水中氢键的形成及其对生命演化的影响.doc

水中氢键的形成及其影响下产生的生命形态摘要：氢键是一种特殊的化学键合形式，水中的氢键赋予了水许多特殊的性质，使得水对生命的演化产生了重要的影响，本文从水中氢键的物化性质出发，探讨它对生命形态与生命发展演化过程的影响。 关键词：氢键 演化 生命起源41 氢键的生成当氢原子与电负性较强的原子结合时，因极化效应，键间的电荷分布不均，氢原子变成近乎质子状态。此时再与另一电负性较强的原子相遇时，可发生静电吸引，这种静电吸引作用即是氢键。水分子中，氧原子的电负性强，因而水分子间可以形成氢键。水分子间的氢键键长为0.276nm，键能约18.8kJ/mol1。2 氢键对水物化性质的影响2.1 氢键对水物理性质的影响通常而言，形成分子间氢键时，熔点、沸点、熔化热、汽化热、表面张力、粘度、介电常数、密度等将升高，蒸气压下降2。在第六主族的氢化物 H2Te、H2Se、H2S 及 H2O 中，用范德华力推导，它们的熔点、沸点是顺次降低的。H2O的理论估计值沸点约为-80，熔点为-100 2。而实际测得值沸点是 100 ，熔点为 0 （标况下）。比理论估计值要高得多。要使液体气化，必须破坏大部分分子间的氢键，需要较高的能量;要使晶体熔化，也要破坏一部分分子间的氢键，所以沸点和熔点都比没有氢键的同类化合物高。因此水具有较高的熔沸点和比热容。水中的氢键还可以影响水的溶解性能。凡能形成氢键的物质在水中溶解度均较大，如氨气和乙醇，前者可以700比1的比例溶于水，后者可与水以任意比例互溶。同时由于相似相溶作用，偶极矩作用与水不甚相似的分子在水中的溶解度较小，具有疏水作用。同时，由于氢键的存在，水分子间的相互作用力较强，在形成较长的水柱时不易断开。2.2 氢键对水的化学性质影响与同族元素相比，水的氢化物酸度显著较小，是因为水分子之间形成了强的氢键而抑制了H原子的电离。氢键在化学反应有着较重要的作用。有机化学反应通常是在一定的溶剂中进行的，如果反应物与溶剂之间形成氢键，则溶剂通过氢键对许多有机反应常常起着重要的作用。此外，氢键还参与质子传递、电子及能量转移等反应1。如酯的水解鲁茨基(.)认为，是酯与水首先以氢键缔合起来，然后再分解为酸和醇，如图1所示：图1 酯的水解过程中氢键的作用而在气态时，不易形成这种中间缔合体，所以酯的水解很小。如把乙酰乙酯与水蒸气在 200 进行水解，即使持续 150 小时，最高的水解率也仅0.5 %。硫比氧不易形成氢键，所以在同样条件下，硫代羟酸酯的水解比羟酸酯水解慢 1020 倍2。另外，氢键还可以加快亲核反应等的有机反应速率，对一些分子有活化作用，如在形成分子内氢键作用的活化下，芳环上羰基邻位的 CF 键可以高选择的被乙氧基负离子亲核取代；没有被氢键活化的CF键或不能形成氢键。CCl键与 CBr 键不能发生亲核取代反应2。3 水中氢键的形成对于生命演化的影响由于氢键的存在赋予了水许多较为特殊的性质，使得在生物中含量极高的水对生命的演化也有着许多重要的影响。从生命的起源到生命的扩布、发展，我们可以看到水和其中的氢键对演化历程的影响使得生物有了许多与水特性相合的性质，同时，也能看到因水中氢键的特殊性而使得复杂的生命系统有了在水环境中存在的可能。3.1 氢键使水的比热，熔沸点升高对演化的影响想要说明生命的演化，首先要对生命系统做初步的理解。广义上，我们可以认为生命系统是具有繁殖能力的且能借助外界能量维持自身低熵的开放系统。事实上，许多晶体就可以表现出第一项性质，它们可以在环境中有相似物质时不断生长甚至分裂产生子晶体。由于观察到某些晶体分裂时保持着母晶体的晶界等特征，甚至还有人因此提出生命物质最初是依靠矿物晶体而获取复制能力。苏联生物学家奥巴林则将多肽，核酸，多糖，磷脂溶液进行混合一段时间后获得了团聚体，其表现出了生长与出芽的特性5。即使是简单的无机物晶体，其生长也需要一个较为稳定的物化环境。通常为搅拌速度不大，温度较为恒定时方可结晶3。而更复杂的生命体系需要的环境就应更为稳定。由于水中具有氢键，因而具有较高的比热容，这也使得气温变化时，原始生物生存的环境温度不至于快速变化从而给了原始生命一个较为稳定的发展环境与演化空间。3.2 氢键使水反常膨胀对于生命演化的影响水在 4 密度最大，高于或低于此温度时密度都要减小。这是由于在4 时，水主要通过氢键以二分子缔合形式(H2O)2存在，紧密堆积，因密度最大。温度升高，缔合程度减小，达沸点时只有少数缔合分子。因此，4 起，随温度的升高水的密度减小，一般物体热胀冷缩的规律在水的自身占了主导地位。自 4 温度下降，缔合程度增大，三分子缔合的数目增加，趋向冰的结构，冰点时全部分子结合成巨大的缔合冰分子，在冰水中水分子的排布是每 1 个氧原子有 4 个氢原子近邻 (2 个共价键，2个氢键)，这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以自 4 随温度下降其密度也逐渐减小。由于氢键的存在，水形成冰时会有更多氢键生成，水分子的排布也更规则，因而会发生反常膨胀4。图2 水分子和冰中水分子的排布情况这种膨胀使得在较高纬度的小型淡水水域中，冬季的寒冷不会使得全湖变成巨大的冰块，反而还会因为上层的冰封保留下层的热量，同时4的较为温暖的水在水域底部，生物可以在其中维持生存。因而，在氢键的影响下，营淡水生活的生物形式得以在演化中出现。3.3 氢键对化学反应的作用所带来的影响上文中，我们论述了氢键可以使得一些水解反应和亲核攻击的速率大大增加。而在生物体中，由于对能量的需求无时不刻不在发生着大量的水解反应。诸如对葡萄糖，ATP的水解。显然，只有水解反应快速而稳定才有利于供能生命活动的进行。除了生物体内的酶化学反应外，氢键也能参与其中，从而使得反应快速高效。保证了生命活动中供能活动的进行。另外，水中的氢键也会参与到质子、电子的转移等活动中，对生化反应有着较大的作用2。3.4 水分子间因氢键产生的内聚力带来的影响水分子间的氢键提供了较强的分子间作用力，使水的内聚力更强。裸子和被子植物中利用导管或管胞运输水分至顶端供叶片等组织所需，运输中尤为重要的便是水柱不能中断，一旦中断，那么整条导管便不能再用作运输，其所供应的组织也将很快死去。由于较强的内聚力，水柱通常并不会断开，因此我们常常能看见高达数十米的巨木甚至高达百米的“世界爷”。显然，依靠毛细作用运输水分并不足以使植物生长到这样的高度。因此，水中氢键的存在使得植物产生了与之适应的增高。这也允许一些植物在生存竞争中胜出：更高的植株有利于对于阳光的竞争，获取更多太阳能的植株也因此可以经过自然选择而留存。4 总结与讨论氢键对生物演化的作用是相对的，在看待生物演化中氢键的角色时应当从氢键的功能出发，寻找生命中因之存在的特性。我们当然也可以设想其他存在氢键的物质能作为某种形式生命的发源，如液态氨等，但是由于其极低的存在温度，反应速率极低，使得在46亿年中并不能产生合理的生命形式，一种能在其中生存并极其缓慢发展的生命形式或许能在宇宙的某处出现。我们甚至可以认为任何能提供稳定环境的地方都有可能产生相适应的生命形式。当我们将目光拉回地球上水中的氢键时，可以发现由于其特殊的物化性质，水环境成为了生命系统最好的发源地之一，它给予相对的稳定环境，使得许多反应在相对温和的条件下进行，有着较高的反应速率。而水中的氢键也使得生物拓展了它的分布区域进入新的生境，使得植物可以向更高的方向发展以在生存竞争中胜出。因此，许多生命的形态与氢键赋予水的特性相适应，水中氢键的存在与生物的演化息息相关。参考文献1 王庆文有机化学中的氢键问题M天津：天津大学出版社，19932 潘国荣. 氢键对物质性质与化学反应的广泛影响J. 广东化