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氢键——生命形成的基础

作者:管理员  来源:未知  更新时间:2015-07-26 22:43:10


    水是一种非常特殊的分子,主要是因为水分子之间具有相对强大的氢键,由于氢键的作用,可以让水在常温下是液体状态。有科学家认为,恰好是因为水的这种特性,才导致地球生命的诞生。

    氢键使水分子之间形成牢固的相互结合力,这种作用可以在气水界面形成水的表面张力。这种表面张力在生物学上也具有十分重要的作用,今天《科学》专门对这个问题进行了介绍。

    表面张力让水面形成“坚硬”的外壳,特别是对小型生物来说,这个效应非常明显。大家比较常见的水黾就可以利用这个外壳毫不费力地在水面奔跑。但同样的表面张力,也可以形成类似流沙一样的效果,让蚂蚁陷入险境。生物学家一般不太关注气水界面,但是最近的一个研讨会,使人们明白,这种气水界面的效应不只是对小型生物才重要。表面张力可帮助植物种子掩埋在土壤中,能帮助蕨类植物在空气中漂浮和潜入水下。飞沫是协助人和农业病原在空气中长距离扩散的工具,也是利用这种作用的典型模式。

    相对于水的表面张力,人的体重十分巨大,可以忽略不计,所以我们不可能具备水上漂的能力。但对一些微小生物来说,水的表面张力的作用就不能忽视了。因为这个作用已经变成最显著的作用,可以让水黾这样的昆虫在水面自由奔跑,而不会沉入水下。生物学家一贯不太注重这种力的效应,但最近许多这方面的研究开始揭开这个领域的神秘棉纱。

    通过高速视频和特殊染料,研究人员可以分析水黾在水面的活动过程,探讨表面张力在这种过程中的作用。结果发现,水黾能制造旋涡帮助他们向前运动,而且不会破坏水的表面。水黾可以在水面跳跃都不破坏表面结构。

    没有任何工具的情况下,有的植物种子能自行钻入土壤内,研究发现一些种子的表面有一些芒刺,这些芒刺可随着水份比例的变化盘成圈状或张开,从而协助他们进入土下。一种多肉植物枯野葵的种子芒刺在湿度高时垂直,但干燥时呈弹簧圈状。

动物小便也会受到这个因素的影响,对大型动物如人和大象,尿量很大,表面张力的影响可以不考虑,但男性排便后如果不抖动几下,大家都知道后果,这就是表面张力的作用。对小型动物如老鼠,尿量很小,尿道也很细小,排便时只能一滴滴排泄,最后一滴可能会持续10分钟才能脱落。

    物理学家对表面张力有比较深刻的认识,由于存在相互吸引的氢键,为了保持最小能量,水分子需要形成最小的体积,当平静的水面受到外界扰动时,水分子的相互作用总是趋向于恢复到最小能量的结构。除非外界干扰物本身具有亲水性,此时水就象胶水一样黏附到物体上。

    水气界面的生物学效应十分重要,其实脂水界面也十分重要,甚至对生物学效应来说更为重要。细胞膜的典型结构都是这个作用自然产生的,蛋白质内部一般都是疏水结构,而表面都是亲水结构,许多生物大分子都是这样的存在方式。这种结构特点一方面是必然,另一方面也是生物效应调节的重要模式。因为只要对其中很少的结构进行影响或修改,就有可能对整个结构产生剧烈的干扰或调节。生物分子正是利用这些工具实现许多功能的调节,完成复杂的生物功能。

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