生命與水“人可三日無餐，不可一日無水”。這個說法雖然不夠精確，但卻反映了水在生命中是十分重要的。人類通過自己的長期實踐對此早已有了認識。早在公元前600年，古希臘哲學(xué)家米列斯基就提出了水是“萬物之始”的科學(xué)論斷。中國古代的五行說也把水看作是構(gòu)成萬物的一大元素。在漫長的歷史長河中，人們對生命中水的認識不斷深化，到本世紀70年代，著名美國生物物理學(xué)家圣喬治進而把水稱頌為“生命的中心，生命的母親，生命的模板”。就其含義來說，樸素唯物論者米列斯基對水的理解，與2000多年以后圣喬治依據(jù)大量科學(xué)實驗事實所做的結(jié)論有著天淵之別，但這卻說明水和生命水關(guān)系的探索在科學(xué)發(fā)展上占有何等重要的地位。今天，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，人們對于生命與水的認識又進入了一個新的階段。新課題的提出水是生命之源。數(shù)十億年以前，最簡單的生命就產(chǎn)生于海洋。水、有機分子、無機離子是組成原始生命的三大要素。正是由于生物學(xué)會了把海水攜帶到自己的身邊，生命才有可能走出海洋，在陸地上繁衍。人的體液具有與原始海洋十分近似的離子組分，這一事實就是有力的證明。人所共知，每一個生物體均含有大量水分。某些海洋無脊椎動物水含量多達總體重的97%；人體水含量為65～70%；即使含水很少的植物細菌孢子，其水含量也不低于25%。占有如此重要份額的水，在生命體中具有多種重要的功能。水的高比熱、高氣化熱及其在體內(nèi)大量的存在，使得水成為機體維持恒定溫度的調(diào)節(jié)劑。僅舉一例就足以說明這一點。一個60kg的成年人，每天通過呼吸及皮膚蒸發(fā)大約失去1,000mL水，以這種方式可以散去539kcal的熱量。如果不是水有如此巨大的蒸發(fā)熱，這樣大的熱量要保持在體內(nèi)，將會使體溫上升9℃在正常的體溫下，水以體液的形式在機體內(nèi)流動循環(huán)，把養(yǎng)料和廢物分別運輸?shù)揭欢ǖ牟课弧Ｋ诤品钡纳顒又型瓿蛇\載工具的重要功能。水又是一個優(yōu)良的極性溶劑，它為生命提供了一個合適的介質(zhì)環(huán)境。溶液中pH(酸堿度)的大小和離子環(huán)境，決定著在溶液中所進行的各種物理、化學(xué)反應(yīng)的方向和強度。水不僅作為介質(zhì)，而且還是一些重要反應(yīng)的直接參與者。在植物的光合作用、蛋白質(zhì)的水解反應(yīng)中，水是反應(yīng)物；在氧化、聚合、葡萄糖酵解反應(yīng)中，水又是生成物。此外，水在機體內(nèi)還具有潤滑劑的功能。水是維持細胞內(nèi)外滲透壓的重要因素，在保證細胞正常代謝，乃至細胞或整個器官的外形方面，均起著重要作用。水在生命活動中的上述重要功能早已被經(jīng)典生理學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)的實踐所證實。近年來，現(xiàn)代生物學(xué)、特別是分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展，以及廣泛的醫(yī)學(xué)實踐，使生命水的研究獲得了新的動力。70年代以來，應(yīng)用X光衍射法觀察到許多蛋白質(zhì)晶體中均含有水分子，每個晶體分子中水分子達數(shù)百個之多，其中一部分是定域的，另一部分是游動的。因此就產(chǎn)生了這樣的問題：在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能中水起何種作用？是可有可無呢？還是不可缺少的？早在1957年人們就已發(fā)現(xiàn)，當脫氧核糖核酸(DNA)分子中含水量低于30%時，其雙股螺旋結(jié)構(gòu)即行解體。同時還有人發(fā)現(xiàn)，20%的水是維持細胞膜的雙軌結(jié)構(gòu)所必須的。一系列新的實驗還證明，細胞內(nèi)有一部分水是不凍結(jié)的，具有不同于普通水的性質(zhì)。這些有趣的現(xiàn)象使人們想到，在生物體系內(nèi)可能有一部分處于特殊狀態(tài)的水，它在生命過程中有著特殊的作用。因此，生物體系內(nèi)水的物理狀態(tài)及其作用的研究，便成為很多科學(xué)家涉獵的課題之一。他們試圖從亞分子、分子及細胞水平上闡明在生命活動中以及在某些病理條件下，水的狀態(tài)的改變及其重要作用。基于對水的物化參數(shù)的測量而發(fā)展起來的多種實驗技術(shù)，給水這一領(lǐng)域的研究提供了有力的武器。在經(jīng)典的物化方法中，吸附等溫線、量熱、滲透壓及溶劑性質(zhì)的測量等技術(shù)，成功地應(yīng)用于生命水的研究；紅外光譜、螢光探劑、順磁探針、核磁共振、X光衍射、介電常數(shù)測量等近代技術(shù)的發(fā)展，對于探明生命體系中水的微觀結(jié)構(gòu)做出了更為重要的貢獻。人們對生命體系中水的認識，不斷取得新的進展。生命水的狀態(tài)水分子是一個具有特殊性質(zhì)的化合物，由于其中氫、氧原子周圍的電子空間分布的不對稱性，使得它成為一個兩端帶有異性電荷的強偶極子(圖1)。一個水分子中的氫原子具有貢獻出自已的電子與另一個水分子上電負性很強的氧原子結(jié)合而形成氫鍵的能力。一個水分子可以鍵合另外4個水分子。因此，在液體狀態(tài)下的水分子，常常不是以單個分子的形式存在，而是形成二聚體、三聚體或四面體。氫鍵是一種弱鍵，它的能量約為～7kcal／mol與水的熱漲落能(5kcal／mol)相近。因此，當溫度和環(huán)境稍有改變時，氫鍵很容易形成，也很容易斷裂，穩(wěn)定在某一狀態(tài)下的壽命極短，僅為10-9～10-11S。結(jié)構(gòu)的易變性給水的研究帶來了很大的困難，這就是為什么到現(xiàn)在還沒有一個令人滿意的描述水結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型的原因。1963年前后，弗朗克等人提出的液體閃爍雙結(jié)構(gòu)模型被確認為是較合理的理論。他們把生物系統(tǒng)中的水看成是有序的類冰結(jié)構(gòu)與單體水分子、雙聚體水分子的混合體，各種結(jié)構(gòu)所占的比例由溫度和環(huán)境而定。在生物體系內(nèi)這種易變的水結(jié)構(gòu)，在蛋白質(zhì)等細胞組分的影響下，會有什么變化呢？這種變化有沒有生物學(xué)意義呢？這是許多科學(xué)工作者十分感興趣的問題。談到細胞內(nèi)水的狀態(tài)就不能不涉及細胞原生質(zhì)的結(jié)構(gòu)這一細胞學(xué)的根本問題。早在19世紀末范特荷夫、阿累尼烏斯等，就奠定了稀溶液的理論基礎(chǔ)；生物學(xué)家德沃雷斯、裴弗爾、伯恩施坦等，將其成功地應(yīng)用于生物學(xué)，解釋了生物電現(xiàn)象。自此稀溶液理論就成為生物物理研究的指導(dǎo)思想。而細胞則被看成是由半透膜環(huán)繞著的各生化組分的稀溶液。與此同時，還有一批學(xué)者持不同的觀點，他們認為細胞原生質(zhì)不能等同于溶液，而把細胞原生質(zhì)看作是物理、化學(xué)性質(zhì)不同且各相異性的多相體系。在原生質(zhì)結(jié)構(gòu)問題上的兩大學(xué)派必然導(dǎo)致對細胞內(nèi)溶質(zhì)的傳輸、積累以及細胞水的狀態(tài)的不同認識。一種認為，細胞溶質(zhì)對水的影響很小，細胞內(nèi)水的性質(zhì)與普通水相比沒有區(qū)別；另一種認為，細胞內(nèi)水均處于有序狀態(tài)。然而，目前更多的科學(xué)工作者持中間觀點，認為此兩種狀態(tài)共存于生物體系中。目前，這種折衷的觀點已被大量實驗所證實。蛋白質(zhì)、類脂、糖類是細胞內(nèi)主要生化成分，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它們與水之間有著多種相互作用：表面荷電基團以離子鍵與水分子相互作用，形成離子型水合層；親水極性基團以氫鍵與水分子相互作用，形成極性水合層；非極性基團與水之間相互作用，在其周圍形成疏水水合層。這種相互作用強弱程度不同，從而導(dǎo)致不同狀態(tài)水的存在。綜合各種實驗結(jié)果，可以把它們分為緊密結(jié)合水、結(jié)合水、容積水三類(圖2)。緊密結(jié)合水存在于生物大分子空間結(jié)構(gòu)的孔隙中，它們是大分子不可分割的一部分，這部分水量不大。結(jié)合水指在大分子周圍形成的水合層，與大分子有較強的相互作用，它們有選擇地排列在相應(yīng)基團上，具有不同于普通水的物化性質(zhì)。容積水則指除上述兩種以外的其余水，它們與普通水沒有區(qū)別。上述分類方法帶有相當?shù)娜藶樾再|(zhì)。實際上，生命中水的狀態(tài)是一個連續(xù)相，中間沒有嚴格的邊界，它們之間進行著迅速的交換，而實驗所得到的只是一個平均結(jié)果。盡管如此，生物體系內(nèi)確實存在著一部分不同于普通水的結(jié)合水，這部分結(jié)合水對生命活動具有重要意義。

結(jié)合水的作用大家知道，生物大分子具有一定的空間構(gòu)象，它們的許多功能都與構(gòu)象的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)。結(jié)合水是穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)的必要因素。現(xiàn)已證明，脫氧核糖核酸的雙股螺旋，膠原蛋白的三股螺旋，胰島素、紅氧還素等蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的形成，蛋白質(zhì)分子A向B折疊的轉(zhuǎn)化，類脂雙分子膜的穩(wěn)定等等，無一不和結(jié)合水的存在有關(guān)。在生物體系中，質(zhì)子的傳遞對能量的轉(zhuǎn)換起著十分重要的作用。而結(jié)合水所形成的有序水的網(wǎng)絡(luò)，為這種質(zhì)子傳遞提供了必要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。鈉離子和鉀離子的主動轉(zhuǎn)移是重要的生命現(xiàn)象。主動轉(zhuǎn)移是指細胞內(nèi)外的離子或溶質(zhì)的一種抗電化學(xué)梯度的反常運動，通常用“膜泵”理論給以解釋。近年來，也有人從細胞內(nèi)有序結(jié)構(gòu)水對離子的排斥作用來討論這一問題，并為實驗所證實。結(jié)合水對某些生物體系的代謝具有決定性的影響。美國科學(xué)家克列格最近完成了一個很有說服力的實驗。他在一種小海蝦上發(fā)現(xiàn)，隨著水合程度的不同，可出現(xiàn)無代謝、限制性代謝、正常代謝三個階段，并證明了不同的代謝狀態(tài)與結(jié)合水密切相關(guān)。結(jié)合水在肌肉收縮中的作用是圣喬治在1972年提出的。他認為肌肉收縮是收縮蛋白(肌球蛋白)周圍水結(jié)構(gòu)的形成與破壞的過程。其后不少實驗都證實，在肌肉收縮過程中，水的狀態(tài)確實發(fā)生著變化。老年醫(yī)學(xué)與癌癥是目前醫(yī)學(xué)界最為關(guān)心的問題。人們對水狀態(tài)的研究也對此做出了有益的貢獻。70年代初報道，一些腫癌組織中結(jié)合水量減少，水狀態(tài)與正常組織不同。顯然這方面的研究不但與探討腫瘤發(fā)生的機理有關(guān)，而且對其早期診斷亦可提供有意義的信息。老年醫(yī)學(xué)中關(guān)于衰老機制有著多種不同的解釋。蛋白質(zhì)分子交叉結(jié)合產(chǎn)生冰結(jié)區(qū)，從而抑制代謝的觀點，就是其中的一種。它與細胞內(nèi)水的狀態(tài)不無聯(lián)系。而衰老過程中組織可塑性的衰減可能與蛋白質(zhì)大分子結(jié)合水的能力有關(guān)。低溫生物學(xué)