還記得開普勒438b和開普勒442b這兩顆星球嗎？是1900顆系外行星（太陽系外的行星）中最像地球的。
所謂“像地球”的部分意思是，這個行星可能有液態水——在宜居帶內，這的確很有希望。“跟著水走”已經成了天體生物學家在宇宙中尋找生命的魔咒。隨著技術能力的提升，對系外行星大氣反光中水的特徵進行探測已經指日可待，因此一些天文學家希望能夠儘快找到有生命的外星世界。
但是水真的是生命所必須的嗎？
人們堅信這一點由來已久。1913年，哈佛生物化學家Lawrence Henderson提出了一種奇特的反-達爾文進化論。進化論認為有機體是通過適應來“配合”它們所處的環境的。而Henderson在他的《環境的配合（The Fitness of the Environment）》一書中卻說，宇宙環境本身會“配合”產生生命。
這非常令人費解。環境怎麼會來配合生命？
Henderson指出，水看起來具有“生命中心”的特性，它似乎是一種獨一無二的生命溶液。在地球上它確實是一種無處不在但又相當特別的液體。其他的簡單氫化物分子——如甲烷、硫化氫、氨和氯化氫——在室溫和常壓下都是氣體——除了“一氧化二氫（H2O）”水。水分子間似乎有一種額外的粘性，使之能夠結合在一起。
水有很高的熱容量（它可以吸收大量的熱量但溫度卻不升高），洋流能夠把吸收的太陽熱量擴散到全球各處，使行星整體環境變得更為一致和穩定。還有，大部分液體凝固時，體積會收縮，密度會增加，只有水會膨脹，密度會變小。因此，池塘不會從底部開始結冰，然後無法解凍；相反的，冰會像一個蓋子一樣把水隔絕在下面。
水的溶解性也非常好，從而可以給有機體提供基本的營養元素。假如水失去了攜帶離子（帶電原子和分子）的能力，就不可能有光合作用和神經脈衝。因為水有巨大的表面張力，汁液才能沿著毛細管上升，植物才能長得又高又大。
這非常令人費解。環境怎麼會來配合生命？行星的化學要素——水、岩石、空氣——不會突變也不會繁殖，而突變和繁殖是達爾文主義者眼中所謂“配合”的關鍵。但是它確實具有維持生命所必須的特性。19世紀中葉，部分不列顛學者受布里奇沃特伯爵（Earl of Bridgewater）之託寫了一系列書，宣稱“萬物的創生，明確地體現了上帝的力量、智慧和恩惠”——也就是說，想用科學的發現來證明上帝的智慧，亦即所謂的“自然神學”。1834年出版的一部布里奇沃特著作中，英國化學家William Prout宣稱，接近冰點時水的膨脹就是神意的一例。
Henderson不準備向上帝讓步，但是他也承認，要解釋水這種明顯的“配合”現象是不容易的，仍然沒有更好的答案。他能說的只是“根據當前的假說和法則，無法對這些巧合作出任何解釋。”假如這些現象能夠被理解，他說，“那麼將會是在未來，當我們對物質的特性有了更深入的瞭解之後。”
Henderson之後一個多世紀的研究成果表明，水和生命間的關係比之前想像的更為融洽和複雜。但同時也顯示這種關係可能並不是專有的——生命和水之間的這種特殊的和諧，可能只是達爾文進化論“適應創造可能”的又一傑出範例。
它會漂浮！冰會漂浮，而我們竟然忘記了這是一件多麼奇怪的事情。大部分液體在凝固時會收縮，密度會增加，因
以現代的觀點來看，水絕不是一個被動的、襯托生命有機分子表演的背景。相反，它是一位積極的參與者。水分子間存在著一種脆弱的弱化學鍵網絡，名為“氫鍵”，它能夠把生物分子像織地毯一樣“織”進液體分子裡。生物分子和溶液的關係就像在跳一段互動的舞蹈。作為催化劑的蛋白質非常靈活，它能夠改變形狀，把反應導向正確的方向。蛋白質外形的改變會影響周圍的水，使水起伏和晃動，而水的起伏和晃動同時又會給蛋白質注入“活力”。
全都包起來了！包裹著蛋白質等生物分子的水分子“水合膜”能夠和生物分子結構及其運動產生十分積極的反應。
這種相互作用的微妙可以達到非常驚人的程度。舉例來說，德國波鴻魯爾大學和以色列魏茨曼科學研究所的研究人員發現，當一個蛋白質分子和目標分子（稱為“酶作用物”）結合在一起並準備轉運它時，結合點附近的水分子運動就會慢下來，會變得濃稠，就好像要把酶作用物固定在原位一樣。氫鍵作用的變化和周圍自由水分子的運動，會導致能量以及熵發生細微增減，從而控制和驅動大量精巧且具高度選擇性的生化反應發生。
在這些生化反應中，既有水從角落和縫隙間被逐出，讓位給酶作用物，酶和它的目標分子，亦即酶作用物之間的結合；也有新制造出來的蛋白質鏈摺疊成外形緊湊的酶；既有把蛋白質組裝成複雜的生物分子結構；也有把脂肪分子組裝成細胞膜。這些反應都受益於水的浸泡，以及水在隔水（疏水）分子間誘發的吸附作用。
水分子還能作為附著在蛋白質表面的工具，擴展酶的勢力範圍，幫助它結合或轉運小分子。從酶的通道中穿過的水分子鏈還扮演著“質子線”的角色，能夠引導氫離子，允許細胞把氫原子搬運到新的位置或新的分子中，亦或積累和釋放能夠產生能量的氫離子濃度差異，就像山坡上利用水流轉動的水車。穿過DNA雙螺旋結構的水分子網絡，任何細小的改變都可以影響DNA分子的彎曲程度，影響插入其中的蛋白質激活或關閉基因的方式。
微型管道。由結合成氫鍵的水分子鏈（藍色）構成的“水線”從輸水蛋白質通道—“水通道蛋白”中穿過。每個水
所有這一切都表明水在生命中所扮演的角色，比Henderson的評價更為錯綜複雜。但是水究竟具有多少獨特性？生命對水的這種能力有多大的依賴性？水所扮演的某些角色，如疏水吸引力，其他溶劑也能夠扮演：只要溶解的分子與溶劑的關聯性不大，無論它們是什麼，都會趨向於粘合在一起。而水線中氫離子的傳導，雖然對地球生命來說十分重要，但是它的不可或缺性，對地外生化反應來說卻不明顯。
也可以這樣問：假如只把水當成一種普通的液體，情況又將如何？北愛爾蘭貝爾法斯特皇后大學的Ruth Lynden-Bell和新澤西普林斯頓大學的Pablo Debenedetti對所謂的“反事實水”模型進行了研究，這個模型所展示的，是使水展現出異常特點的核心特徵——水中氫鍵的排列——在模型中，人們可以對它進行精細的調整，從而確定多大程度的調整是被允許的？多大程度的調整又會使水失去獨特的屬性？
水的獨特屬性並非都有助於生命——有些會造成明顯的阻礙。
一種最簡單的理論模型視氫鍵為單純的靜電作用：帶有微量正電荷的氫原子，會和鄰近氧原子中帶有負電荷的“孤對”電子產生吸引力，電荷相互作用，形成一個四面體。在這種吸引力的支配下，分子間會形成一種特別的幾何學排列方式，並在頂層控制著原子和分子間更為一般的吸引力，也就是“範德華力（van der Waals）”（又名“色散力”）。在構造簡單的液體，如液氬或液態二氧化碳中，唯一能夠阻止分子飛散蒸發的，就是這種力。
水中的“氫鍵”（虛線）把水分子排列成了一個四面體結構（左）。在液體形態（右）中，這些鍵能夠把水分子連接成一個擴展的網絡。紅色是氧原子，白色是氫原子。
Lynden-Bell和Debenedetti用計算機設計出了一個水的模型，在這個模型中，氫鍵的靜電作用力（能夠維持四面體的存在）和範德華力（這種力在所有方向上都是相同的）能夠進行隨意的改變。他們把這種假想中的東西戲稱為“不是水（not-water）”。結果發現，水的異常特性並非只是作用力的程度問題。氫鍵的排列方式，和簡單球狀範德華力的排列方式——它們就像加農炮彈一樣——明顯是不相容的。在兩種極端情況下，我們將得到兩個最糟糕的世界：無論由哪種力支配，分子的排列都是無序的。換言之，水和缺乏氫鍵的液體有著質的不同，後者的分子只會相互碰撞。但是水分子並不是唯一擁有氫鍵的分子——氨，甚至氯化氫也有。區別在於水分子能夠形成巨大的三維網絡，因為它們的分子可以粘合成四面體，而別的氫鍵只能形成長鏈。氫鍵的三維網絡是水結冰後密度變低的原因，而這是氨和氯化氫做不到的。這是水的獨特之處。
但是水的幾何結構呢？假如我們改變水分子彎曲的角度，讓氫鍵形成不了完美的四面體，或者讓彎曲的程度變大，水的獨特屬性是否會消失？Lynden-Bell和Debenedetti發現，在這種情況下，只要改變的程度不十分劇烈，水的某些異常特性依然存在，比如水在到達冰點前密度仍然會變大。“這些（幾何學）參數擁有足夠的寬容度，”Lynden-Bell說。要使水的獨特屬性消失並不容易，Debenedetti說。
製造不同的水：Lynden-Bell和Debenedetti像玩具一樣擺弄水中鍵的長度（左）和角度（右），想看看會發生什麼。
水的氫鍵結構也常被用以解釋水中溶質的疏水吸引力。但是在審視了“不是水”氫鍵強度和彎曲角度的改變之後，Lynden-Bell、Debenedetti等人得出結論，疏水粒子之所以不溶於水（趨向於結團成塊），主要是因為水分子太小，其間存在的能量足以為這些粒子“挖”出空間，而非氫鍵本身的原因。因此幾乎很多小分子液體應該都能做到這一點。
公平地說，水在某些方面是獨一無二的，但在另一些方面並非如此：它比較特殊，但並沒有那麼特殊。而且，它的獨特屬性並非都有助於生命——有些會造成明顯的阻礙。其中之一就是，它太活躍。氧原子中的孤對電子能夠吸引分子中帶正電的部分，而它們也會破壞已經存在的氫鍵，並瓦解或重組分子，這就是所謂的“水解”。蛋白質鏈內氨基酸的結合要依靠肽鍵，但肽鍵中的碳原子容易受到這種攻擊，因此通過水解，蛋白質可以被分解。糖分子鏈，如纖維素、澱粉之類的生物多糖複合物，也會遇到相似的情況。
“這對於今天的系統性生命體而言，並不是一個太大的問題，酶可以修補水帶來的傷害，”應用分子演化基金會的化學家Steven Benner說。但是對於生命的起源而言，這非常重要，他說，生物分子的原型要在水中形成並維持，但是它們並沒有酶的協助。“如果說水是上帝設計出來的完美生物質溶劑，那這樣的設計無疑是糟糕的，”Benner說。
他認為，在原理上不能排除氨、甲酰胺（CHONH2），或液態烴——土衛六上大量存在的那些東西，也支持不同類型的生化反應。實驗室和工業有機化學已經生產出大量非水溶劑（不是水的溶劑），這些東西通常有非常強的針對性，因為水過於活躍。Benner對土衛六烴海洋中存在疏水生命的可能性特別感興趣。他和同伴最近進行了一些實驗，想看看是否可以製造出一種“基因聚合物”——一種能夠把信息編碼進分子序列中的物質，就象DNA和RNA那樣——並使之在此類液體中工作。
他們發現，一種名為聚醚的鏈狀分子在攝氏-70度左右能夠很好地溶解在液態丙烷（C3H8）中，這種分子的主幹由碳和氧原子交替組成。Benner認為，聚醚在這樣的溶劑中能夠起到基因數據庫的作用。
太冷：土衛六的烴海洋，照片由NASA/ESA卡西尼-惠更斯聯合任務的惠更斯探測器於2005年拍攝。類似的烴有能力為攜帶信息編碼的鏈狀聚合物扮演溶劑角色，雖然這種情況發生時溫度要比土衛六高。
但是土衛六的溫度要低得多：它的烴海洋主要由甲烷（CH4）和乙烷（C2H6）組成，溫度只有攝氏-178度左右。在這樣的極端低溫下，大部分聚醚不能溶解。Benner推斷說，土衛六上的液態甲烷“太冷，以致於幾乎無法溶解一切對生命有意義的物質。”但是他說，這並不是因為烴是一種糟糕的溶劑——只是因為液態水的溫度更高，溫度高的液體溶解性更好。“一個溫暖的土衛六，”他說，“一個位於太陽系宜居帶內，大約相當於火星位置的行星，可能會有一個內含丙烷、丁烷甚至戊烷的烴海洋。”這些溶劑在相應的溫度下將保持液態，並能夠溶解大量物質。
Benner認為另一種理想的水替代品是甲酰胺，它可以由一氧化碳和氨，或氰化氫和水合成——而這些簡單分子在星際空間和外星環境中都能夠找到。“甲酰胺的溶解力以及保持液態的溫度範圍和水非常相似（甚至可能更好），”Benner說：在一個大氣壓下，甲酰胺的溶點是攝氏2度，沸點是攝氏210度。而且它沒有水那種破壞聚合物的傾向。Benner和他的同事們最近向我們展示，在含硼礦物的催化作用下，磷酸鹽類能夠在甲酰胺裡與腺苷分子結合，形成磷酸腺苷，磷酸腺苷是RNA和DNA的基本材料。與之相反，水會破壞磷酸腺苷，使之難以形成核酸。
假如在宇宙中，水之外的溶劑確實能夠為其他形式的生命起到相似的作用，那麼地球上生命和水的這種親密關係可能只是環境和生命相“配合”的極端機會主義式的反映。地球生命已經習慣了這種奇怪液體所提供的一切。我們可能在天體生物學中高估了水的重要性，而與此同時又在地球生物學中低估了水的意義和精巧作用。
確實，我們在地球上發現的每一種適應性，都會提升水在生命中的重要性。生命可以生活在地球深處熾熱高壓出產石油的巖縫裡，生命可以生活在南極冰湖下。微生物能夠在炙熱乾旱的阿塔卡馬沙漠活下來，也能夠在滾燙的深海火山熱液口周圍繁殖。生命能在濃度極高的鹽水中生存，能夠忍受高濃度的有毒重金屬，也能夠暴露在高離子輻射的外太空而不以為然。當我們以為沒有一種有機體能夠離開水進行新陳代謝的同時，微生物卻能夠適應重水中的生活，某些隔離酶在完全無水的環境下，也能或多或少地工作。以上這一切，都在試圖讓我們相信，一旦達爾文式的進化開始，生命幾乎能夠在所有環境中前進。
Lynden-Bell也贊同，我們不應該低估自然選擇在各種環境中使生命得以維持的能力。“我個人相信，演化能夠利用它所發現的環境，而且很有可能存在著與我們完全不同的演化場景，”她說。生命同時也能改造環境，使之與自身相配。溫哥華不列顛哥倫比亞大學的Colin Goldblatt指出，如果以我們當前的視角來看，只有寒冷而潮溼的外星世界看起來才稍微那麼宜居一點，那麼宜居帶究竟在哪裡其實取決於行星的大氣層內有什麼：在地球上，二氧化碳（在一定程度上由生命守護著）使我們行星的溫度維持在冰點以上。換而言之，是“居住地決定宜居性，”他說。因此，在我們確知生命存在之前，不能對水是否能夠維持生命作出草率的判斷。
現在，讓我們來算一算。根據目前的統計，平均來說，每一顆銀河系裡的恆星至少擁有一顆行星，在與太陽類似的恆星中，有五分之一的宜居帶內存在著與地球類似的行星。因此，僅僅銀河系內就至少有110億個這樣的外星世界——而可觀測宇宙中至少有1000億個星系。
在這樣的前景面前，我們真的還能堅持水是生命必須的嗎？