你觀察過冰箱保鮮層設置的溫度通常是多少嗎？大多數情況下，這一數值會是4℃。這個數值可不是隨意選定的，而是科學家們掌握這個溫度的特殊性后，精心挑選的！

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實際上，除了家用冰箱保鮮層，這個數值還會頻繁出現在實驗室存放生物樣本的冰箱上，亦或是對某些自然現象的解讀中。這些都讓人不禁疑惑：4℃為何有如此多的應用場景？這個溫度值究竟有何特殊之處？本篇文章，讓我們一起深入了解4℃背后隱藏的科學奧秘。

Part.1

4℃的特殊性由水賦予

想要探尋關于4℃問題的答案，我們需要從水的獨特物理性質說起。水，作為地球上生命存在的基礎，其物理性質充滿了神奇之處，而“密度反常變化”的特性，使得4℃成為水的特殊溫度。

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大多數物質遵循“熱脹冷縮”的規律，即溫度升高時體積膨脹、密度減小，溫度降低時體積收縮、密度增大。但水在0℃到4℃之間的狀態卻打破了這一常規，呈現出“熱縮冷脹”的反常現象。當水溫從4℃開始下降，水分子之間的氫鍵逐漸發揮主導作用。氫鍵是一種特殊的分子間作用力，它使得水分子開始有序排列，形成類似冰晶的結構。在這種結構中，水分子之間的空隙逐漸增大，導致水的體積膨脹、密度減小。而當水溫從4℃逐漸升高時，水分子的熱運動加劇，分子間的距離增大，同樣會引起體積膨脹和密度減小。

正是因為水的這種特殊性質，使得它在4℃時密度達到最大值，這一特性看似微小，卻在自然界中產生了深遠的影響。

Part.2

維系水底生命的數值

在寒冷的冬季，湖泊和河流表面的水溫下降到0℃時，水會結冰。由于冰的密度比水小，這些冰塊會漂浮在水面上，如同給水體蓋上了一層天然的“保溫被”。在冰面下方，4℃的水密度最大，這部分水會下沉到水體底部，從而使底部溫度穩定維持在4℃左右。

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這種現象對于水生生物意義重大。如果水不具備4℃時密度最大這一特性，而是始終遵循熱脹冷縮的規律，那么在冬季，溫度最低的水就會沉積在底部，導致結冰從水底開始，直至整個水體完全凍結。絕大多數水生生物都將無法在如此極端的環境中存活，這對于水生生物來說無疑是一場滅頂之災。

4℃水體的存在為魚類、水草等水生生物提供了一個穩定的生存環境，使得它們能夠在寒冷的冬季得以延續生命，等待春天的到來。從更宏觀的角度來看，這一特性甚至影響了地球生態系統的演化，在一定程度上保障了生物多樣性。

Part.3

實驗室的黃金標準

在實驗室開展科研工作時，4℃的重要性同樣不容忽視。生物樣本的保存是科研流程中的關鍵環節，而4℃這一溫度成為了保存眾多珍貴生物樣本的“黃金標準”。無論是血液、細胞，還是組織切片，都常常被放置在4℃的環境中儲存。

在常溫條件下，生物樣本中的細胞會正常進行各種代謝活動，酶的活性也處于較高水平，這會導致樣本中的成分發生變化，細胞結構受到破壞，從而影響實驗結果的準確性和可靠性。而當溫度降低到4℃時，細胞的代謝速率顯著減緩，酶的活性也受到有效抑制。具體而言，細胞內的物質運輸、能量轉換等生命活動變得緩慢，細胞內的水分遷移也大大減少，這就有效避免了細胞因水分過度流失或吸收而發生破裂或膨脹。

因此，在細胞培養技術中，4℃溫控環境常被用于細胞的短期保存，以便進行細胞傳代、運輸等操作。科研人員會將細胞懸浮在含有保護劑的培養液中，置于4℃環境下，這樣可以在數小時內保持細胞的活性，為細胞的進一步研究和應用提供便利。

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對于蛋白質樣本來說，4℃的環境則可以維持其天然的空間結構，防止蛋白質變性，保證蛋白質的生物活性。此外，4℃還能在一定程度上抑制微生物的生長繁殖，減少微生物對樣本的污染風險。

Part.4

血液的保險環境

醫院的血庫中，4℃恒溫環境同樣發揮著不可或缺的作用。血液作為維持生命的重要物質，其儲存必須嚴格遵循這一溫度標準，以確保血液活性與臨床輸注安全。

首先，4℃的低溫環境可以有效抑制血液中細菌的生長。細菌的生長繁殖需要適宜的溫度、水分和營養物質，而4℃的環境能夠顯著減緩細菌的代謝和繁殖速度，降低血液被細菌污染的風險。研究表明，在4℃條件下，常見的血液污染細菌如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等的生長速度比在常溫下降低了數倍甚至數十倍。

其次，4℃能夠較好地保持血液中各種成分的活性。血液中包含紅細胞、白細胞、血小板等多種細胞成分，以及血漿蛋白、凝血因子等物質。在4℃時，紅細胞的細胞膜穩定性得以維持，減少了紅細胞破裂和溶血現象的發生。紅細胞中的血紅蛋白是運輸氧氣的關鍵物質，在4℃環境下，血紅蛋白與氧氣的結合和解離過程能夠相對穩定地進行，保證了血液的攜氧能力。

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在4℃儲存條件下，白細胞和血小板的功能也能在一定時間內保持正常。白細胞在抵御病原體入侵、參與免疫反應中發揮著重要作用，4℃的儲存條件可以使白細胞在一定時間內維持其吞噬、殺菌等功能；血小板則具有止血和凝血的功用，4℃下血小板的形態和功能能夠得到較好的保存，使其在需要時迅速發揮作用。血漿中的凝血因子活性雖然在4℃時有所降低，但不至于完全失活，仍能在臨床輸血后發揮凝血作用。

此外，4℃的儲存溫度也便于血液的運輸和分發——既不會因溫度過低導致血液凍結，破壞血液細胞結構，影響血液質量，也不會因溫度過高加速血液成分的變質。

為了確保血液儲存的安全性和有效性，血庫還會配備專業的溫度監控系統，對4℃儲存環境進行實時監測和調控。一旦溫度出現異常波動，系統會立即發出警報，工作人員會及時采取措施進行調整，以保障血液的質量。

Part.5

守護舌尖美味的溫度

在食品儲存領域，4℃更是占據著重要地位。我們家中的冰箱保鮮層溫度通常設定為4℃，這一數值是經過大量實驗和實踐總結出來的最佳保鮮溫度之一。

對于蔬菜水果，4℃既能抑制它們的呼吸作用和新陳代謝，減少營養物質的消耗，又能避免因溫度過低而導致凍傷。以蘋果為例，在4℃的環境中，蘋果的呼吸強度明顯降低，乙烯的產生量也隨之減少。乙烯是一種植物激素，能夠促進果實的成熟和衰老，減少乙烯的產生可以延長蘋果的保鮮期，使其保持新鮮的口感和豐富的營養成分。

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對于肉類食品，4℃可以減緩微生物的生長和脂肪的氧化速度，從而延緩了肉類食品的腐敗變質過程。例如，新鮮的牛肉在4℃下儲存，其色澤和口感能夠在數天內保持較好的狀態，而在常溫下，牛肉很快就會出現變色、發黏等變質現象。

此外，對于一些加工食品，如酸奶、鮮奶等，4℃的儲存條件能夠保持它們的風味和口感，防止因溫度過高導致的微生物發酵過度或變質。酸奶中的乳酸菌在4℃下代謝緩慢，能夠維持酸奶的酸甜口感和細膩質地；鮮奶中的蛋白質和脂肪等成分在4℃下也能保持相對穩定，避免出現結塊、分層等現象。

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近年來，隨著對食品保鮮技術的深入研究，科學家們還發現，協同應用4℃的冷藏環境與氣調包裝技術，能夠進一步延長食品的保質期。氣調包裝通過調節包裝內的氣體成分，降低氧氣含量，增加二氧化碳含量。在此基礎上，再創造4℃的低溫環境，可以更有效地抑制微生物的生長和食品的氧化變質，為消費者提供更加新鮮、安全的食品。

Part.6

水文與氣象的隱形調節節點

在環境科學和氣象學領域，4℃的身影也常常可見。

在湖泊、河流等水體生態環境中，水體溫度的變化會影響水體溶解氧的含量、對流和混合情況以及物質循環和能量傳遞，從而調控水生生物的分布和生長等。春季一些湖泊水溫上升到4℃左右時，會引發水體的垂直對流，將底部富含營養物質的水帶到表層，促進浮游植物的生長，進而影響整個湖泊生態系統的食物鏈。

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在氣象學中，4℃與降水形式密切相關。當大氣溫度接近4℃時，降水可能會以雨夾雪的形式出現，這是因為在這個溫度區間內，水滴和冰晶同時存在。此外，4℃還可能導致某些特殊的氣象現象。例如，在某些地區，當氣溫下降到4℃左右時，可能會出現“凍雨”。凍雨是由過冷水滴組成，當這些過冷水滴遇到溫度低于0℃的物體時，會迅速凍結成冰，給交通、電力等設施正常運行帶來嚴重阻礙。

研究4℃與氣象現象之間的關系，有助于我們更好地預測天氣變化，提前做好防范措施，減少自然災害帶來的損失。

Part.7

從冰窖到實驗室：對4℃的認知之路

從歷史的角度來看，人類對4℃的認識和應用也經歷了一個漫長的過程。早期，人們雖然沒有明確認識到4℃的特殊意義，但在實踐中已經開始不自覺地利用這一溫度特性。例如，古代人們在冬季會將食物儲存在冰窖中，利用自然低溫來延長食物的保質期，而冰窖中的溫度往往接近4℃。隨著科學技術的不斷發展，科學家們逐漸揭示了水在4℃時密度最大的原理，以及這一特性在各個領域的重要作用。

18世紀，科學家們通過實驗研究，對水的密度隨溫度變化的規律有了更深入的認識。到了現代，隨著制冷技術的不斷進步，人們能夠更加精準地將環境溫度控制在4℃左右，使得這一特殊溫度在各個領域的應用更加廣泛和深入。如今，4℃已經成為了科學研究、工業生產、日常生活中舉足輕重的一個溫度標準。

4℃這個看似普通的溫度，憑借水獨特的物理性質，在自然界、科學研究、醫療健康、日常生活等眾多領域都發揮著不可替代的重要作用——從微觀的細胞代謝到宏觀的生態系統，從實驗室的精密研究到日常生活的食品儲存，4℃持續影響著這些關鍵領域的基本運作。隨著人類對科學的不斷探索和技術的發展，4℃的應用價值還將被進一步開發，應用邊界有望被繼續拓展，在更多領域展現出其獨特的價值，為人類社會的進步提供新的可能。

出品：科普中國

作者：花茶（青島農業大學）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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