傅胖中的小窩
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水
1. 地球表面約有四分之三被水占據,最早的生命被認為就是在水裡誕生的,而今也仍有許多生物生活在水裡。數億年前,陸地上才開始有陸棲的生物,這些生物雖然未生活在水裡,但還是離不開水。生物的細胞內或組織間必須攜帶大量水分,因為水是進行新陳代謝與維持細胞形狀及內部構造所仰賴的成分。
2. 水分子的兩個氫原子分別和一個氧原子形成共價鍵結(圖 1-1),由於氧原子對電子的吸引力比氫原子強,使得氧原子帶有少量負電性,而氫原子帶有少量的正電性,造成水分子同時帶有正、負電性,為一極性分子。水的極性使一個水分子的氧原子端常與另一個水分子的氫原子端相互吸引,形成非共價的氫鍵(hydrogen bond)鍵結(參見課本 P.9 知識補給站圖(a))。〔Smith & Wood, 1991〕
3.
水分子的極性可吸引帶電荷或極性的物質(如醣類);相反的,水的極性會排斥非極性的物質(如脂質)。通常可與水形成氫鍵的物質,稱為親水性(
hydrophilic
)物質;非極性的物質則稱為疏水性(
hydrophobic
)或親油性物質。當水與脂質混合時,水分子相互連接,排除脂質分子,迫使脂質分子聚集成油滴狀(圖
1
-
2
)或在水表面形成薄膜,此特性即為疏水作用,是細胞膜與細胞形成的基礎,因此可說生命仰賴疏水作用。
4.
水的極性使帶電荷或極性物質在水中很容易就能溶解,因此水是極佳的溶劑。細胞大部分的代謝反應都在水溶液中進行,當參與反應的物質溶解於水中時,化學反應更容易發生。物質(溶質)被溶解時,水分子會在物質表面聚集形成「水合球體」使物質分散於液體中。例如:將食鹽灑入水中,一段時間後,食鹽的晶體(
NaCl
)會分解成
Na
+
與
Cl
-
。每個
Na
+
會吸引水分子帶負電性的一端,同時
Cl
-
會吸引水分子帶正電性的一端,使得水分子包圍在每個離子的周圍,最後將食鹽完全溶解於水中(圖
1
-
3
),這正是溶質存在於細胞質液中的狀態。水是極佳溶劑的特性,也利於細胞由環境的水溶液中,攝取維持生命現象所需的無機鹽與有機物,並使生物體內的物質輸送變得容易。
5.
水分子間因氫鍵而相互連結,氫鍵可吸收大部分加入的能量,因此水具有較高的比熱。細胞在代謝過程中釋出大量熱能時,細胞內大量的水可使細胞的溫度變化不至於太大,有助於保持生物體溫的恆定。當溫度降至冰點以下時,水分子間的氫鍵將水分子鎖定在規則的晶格結構中(圖
1
-
4
),冰晶中水分子間的距離變小、體積增大,冰的密度變得比水小。冰層浮於水面(參見課本
P.9
知識補給站圖
(c)
),隔絕了外界環境的低溫,使冰層下的水溫仍高於
0
。
C
,穩定水棲地的溫度,有利於水棲生物的生存。
6.
水分子間氫鍵的破壞與生成持續快速進行,當大量能量加入時,水分子因運動增加使氫鍵無法形成,液態水表面的水分子轉變成氣態水而脫離至空氣中,此過程即為蒸發。蒸發發生時,水分子吸熱大量脫離使得液態水的表面溫度下降,這正是人在乾熱天氣下運動時,流汗會覺得冷卻下來的原因。
7.
水分子間相互連接可產生內聚力,內聚力作用於水的表面會產生表面張力,使得水棲昆蟲(如水黽)可在水面上行走(參見課本
P.9
知識補給站圖
(b)
)。在生物體內,水的內聚力使得細水柱可經由植物根部的導管移動到樹頂的葉,而溶解於水中的養分也因此提供植物的生長與代謝。當陽光普照時,水由葉蒸發,氫鍵的作用使更多的水分子由根部被「拉」到葉,以補充所喪失的水分。
8.
水是極穩定的物質,但在細胞內也會輕微的解離成氫離子(
H
+
)與氫氧離子(
OH
-
),此現象是酸鹼值(
pH
值)的基礎。生物學家以
pH
值的單位表示溶液中
H
+
的濃度。
pH
值範圍為
0
~
14
,
H
+
的濃度愈高,
pH
值愈低(圖
1
-
5
)。純水含有相同濃度的
H
+
與
OH
-
,其
pH
值為
7
,是
pH
值範圍的「中點」,代表中性。
9
. 水溶液中 H+ 和 OH- 的濃度決定溶液的 pH 值,通常人類細胞內的 pH 值約在 7 左右,而大部分細胞外液體(如血液)的 pH 值則介於 7.3~7.5 之間。細胞內、外的液體雖含有許多離子,但對細胞結構與功能影響最大的是具有化學反應性的H+(質子),如酵素在特定 pH 值範圍的溶液中才有活性,因此細胞內的 pH 值會影響酵素的作用,進而影響代謝進行。失控的 pH 值改變會帶來嚴重的後果,如人體血液 pH 值下降至 7.0 以下或上升至 7.8 以上時,人會陷入昏迷或發生肌肉僵直性痙攣而有生命危險。正常情況下,調控機制可減少 pH 值的不適當改變,此調控機制通常牽涉緩衝(buffer)系統。所有多細胞生物的細胞內、外都有許多緩衝系統持續運作,如脊椎動物的肺與腎可幫助酸鹼平衡,當血中 H+ 濃度下降(pH 值上升)時,溶於血中的碳酸會釋出 H+ 緩衝 pH 值的變化。