水是生命必須的嗎？

2015年6月10日

今年一個天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布在其他恒星的宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了至少八顆行星，不熱不冷的宜居帶可以維持我們在地球上所知的生命形式。其中兩顆名為開普勒438b和開普勒442b，是1900顆系外行星（太陽系外的行星）中最像地球的。

所謂“像地球”的部分意思是，這個行星可能有液態(tài)水——在宜居帶內(nèi)，這的確很有希望?！案摺币呀?jīng)成了天體生物學(xué)家在宇宙中尋找生命的魔咒。隨著技術(shù)能力的提升，對系外行星大氣反光中水的特征進(jìn)行探測已經(jīng)指日可待，因此一些天文學(xué)家希望能夠盡快找到有生命的外星世界。

但是水真的是生命所必須的嗎？

人們堅(jiān)信這一點(diǎn)由來已久。1913年，哈佛生物化學(xué)家Lawrence Henderson提出了一種奇特的反-達(dá)爾文進(jìn)化論。進(jìn)化論認(rèn)為有機(jī)體是通過適應(yīng)來“配合”它們所處的環(huán)境的。而Henderson在他的《環(huán)境的配合 （The Fitness of the Environment）》一書中卻說，宇宙環(huán)境本身會“配合”產(chǎn)生生命。

這非常令人費(fèi)解。環(huán)境怎么會來配合生命？

Henderson指出，水看起來具有“生命中心”的特性，它似乎是一種獨(dú)一無二的生命溶液。在地球上它確實(shí)是一種無處不在但又相當(dāng)特別的液體。其 他的簡單氫化物分子——如甲烷、硫化氫、氨和氯化氫——在室溫和常壓下都是氣體——除了“一氧化二氫（H2O）”水。水分子間似乎有一種額外的粘性，使之 能夠結(jié)合在一起。

水有很高的熱容量（它可以吸收大量的熱量但溫度卻不升高），洋流能夠把吸收的太陽熱量擴(kuò)散到全球各處，使行星整體環(huán)境變得更為一致和穩(wěn)定。還有，大 部分液體凝固時，體積會收縮，密度會增加，只有水會膨脹，密度會變小。因此，池塘不會從底部開始結(jié)冰，然后無法解凍；相反的，冰會像一個蓋子一樣把水隔絕 在下面。

水的溶解性也非常好，從而可以給有機(jī)體提供基本的營養(yǎng)元素。假如水失去了攜帶離子（帶電原子和分子）的能力，就不可能有光合作用和神經(jīng)脈沖。因?yàn)樗芯薮蟮谋砻鎻埩?，汁液才能沿著毛?xì)管上升，植物才能長得又高又大。

這非常令人費(fèi)解。環(huán)境怎么會來配合生命？行星的化學(xué)要素——水、巖石、空氣——不會突變也不會繁殖，而突變和繁殖是達(dá)爾文主義者眼中所謂“配合”的 關(guān)鍵。但是它確實(shí)具有維持生命所必須的特性。19世紀(jì)中葉，部分不列顛學(xué)者受布里奇沃特伯爵（Earl of Bridgewater）之托寫了一系列書，宣稱“萬物的創(chuàng)生，明確地體現(xiàn)了上帝的力量、智慧和恩惠”——也就是說，想用科學(xué)的發(fā)現(xiàn)來證明上帝的智慧，亦 即所謂的“自然神學(xué)”。1834年出版的一部布里奇沃特著作中，英國化學(xué)家William Prout宣稱，接近冰點(diǎn)時水的膨脹就是神意的一例。

Henderson不準(zhǔn)備向上帝讓步，但是他也承認(rèn)，要解釋水這種明顯的“配合”現(xiàn)象是不容易的，仍然沒有更好的答案。他能說的只是“根據(jù)當(dāng)前的假 說和法則，無法對這些巧合作出任何解釋。”假如這些現(xiàn)象能夠被理解，他說，“那么將會是在未來，當(dāng)我們對物質(zhì)的特性有了更深入的了解之后?！?/p>

Henderson之后一個多世紀(jì)的研究成果表明，水和生命間的關(guān)系比之前想像的更為融洽和復(fù)雜。但同時也顯示這種關(guān)系可能并不是專有的——生命和水之間的這種特殊的和諧，可能只是達(dá)爾文進(jìn)化論“適應(yīng)創(chuàng)造可能”的又一杰出范例。

它會漂?。”鶗?，而我們竟然忘記了這是一件多么奇怪的事情。大部分液體在凝固時會收縮，密度會增加，因此固態(tài)的它們只能沉底。– Joseph Van Os

以現(xiàn)代的觀點(diǎn)來看，水絕不是一個被動的、襯托生命有機(jī)分子表演的背景。相反，它是一位積極的參與者。水分子間存在著一種脆弱的弱化學(xué)鍵網(wǎng)絡(luò)，名為 “氫鍵”，它能夠把生物分子像織地毯一樣“織”進(jìn)液體分子里。生物分子和溶液的關(guān)系就像在跳一段互動的舞蹈。作為催化劑的蛋白質(zhì)非常靈活，它能夠改變形 狀，把反應(yīng)導(dǎo)向正確的方向。蛋白質(zhì)外形的改變會影響周圍的水，使水起伏和晃動，而水的起伏和晃動同時又會給蛋白質(zhì)注入“活力”。

全都包起來了！包裹著蛋白質(zhì)等生物分子的水分子“水合膜”能夠和生物分子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動產(chǎn)生十分積極的反應(yīng)。– Matthias Heyden，米爾海姆Kohlenforschung馬克斯·普朗克研究所

這種相互作用的微妙可以達(dá)到非常驚人的程度。舉例來說，德國波鴻魯爾大學(xué)和以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個蛋白質(zhì)分子和目標(biāo)分子（稱 為“酶作用物”）結(jié)合在一起并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)運(yùn)它時，結(jié)合點(diǎn)附近的水分子運(yùn)動就會慢下來，會變得濃稠，就好像要把酶作用物固定在原位一樣。氫鍵作用的變化和周圍自 由水分子的運(yùn)動，會導(dǎo)致能量以及熵發(fā)生細(xì)微增減，從而控制和驅(qū)動大量精巧且具高度選擇性的生化反應(yīng)發(fā)生。

在這些生化反應(yīng)中，既有水從角落和縫隙間被逐出，讓位給酶作用物，酶和它的目標(biāo)分子，亦即酶作用物之間的結(jié)合；也有新制造出來的蛋白質(zhì)鏈折疊成外形 緊湊的酶；既有把蛋白質(zhì)組裝成復(fù)雜的生物分子結(jié)構(gòu)；也有把脂肪分子組裝成細(xì)胞膜。這些反應(yīng)都受益于水的浸泡，以及水在隔水（疏水）分子間誘發(fā)的吸附作用。

水分子還能作為附著在蛋白質(zhì)表面的工具，擴(kuò)展酶的勢力范圍，幫助它結(jié)合或轉(zhuǎn)運(yùn)小分子。從酶的通道中穿過的水分子鏈還扮演著“質(zhì)子線”的角色，能夠引 導(dǎo)氫離子，允許細(xì)胞把氫原子搬運(yùn)到新的位置或新的分子中，亦或積累和釋放能夠產(chǎn)生能量的氫離子濃度差異，就像山坡上利用水流轉(zhuǎn)動的水車。穿過DNA雙螺旋 結(jié)構(gòu)的水分子網(wǎng)絡(luò)，任何細(xì)小的改變都可以影響DNA分子的彎曲程度，影響插入其中的蛋白質(zhì)激活或關(guān)閉基因的方式。

微型管道。由結(jié)合成氫鍵的水分子鏈（藍(lán)色）構(gòu)成的“水線”從輸水蛋白質(zhì)通道—“水通道蛋白”中穿過。每個水分子的直徑大約是0.3納米。－ Emad Tajkhorshid

所有這一切都表明水在生命中所扮演的角色，比Henderson的評價更為錯綜復(fù)雜。但是水究竟具有多少獨(dú)特性？生命對水的這種能力有多大的依賴 性？水所扮演的某些角色，如疏水吸引力，其他溶劑也能夠扮演：只要溶解的分子與溶劑的關(guān)聯(lián)性不大，無論它們是什么，都會趨向于粘合在一起。而水線中氫離子 的傳導(dǎo)，雖然對地球生命來說十分重要，但是它的不可或缺性，對地外生化反應(yīng)來說卻不明顯。

也可以這樣問：假如只把水當(dāng)成一種普通的液體，情況又將如何？北愛爾蘭貝爾法斯特皇后大學(xué)的Ruth Lynden-Bell和新澤西普林斯頓大學(xué)的Pablo Debenedetti對所謂的“反事實(shí)水”模型進(jìn)行了研究，這個模型所展示的，是使水展現(xiàn)出異常特點(diǎn)的核心特征——水中氫鍵的排列——在模型中，人們可 以對它進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，從而確定多大程度的調(diào)整是被允許的？多大程度的調(diào)整又會使水失去獨(dú)特的屬性？

水的獨(dú)特屬性并非都有助于生命——有些會造成明顯的阻礙。

一種最簡單的理論模型視氫鍵為單純的靜電作用：帶有微量正電荷的氫原子，會和鄰近氧原子中帶有負(fù)電荷的“孤對”電子產(chǎn)生吸引力，電荷相互作用，形成 一個四面體。在這種吸引力的支配下，分子間會形成一種特別的幾何學(xué)排列方式，并在頂層控制著原子和分子間更為一般的吸引力，也就是“范德華力（van der Waals）”（又名“色散力”）。在構(gòu)造簡單的液體，如液氬或液態(tài)二氧化碳中，唯一能夠阻止分子飛散蒸發(fā)的，就是這種力。

水之網(wǎng)：水中的“氫鍵”（虛線）把水分子排列成了一個四面體結(jié)構(gòu)（左）。在液體形態(tài)（右）中，這些鍵能夠把水分子連接成一個擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。紅色是氧原子，白色是氫原子。– 左圖：Philip Ball；右圖：Matthias Heyden，米爾海姆Kohlenforschung馬克斯·普朗克研究所

Lynden-Bell和Debenedetti用計算機(jī)設(shè)計出了一個水的模型，在這個模型中，氫鍵的靜電作用力（能夠維持四面體的存在）和范德華 力（這種力在所有方向上都是相同的）能夠進(jìn)行隨意的改變。他們把這種假想中的東西戲稱為“不是水（not-water）”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水的異常特性并非只 是作用力的程度問題。氫鍵的排列方式，和簡單球狀范德華力的排列方式——它們就像加農(nóng)炮彈一樣——明顯是不相容的。在兩種極端情況下，我們將得到兩個最糟 糕的世界：無論由哪種力支配，分子的排列都是無序的。換言之，水和缺乏氫鍵的液體有著質(zhì)的不同，后者的分子只會相互碰撞。但是水分子并不是唯一擁有氫鍵的 分子——氨，甚至氯化氫也有。區(qū)別在于水分子能夠形成巨大的三維網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈兊姆肿涌梢哉澈铣伤拿骟w，而別的氫鍵只能形成長鏈。氫鍵的三維網(wǎng)絡(luò)是水結(jié)冰 后密度變低的原因，而這是氨和氯化氫做不到的。這是水的獨(dú)特之處。

但是水的幾何結(jié)構(gòu)呢？假如我們改變水分子彎曲的角度，讓氫鍵形成不了完美的四面體，或者讓彎曲的程度變大，水的獨(dú)特屬性是否會消失？Lynden- Bell和Debenedetti發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，只要改變的程度不十分劇烈，水的某些異常特性依然存在，比如水在到達(dá)冰點(diǎn)前密度仍然會變大。“這些 （幾何學(xué)）參數(shù)擁有足夠的寬容度，”Lynden-Bell說。要使水的獨(dú)特屬性消失并不容易，Debenedetti說。

制造不同的水：Lynden-Bell和Debenedetti像玩具一樣擺弄水中鍵的長度（左）和角度（右），想看看會發(fā)生什么。– Philip Ball

水的氫鍵結(jié)構(gòu)也常被用以解釋水中溶質(zhì)的疏水吸引力。但是在審視了“不是水”氫鍵強(qiáng)度和彎曲角度的改變之后，Lynden-Bell、 Debenedetti等人得出結(jié)論，疏水粒子之所以不溶于水（趨向于結(jié)團(tuán)成塊），主要是因?yàn)樗肿犹?，其間存在的能量足以為這些粒子“挖”出空間，而 非氫鍵本身的原因。因此幾乎很多小分子液體應(yīng)該都能做到這一點(diǎn)。

公平地說，水在某些方面是獨(dú)一無二的，但在另一些方面并非如此：它比較特殊，但并沒有那么特殊。而且，它的獨(dú)特屬性并非都有助于生命——有些會造成 明顯的阻礙。其中之一就是，它太活躍。氧原子中的孤對電子能夠吸引分子中帶正電的部分，而它們也會破壞已經(jīng)存在的氫鍵，并瓦解或重組分子，這就是所謂的 “水解”。蛋白質(zhì)鏈內(nèi)氨基酸的結(jié)合要依靠肽鍵，但肽鍵中的碳原子容易受到這種攻擊，因此通過水解，蛋白質(zhì)可以被分解。糖分子鏈，如纖維素、淀粉之類的生物 多糖復(fù)合物，也會遇到相似的情況。

“這對于今天的系統(tǒng)性生命體而言，并不是一個太大的問題，酶可以修補(bǔ)水帶來的傷害，”應(yīng)用分子演化基金會的化學(xué)家Steven Benner說。但是對于生命的起源而言，這非常重要，他說，生物分子的原型要在水中形成并維持，但是它們并沒有酶的協(xié)助?！叭绻f水是上帝設(shè)計出來的完 美生物質(zhì)溶劑，那這樣的設(shè)計無疑是糟糕的，”Benner說。

他認(rèn)為，在原理上不能排除氨、甲酰胺（CHONH2），或液態(tài)烴——土衛(wèi)六上大量存在的那些東西，也支持不同類型的生化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)有機(jī)化學(xué) 已經(jīng)生產(chǎn)出大量非水溶劑（不是水的溶劑），這些東西通常有非常強(qiáng)的針對性，因?yàn)樗^于活躍。Benner對土衛(wèi)六烴海洋中存在疏水生命的可能性特別感興 趣。他和同伴最近進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，想看看是否可以制造出一種“基因聚合物”——一種能夠把信息編碼進(jìn)分子序列中的物質(zhì)，就象DNA和RNA那樣——并使之 在此類液體中工作。

他們發(fā)現(xiàn)，一種名為聚醚的鏈狀分子在攝氏-70度左右能夠很好地溶解在液態(tài)丙烷（C3H8）中，這種分子的主干由碳和氧原子交替組成。Benner認(rèn)為，聚醚在這樣的溶劑中能夠起到基因數(shù)據(jù)庫的作用。

但是土衛(wèi)六的溫度要低得多：它的烴海洋主要由甲烷（CH4）和乙烷（C2H6）組成，溫度只有攝氏-178度左右。在這樣的極端低溫下，大部分聚醚 不能溶解。Benner推斷說，土衛(wèi)六上的液態(tài)甲烷“太冷，以致于幾乎無法溶解一切對生命有意義的物質(zhì)?！钡撬f，這并不是因?yàn)闊N是一種糟糕的溶劑—— 只是因?yàn)橐簯B(tài)水的溫度更高，溫度高的液體溶解性更好?！耙粋€溫暖的土衛(wèi)六，”他說，“一個位于太陽系宜居帶內(nèi)，大約相當(dāng)于火星位置的行星，可能會有一個內(nèi) 含丙烷、丁烷甚至戊烷的烴海洋?！边@些溶劑在相應(yīng)的溫度下將保持液態(tài)，并能夠溶解大量物質(zhì)。

Benner認(rèn)為另一種理想的水替代品是甲酰胺，它可以由一氧化碳和氨，或氰化氫和水合成——而這些簡單分子在星際空間和外星環(huán)境中都能夠找到。 “甲酰胺的溶解力以及保持液態(tài)的溫度范圍和水非常相似（甚至可能更好），”Benner說：在一個大氣壓下，甲酰胺的溶點(diǎn)是攝氏2度，沸點(diǎn)是攝氏210 度。而且它沒有水那種破壞聚合物的傾向。Benner和他的同事們最近向我們展示，在含硼礦物的催化作用下，磷酸鹽類能夠在甲酰胺里與腺苷分子結(jié)合，形成 磷酸腺苷，磷酸腺苷是RNA和DNA的基本材料。與之相反，水會破壞磷酸腺苷，使之難以形成核酸。

假如在宇宙中，水之外的溶劑確實(shí)能夠?yàn)槠渌问降纳鸬较嗨频淖饔?，那么地球上生命和水的這種親密關(guān)系可能只是環(huán)境和生命相“配合”的極端機(jī)會主 義式的反映。地球生命已經(jīng)習(xí)慣了這種奇怪液體所提供的一切。我們可能在天體生物學(xué)中高估了水的重要性，而與此同時又在地球生物學(xué)中低估了水的意義和精巧作 用。

確實(shí)，我們在地球上發(fā)現(xiàn)的每一種適應(yīng)性，都會提升水在生命中的重要性。生命可以生活在地球深處熾熱高壓出產(chǎn)石油的巖縫里，生命可以生活在南極冰湖 下。微生物能夠在炙熱干旱的阿塔卡馬沙漠活下來，也能夠在滾燙的深?；鹕綗嵋嚎谥車敝场Ｉ茉跐舛葮O高的鹽水中生存，能夠忍受高濃度的有毒重金屬，也 能夠暴露在高離子輻射的外太空而不以為然。當(dāng)我們以為沒有一種有機(jī)體能夠離開水進(jìn)行新陳代謝的同時，微生物卻能夠適應(yīng)重水中的生活，某些隔離酶在完全無水 的環(huán)境下，也能或多或少地工作。以上這一切，都在試圖讓我們相信，一旦達(dá)爾文式的進(jìn)化開始，生命幾乎能夠在所有環(huán)境中前進(jìn)。

Lynden-Bell也贊同，我們不應(yīng)該低估自然選擇在各種環(huán)境中使生命得以維持的能力?！拔覀€人相信，演化能夠利用它所發(fā)現(xiàn)的環(huán)境，而且很有可 能存在著與我們完全不同的演化場景，”她說。生命同時也能改造環(huán)境，使之與自身相配。溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的Colin Goldblatt指出，如果以我們當(dāng)前的視角來看，只有寒冷而潮濕的外星世界看起來才稍微那么宜居一點(diǎn)，那么宜居帶究竟在哪里其實(shí)取決于行星的大氣層內(nèi) 有什么：在地球上，二氧化碳（在一定程度上由生命守護(hù)著）使我們行星的溫度維持在冰點(diǎn)以上。換而言之，是“居住地決定宜居性，”他說。因此，在我們確知生 命存在之前，不能對水是否能夠維持生命作出草率的判斷。

現(xiàn)在，讓我們來算一算。根據(jù)目前的統(tǒng)計，平均來說，每一顆銀河系里的恒星至少擁有一顆行星，在與太陽類似的恒星中，有五分之一的宜居帶內(nèi)存在著與地球類似的行星。因此，僅僅銀河系內(nèi)就至少有110億個這樣的外星世界——而可觀測宇宙中至少有1000億個星系。

在這樣的前景面前，我們真的還能堅(jiān)持水是生命必須的嗎？

文/Philip Ball
譯/老孫