一种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。
部分“地球”意味着，部分地球在金发姑娘区内具有良好的液体水的机会，更容易成为真实的东西。“跟随水”已成为Astrobiologistors寻求宇宙中其他地方的生命迹象的咒语。随着从外产外部气氛反射的光线中的光线检测到水的特征指纹的能力，一些天文学家希望发现很快举办生命的世界。
但是液态水真的是生命所必需的吗?
相信它是历史悠久的历史。1913年，哈佛生物化学党劳伦斯·亨德森提出了达尔文进化的好奇反演，其中生物体通过适应来为他们的环境“适合”。亨德森的书环境的适应性据称，宇宙环境本身就是追诺生活的“适合”。
这让人非常困惑。环境如何获得健康？
亨德森指出，特别是水似乎与“生物中心”属性一起恢复了“生物中心”属性，好像它被设计为生活的溶剂。它是地球上的液体的事实比它似乎更加异常。其他简单的氢化物分子 - 甲烷，硫化氢，氨，氯化氢 - 是室温下的所有气体和压力 - 但不是“氧氢化物”H2o.似乎似乎有一些额外的粘性粘附水分子在一起。
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呢?毕竟，一个星球的化学成分——水、岩石、空气——不会发生变异和繁殖，而这正是达到达尔文式适应性的关键因素。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“上帝的力量、智慧和善良，体现在创世中”——换句话说，上帝的智慧是如何在科学的发现中显现出来的，这是一种被称为自然神学的客观事物。在1834年出版的《布里奇沃特论著》中，英国化学家威廉·普劳特断言，液态水在接近冰点时的膨胀就是天意的一个例子。
亨德森没有那么准备将落地对上帝，但他承认，找不到水的明显“健身”的替代解释并不容易。他所能说的只是“非常少的理由希望这些巧合的任何单一解释都可能出现来自当前的假设和法律。”如果他们要理解，他说，“这将是未来的，当研究已经深入了解物质属性的谜语。”
世纪左右亨德森揭示了水与生活之间的兼容性，因为我们知道它比想象的更为显着和复杂。1但它还表明，这种关系可能不是特别是专属 - 生命和水之间的奇怪和谐可能只是达尔文进化所获得的显着适应性的另一个例子。
F现代化的观点，水远非是一个被动背景，生物分子扮演他们的戏剧。相反，它是一个活跃的参与者。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。
这种相互作用可能是惊人的微妙。例如，德国波鸿大学的研究人员和以色列威兹曼科学研究所发现，作为蛋白质结合其靶分子（称为其基质）以制备转化它，水分子靠近结合位点似乎慢下来，几乎就像增厚一样使基板固定到位。3.还有一些能量和熵的微妙的增益和损失，与氢键的数量变化和水分子移动的自由有关，这可以指示和驱动许多精细调整和高度选择性的生化过程。
当水被驱逐出从Nooks和Crankies被驱逐到基质的空间时，这些包括酶与其靶分子或底物的结合;将新制造的蛋白质链的折叠成酶的紧凑形状;蛋白质的组装成多件生物分子机械;并将脂肪脂质分子的组装成细胞膜。这些过程中的每一个都受益于浸入水中的事实以某种方式诱导水排放（疏水性）分子之间的吸引力。
水分子通常像连接在蛋白质表面上的卡扣工具一样，从而延长酶的攻击并帮助其结合或运输小分子。水分子通过酶的通道穿过水分子的链作为可以传导氢离子的“质子线”，使细胞将氢原子移动到新的位置或新分子，或者可以在可以的氢离子浓度下积聚和放电梯度要产生能量，就像水轮子敲击山坡上的水流一样。在DNA的双螺旋中缠绕的水分子网中的小变化可以影响分子弯曲的容易容易，以及蛋白质如何粘附到其上和关闭基因的活性。
一种这表明水在生活中的作用比亨德森在人生中更加复杂和全面。但它的水是多么独特的，生命的程度如何取决于这种能力？一些水的角色，例如疏水吸引力，在其他溶剂中具有类似物：如果溶解的分子对其溶剂没有太多的亲和力，那么他们可能会粘在一起。并且在水线中的氢离子传导，说，对地球生命非常重要，但不明显的是陆地生物化学会发现它不可或缺。
Another way to pose this question is to ask: What if water were少像水，更像普通液体?北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的化学物理学家露丝·林登-贝尔说，新泽西州普林斯顿大学的Pablo Debenedetti已经探索了“反事实水”模型，在这个模型中，水与众不同的核心特征——它特殊的氢键排列——可以像转动刻度盘一样不断调整。在水的反常性质消失之前，允许进行多少调整?
并非所有水的独特特征都有助于生命 - 有些是彻头彻尾的障碍。
水处理的最简单理论模型之一，纯静电：稍微带正电荷的氢原子之间的吸引力和相邻分子的氧原子上的电子电荷的电子电荷，这些电荷在四面体的拐角处达到。该吸引力决定了特定的分子的几何排列，在更普遍的吸引力之上，由于它们的电子云的巨大性，称为范德华或分散力，所有原子和分子都彼此感受。在简单的液体如液体氩气或二氧化碳，它只是van der WaaS力，使分子将分子与蒸气分开。
Lynden-Bell和Debenedetti设计了一种电脑模型的水，其中静电氢键的相对优势（促进四面体订购）和van der Waals景点（在所有方向上相同）可能会发生变化。4.他们非正式地称这种假想的东西为“非水”。他们发现，类似水的异常并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华引力的排序是截然不同和不相容的，这要归功于它们像炮弹一样打包的方式。在这两个极端之间，你会看到最坏的两个世界:分子的有序程度比任何一个极端都低。换句话说，水在性质上不同于没有氢键的液体，在这种液体中，分子只是相互碰撞。然而， 并不是唯一能生成氢键的分子——氨气 ，甚至氢气 氯化物也能生成氢键 。不同之处在于 水分子 可以形成巨大的三维网络，因为它们是四面体结合在一起的，而其他的氢键只能管理链。三维氢键网络是冻结水比液态水密度小的原因，而氨和氯化氢则不是这样。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调用，以解释它携带的溶质的疏水吸引力。但在看着不同的氢键优势和债券角度，林登 - 贝尔，脱丁提和他们的同事结束后，疏水性颗粒相当不溶于水的主要原因（往往会聚在一起）因为水分子如此之小，所以需要大量的能量来“舀出”颗粒的空间，而不是因为氢键本身。5.这么多与小分子的任何液体都应该显示出类似的东西。
平衡，水在某种程度上是独一无二的，但不是其他方式：特殊，但不是那特别的。另外，并非所有独特的特征都有助于生命 - 有些是彻头彻尾的障碍。一件事，这是相当的反应性。氧原子上的孤立的电子对具有阳性电荷的部分分子，在那里它们可以分解现有键和片段或重新配置称为水解的过程中的分子。肽键中的碳原子 - 将蛋白质链中氨基酸在蛋白质链中保持在蛋白质链中的连杆 - 易于这种攻击，使水通过水解来分裂蛋白质的趋势。水可能对糖分子链的同样的事情，如纤维素和淀粉如生物多糖化合物那样。
“这在今天的生活系统中并不是那么多的问题，它具有修复水的损害的酶，”应用分子演进基金会的杰出家伙化学家Steven Benner说。但是，对于生活的起源，当原始生物分子不得不在没有酶的帮助下形成和持续存在的情况下，这对生命的起源是重要的。“如果水被设计为上帝的完美生物溶剂，她当然做了糟糕的工程，”贝纳说。
他认为没有基本原因为什么溶剂如氨，甲酰胺（Chonh2)，或者像土星的卫星土卫六上的液体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。
他们发现称为聚醚的链状分子，其中碳和氧原子沿骨架交替，在液体丙烷中溶解很好（c3.H8.）在阴性94华氏度（负70摄氏度）的温度下。7.班恩认为聚醚可以用作这种溶剂中的遗传数据库。
但泰坦比这更冷：它的碳氢化合物，主要由甲烷组成（CH4.)和乙烷(C2H6.），温度约为288华氏度（负178摄氏度）。在这种寒冷极端时，聚醚不会显着溶解。Benner总结说，泰坦上的液体甲烷是“太冷，以支持几乎任何必要的溶解性，以创造我们在生活中价值的性质。”但是，他说，那不是因为碳氢化合物是坏溶剂，水是一个很好的液体 - 它只是液体水是加热的，并且在加热液体中溶解更好的东西。“一个温暖的泰坦，”他说：“随着星球马斯的大约轨道距离的居住区的居住区的温度，将有碳氢化合物，包括丙烷，丁烷甚至戊烷。”这些溶剂将在温度下保持液体，其中它们实际上可以溶解大量材料。
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.相比之下，水往往会分开磷酸腺苷分开，使其分开更难来制造核酸。
一世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抬高到正弦qua非生活。在地球的热，加压深度的岩石中存在裂缝中的生物，其中油形式，以及在子表面南极湖泊的冰中。微生物在阿塔卡马沙漠的烘焙，干燥的土壤中存活，整个社区遍布火山水热风官，喷在深海中的烫伤水。有机体可以在极咸的水中存活，它们可以耐受高浓度的毒性重金属，甚至暴露于外部空间的高电离辐射。虽然没有已知的生物可以在没有至少一些水的情况下维持新陈代谢，但微生物可以适应重水中的寿命，而一些分离的酶可以在或多或少的无水条件下工作。鉴于这一切，似乎很诱人相信，一旦达尔文进化进展，它就会在几乎任何情况下都能找到它的脚。
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，“居住地取决于居民，”他说。要另一种方式，我们不能轻易判断如果水世界可以支持生活，而不知道它已经存在。
现在，把这种适应性乘以可能容纳它的行星的数量。根据目前的统计数据，银河系中几乎每一颗恒星平均都至少有一颗行星，五分之一的类日恒星可能在其宜居带中有类地行星。仅在银河系中就有至少110亿个这样的世界——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?
菲利普球是作者隐形:无形的危险诱惑还有许多关于科学和艺术的书。
参考
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