而简单的化学表达式H2O掩盖了水的一些微妙事实。解开谜底的钥匙，并不在于水分子的一个氧原子和两个氢原子间的化学键，而在于属于不同水分子的氢原子之间的联系——氢键。在室温条件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就离散。因此，在一滴水中，水分子们不断地聚合和离散，形成一个有序和无序并存的矛盾体。于是就形成了水的诸多反常特性。比如，水的沸点比一般液体的都要高，水难以压缩。
目前有科学家提出，影Ⅱ自水分子形态的氢键，可以归结到量子效应的作用，而氢键可与一种量子现象——零点振动联系起来。海森堡著名的测不准原理，为零点振动提供了理论基础。根据海森堡的测不准原理，人们不可能同时以较高的精确度测量到一个粒子的位置和动量，即使温度降低到绝对零度(－273.5℃)，粒子也必定在振动。否则，一个完全静止的粒子会违反测不准原理。这种粒子在绝对零度时的振动就是零点振动。
绝对零度是现实中不可达到的极限，因此在现实环境中，粒子的振动会比零度时粒子的振动更为强烈。振动会影响氢原子与氧原子之间的化学键，当氢原子与氧原子之间的联系被消弱，相对的，邻近水分子就更加容易联系起来。水分子依靠氢键连接，其连接方式就像弹簧上系的两个小球。振动使得弹簧一直处于压缩与伸张运动中，从而造成了小球处于靠近与远离交替状态。而在水分子中，连接的弹簧是氢键，由于氢键的特殊性《氢键强度只有典型化学键的1/10)，能够使水分子不断聚合离散，从而构成水这种奇异的特征。
直到如今，我们还无法解释为什么水4℃时比2℃时密度要大。有一种假设认为，水在0～4℃时存在一种较为特殊的形态，它的分子结构会发生一些改变，这个时候，通常我们认为是一种冰水混合物的状态，水的一些化学键的形状变成了六边形，并且密度变小。由于水分子本身的结构变化，导致它比四条氢键呈正四面体时体积变小，但这种变化又不能形成一套完整的体系来研究。
建造一个数学模型来分析描述这种运动的问题在于，它只能反映一个定点定时状态，而实际上，水分子的变化是持续的。目前，虽然能够通过计算机模拟来描述数百万粒子的运动，但前提是，这些物质的微粒在运动过程中的体积并不会发生改变。但液态的水就显得比较特别了：一小滴水中有数百亿的分子，每一个分子的体积都发生很小的变化，累积下来的结果是相当惊人。生命无时无刻不与水有关，细胞的大部分组成成分是水，各种蛋白质与组成生命的物质都在其中，并依靠水来进行交换与链接。然而，在所有的已知液体物质中，水是被人们研究得最多，而了解得最少的物质。
水能决定生命
在地球环境中，水大多是以液体的形式存在，这成了生物大分子的理想介质，氨基酸、甘油、核苷酸、多糖等，总是在水中漂浮着，直到碰上能同自己发生反应的物质为止，这就为生命的诞生创造了机会。水分子高表面张力和高流动性的完美结合，比油稀又比油流动快的特性，能迅速在蛋白质周围形成保护型支架，又不妨碍小分子的糖类在它的空隙间穿行，直到它们被完全消耗为止。这种特性，正是生命的同化作用和异化作用所必需的，在地球上再也没有一种液体比水更合适充当此任了。但是，决定我们生命的水，是我们最熟悉同时也是了解最少的物质。
水分子带有氢原子，氢是很好的催化剂，能参加各种化学反应。蓝藻的光合作用是地球生态系统的开路先锋，没有蓝藻就没有现在生机勃勃的地球。蓝藻与绿色植物的魔力，来自于叶绿素和氢。当太阳的光子射到叶绿素，就激发了电子得失反应，水光解得到氧和高能氢。氢的催化导演出一系列的化学反应，用水和二氧化碳合成糖类，将光能存在化学键中。在生物需要能量时，氢又担当起分解糖的角色，将能量释放供生命活动需要。
水是基本生物化学反应的基质和摇篮。一粒干燥的种子落在潮湿松软的土壤中，种子的吸胀作用使它吸足了水分，阳光带来的温暖唤醒了种子里的酶，于是酶发挥威力，让种子中的淀粉分解为葡萄糖，葡萄糖继续分解释放出能量，胚芽获得能量，细胞分裂生长，一株嫩绿的幼苗出土了。这就是新的生命，生生不息的轮回。如果没有水，就没有这种生命的轮回，各种蛋白质和其他构成生命的物质都是在水中游泳，并依赖水来进行链接与交换。人体的仓库里有一定的有机物贮存，短时间内无东西吃，身体可以用储备的物质维持生命。但如果没有水，物质的运输和代谢废物的排出就无法进行，酶的活动就要发生紊乱，生命就会终止。
地球上的生命一刻也离不开水。水的一些独特性质对地球上的生命非常重要，那就是固态的水，也就是冰，比液态的水轻。一般的物质在变成固体后，由于原子排列紧密的缘故，会比液态的密度要大。但是，水是一个例外，冰的密度比液态的水要小。这种违反常规的特点避免了江河湖海从下到上统统被冻住，从而保证了水中生物的生存。
试想一下，如果水服从普通的转变规律，在凝结成固体的时候，密度比水大，并沉在水底，这个后果是灾难性的。就像往池塘扔一块小石头一样，冰沉入了水中，比冰轻的水浮上，然后由于冻结成冰，继续沉下水底。没多久，地球上所有的海洋就会凝结成冰，地球将成为一个大冰球。所有的生物都被冻结起来，谈不上生命，也无从谈起后来人类的诞生。幸好不是这样，我们生活的世界，即使最上一层水冻结成冰后，冰会覆盖在水面上，保证了水面下的温度保持在生命适合的范围内。而且水还是热的不良导体，这一特性使得海洋可以延迟温度的骤变，为生物体适应气候变化而赢得时间。
家族成员庞大
和水有关的另一个未解之谜还包括雪花。它们拥有复杂而多变的内部纹路，而无论如何变化，它们大致都呈现出一种网状六边形。
这一点原本并不值得惊奇，因为雪花(水)内部的分子都是通过氢键相连的。然而，让人惊奇的是，虽然每一片雪花的形态各异，但它们都带有6个角，而且同一片雪花的每个角都几乎完全一样，整片雪花呈一种中心对称形，就好像每一个角都“知道”其他5个同伴的形成方式。
有一种假设认为，在雪花的晶体网状结构形成的时候，会产生一种振动，向前和向后不断反弹传递，就好像电信号在人体器官的管道中传播一样，雪花晶体的各个部位也是依靠这种方式“交流”的，并最终形成这样的对称结构。和雪花相似，冰的结构也还有很多有待研究的地方。在地球上，自然形成的冰通常有两种形式：一种是六边形，另一种是立方体形。立方体形的冰一般存在于更高、更冷的大气环境中。然而，在实验室中，物理学家已经发现，能够制造出超过15种不同种类的冰，每一种都有各自独特的晶体。由于水结成冰形成的原子排列结构中，各原子之间有很大的空隙，只要改变这些空间和原子排列结构，就能够制造出各种不同的冰了。这对科学家们研究水分子的排列结构会有很大的帮助。
除此之外，还有一种冰被称作不定形晶体，它也是自然存在的。它的分子排列不规则，导致这种物质的性质比较特别，有点像人工制造的玻璃。这种冰最初是在彗星上发现的，并于1936年在实验室内第一次被人工复制出来。制造这种冰的方法是在一个铜制的罐子内，将水蒸气在－140℃的情况下冷凝。当温度缓缓降低到一定程度，原本凝固的水分子又重新开始活动，形成一种半胶状的液体形态，直到温度降低到－120℃，它们开始重新结晶，慢慢形成像普通冰一样的冰，但是，它和彗星上的冰基本一样，与普通冰的原子排列并不相同。
通过对这种冰的研究，可以推测，应该存在着两种样式的液态水，一种密度较低，另一种密度非常高。还有一种被称作“超冷凝水”，它在－38％的时候也不会被冻结。实际上，宇宙中的很多星云都是由这种水或者部分由这种水构成，它们通常以冰的形态出现，但有时候在一些较小的尘埃和固体周围也有它们的身影。这种超冷凝水对于生活在北极的许多鱼类生物是非常有意义的。在温度低于－1.9℃的时候，生物的血液会因为温度过低冻结成冰，但是在这种水中，生物依然可以生存。超冷凝水的这种能力，也许对研究宇宙中生命的存在也有帮助。
天文学家认为，我们的星球形成的初期，有很多彗星撞击地球，而地球上的水就直接来自于这些频繁光临地球的彗星，或者有一部分来自于这些彗星。撞击地球的彗星和流星带来了很多水，这些水中还可能蕴含了很多其他物质，最后，它们在复杂的条件下进化成为各种生命体。因此，水是生命之源，它其中包含的物质使没有生命的星球诞生了生命的基本单元：蛋白质。细胞的大部分组成成分是水，不提别的，光是人身体的70％就由水组成。人在出生以前，受精卵细胞中97％是水，即使之后随着人的生长，这个比例会有所降低，但临死之前，水占据人的比重还是有50％。
水在一个标准大气压下，温度降至0℃以下结成的冰，跟寒冷联系在一起的叫寒冰。但水结成冰跟大气压有着直接的关系，就是说，压力越大，冰点温度越高。所以，在超高压条件下结成的冰，不但不寒冷，反而成为“热冰”。经科学家研究测定，在2万个大气压下，80℃的热水可以结成冰：如果达到了3.9万个大气压，冰的温度可达180℃以上。这时，如果用手触及冰面，将受 到严重烫伤!
另外，利用强电场的作用，也能够把室温下的水结成冰。韩国科学家在室内，就利用强电场把25℃的水变成了冰。这个实验在世界上属首例，且施加的电场强度仅为原设想的1/1000。关于强电场促进水结成“热冰”，在自然现象中也可见到。如炎夏，高空在太阳的照射下，气温一般不会达到0℃以下，然而，有些地方却下了冰雹。科学家认为，这是高空雷电强电场作用下，水汽加快凝结，一部分变成雨水，一部分变成冰雹落下来。那地质工作者在地下岩石中探测到冰块，又是怎么回事?科学家解释说，这些岩层在断裂过程中互相摩擦产生了强大的静电场，因而使岩缝中的水结咸了冰。
诸多未解谜团
我们可以这样想象水分子的结构：我们的两只手如同两个氢原子，两只脚代表两对自由电子。现在，我们把双腿分开呈90度站立，将双手平举过头顶，保持相互垂直的角度，并扭动腰身到正侧方，在你腹部的中心位置有一个氧原子，现在你的身体就是一个水分子了。液体状态下的水好像一个舞蹈者，它挥舞着双手，并通过各个化学键末端和其他的水分子一个个手牵着手。它们不断地牵手、分离，以不可思议的速度进行着集体舞蹈。听上去好像很简单，但其实没有人能够准确地描述出水分子自身的舞蹈轨迹，更无法构建出精确的模型。它的连接与分离速度极快，级数在百万分之一秒。水分子中氢键的形成和分解并不是规律地一个接着一个进行，它们的运动曲线呈一种不规则的流线型，而且每一个都不尽相同。缺少一个统一的数学模型来描述这一神奇的运动现象，给各种研究造成了不便，也是最让科学家们头疼的事。
如果用科学的眼光来看，水分子就是由两个氢原子和一个氧原子组成。然而简单的化学表达式H2O掩盖了水的一些微妙事实。解开谜底的钥匙，并不在于水分子的一个氧原子和两个氢原子间的化学键，而在于属于不同水分子的氢原子之间的联系——氢键。在室温条件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就离散。因此，在一滴水中，水分子们不断地聚合和离散，形成一个有序和无序并存的矛盾体。于是就形成了水的诸多反常特性。比如，水的沸点比一般液体的都要高，水难以压缩。
目前有科学家提出，影Ⅱ自水分子形态的氢键，可以归结到量子效应的作用，而氢键可与一种量子现象——零点振动联系起来。海森堡著名的测不准原理，为零点振动提供了理论基础。根据海森堡的测不准原理，人们不可能同时以较高的精确度测量到一个粒子的位置和动量，即使温度降低到绝对零度(－273.5℃)，粒子也必定在振动。否则，一个完全静止的粒子会违反测不准原理。这种粒子在绝对零度时的振动就是零点振动。
绝对零度是现实中不可达到的极限，因此在现实环境中，粒子的振动会比零度时粒子的振动更为强烈。振动会影响氢原子与氧原子之间的化学键，当氢原子与氧原子之间的联系被消弱，相对的，邻近水分子就更加容易联系起来。水分子依靠氢键连接，其连接方式就像弹簧上系的两个小球。振动使得弹簧一直处于压缩与伸张运动中，从而造成了小球处于靠近与远离交替状态。而在水分子中，连接的弹簧是氢键，由于氢键的特殊性《氢键强度只有典型化学键的1/10)，能够使水分子不断聚合离散，从而构成水这种奇异的特征。
直到如今，我们还无法解释为什么水4℃时比2℃时密度要大。有一种假设认为，水在0～4℃时存在一种较为特殊的形态，它的分子结构会发生一些改变，这个时候，通常我们认为是一种冰水混合物的状态，水的一些化学键的形状变成了六边形，并且密度变小。由于水分子本身的结构变化，导致它比四条氢键呈正四面体时体积变小，但这种变化又不能形成一套完整的体系来研究。
建造一个数学模型来分析描述这种运动的问题在于，它只能反映一个定点定时状态，而实际上，水分子的变化是持续的。目前，虽然能够通过计算机模拟来描述数百万粒子的运动，但前提是，这些物质的微粒在运动过程中的体积并不会发生改变。但液态的水就显得比较特别了：一小滴水中有数百亿的分子，每一个分子的体积都发生很小的变化，累积下来的结果是相当惊人。生命无时无刻不与水有关，细胞的大部分组成成分是水，各种蛋白质与组成生命的物质都在其中，并依靠水来进行交换与链接。然而，在所有的已知液体物质中，水是被人们研究得最多，而了解得最少的物质。