当前课程知识点：现代生物学导论 > 第二讲 生命的化学基础 > 2.2 水和生命 > 2.2 水和生命
目前为止，宇航员在火星和水星上都发现了水
为什么寻找水呢？
因为有水才会有生命
为什么水对于生命来说那么重要？
我们都知道生命最开始是从水中出现的
而且经过了长达30亿年的漫长演化才出现在陆地上
我们熟悉的生物中，水是主要组成部分
地球适宜生命的存在，和水的4个特点密切相关
第一个是内聚力和粘附力
第二个是水的热容量
第三个是固态水轻于液态水
第四个是水是很好的溶剂
那么下面我们就来一一讨论这些特点
第一个特点内聚力和粘附力
水分子由于氢键的作用都互相结合在一起
尽管在液态水中分子是不断变动的
但每时每刻分子间都是由多个氢键组成的
这种联系使水分子比其他的液体更具有结构性
氢键使物质凝聚在一起，这种现象叫做内聚力
内聚力就是让水分子之间紧密联系
就像这个展示：我们把水滴在硬币上
由于内聚力的作用，硬币上的水分子会形成这样一种concave的效应
在水分子中，氢原子带正电
氧原子带负电
这种分子内电荷产生的极性通过分子间的氢键和临近的分子紧密联系
使得水分子聚集
我们举一个猫喝水的例子，大家可以参考这个
猫喝水的时候呢，它是用舌尖频繁接触水面
大概是1秒钟4次，形成一个水柱到嘴里
那么这个水柱的形成呢，主要是由内聚力导致的
当然，仅有内聚力还是不足以完成很多生命过程
水分子还有一个重要的特性就是粘附力
即水分子还可以粘附在其他分子上
比如图中水分子可以粘附在玻璃上
水分子的内聚力和粘附力可以解释很多现象
比如表面张力、毛细管运动
表面张力就是液体表面总是试图获得最小的、光滑的面积
就好像它是一层弹性的薄膜一样
在水和空气的交界处
水分子排列非常规则，这使得水的表面张力非常高
那么在水面上行走的蜘蛛就是很好的例子
毛细管运动可以帮助我们血管内的血液运输营养成分
也可以帮助植物克服重力作用来运输水分
水从根部被运输到叶子是通过输水细胞作用的
那么水分子间的内聚力使水能在这些运输细胞内形成一个水柱
而在这个过程中，粘附力也起了很大的作用
水分子能够在运输过程中能够和细胞壁通过氢键结合
帮助在运输过程中克服重力
第二个特点是水的热容量
水可以很好地调控温度，是由其比热容所决定的
因为水的比热容比很多物质都高，当水吸收或释放能量时
其所需要改变的温度也比其他物质要少
所以，当手指如果碰到了烧的温热的水壶时候
手指容易被烫伤
因为水的比热比起水壶来要高很多
换句话说
同样的热量能够使1克的铁升温远快于升温1克的水
水的高比热和氢键有很大关系
要打破氢键必须要吸收能量
反之，当氢键形成时需要释放能量
之所以一卡的热量导致水的温度变化很小
是因为很多热量都需要用来打破氢键使水分子运动得更快些
那么水的高比热容对于生命来说有什么重要意义呢？
水能够在日照和夏天的时候吸收和储存大量的能量而只有少量的温度改变
那么在夜晚和冬天的时候
水可以释放能量来温暖空气，使得温度变化不那么大
水也可以调节海洋温度，给海洋生物创造了适宜的生存环境
因为水的升温和降温较慢，水中的生物更容易维持体内的温度
水的蒸发需要吸收热量
从生物体的角度出发，植物叶片上的水蒸发带走热量
可以避免植物组织在阳光照射下过热
同理，我们出汗，汗液的蒸发也帮助散发身体热量，降低体温
第三个是固态水轻于液态水
水是少数几种物质当它是固态时，密度降低
也就是冰能够浮在水面上
而很多物质变成固体的时候，体积变小密度变大
而水变成固体时体积是变大的
导致这种行为的还是氢键
当温度高于4摄氏度时，水和其他很多液体性质是差不多的
那么当温度在0和4摄氏度之间，水开始结冰
因为越来越多的水分子移动缓慢而无法打破氢键
在0摄氏度的时候，水分子就会形成固定的网格形结构
每个水分子都和其他四个水分子形成氢键
每个分子间保持一定距离，这个距离比同体积的水要少10%的水分子
所以冰的密度比水低，水分子间更加扩展一些
这种特征有其重要的生物学意义
那么大家可以想一下，如果冰会沉到水底的话，那么所有的江河湖海都会冻结
那么地球上也不会有生命
另外，在寒冷的季节
冰也会形成一层很好的隔离层
防止下面的液态水结冰，使水中的生物在寒冷的季节也可以生存
第四个特点，水是通用的溶剂
由于水是极性分子，它可以和很多物质形成化学键
比如当NaCl分子进入到水中后
钠离子和氯离子就会和水分子相应的部分结合
因为携带相反电荷
这个性质为什么重要？
因为这样可以使得很多离子参加各种体内的化学反应更加容易
对比：两堆晶体之间发生反应和两种溶剂之间发生反应
哪种情况下化学反应更容易发生呢
那么当然是后者
下面我们再来讨论亲水性和疏水性的问题
亲水性就是一种物质和水的亲和力比较高
有的情况下，亲水的物质不一定会溶解在水里
比如：细胞内有的大分子并不会溶解
再举一个例子：棉花
棉花是亲水的，但它不会溶解在水里
如果棉花溶于水的话，那么我们洗衣服的时候衣服就会溶解
棉花主要由纤维素组成，纤维素本身是一个大分子
它的内部都可以和水形成氢键
水会附着在纤维素上
这就是为什么干毛巾可以很好地吸水，但不会溶解在水中
疏水性指的是一些物质无法和水形成氢键
比如我们做菜用的食用油
无法和水很好地融合在一起
无法形成氢键的主要原因是在食用油中绝大部分是非极性的共价键
细胞膜的主要成分就是疏水的脂类
最后，我们再简单讨论酸碱度和缓冲液对于生物体的意义
大多数活细胞内的pH为7.4
一点点pH的变化会导致生物体内的致命变化，因为会影响很多化学反应
我们体内血液的pH为7.4
如果变成7.0或7.8
我们可能活不了几分钟
我们体内有一套化学系统能够维持pH的稳定
那么举这么一个例子
如果0.01mol的强酸加入到水中，pH值会从7.0降到2.0
那么如果同样数量的强酸加入到我们人体的血液当中
pH的变化是非常非常较小的
这是因为我们体内有这种系调节统
这种系统被为缓冲液
可以调节酸碱度，即吸收多余的氢离子或者提供更多的氢离子
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
