一个一组天文学家今年宣布，他们发现了不少于8颗行星围绕着它们的母恒星周围所谓的“适居带”运行，其中的温度既不太热也不太冷，不适合我们所知的地球上的生命存在。其中两颗被称为Kepler-438b和Kepler-442b，是目前已知的大约1900颗系外行星(太阳系外的行星)中与地球最相似的候选行星。
在某种程度上，“类地”意味着一颗行星有很好的机会携带液态水——在适居带内更有可能是这样。“跟着水走”已经成为在宇宙其他地方寻找生命迹象的天体生物学家的口头禅。有了探测系外行星大气层反射的光线中的水特征指纹的新能力，一些天文学家希望很快就能发现一个存在生命的世界。
但是液态水真的是生命所必需的吗?
这一信念源远流长。1913年，哈佛大学生物化学家劳伦斯·亨德森(Lawrence Henderson)提出了一个关于达尔文进化论的奇怪倒置，即生物体通过适应而“适应”环境。亨德森的书环境的适应性认为宇宙环境本身特别“适合”容纳生命。
这让人非常困惑。环境是如何获得健康的呢?
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亨德森指出，特别是水，似乎充满了“以生物为中心”的属性，就好像它是独特设计的生命的溶剂。事实上，它在地球上是一种液体比它看起来更不寻常。其他简单的氢化物分子——甲烷、硫化氢、氨、氯化氢——在室温和压力下都是气体——但不是“氢氧化物”2似乎有一些额外的粘性把水分子结合在一起。
因为水有很高的热容量(它可以吸收大量热量而不增加温度)，洋流可以重新分配大量的太阳热量，帮助行星环境更加均匀和稳定。更重要的是，当大多数液体结冰时收缩和密度变大，冰则膨胀和漂浮。因此，池塘不会从底部开始冻结，然后变得几乎不可能解冻;相反，一个冰冻的盖子将下面的水隔离开来。
水还可以溶解大量的 物质，因此，它可以帮助 将必需的营养物质和 元素传递给需要 的生物体。没有水的例外吸附离子(带电的原子和分子)的能力，我们就不会有光合作用或 神经冲动。水的巨大表面张力使得汁液可以通过毛细作用上升很远的距离 ，这样植物就可以挺立了。等等。
这让人非常困惑。怎么可能一个环境获得健康？毕竟，地球的化学成分——水、岩石、空气——不会变异和繁殖，这是实现达尔文式健康的关键因素。然而，水的一些重要属性以前就已经被注意到了。19世纪中期，几位英国学者受布里奇沃特伯爵的委托，撰写了一系列书籍，展示了“上帝的力量、智慧和善良，如造物所表现的”——换句话说，上帝的智慧是如何在科学发现中被揭示的，这一目标被称为自然神学。英国化学家威廉·普劳特（William Prout）在1834年出版的一本布里奇沃特（Bridgewater）专著中断言，液态水在接近冰点时的膨胀就是这种神圣天意的一个例子。
亨德森并没有把土地拱手让给上帝，但他承认，要找到任何其他解释水表面上的“适合性”并不容易。他所能说的是，“几乎没有希望从当前的假设和定律中对这些巧合作出任何单一的解释。”他说，如果要理解它们，“也只有在未来，当研究深入到物质属性的谜中去的时候。”
自亨德森之后的大约一个世纪的研究揭示了我们所知道的水和生命之间的兼容性，这比想象的更加非凡和复杂。1但它也表明，这种关系可能不是特别排外——生命和水之间奇怪的和谐可能只是达尔文进化论使非凡的适应性成为可能的另一个例子。
F从现代的观点来看，水绝不是生命生物分子上演戏剧的被动背景。相反，它是一个积极的参与者。2水分子之间有一张由弱化学键组成的精细网络，被称为氢键，围绕在这些生物分子周围，将它们编织成液体的织毯。这使生物分子溶质与其溶质以一种相互反应的舞蹈相结合。为了完成催化生化反应的工作，蛋白质必须相当灵活，在引导反应沿着正确的路径进行时改变形状。但这些形状的变化也重塑了周围的水外壳，而水的摆动和波动给蛋白质“注入”了活力。
这种相互作用可以是惊人的微妙。例如，德国波洪鲁尔大学和以色列魏茨曼科学研究所的研究人员发现，当蛋白质与目标分子(称为底物)结合准备转化时，靠近结合位点的水分子似乎会减慢，就好像增厚来固定基材一样。3.还有能量和熵的微妙的增益和损耗，与氢键数量的变化和水分子的自由移动有关，这可以支配和驱动许多精心调节和高度选择性的生化过程。
这包括酶与其目标分子或底物的结合，当水从角落和缝隙中被排出，为底物腾出空间;将新合成的蛋白质链折叠成酶的紧凑形状;蛋白质组装成多部分生物分子机制;以及脂质分子在细胞膜上的组装。这些过程中的每一个都受益于这样一个事实，即浸入水中会以某种方式在分子的疏水(疏水)部分之间产生吸引力。
水分子通常就像附着在蛋白质表面的固定工具，从而扩大酶的作用范围，帮助它结合或运输小分子。水分子链穿过酶的通道，充当“质子线”，可以引导氢离子，允许细胞将氢原子移动到新的位置或新的分子，或者在氢离子浓度上建立和放电梯度，可以利用这些梯度来产生能量，就像水车把水流从山坡上开下来一样。在DNA的双螺旋结构中，水分子网络的微小变化可以影响分子弯曲的容易程度，以及蛋白质如何粘附在分子上，从而开启和关闭基因的活动。
一个这表明水在生命中的作用比亨德森所能理解的更为复杂和全面。但是有多少是水独有的?生命在多大程度上依赖于这种能力?水的一些作用，比如疏水引力，在其他溶剂中也有类似的作用:如果溶解的分子对它们的溶剂没有太大的亲和力，不管溶剂是什么，它们都会倾向于粘在一起。而氢离子在水中的传导，对地球上的生命来说是非常重要的，但显然地外生物化学会发现它是不可或缺的。
提出这个问题的另一种方法是问:如果有水呢少像水，更像普通液体?北爱尔兰贝尔法斯特皇后大学的化学物理学家露丝·林登-贝尔和新泽西州普林斯顿大学的巴勃罗·德贝内代蒂探索了“反事实水”的模型，在这种情况下，水与众不同的核心特征——它特殊的氢键排列——可以像拨号盘一样不断调整。在水的反常性质消失之前，允许进行多少调整?
并不是所有水的独特特性都有助于生命——有些完全是障碍。
关于水的最简单的理论模型之一将氢键视为纯静电:带有轻微正电荷的氢原子和邻近分子中氧原子上带负电荷的“孤对”电子之间的吸引力，这些电荷在四面体的角上被分散。这种引力决定了分子的特殊几何排列，它是在所有原子和分子由于电子云的散乱而对彼此产生的更普遍的引力之上运行的，这种引力被称为范德华力或色散力。在简单的液体中，如液态氩或二氧化碳，只有范德华力才能阻止分子分离成蒸汽。
林登-贝尔和德贝内代蒂设计了一个水的计算机模型，在这个模型中，静电氢键(促进四面体有序)和范德华引力(各个方向都相同)的相对强度可以随意变化。4非正式地说，他们称这种假设性物质为“非水”。他们发现，类似水的异常现象实际上不仅仅是程度的问题。相反，来自氢键的排序和来自简单球体的范德瓦尔斯吸引力的排序，由于它们像炮弹一样包装的方式，是不同的和不相容的。在这两个极端之间，你会得到两个世界中最坏的结果：分子的有序性比两个极端都差。换句话说，水在性质上不同于缺乏氢键的液体，在氢键中，分子只是相互碰撞。然而，水不是最好的 只有分子才能 使氢键变成氨 甚至氢 氯可以吗 它也是。区别在于 水分子 由于四面体的粘合模式，它们可以形成巨大的三维网络，而其他氢键只能管理链。三维氢键网络是冷冻水密度低于液态水的原因，而氨水和氯化氢则不然。水是独一无二的，得一分。
但是几何呢?如果你改变弯曲的H的角度2O分子，这样它的氢键就不会那么接近四面体，或者如果你把键变长，水的独特性质会消失吗?林登-贝尔和德贝内代蒂发现，当他们尝试用“非水”做这个实验时，他们仍然可以得到异常情况，比如在凝固点之前的最大液体密度，只要变化不是太大，例如，水分子不会太剧烈弯曲。“几何参数中有相当程度的纬度，”林登-贝尔说。Debenedetti说，在一种特定性质消失之前，允许的精确变化程度“取决于人们所关注的是哪种水性质”。
水的氢键结构也经常被用来解释它所携带的溶质的疏水吸引力。但在观察了不同氢键强度和键角的“非水”之后，林登-贝尔、德贝内代蒂、及其同事认为疏水粒子的主要原因是相当不溶于水(所以倾向于聚集)是因为水分子太小,需要大量的能量粒子的空间“挖出”,而不是由于氢键的本身。5所以几乎任何含有小分子的液体都应该有类似的表现。
总的来说，水在某些方面是独一无二的，但在另一些方面则不然:很特别，但又不是那特别的。另外，并不是它的所有独特特征都有助于生命——有些完全是障碍。首先，它的反应性很强。氧原子上的孤电子对被吸引到带有正电荷的分子上，在那里它们可以打破现有的键，在一个被称为水解的过程中分裂或重新配置分子。肽键中的碳原子——蛋白质链中连接氨基酸的键——很容易受到这种攻击，这使得水有通过水解分裂蛋白质的倾向。水也可能对糖分子链起到同样的作用，比如生物多糖化合物，如纤维素和淀粉。
应用分子进化基金会(Foundation for Applied Molecular Evolution)的杰出研究员、化学家史蒂文·班纳(Steven Benner)说:“在今天的生命系统中，这不是什么大问题，因为生命系统中有酶可以修复水造成的损伤。”但他说，当原始生物分子必须在没有酶的帮助下在水中形成并持续存在时，这对生命的起源很重要。Benner说:“如果水是上帝设计成完美的生物溶剂的话，那她的工程肯定做得很糟糕。”
他没有看到像氨、甲酰胺(CHONH)这样的溶剂的根本原因2)或者像土星卫星土卫六上的液态碳氢化合物也不应该支持不同种类的生物化学。6毕竟，在实验室和工业中，许多有机化学都是在非水溶剂(即除水以外的溶剂)中进行的，这往往正是因为水的反应性太强。班纳对土卫六的碳氢化合物海洋可能存在疏水生命的想法特别感兴趣。他和他的同事们最近进行了一项实验，看看他们是否能构建出一种“基因聚合物”——一种可能像DNA和RNA那样在分子结构块序列中编码信息的聚合物——这种聚合物可以在这样的液体中工作。
他们发现一种叫做聚醚的链状分子，它的碳原子和氧原子沿着主链交替存在，在液态丙烷(C3.H8)，在零下94华氏度(零下70摄氏度)左右。7班纳认为，聚醚在这种溶剂中可以作为基因数据库。
但土卫六的温度要低得多:它的碳氢化合物海洋主要由甲烷(CH4)和乙烷（C2H6)，其温度约为负288华氏度(负178摄氏度)。在如此寒冷的极端情况下，聚醚不会显著溶解。本纳总结道，因此土卫六上的液态甲烷“实在是太冷了，无法支持几乎所有必需的物质的溶解度，而这些物质是我们生命中所珍视的。”但是，他说，这并不是因为碳氢化合物是不好的溶剂，而水是好的溶剂，只是液态水温度更高，物质在温度更高的液体中溶解得更好。“一个更温暖的土卫六，”他说，“太阳周围的宜居带的温度大约是火星的轨道距离，将会有碳氢化合物海洋，包括丙烷、丁烷，甚至戊烷。”这些溶剂在能够溶解大量物质的温度下仍然是液态的。
Benner提出的另一种有希望替代水的方法是甲酰胺，它可以由一氧化碳、氨或氰化氢和水形成——所有这些都是可以在星际和地外环境中找到的简单分子。Benner说:“甲酰胺在溶解度(可能更大)和液态范围(更大)方面很像水。”在一个大气压下，甲酰胺在37华氏度(2摄氏度)融化，在411华氏度(210摄氏度)沸腾。而且它不像水那样有分解聚合物的倾向。Benner和他的同事最近证明，在含硼矿物作为催化剂的存在下，一个磷酸化学基团可以加入甲酰胺中的分子腺苷，形成磷酸腺苷，这是RNA和DNA的基本组成部分之一。8相反，水会将磷酸腺苷分解，形成磷酸腺苷困难来制造核酸。
我如果除了水以外的溶剂真的可以为宇宙中其他地方的生命提供同样的服务，那么地球上的水和生命的亲密配对可能真的反映了适应赋予生命的极端机会主义。陆地生物充分利用了这种奇怪的液体所提供的一切。具有讽刺意味的是，我们可能高估了水在天体生物学中的重要性，同时又低估了水在陆地生物学中所做的工作的重要性和微妙之处。
事实上，我们在地球上发现的适应性应该让我们在把水提升到最高点之前停下来必要条件的生活。在形成石油的地热、高压的地球深处的岩石裂缝中，以及南极地下湖泊的冰中，都有生物生活。微生物在阿塔卡马沙漠炙烤干燥的土壤中生存，整个群落在深海喷涌滚烫的水的火山热液喷口周围茁壮成长。生物体可以在极咸的水中生存，它们可以忍受高浓度的有毒重金属，甚至暴露在外太空的高度电离辐射。虽然没有已知的生物体能在至少没有水的情况下维持新陈代谢，但微生物可以适应重水中的生命，而一些分离的酶可以在或多或少完全无水的条件下工作。综上所述，人们似乎很容易相信，一旦达尔文的进化开始，它将在几乎任何情况下站稳脚跟。
林登-贝尔同意，我们不应该低估自然选择在各种环境中寻找维持生命的方式的能力。她说:“我个人认为，进化可以利用它所发现的环境，也有可能想象其他情景。”生命也可以改变环境以适应自己。温哥华英属哥伦比亚大学的Colin Goldblatt指出，虽然从我们目前的角度来看，寒冷潮湿的世界是唯一宜居的，但宜居区域的确切位置取决于大气中还有什么:在地球上，二氧化碳(部分由生命维持)使地球大部分地区保持在冰点以上。9换句话说，“宜居性取决于居住，”他说。换句话说，在不知道水世界是否已经支持生命的情况下，我们很难判断水世界是否能够支持生命。
现在，将这种适应性乘以可能拥有它的行星的数量。根据目前的统计数据判断，我们银河系中几乎每颗恒星平均至少有一颗行星，五分之一的类太阳恒星可能在其可居住区内有类地球行星。这使得银河系中至少有110亿个这样的星球，在可观测的宇宙中至少有1000亿个星系。
在这幅图中，我们真的能坚持认为水是唯一的解决方案吗?
Philip Ball是无形：无形的危险诱惑还有很多关于科学和艺术的书。
参考文献
1.林登-贝尔，r.m.，康威莫里斯，S，巴罗，j.d.，芬尼，j.l.， &哈珀，C。水与生命:H2O华润出版社，博卡拉顿，佛罗里达（2010）。
2.水在细胞生物学中的活性成分。化学评论108, 74 - 108(2007)。
3.格罗斯曼，M。，et al。金属蛋白酶活性位点的相关结构动力学和迟缓溶剂动力学。自然、结构与分子生物学18, 1102 - 1108(2011)。
4.林登-贝尔，R.M. & Debenedetti, P.G.修正水模型的顺序，结构和动力学的计算研究。物理化学学报B109, 6527 - 6534(2005)。
5.张志强，张志强，张志强，等。氢键强度和网络结构对非极性分子水合作用的影响[j]。物理化学13, 2748-2757 (2011).
6.Benner, s.a.， Ricardo, A. & Carrigan, M.A.，宇宙中有生命的共同化学模型吗?化学生物学的最新观点8, 672 - 689(2004)。
7.陈志强，陈志强，陈志强，等。低温下聚醚在碳氢化合物中的溶解度。这是温暖巨兽潜在基因骨架的模型。天体生物学15, 200 - 206(2015)。
8.陈志强，陈志强，陈志强，等。二甲基甲酰胺中腺苷和硼酸盐的非生物区域选择性磷酸化。天体生物学15, 259 - 267(2015)。
9.水世界的可居住性:失控的温室、大气膨胀和纯水大气的多种气候状态。天体生物学15, 362 - 370(2015)。
