故事是这样的。

一篇新论文今天发表在自然他颠覆了这种模式，认为许多生物材料的特性实际上是由渗透到这些材料中的水创造的。水形成固体，并继续定义固体的性质，同时保持其液体特性。在他们的论文中，作者将这些材料和其他材料归为一类新的物质，他们称之为“水合固体”，他们说“从渗透其孔隙的流体中获得结构刚性，这是固体状态的定义特征。”对生物物质的新认识有助于回答困扰科学家多年的问题。

“我认为这是科学上一个非常特殊的时刻，”该论文的作者之一、生物科学和物理学教授Ozgur Sahin说。“它用一个简单的解释统一了各种各样复杂的东西。这是一个巨大的惊喜，一种智力上的愉悦。”

最近在哥伦比亚大学物理系完成博士学业的史蒂文·g·哈雷尔森(Steven G. Harrellson)是这项研究的作者之一，他用建筑物的比喻来描述研究小组的发现:“如果你把生物材料想象成摩天大楼，分子积木就是支撑摩天大楼的钢框架，分子积木之间的水就是钢框架内的空气。我们发现，一些摩天大楼不是由钢框架支撑的，而是由框架内的空气支撑的。”

“这个想法似乎很难相信，但它解决了谜团，并有助于预测材料中令人兴奋的现象的存在，”沙欣补充说。

当水处于液态时，它的分子在有序和无序之间达到了很好的平衡。但是，当形成生物材料的分子与水结合时，它们就会打破平衡，使之趋于有序:水想要回到原来的状态。结果，水分子把生物物质的分子推开了。这种推力被称为水合作用力，在20世纪70年代被发现，但它对生物物质的影响被认为是有限的。这篇新论文的论点是，水合力几乎完全决定了生物物质的特征，包括它的软硬程度，因此令人惊讶。

我们早就知道生物材料会吸收周围的水分。例如，一扇木门在潮湿的天气里会膨胀。然而，这项研究表明，周围的水对木材、真菌、植物和其他自然材料的特性比我们所知道的要重要得多。

研究小组发现，把水放在前面和中间，可以让他们用非常简单的数学来描述熟悉的有机材料所显示的特征。以前关于水如何与有机物相互作用的模型需要先进的计算机模拟来预测材料的性质。该团队发现的公式很简单，可以预测这些特性，这表明他们有所发现。

举个例子，研究小组发现这个简单的方程E = Al /λ简洁地描述了材料的弹性是如何根据湿度、温度和分子大小等因素而变化的。（E式中指材料的弹性;一个是一个取决于环境温度和湿度的因素;l生物分子的大致大小是多少λ是水合作用力失去强度的距离)。

“我们在这个项目上做得越多，答案就越简单，”Harrellson说，并补充说这种经历“在科学界非常罕见”。

这些新发现来自于沙欣教授正在进行的对孢子(休眠细菌细胞)奇怪行为的研究。多年来，沙欣和他的学生一直在研究孢子，以了解为什么它们在加水时强力膨胀，而在水被去除时收缩。(几年前，沙欣和同事利用这种能力制造出由孢子提供动力的小型引擎状装置，获得了媒体的报道。)

2012年左右，沙欣决定退后一步，探究孢子为何会有这样的行为。他们的实验并没有为孢子的神秘行为提供解答。沙欣回忆道:“我们最终发现了比刚开始时更多的谜团。”他们被困住了，但他们遇到的谜团暗示着有一些值得追求的东西。

经过多年对可能的解释的思考，沙欣突然想到，如果水合作用决定了水在孢子中的流动方式，那么团队不断遇到的谜团可以得到解释。

这个团队不得不做更多的实验来验证这个想法。2018年，Harrellson加入了这个项目，他现在是数据分析公司Palantir的软件工程师。

“当我们开始着手这个项目时，它似乎复杂得不可思议。我们试图解释几种不同的效应，每种效应都有自己不尽如人意的公式。一旦我们开始使用水合作用力，每一个旧的公式都可以被剥离。当只剩下水合作用时，感觉就像我们的脚终于着地了。这太神奇了，让我松了一口气;事情是有道理的，”他说。

这些实验的结果促使该团队及其合作者发表了这篇论文。除了Harrellson, DeLay, Chen和Sahin，该论文的其他作者是Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin和Howard A. Stone。芝加哥洛约拉大学(Loyola University Chicago)的亚当·德里克(Adam Driks)也对这项研究做出了贡献，但他在工作完成前去世了。这项研究的资金由美国能源部科学和基础能源科学办公室提供;海军研究办公室;国家卫生研究院;以及大卫和露西尔·帕卡德研究员项目。

这篇论文的发现适用于我们周围的大部分世界:吸湿性生物材料——也就是允许水进出的生物材料——可能占我们周围生物世界的50%到90%，包括世界上所有的木材，还有其他我们熟悉的材料，比如竹子、棉花、松果、羊毛、头发、指甲、植物的花粉粒、动物的外皮，以及帮助这些生物生存和繁殖的细菌和真菌孢子。

论文中创造的术语“水合固体”适用于任何对周围环境湿度有反应的天然材料。有了这个团队确定的方程，他们和其他研究人员现在可以从基本的物理原理来预测材料的机械性能。到目前为止，这主要适用于气体，这要归功于著名的通用气体方程，该方程自19世纪以来就为科学家所知^th世纪。

“当我们在树林里散步时，我们认为周围的树木和植物是典型的固体。这项研究表明，我们应该把这些树木和植物看作是水塔，将糖和蛋白质固定在适当的位置，”沙欣说，“这真的是水的世界。”