出品：科普中国

作者：花茶（青岛农业大学）

监制：中国科普博览

你观察过冰箱保鲜层设置的温度通常是多少吗？大多数情况下，这一数值会是4℃。这个数值可不是随意选定的，而是科学家们掌握这个温度的特殊性后，精心挑选的！

实际上，除了家用冰箱保鲜层，这个数值还会频繁出现在实验室存放生物样本的冰箱上，亦或是对某些自然现象的解读中。这些都让人不禁疑惑：4℃为何有如此多的应用场景？这个温度值究竟有何特殊之处？本篇文章，让我们一起深入了解4℃背后隐藏的科学奥秘。

4℃的特殊性由水赋予

想要探寻关于4℃问题的答案，我们需要从水的独特物理性质说起。水，作为地球上生命存在的基础，其物理性质充满了神奇之处，而“密度反常变化”的特性，使得4℃成为水的特殊温度。

大多数物质遵循“热胀冷缩”的规律，即温度升高时体积膨胀、密度减小，温度降低时体积收缩、密度增大。但水在0℃到4℃之间的状态却打破了这一常规，呈现出“热缩冷胀”的反常现象。当水温从4℃开始下降，水分子之间的氢键逐渐发挥主导作用。氢键是一种特殊的分子间作用力，它使得水分子开始有序排列，形成类似冰晶的结构。在这种结构中，水分子之间的空隙逐渐增大，导致水的体积膨胀、密度减小。而当水温从4℃逐渐升高时，水分子的热运动加剧，分子间的距离增大，同样会引起体积膨胀和密度减小。

正是因为水的这种特殊性质，使得它在4℃时密度达到最大值，这一特性看似微小，却在自然界中产生了深远的影响。

维系水底生命的数值

在寒冷的冬季，湖泊和河流表面的水温下降到0℃时，水会结冰。由于冰的密度比水小，这些冰块会漂浮在水面上，如同给水体盖上了一层天然的“保温被”。在冰面下方，4℃的水密度最大，这部分水会下沉到水体底部，从而使底部温度稳定维持在4℃左右。

这种现象对于水生生物意义重大。如果水不具备4℃时密度最大这一特性，而是始终遵循热胀冷缩的规律，那么在冬季，温度最低的水就会沉积在底部，导致结冰从水底开始，直至整个水体完全冻结。绝大多数水生生物都将无法在如此极端的环境中存活，这对于水生生物来说无疑是一场灭顶之灾。

4℃水体的存在为鱼类、水草等水生生物提供了一个稳定的生存环境，使得它们能够在寒冷的冬季得以延续生命，等待春天的到来。从更宏观的角度来看，这一特性甚至影响了地球生态系统的演化，在一定程度上保障了生物多样性。

实验室的黄金标准

在实验室开展科研工作时，4℃的重要性同样不容忽视。生物样本的保存是科研流程中的关键环节，而4℃这一温度成为了保存众多珍贵生物样本的“黄金标准”。无论是血液、细胞，还是组织切片，都常常被放置在4℃的环境中储存。

在常温条件下，生物样本中的细胞会正常进行各种代谢活动，酶的活性也处于较高水平，这会导致样本中的成分发生变化，细胞结构受到破坏，从而影响实验结果的准确性和可靠性。而当温度降低到4℃时，细胞的代谢速率显著减缓，酶的活性也受到有效抑制。具体而言，细胞内的物质运输、能量转换等生命活动变得缓慢，细胞内的水分迁移也大大减少，这就有效避免了细胞因水分过度流失或吸收而发生破裂或膨胀。

因此，在细胞培养技术中，4℃温控环境常被用于细胞的短期保存，以便进行细胞传代、运输等操作。科研人员会将细胞悬浮在含有保护剂的培养液中，置于4℃环境下，这样可以在数小时内保持细胞的活性，为细胞的进一步研究和应用提供便利。

对于蛋白质样本来说，4℃的环境则可以维持其天然的空间结构，防止蛋白质变性，保证蛋白质的生物活性。此外，4℃还能在一定程度上抑制微生物的生长繁殖，减少微生物对样本的污染风险。

血液的保险环境

医院的血库中，4℃恒温环境同样发挥着不可或缺的作用。血液作为维持生命的重要物质，其储存必须严格遵循这一温度标准，以确保血液活性与临床输注安全。

首先，4℃的低温环境可以有效抑制血液中细菌的生长。细菌的生长繁殖需要适宜的温度、水分和营养物质，而4℃的环境能够显著减缓细菌的代谢和繁殖速度，降低血液被细菌污染的风险。研究表明，在4℃条件下，常见的血液污染细菌如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的生长速度比在常温下降低了数倍甚至数十倍。

其次，4℃能够较好地保持血液中各种成分的活性。血液中包含红细胞、白细胞、血小板等多种细胞成分，以及血浆蛋白、凝血因子等物质。在4℃时，红细胞的细胞膜稳定性得以维持，减少了红细胞破裂和溶血现象的发生。红细胞中的血红蛋白是运输氧气的关键物质，在4℃环境下，血红蛋白与氧气的结合和解离过程能够相对稳定地进行，保证了血液的携氧能力。

在4℃储存条件下，白细胞和血小板的功能也能在一定时间内保持正常。白细胞在抵御病原体入侵、参与免疫反应中发挥着重要作用，4℃的储存条件可以使白细胞在一定时间内维持其吞噬、杀菌等功能；血小板则具有止血和凝血的功用，4℃下血小板的形态和功能能够得到较好的保存，使其在需要时迅速发挥作用。血浆中的凝血因子活性虽然在4℃时有所降低，但不至于完全失活，仍能在临床输血后发挥凝血作用。

此外，4℃的储存温度也便于血液的运输和分发——既不会因温度过低导致血液冻结，破坏血液细胞结构，影响血液质量，也不会因温度过高加速血液成分的变质。

为了确保血液储存的安全性和有效性，血库还会配备专业的温度监控系统，对4℃储存环境进行实时监测和调控。一旦温度出现异常波动，系统会立即发出警报，工作人员会及时采取措施进行调整，以保障血液的质量。

守护舌尖美味的温度

在食品储存领域，4℃更是占据着重要地位。我们家中的冰箱保鲜层温度通常设定为4℃，这一数值是经过大量实验和实践总结出来的最佳保鲜温度之一。

对于蔬菜水果，4℃既能抑制它们的呼吸作用和新陈代谢，减少营养物质的消耗，又能避免因温度过低而导致冻伤。以苹果为例，在4℃的环境中，苹果的呼吸强度明显降低，乙烯的产生量也随之减少。乙烯是一种植物激素，能够促进果实的成熟和衰老，减少乙烯的产生可以延长苹果的保鲜期，使其保持新鲜的口感和丰富的营养成分。

对于肉类食品，4℃可以减缓微生物的生长和脂肪的氧化速度，从而延缓了肉类食品的腐败变质过程。例如，新鲜的牛肉在4℃下储存，其色泽和口感能够在数天内保持较好的状态，而在常温下，牛肉很快就会出现变色、发黏等变质现象。

此外，对于一些加工食品，如酸奶、鲜奶等，4℃的储存条件能够保持它们的风味和口感，防止因温度过高导致的微生物发酵过度或变质。酸奶中的乳酸菌在4℃下代谢缓慢，能够维持酸奶的酸甜口感和细腻质地；鲜奶中的蛋白质和脂肪等成分在4℃下也能保持相对稳定，避免出现结块、分层等现象。

近年来，随着对食品保鲜技术的深入研究，科学家们还发现，协同应用4℃的冷藏环境与气调包装技术，能够进一步延长食品的保质期。气调包装通过调节包装内的气体成分，降低氧气含量，增加二氧化碳含量。在此基础上，再创造4℃的低温环境，可以更有效地抑制微生物的生长和食品的氧化变质，为消费者提供更加新鲜、安全的食品。

水文与气象的隐形调节节点

在环境科学和气象学领域，4℃的身影也常常可见。

在湖泊、河流等水体生态环境中，水体温度的变化会影响水体溶解氧的含量、对流和混合情况以及物质循环和能量传递，从而调控水生生物的分布和生长等。春季一些湖泊水温上升到4℃左右时，会引发水体的垂直对流，将底部富含营养物质的水带到表层，促进浮游植物的生长，进而影响整个湖泊生态系统的食物链。

在气象学中，4℃与降水形式密切相关。当大气温度接近4℃时，降水可能会以雨夹雪的形式出现，这是因为在这个温度区间内，水滴和冰晶同时存在。此外，4℃还可能导致某些特殊的气象现象。例如，在某些地区，当气温下降到4℃左右时，可能会出现“冻雨”。冻雨是由过冷水滴组成，当这些过冷水滴遇到温度低于0℃的物体时，会迅速冻结成冰，给交通、电力等设施正常运行带来严重阻碍。

研究4℃与气象现象之间的关系，有助于我们更好地预测天气变化，提前做好防范措施，减少自然灾害带来的损失。

从冰窖到实验室：对4℃的认知之路

从历史的角度来看，人类对4℃的认识和应用也经历了一个漫长的过程。早期，人们虽然没有明确认识到4℃的特殊意义，但在实践中已经开始不自觉地利用这一温度特性。例如，古代人们在冬季会将食物储存在冰窖中，利用自然低温来延长食物的保质期，而冰窖中的温度往往接近4℃。随着科学技术的不断发展，科学家们逐渐揭示了水在4℃时密度最大的原理，以及这一特性在各个领域的重要作用。

18世纪，科学家们通过实验研究，对水的密度随温度变化的规律有了更深入的认识。到了现代，随着制冷技术的不断进步，人们能够更加精准地将环境温度控制在4℃左右，使得这一特殊温度在各个领域的应用更加广泛和深入。如今，4℃已经成为了科学研究、工业生产、日常生活中举足轻重的一个温度标准。

4℃这个看似普通的温度，凭借水独特的物理性质，在自然界、科学研究、医疗健康、日常生活等众多领域都发挥着不可替代的重要作用——从微观的细胞代谢到宏观的生态系统，从实验室的精密研究到日常生活的食品储存，4℃持续影响着这些关键领域的基本运作。随着人类对科学的不断探索和技术的发展，4℃的应用价值还将被进一步开发，应用边界有望被继续拓展，在更多领域展现出其独特的价值，为人类社会的进步提供新的可能。

来源: 中国科普博览

内容资源由项目单位提供