本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
水在我們星球上無處不在。在空氣中，在我們的身體裡，在我們的食物中，在我們的呼吸中。沒有水，我們所知的生命將不可能存在。水對所有生物的生存至關重要，然而作為一種分子，它卻有一些非常奇怪的行為。水分子互相粘附，在池塘和水滴表面形成“皮膚”。固態形式漂浮在液態形式之上。在室溫下，水是液體，而大多數與其密切相關的分子都是氣體。
為什麼水有這麼多奇特而美妙的特性？這種相當微小而無害的分子，究竟是什麼讓它對生命如此重要？
要回答這個問題，你必須觀察分子的實際結構，探索一個遠比微生物學通常涉及的世界更小的世界。水的性質是由將它結合在一起的力決定的。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
上面的圖表顯示了一個水分子，H2O。兩個氫原子附著在一個氧分子上，它們之間共享電子形成化學鍵。但我用來表示化學鍵的紅線隱藏了一個更為複雜的故事。這可能是一個化學鍵，但它不是一個非常平等的鍵，因為雖然氧是一個不錯的、尺寸合理的分子，每個原子周圍有八個電子，但氫非常小。它只有一個電子！
因此，當氧和氫形成化學鍵時，這不是一種平等的關係。可憐的小氫電子不能真正成為化學鍵的一部分，也不能適當地包圍氫核（量子力學確實有幫助，但還不夠）。結果是，氧原子被周圍的電子很好地填充，而氫原子實際上在一側是裸露的。
底部的“delta plus”和“delta minus”表示在化學鍵上產生了少量電荷。它只是很小，但仍然足夠大，以至於在氫原子處存在一個小的正中心。正中心傾向於吸引負電荷。那麼，H2O 中的負電荷在哪裡呢？
這種小的吸引力被稱為氫鍵，雖然與其他化學鍵相比它相當弱，但它足夠強大，可以產生顯著的差異。例如，對沸點而言。這種將水分子結合在一起的額外力意味著水在室溫下保持液態，而其他非常相似但不形成氫鍵的分子則是氣態的。這就是為什麼地球上的生命是以水為基礎，而不是以硫化氫為基礎。這些氫鍵也影響水的固態結構——當水結冰時，鍵變得更剛性，使冰具有更開放和密度更小的整體結構。這些特性解釋了為什麼冰會漂浮在水面上，以及金魚如何在結冰池塘的底部過冬。
氫鍵的存在也使水分子更“粘”，或者用科學術語來說是具有內聚性和粘附性。水分子上的小電荷使它們能夠粘在一起，這就是為什麼水具有小昆蟲可以在上面行走的“皮膚”，也解釋了為什麼水可以如此容易地被吸入吸管。不僅僅是吸管，植物將水從根部吸到最高的葉子，而沒有任何型別的泵送機制。它們依賴於水形成細長的不間斷管道的能力，一直延伸到樹幹的長度。
氫鍵是為什麼我如此熱愛生物化學中的“化學”部分的絕佳例證。從微小的原子核世界和細胞間力的原理出發，可以構建起更大更復雜的生物體的特性。從氫的微小電子貧乏的原子核，我們得到了植物如何將水輸送到葉片，以及魚類如何過冬的解釋。我發現這太神奇了！