本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
水在我们星球上无处不在。在空气中，在我们的身体里，在我们的食物中，在我们的呼吸中。没有水，我们所知的生命将不可能存在。水对所有生物的生存至关重要，然而作为一种分子，它却有一些非常奇怪的行为。水分子互相粘附，在池塘和水滴表面形成“皮肤”。固态形式漂浮在液态形式之上。在室温下，水是液体，而大多数与其密切相关的分子都是气体。
为什么水有这么多奇特而美妙的特性？这种相当微小而无害的分子，究竟是什么让它对生命如此重要？
要回答这个问题，你必须观察分子的实际结构，探索一个远比微生物学通常涉及的世界更小的世界。水的性质是由将它结合在一起的力决定的。
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上面的图表显示了一个水分子，H2O。两个氢原子附着在一个氧分子上，它们之间共享电子形成化学键。但我用来表示化学键的红线隐藏了一个更为复杂的故事。这可能是一个化学键，但它不是一个非常平等的键，因为虽然氧是一个不错的、尺寸合理的分子，每个原子周围有八个电子，但氢非常小。它只有一个电子！
因此，当氧和氢形成化学键时，这不是一种平等的关系。可怜的小氢电子不能真正成为化学键的一部分，也不能适当地包围氢核（量子力学确实有帮助，但还不够）。结果是，氧原子被周围的电子很好地填充，而氢原子实际上在一侧是裸露的。
底部的“delta plus”和“delta minus”表示在化学键上产生了少量电荷。它只是很小，但仍然足够大，以至于在氢原子处存在一个小的正中心。正中心倾向于吸引负电荷。那么，H2O 中的负电荷在哪里呢？
这种小的吸引力被称为氢键，虽然与其他化学键相比它相当弱，但它足够强大，可以产生显著的差异。例如，对沸点而言。这种将水分子结合在一起的额外力意味着水在室温下保持液态，而其他非常相似但不形成氢键的分子则是气态的。这就是为什么地球上的生命是以水为基础，而不是以硫化氢为基础。这些氢键也影响水的固态结构——当水结冰时，键变得更刚性，使冰具有更开放和密度更小的整体结构。这些特性解释了为什么冰会漂浮在水面上，以及金鱼如何在结冰池塘的底部过冬。
氢键的存在也使水分子更“粘”，或者用科学术语来说是具有内聚性和粘附性。水分子上的小电荷使它们能够粘在一起，这就是为什么水具有小昆虫可以在上面行走的“皮肤”，也解释了为什么水可以如此容易地被吸入吸管。不仅仅是吸管，植物将水从根部吸到最高的叶子，而没有任何类型的泵送机制。它们依赖于水形成细长的不间断管道的能力，一直延伸到树干的长度。
氢键是为什么我如此热爱生物化学中的“化学”部分的绝佳例证。从微小的原子核世界和细胞间力的原理出发，可以构建起更大更复杂的生物体的特性。从氢的微小电子贫乏的原子核，我们得到了植物如何将水输送到叶片，以及鱼类如何过冬的解释。我发现这太神奇了！