水的表面張力和生物學(xué)效應(yīng)

水是一種非常特殊的分子，主要是因為水分子之間具有相對強大的氫鍵，由于氫鍵的作用，可以讓水在常溫下是液體狀態(tài)。有科學(xué)家認(rèn)為，恰好是因為水的這種特性，才導(dǎo)致地球生命的誕生。

氫鍵使水分子之間形成牢固的相互結(jié)合力，這種作用可以在氣水界面形成水的表面張力。這種表面張力在生物學(xué)上也具有十分重要的作用，今天《科學(xué)》專門對這個問題進行了介紹。

表面張力讓水面形成“堅硬”的外殼，特別是對小型生物來說，這個效應(yīng)非常明顯。大家比較常見的水黽就可以利用這個外殼毫不費力地在水面奔跑。但同樣的表面張力，也可以形成類似流沙一樣的效果，讓螞蟻陷入險境。生物學(xué)家一般不太關(guān)注氣水界面，但是最近的一個研討會，使人們明白，這種氣水界面的效應(yīng)不只是對小型生物才重要。表面張力可幫助植物種子掩埋在土壤中，能幫助蕨類植物在空氣中漂浮和潛入水下。飛沫是協(xié)助人和農(nóng)業(yè)病原在空氣中長距離擴散的工具，也是利用這種作用的典型模式。

相對于水的表面張力，人的體重十分巨大，可以忽略不計，所以我們不可能具備水上漂的能力。但對一些微小生物來說，水的表面張力的作用就不能忽視了。因為這個作用已經(jīng)變成最顯著的作用，可以讓水黽這樣的昆蟲在水面自由奔跑，而不會沉入水下。生物學(xué)家一貫不太注重這種力的效應(yīng)，但最近許多這方面的研究開始揭開這個領(lǐng)域的神秘棉紗。

通過高速視頻和特殊染料，研究人員可以分析水黽在水面的活動過程，探討表面張力在這種過程中的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水黽能制造旋渦幫助他們向前運動，而且不會破壞水的表面。水黽可以在水面跳躍都不破壞表面結(jié)構(gòu)。

沒有任何工具的情況下，有的植物種子能自行鉆入土壤內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)一些種子的表面有一些芒刺，這些芒刺可隨著水份比例的變化盤成圈狀或張開，從而協(xié)助他們進入土下。一種多肉植物枯野葵的種子芒刺在濕度高時垂直，但干燥時呈彈簧圈狀。

動物小便也會受到這個因素的影響，對大型動物如人和大象，尿量很大，表面張力的影響可以不考慮，但男性排便后如果不抖動幾下，大家都知道后果，這就是表面張力的作用。對小型動物如老鼠，尿量很小，尿道也很細(xì)小，排便時只能一滴滴排泄，最后一滴可能會持續(xù)10分鐘才能脫落。

物理學(xué)家對表面張力有比較深刻的認(rèn)識，由于存在相互吸引的氫鍵，為了保持最小能量，水分子需要形成最小的體積，當(dāng)平靜的水面受到外界擾動時，水分子的相互作用總是趨向于恢復(fù)到最小能量的結(jié)構(gòu)。除非外界干擾物本身具有親水性，此時水就象膠水一樣黏附到物體上。

水氣界面的生物學(xué)效應(yīng)十分重要，其實脂水界面也十分重要，甚至對生物學(xué)效應(yīng)來說更為重要。細(xì)胞膜的典型結(jié)構(gòu)都是這個作用自然產(chǎn)生的，蛋白質(zhì)內(nèi)部一般都是疏水結(jié)構(gòu)，而表面都是親水結(jié)構(gòu)，許多生物大分子都是這樣的存在方式。這種結(jié)構(gòu)特點一方面是必然，另一方面也是生物效應(yīng)調(diào)節(jié)的重要模式。因為只要對其中很少的結(jié)構(gòu)進行影響或修改，就有可能對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的干擾或調(diào)節(jié)。生物分子正是利用這些工具實現(xiàn)許多功能的調(diào)節(jié)，完成復(fù)雜的生物功能。