生物体内无时无刻不在进行着化学反应,例如合成蛋白质,或是分解糖类释放能量,这些反应对于生命活动都是至关重要的。而这就要有一种液态的物质,作为溶剂来帮助化学反应进行,并把化学物质传递到生物体的各个部位。
那么,如果我们化身为“造物主”,打算从无到有制造生命,应该选择哪种液态物质呢?首先,让我们看看有什么原料可用。太阳系中的元素最常见的依次为氢、氦、氧、氖、氮、碳、硅、镁、铁、硫。我们知道氦和氖是惰性气体,在化学性质方面很不活跃,很难形成化合物,所以,不能作为溶剂的材料。在剩下的元素中,可以形成的液态物质和它们保持液态的温度范围是
◆水(H?O):0℃至100℃
◆氨(NH?):-78℃至-33℃
◆硫化氢(H?S):-86℃至-60℃
◆甲烷(CH?):-183℃至-161℃
◆乙烷(C?H?):-183℃至-89℃
在这些液态的溶剂中,水的液态温度范围最大,温度最高。因为温度范围最大,所以,水能在更宽的温度环境里形成液态,也就是说存在液态水的可能性更大;因为温度高,能有更多的能量提供生物化学反应,生物化学反应更活跃。由此可见,水是我们最佳的选择,而现实中也正是如此,地球上的生命都是离不开水的。
当然,科学家并不认为生命绝对要以水为溶剂。比如,在土星的卫星泰坦上存在大量的液态甲烷、乙烷,科学家根据甲烷、乙烷的化学特性做了大量的研究,推测以甲烷、乙烷为液态溶剂的生命会有怎么样的形态和特性。
甲烷等毕竟只是科学家理论上的推测,按我们现在的认识,水是生命活动的最佳溶剂。物质溶在水中,成为分子或离子,有了充分混合的机会,令化学反应易于进行。
而且,水本身往往也要参与到重要的生化反应中。例如,在光合作用中水是一种原料,植物利用光能和叶绿素,将二氧化碳和水转化成有机物和氧气。种子在萌发时,贮藏于胚乳中的养料需要通过水来水解。动物消化食物时,也需要水来水解。
水不但为生命提供化学反应的环境,也承担了生命活动的“物流”。在动物体内,遍布全身的血管如同运河一样,通过主要成分是水的血液把营养物质和氧送到各个器官。我们再来看植物,植物根部只能吸收溶于水中的无机盐,若没有水作为溶剂,植物便不能从土壤中吸取养料。
在地球生命诞生初期,水还会起到保护的作用。在早期的地球上,因为大气中没有氧气,也没有臭氧层,
紫外线可以直达地面,所以,陆地上并没有生命存在。但是靠海水的保护,生物首先在海洋里诞生。大约在38亿年前,在海洋里产生了有机物,先有低等的单细胞生物。在6亿年前的新元古代,有了可利用阳光进行光合作用的蓝细菌,开始不断释放氧气。氧气慢慢积累的结果,是形成了臭氧层。此时,生物才开始登上陆地,蓬勃的生机才在地球上蔓延开来。
水有些特殊的性质使它更适合支持生命。其他所有的液体凝结成固体时,密度会增加,体积会缩小,这是“热胀冷缩”。但是,非常奇怪的是,水结成冰时,却是体积增大而密度降低。大家不要小看水的这种“异象”。如果没有这种现象,地球上可能就没有生命的存在。假设水结成冰时密度增大,接下去会发生什么呢?冰会沉到河底,这样,很快地整条河会被凝冻,水里的生物会被冻死。而现在因为冰能浮于水面,天气严寒时,冰先在水面结成。这一层冰会阻隔冷空气和下层的河水之间的热交换,使得下层的河水免于冻结,生于水中的生物在冰层下较暖和的水中可免于被冻死。
直到现在,我们还没有足够的证据可以证明,如果没有水,生命是否能够存在。但是可以确定的是,地球上的生命是绝对离不开水的。所以,当天文学家们寻找地球以外的生命足迹时,首先要找的就是液态水。派往火星的探测器在寻找液态水的痕迹,而之所以对木卫二等卫星格外关注,也是因为它们厚厚的冰层下可能有液态水存在。行星轨道的宜居带,其实也就是可以让液态水存在的轨道范围。有水的地方,就可能存在生命。