為什麼磷脂雙分子層不會在水中解體？

既然脂雙分子層是表面活性劑，在水中應該會擴散開才對。為什麼它們組成了膜，他們的作用力多大？
延伸一下，溶液中磷脂濃度多少才會形成雙分子層，過高或不足會怎樣？由此，水中的單個細胞會自動解體嗎？這種局部的高濃度是如何維持的？

Image credit：Lipid bilayer
磷脂分子是由一個親水的頭部和一個疏水的尾部組成的，磷脂分子正是因為疏水的尾巴要躲避水分子（疏水效應）才形成雙分層結構的，又怎麼會在水中解體。
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因為疏水基團在水溶液中不能像親水基團一樣和水分子形成靜電相互作用，所以水分子只能形成籠狀結構將疏水基團圍起來，像這樣：

Image credit：BCH 4053 Biochemistry I
而這種排列是熵不利的（entropically costly），會促使疏水基團尋求表面積最小的排列方式，所以油在水裡呈現油滴狀。（所以，說表面活性劑在水溶液中理應擴散開來是沒有道理的呀）。對於磷脂分子來說則會形成膠束（micelle）或磷脂雙分子層（bilayer），一般來說，如果疏水尾部的C鏈是單鏈就會形成膠束結構，如果是雙鏈就會形成雙分子層結構。不過也不盡然：

Image credit：Micelles and Bilayers
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表面活性劑在溶液中的濃度超過某一臨界值（Critical micelle concentration,CMC）後，會自發締合形成膠束。不同磷脂分子的CMC:Critical Micelle Concentrations (CMC)
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磷脂分子在水中為了躲避水分子而自發形成磷脂雙分子層結構，這是能量上有利的構型，但是在雙分子層的邊緣仍有一層疏水側暴露，為了進一步尋找更有利構型，它要把露在最邊緣的部分藏起來，最終變成了球，細胞就這樣誕生了(細胞最初的誕生不是這麼簡單，像 @白河hotaru所說。不過，磷脂雙分子層的這種特性確是細胞形成的基礎。因為覺得很形象好玩就這麼描述了，向誤解的同學道歉~）
像這樣：

from《Molecular Biology of THE CELL》
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單個細胞在純水中肯定會解體（沒有細胞壁的話），如果細胞內的滲透壓高於外界水溶液的滲透壓，水分子會進入細胞，細胞膨脹破裂。

• 我補充一下，磷脂雙分子層是一個非常複雜的結構，只是水裡放一勺磷脂的話，絕對不會像細胞那樣形成雙分子層。
• 因為細胞都是靠細胞分裂產生的，分裂是有細胞骨架（微管微絲）保證穩定的。
• 並且細胞處於組織液中，內外都有濃度不同的離子（鉀鈣鈉離子）確保磷脂表面電性。
• 還有，細胞也不是純粹的一種磷脂，還會有心磷脂這種小分子磷脂，會像針一樣插在分子層中，提高細胞膜硬度，老年人的血管硬化就是這種心磷脂比例增加，造成細胞變脆。
• 所以真正細胞的形成，必須從最原始的細胞開始想，進化生物學提到的微團體，就是脂質層形成了膜，最終形成第一個細胞。當然那個時候地球大氣還是還原性的，海水中有機質非常豐富的狀態。