導語：水乃生命之源
通常人們認為水以三種形態存在：水蒸氣
液態水和冰
然而水還有另一種不為常人所知的狀態：冰VII。
今年3月份
地質學家發現地下深處的鑽石晶粒中存在水分子
認為地球內部的水可能比我們所了解的要多得多。
這項發現預示
不僅需要重新計算地球所擁有的總水量
還需要改變模擬熱量穿過地殼的方式及預測地震頻率的模型。
這項研究這引起了科研人員的關注
最新研究發現冰 VII是一種性質非常怪異的「冰」
可以以時速1610公里的速度瞬時形成並增長… 研究人員通過X射線衍射技術分析了從南部非洲、
中國、
薩伊和獅子山等地收集的鑽石樣品
結果發現鑽石中含有水。
雖然鑽石中的水分子被擠壓成固體形式的冰
但它們的存在是距離地球表面4700-5100公里處遠遠深於岩石圈的過渡層的液態水分子（地球一級分層：外球
液態區
內球）。
來自過渡層的水分子在碳原子排列而成的金剛石晶體缺陷內存在
高壓擠壓水分子迫使它們排列成與傳統冰不同的結構。
不同的壓力可以將水分子約束排列成一系列不同的結構
稱為冰-VII
這是首次證明自然界中存在冰VII。
實驗表明
在地下高溫和10萬個大氣壓下冰VII可由均相成核或異相成核形成
但其成核機理仍是未解之謎。
最近
加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究人員通過設計的數學模型表明
在一定的壓力閾值下
冰VII以閃電般的速度（1000mph=1610km/h）向外延伸、
擴展
這種瞬時轉變過程為均相成核。
研究表明
特定的臨界點是均相成核的關鍵。
液態水變成固體冰的方式不同導致冰VII在晶體中具有不同的原子結構
研究人員認為冰 VII首先形成分子簇
然後以納秒級的超高速度在水體中擴散。
研究人員表示
「不需要緩慢的潛熱去除過程
介面速度通過介面處快速分子排序來控制。
」 冰VII的發現經歷了理論預期、
實驗室創造、
自然界確認的整個過程
而現在又有了一個適合實驗數據的數學模型。
模型研究團隊認為
關於冰 VII如何在分子水平上形成的新解釋可能對記憶存儲、
材料合成等方面的研究產生深遠的影響
同時有助於確定外星球上的生命是否存在。
因為如果有冰VII
意味著那裡曾經有著維持生命必需的液態水的存在.
近期
國外《數字期刊》網站報道
來自倫敦大學學院的科學家們在加拿大發現了迄今為止最古老的微生物化石。
研究人員是在Nuvvuagittuq地殼帶的石英層中發現的化石
這些岩石形成於一個富含鐵的深海熱泉。
深海熱泉為地球上的第一批生命形式提供了棲息地
時間可以追溯到大約37.
7億年到43億年前。
這一發現不僅在化石年代測定方面非常重要
而且對於地球上的生命起源於海底熱泉的理論提供了證據。
地球上最早的生命形式——細菌在地球形成之後不久就出現了。
為了進行評估
科學家們使用了各種方法進行研究
還考慮到了氣溫和壓力的影響。
這些分析結果都表明了化石的生物學起源。
特別是化石中的赤鐵礦結構與今天熱液噴口附近發現的鐵氧化細菌有着相同的特徵。
研究負責人Dominic Papineau博士解釋稱：「我們已經發現了地球最古老生命形式之一存在的證據。
這一發現幫助我們將地球歷史與地球上的生命聯繫到一起
而且將幫助我們識別宇宙中的生命痕跡。
」研究人員提出
這一發現表明地球上生命形成時火星和地球在表面都擁有液態水。
這就表明火星上有可能存在外星生命
或者至少在某一時期曾經存在生命形式。
今天是世界水日。
除了日常生活中的飲食洗漱
水對於你還意味着什麼呢？ 水流過的地方就有生命。
浦東專業科普志願者盧昱博士從生命的形式入手
為大家詳細分析「為什麼水是生命之源」的科學問題。
下面就讓我們一起來一探究竟吧！ 我們身體內的水佔到體重的70%
所有生命過程都需要水。
我們內臟、
骨骼互相摩擦的地方
都有水作為潤滑劑。
而我們呼吸的氧氣
也來自於植物光合作用分解產生的水……人類離不開水。
不僅是人類
從青苔到蘑菇
從胡楊到松樹
從魚兒到駱駝
即使是最耐乾旱的細菌
也需要有水才能進行新陳代謝。
為什麼地球上的生命離不開水？這既是由於一系列機緣巧合
也是由於水自身的特殊性質。
生命起源和發展需要穩定的液體環境 如果拋開我們熟悉的生命形式不論
讓你重新設計一種生命
你會面對什麼問題呢？首先就是生命體的穩定性問題。
因為生命體必須具有一定的穩定性
並且能夠和周圍的環境分隔開來。
於是由氣體或等離子體組成的生命形式就被排除了。
因為氣體和等離子體狀態的物質太難以束縛
也很難在氣體團外圍生成和環境分隔的膜或殼
所以很快就會和周圍的物質混為一體。
而固體形態的物質
受到顆粒接觸表面積的限制
反應速度要麼非常快（比如黑火藥）
要麼非常慢（如放在牆角的煤
要過幾年煤的分子才能滲進牆裏去）。
這樣的反應速度
難以滿足生命新陳代謝的需要
因此也不太可能會產生生命。
氣體沒有明確的邊界
只有煙跡可以表明其流動方向 木星就是一顆氣態行星。
圖為木星大紅斑
是木星大氣的旋渦。
它會是一種生命的形式嗎 一些科幻作家想像的固體生命
在沒有液體的環境中生命
通過和氣體反應來進行新陳代謝 「生命」的特徵有兩個
一是能夠繁殖自己
二是能進行新陳代謝。
如果不滿足這兩個條件
那麼這些幻想中的物體也不能稱之為「生命」。
生命要產生
最好的環境是液體環境。
首先
液體分子沒有固體顆粒表面積的限制
液體分子可以自由地接觸
因此化學反應的速度可以足夠快
也足夠均勻穩定。
其次
液體具有表面強力
可以自動形成小滴
（你可以觀察一下荷葉上的小水珠
或者把水滴入油中
就可以看到這樣的液滴）。
這就可能和周圍環境隔絕開
形成獨立的內部小環境。
而液體也具有足夠好的導熱性
原始生命在一個足夠大的範圍（比如海洋）內所接觸的溫度都是一樣的
有利於生命的穩定。
液體的分子可以自由接觸
反應速度足夠快 液體的分子可以自由接觸
反應速度足夠快 為什麼地球生命在液體水環境誕生？ 可是世界上的液體很多
為什麼我們熟悉的地球生命會在液體的水環境中誕生呢？ 這也許是一種巧合。
首先
我們這個星球的水恰好足夠多。
地球上的水約佔地球總質量的0.
05%
而且大多分佈在地球的表面。
這就給生命的誕生提供了充足的資源。
其次
地球所處的位置
離太陽不近也不遠
正好是水能以液態形式存在的區域
而其他的很多物質
在地球上要麼是氣體（如氫或甲烷）
要麼是固體（如硫）。
所以地球生命要誕生
能利用的液體環境也只能是水環境。
在生命誕生之前
地球上已經有了充足的水 .
太陽系中的宜居區示意圖 為什麼水能勝任「生命之源」？ 水還有很多特殊的特性
這使得它足以勝任「生命之源」的角色。
1、
水是極好的溶劑 為什麼糖、
鹽、
味精在水中一會兒就溶解了？這來源於水分子的極性
能夠吸引其他帶電荷的分子或離子。
糖、
鹽的分子或離子經過水分子這麼一「拉」
自己內部的吸引力就減弱了。
因此水能迅速溶解很多物質。
除此之外
水還有一定的解離性
可以解離成氫離子和氫氧根離子（H2ODH＋＋OH）。
所以水可以和很多物質發生反應
甚至連堅硬的岩石也能被水「咬」得千瘡百孔。
這樣活潑的環境可以溶解足夠多的化學物質。
溶解於水的離子互相反應
大大擴展了生命的可能性。
美麗的溶洞
就是水溶解了岩石後形成的 2、
水分子具有極性 水的極性還使水很容易附着在帶電的物體上。
比如水就很容易和塵埃結合
我們看到的霧和霾就是水滴結合了塵埃顆粒形成的。
而水分子之間的吸引力
又使得滴在粘土和岩石上的水會沿着毛細血管一樣的小縫隙
把整個粘土或岩石中的細小空腔都填滿。
這種作用稱為毛細作用。
植物就是通過這樣的作用來把水分送到身體的每一部分的。
這些效應在生命的誕生階段尤其有意義。
也許最初的生命
就誕生於這樣不起眼的小水滴或小粘土塊中呢。
水的毛細作用使得水可以通過縫隙滲入岩石或粘土內部
而水銀就不行 3、
水為生命的誕生提供間接的「服務」 閃電就是這類「服務」之一。
地球大氣中有豐富的水
空氣要更容易被電離
閃電也更為頻繁
通過閃電產生有機分子的機會也就更多。
而像木星這樣大氣含水量低、
閃電發生少的星球
產生有機分子的機會就要少得多了。
濕潤的空氣有利於產生閃電 如果沒有水生命還能形成嗎？ 在地球上的液態水環境中
地球生命所依賴的蛋白質和核酸可以能夠扭曲、
摺疊成各種複雜的大分子結構
並保持這些結構的相對穩定
同時水的極性和弱解離性又讓這些大分子不會太過穩定
能夠與其它化學物質發生化學反應。
但宇宙中液態水存在的範圍是很小的。
在遠離恆星的地方
即使有水
也會凍住
而在靠近恆星的地方
水又會被汽化。
在液態水0～100℃的範圍之外
有什麼其他液體環境可能產生生命呢？ 美國生物學家和科普作家阿西莫夫提出
除了水之外
宇宙中氟矽氧烷
硫
氨
甲烷
氫五種物質在不同溫度下
也可以形成液體環境。
這些液體環境與液態水的環境類似
因此也可能誕生生命。
VS 冰冷的生命 滾燙的生命 冰冷的生命：比地球更冷一點的地方
氨可以變成液態。
1個標準大氣壓下
氨在-33.
4℃到-77.
7℃時處於液態。
液氨在宇宙中也很常見
比如像木星、
土星、
海王星
天王星上
就有豐富的氨。
如果這樣的行星離恆星的位置適當
就有可能存在液氨的海洋。
在更冷一點的環境中
氨也被凍住了
而甲烷則可能處於液態（在1個標準大氣壓下
在-161.
6℃到-182.
6℃時處於液態)。
如果要在甲烷環境下
生命的基礎就不是地球生命的核酸和蛋白質
而是脂類。
海王星的核由岩石組成
核外是富含氨、
水和甲烷的海洋 遊戲「失落星球3」中幻想的生活在寒冷中的外星生物 滾燙的生命：以上說的是溫度低於水的冰點的環境下可能產生的生命。
那麼
在溫度高於水的沸點時
比如在水星朝向太陽的一面（溫度高達400℃以上）
也會有生命分子存在嗎？在那種環境中
只有硫這樣的元素可能保持液態（115 ℃-445℃）。
而我們的蛋白質、
核酸這樣的碳氫化合物都已經被破壞了。
這液態的硫中
生命分子不能夠再以碳-氫化合物為基礎了
而更可能是碳-氟化合物。
在常溫下
碳氟化合物比碳氫化合物要穩定得多
並不適合參與化學反應。
但在高溫下
則可能表現出高的適應性和多樣性。
水星
它的表面是非常灼熱的 一顆距恆星很近的行星
其表面溫度會非常高 在更高的溫度下
以碳為骨架的大分子也不可能穩定存在了。
但是以矽、
氧原子
再加上碳原子組成的分子
則可能保持穩定。
這種物質稱為氟矽氧烷
或者稱「矽酮」、
「矽油」。
在地球上
它們非常穩定。
在液態的矽酮類環境中
矽酮類分子可能顯示出生命必須的變化性和多功能性。
以它們為基礎
就有可能產生高溫的生命。
一種氟矽氧烷 歷史賦予每一個「今天」的銘記意義
水賦予我們每一個「今天」
「世界水日」提醒我們：生命之源
珍之重之！ 本期志願者簡介 盧昱 盧昱
天文學博士
上海科普作家協會會員
曾擔任《十萬個為什麼》第六版編輯
長期從事少兒科普工作。
浦東專業科普志願者正在招募！！！
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