玄奧難明的水

玄奧難明的水 (Water)
知識通訊評論第67期

對於水這個最常見的分子，其實我們所知依然有限。過去的科學理論，固然解釋了水的某些特性，卻不完備。最近水結構的新理論，又再給藥物設計、天文和分子生物學以及地球化學等領域帶來新的問題和視野。

沒有人真的懂水。說起來很丟臉，但是這個覆蓋了我們地球表面三分之二的物質仍然是個謎。更糟的是，我們越想搞懂，累積的疑問就越多：我們用各種嶄新的科技深入探討液態水的分子結構，卻拋出更多謎團。

這個讓大家有點罪惡感的秘密有多樣的細節。水決定了地表的環境。它是地球科學、大氣科學、生物學與眾多科技的核心。認為水已經被仔細研究過的常見假設，使得我們對水的解釋建在不穩的根基之上。目前的情況既不能滿足人類智力上的好奇心，使用上也有風險。

水的氫鍵

大家都同意，相較於其他液體，水的分子結構與眾不同的特性之一是不恆常的氫鍵。這些連結水分子的微弱化學鍵，在溫度高於水的熔點時不斷地打斷重連，不過大致上仍決定某種程度的分子結構。

但大家對於水的認識也僅此於止。對於液態水的標準認知是，每個水分子平均和另外四個分子以正四面體的結構相連。這個不斷重組的單元在水中延展，而成三維的網狀結構。這個被廣泛接受的觀點主要來自於中子散射研究和理論計算模擬。同時，考慮到冰塊結晶裡分子毫無疑問的正四面體排法，這樣的想法是很合理的。

二〇〇四年，又再出現了最新的一個反對意見。瑞典斯得哥爾摩大學的彼得森(Lars Petterson)的研究團隊在《科學》期刊上發表了一篇具有爭議的文章，宣稱液態水分子平均只和兩個分子相連而成鍊狀或環狀。喜歡的人可以叫它「水的弦論」 (編註:弦論是粒子物理領域中受到爭議的一個新理論) 。彼得森的實驗室以X光吸收光譜偵測每個氧原子的局部環境。

他們的解釋遭來許多懷疑的眼光，但這個「弦論」卻沒有隨時間淡出。瑞典的研究者現在宣稱（根據尚未發表的結果），傳統的正四面體結構不是唯一用來解釋先前X-光、中子散射和紅外線光譜結果的方法。他們說，鍊狀模型同樣符合結果。在日本幾個研究機構的物理學家和化學家共同合作之下，他們藉由X光放射光譜進一步的修整了他們的理論。

他們現在提出的假設是，水是由兩種結構組成的水窪。它是一杯散佈了許多「冰角」的混湯，每塊大概由一百個左右鬆散相連的分子組成。這些冰塊比較「空洞」而有很多氫鍵，就跟傳統的四面體模型說的一樣。而「湯」本身則是由他們在二〇〇四年提出的鍊狀結構組成，密度更高而氫鍵較少。

如此兩相混合的模型，從本質上改變了我們對於物質在水中溶解現象的觀點。非極性溶質可能會被歸到有強氫鍵的小團簇中，而諸如離子的極性溶質，則會在不規則排列的湯裡漫遊。這個結果帶來的影響，從地質化學到工業膠體製成科學都會顯現。生物學家尤其需要留心，因為（至少在我們居住的地球上）有生命基質之稱的液態水，不再只是被動的平台。它在分子生物學的層次上扮演許多主動的角色，微妙地受到其結構的影響。

目前許多研究水的學者認為，斯得哥爾摩的成果只不過是「茶杯裡的暴風雨」。他們認為這些奇怪的結果最終也會有某些簡單的解釋，也許只是數據被錯誤闡釋了。要打破一個世紀以來辛苦累積的對水的認知，從根本上推翻從前的理論，除非大家都盡力壓抑對於這些數據的不信賴感——儘管科學史上更奇怪的轉折也是有過的。

無論結果為何，這個爭論有趣地說明了水有多麼難以瞭解，不確定性有多大，而且這還只是眾多爭議的其中之一。其它的例子像是，在極高或極低的溫度和壓力下，水會呈現不同的液相嗎？靠近接觸面或溶質的水分子會怎麼排列？細胞裡大部分的水結構上真的跟一般純水中一樣嗎？而且，就算這些疑惑都能被解開，歷史的經驗也告訴我們，會有更多取而代之的問題。

太不尋常，太奇怪

我們需要有遠比現在更多來自不同領域的人思考這些問題。麻煩的是，甚至連許多研究液體一般理論的學者都不碰水：它太不尋常，太奇怪了。它不做一般液體「該做」的事：水結凍時體積反而膨脹；水的密度在攝氏四度時最高，而不是越冷密度越高；水的熱容量高得不像話，黏滯度奇怪，等等。大部分奇特的現象都可以用標準的正四面體氫鍵網狀結構解釋，但這個微小尺度的分子交互作用如何變成一個巨觀的現象仍然不清楚。電腦模擬常被用在解釋物質在分子尺度的特性，但是在水的例子中，計算結果對於分子間作用力的模擬方法是出名的敏感。

水的兩相混合理論早已不是什麼新想法了。早在氫鍵的概念還沒被提出的一八九二年，欒琴(Wilhelm Rontgen)就提出了冷水是有微觀的「冰山」浮在液體的「海」中的想法。一九二〇年阿姆斯壯(Henry Armstrong)的締合水理論（hydrone theory）延續了這個水分子團簇的看法，一九四〇年代沙摩洛夫(Oleg Samoilov)的「間質」模型（interstitial model）同樣也是。最近的歷史中，德州的化學家羅賓遜(Wilse Robinson)在他二〇〇〇年過世前都不厭其煩的提倡水是兩相混合的概念。

如此模稜兩可的特性，讓更多天馬行空的解釋都能自圓其說。關於水分子聚合物的說法，源於一九六〇年代末期俄國化學家德里亞更(Boris Deryaguin)團隊在毛細管中觀察到水呈膠體狀。更誇張的是，已去世的法國科學家班佛尼司特(Jacques Benveniste)團隊，在八〇年代研究極度稀釋的生物溶液的實驗結果，創造了所謂「水有記憶」的觀念，意指液體分子可以「記住」生物分子的資訊。目前還在由同類療法來尋求支持的同時，這個幾近不可能的理論，又一次的利用了我們對於水構造的不確定性。

關於水的大部分奇特的現象都可以用標準的正四面體氫鍵網狀結構解釋，但這個微小尺度的分子交互作用如何變成一個巨觀的現象仍然不清楚。

這些爭論對於科學家以外的一般人有影響嗎？科學的強項之一就是在於它能以一種組合的方式運作。那就是即使我們無法解釋一些更基本、更深入的問題，卻依然能夠在一個方向有大幅進展。如果不這麼做的話，在我們發展出所謂的量子重力理論之前，所有的科學領域都將停滯不前。因此化學家即使不懂核子物理，也可以理出說明原子鍵結和分子結構的有效理論；而演化生物學家也無須搞懂遺傳學裡的化學。

但是分子生物學和液態水分子層次結構的關係難分難捨。例如眾所皆知的DNA結構是雙螺旋的說法，其實是不誠實的，因為這只是它在水中的結構而已。氣態的DNA看起來就像是被小孩子踩爛的螺旋。水飽和度的改變，例如將水從分子表面移除，會引發DNA構造的轉變。最近的實驗顯示，若把一股雙螺旋拉到非水的溶液中，它會像拉鍊一般自動解開。這表示同樣的現象可能在水含量低的環境裡也會發生，很有可能正是大自然藉以掌控DNA的方法。舉例來說，酵素疏水性的口袋，或許就是用來幫助複製DNA之前先把它解開來。

冰的結晶

當蛋白質和受體結合時，擋路的水分子一定要移開。這個過程取決於水分子在有限空間內的結構。更重要的是，許多酵素的結合點上的親水性區域連著水分子。其中有些會讓位給新進的受體，有些則留在原處以氫鍵作為受體停泊的橋樑。

混亂和秩序

這一切顯示出能量的微妙平衡：形成或打斷化學鍵（焓）和分子組成秩序的改變（熵）的問題。化學能的問題，部份取決於被趕出去的水分子在外圍液態水中可以形成多少氫鍵，而熵的變化也視外圍的秩序度而定。估計顯示，平均而言，釋放一個水分子的能量賺賠相抵，因此對於兩邊的各種微小因子，都可能改變平衡，影響氫鍵結合的發生。類似的微妙平衡可能主宰了蛋白質與碳水化合物的重要交互作用。
在藥物設計上，這些細微的能量變化非常重要。這時我們的目標是控制藥物和目標物之間的有好的鍵結，例如可能是把一個小分子塞到蛋白質的結合處，來阻斷它的作用。一些愛滋病療法的目標，是想藉由一個水分子的橋樑，使得抑制劑連到HIV-1蛋白質水解酵素上。其他有些方法則是想把水排除在外。但是截至目前為止，藥物設計上所能運用的水分子特性還極其有限，因為我們對水的瞭解不夠，也無法定量水分子的角色。

在分子生物學中，水結構的角色或許最為明顯，是在說明兩個疏水性物體之間的吸引力。疏水性的同類相聚，主導了蛋白質長鍊正確的折疊某些蛋白質和受體的結合，以及將蛋白質聚集成有用的單元或有害的團塊（例如類澱粉蛋白纖維）。它是分子生物學中的一個關鍵有力之處，但卻沒有人懂。

有些生化課本會告訴你，早在一九五九年高茲曼(Walter Kauzmann)就解釋過了。高茲曼說水分子在疏水性的溶質附近會排得「非常整齊」，所以把一些水放到外圍相對來說比較混亂的液態水中，當兩個這樣的溶質互相靠近時，會導致亂度的上升。

這幾乎可以說是全錯。首先，疏水性作用力，在甲烷之類的小分子和蛋白質那種延展的奈米尺度表面，可說是不同的。這種表面可能可以在一瞬間把一大堆水分子一起排出而黏在一起，雖然現在還不清楚，這是否真的是蛋白質折疊和凝聚的真實狀況，以及如果是那又是如何達到的。重點是所有這類機制都根本性的取決於液態水的分子結構，還有在疏水性物體附近的變化。

水歷久不衰的謎團，是否只是讓想要瞭解蛋白質如何折疊如何作用、礦物質如何溶解、懸浮粒子如何聚集的我們更加絕望？不會的。有時細節不是最重要的，有時實驗帶來的知識和啟發就夠了。我們應該把這個謎題當作學習謙卑的練習。

水的兩相混合理論早已不是什麼新想法了。早在氫鍵的概念還沒被提出的一八九二年，欒琴(Wilhelm Rontgen)就提出了冷水是有微觀的「冰山」浮在液體的「海」中的想法。

水的故事提醒我們，關起門來做科學是危險的，把漂亮的解釋當作理所當然而不加檢驗是有風險的，不要被人盡皆知的道理蒙蔽反而對真相視而不見，還要認知到，研究自然的新方法可能使我們混淆迷惑，同時也可以釐清真相。

（此為《自然》雜誌顧問編輯波爾(Philip Ball)在三月二十日《自然》雜誌的專文）