Życie na ziemi jest bardzo uwodnione
Bez wątpienia, woda jest jedną z najważniejszych substancji na Ziemi. Właśnie obecność znacznej ilości ciekłej wody na powierzchni planety umożliwiła istnienie życia. Przyczyny dużej zawartości wody na Ziemi w porównaniu z jej zawartością na innych twardych planetach układu Słonecznego do tej pory nie zostały wyjaśnione. Wielu naukowców uważa, że wodę na Ziemię przyniosły komety na wczesnych etapach kształtowania się planety. Dziś woda okrywa 71 % powierzchni Ziemi i stanowi około 0,05% od masy Ziemi. W organizmach żywych zawartość wody waha sią od 60 do 99%.
Cząsteczka wody składa się z atomów tlenu i wodoru
Woda jest binarnym związkiem nieorganicznym, którego cząsteczki składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru (ryc. 2.1). Nie patrząc na to, że cząsteczka wody jest elektroobojętna, ładunek w niej jest rozmieszczony nierównomiernie: na atomie tlenu
gromadzi się nadmierny ładunek ujemny, a na atomach wodoru - nadmierny dodatni, czyli cząsteczka wody - to dipol. Właśnie dzięki polarnej naturze cząsteczek woda jest znakomitym rozpuszczalnikiem innych związków polarnych (na przykład cukrów i alkoholi) oraz soli. Według klasycznych pojęć sole przy rozpuszczaniu rozszczepiają się na naładowane cząsteczki - jony (ryc. 2.2). Przy tym dzięki siłom kolonowskim różnoimiennie naładowane jony przyciągają się do siebie, co przeszkadza rozpuszczaniu soli. Jednak woda mocno osłabia siły przyciągania między jonami, wytwarzając wokół nich powłoki hydratowe.
Inną cechą wody jest obecność wiązań wodorowych. Pomiędzy atomem wodoru (o częściowym ładunku dodatnim) jednej cząsteczki i atomem tlenu (o częściowym ładunku ujemnym) innej powstaje współdziałanie elektrostatyczne. Takie współdziałanie nazywa się wiązaniem wodorowym (ryc. 2.3). Wiązania wodorowe są znacznie mocniejsze od zwykłych współdziałać międzycząsteczkowych, mimo że są mniej mocne od wiązań kowalencyjnych. Właśnie dzięki obecności wiązań wodorowych woda ma wysoką pojemność cieplną, wysokie temperatury wrzenia i topnienia, a także inne właściwości anomalne.
Ryc. 2.2. Rozpuszczanie się soli kuchennej w wodzie
Woda ułatwia proces rozpuszczania elektrolitów drogą kształtowania powłok hydratowych wokół jonów. Powłoki hydratowe pełnią rolę izolatorów osłabiających oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy jonami.
Woda ma dużo właściwości anomalnych
Dzięki obecności między cząsteczkami wiązań wodorowych woda ma anomalnie wysokie temperatury topnienia (0°C przy ciśnieniu 1 atm.) i wrzenia (100°C przy ciśnieniu 1 atm.). Dlatego w warunkach standardowych (temperatura 25°C i ciśnienie 1 atm.) woda jest cieczą. Dla porównania: podobny pod względem struktury i masy siarkowodór, amoniak i metan - to gazy1.
Woda ma anomalnie wysoką pojemność cieplną: aby ogrzać 1 kg wody o 1°C, należy zużyć 4,2 kJ energii. Dlatego nawet dla nieznacznej zmiany temperatury wody niezbędne są duże straty energii. Parowanie wody też jest powiązane z pobraniem dużej ilości ciepła, co pozwala żywym organizmom wykorzystywać wodę jako termoregulatora.
Jeszcze jedna ogólnie znana anomalia: woda posiada maksymalną gęstość przy temperaturze +4°C, dlatego lód pływa w ciekłej wodzie i nie tonie. Dla większości substancji postać stała jest gęstsza od ciekłej. Sekret niskiej gęstości lodu także kryje się w wiązaniach wodorowych: w niskiej temperaturze chaotyczny ruch cząsteczek sprowadza się do minimum, dlatego wszystkie cząsteczki wody są uporządkowane w strukturę krystaliczną utrzymywaną wiązaniami wodorowymi. Przy wyższej temperaturze zachodzi rozerwanie części wiązań wodorowych i przejście wody w stan ciekły -mniej uporządkowany, lecz bardziej zwarty (ryc. 2.4). Właśnie dlatego zbiorniki wodne nie zamarzają do dna, a tylko okrywają się warstwą lodu, co umożliwia rybom przeżywanie.
Organizmy wykorzystują wodę do różnych celów
Unikalne właściwości wody wyznaczają jej decydującą rolę dla żywych organizmów. Woda jest głównym rozpuszczalnikiem w komórce, stanowiąc prawie 70% masy komórki. Tylko w roztworze wodnym duże cząsteczki biologiczne, z którymi zapoznasz się w najbliższym czasie, mogą przybierać regularny kształt przestrzenny i normalnie funkcjonować.
Jednak czy wszystkie substancje jednakowo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Oczywiście, że nie wszystkie. Są liczne grupy związków, które w ogóle w wodzie nie rozpuszczają się. Gdyby wszystkie części komórki rozpuszczały się w wodzie, to komórka bardzo prędko rozszczepiłaby się (to znaczy rozpuściłaby się), czyli przestałaby istnieć jako jednostka jednolita. Właściwie dlatego wielkie znaczenie ma rozpuszczalność tej lub innej substancji w wodzie. Według zdolności rozpuszczania się w wodzie wszystkie substancje dzielą się na dwie grupy - hydrofitowe i hydrofobowe2.
1 Tu może powstać pytanie, dlaczego w siarkowodorze i amoniaku nie powstają wiązania wodorowe. W rzeczywistości one w nich powstają, lecz siła tych wiązań jest znacznie niższa niż u wody. Śekret siły wiązań wodorowych między cząsteczkami wody polega na tym, że tlen jest bardziej elektroujemnym atomem niż siarka lub azot, toteż mocniej odciąga elektrony od wodoru. Powoduje to powstanie większych ładunków nadmiernych na atomach, wskutek czego wodór i tlen różnych cząsteczek przyciąga się mocniej.
2 Od greckiego hydor-woda, philia - lubić, phobos - strach.
Do pierwszej grupy należą substan-
cje polarne dobrze rozpuszczające się w wodzie. Do drugiej - substancje nierozpuszczalne w wodzie, takie jak tłuszcze i podobne do nich.
Dzięki różnej rozpuszczalności substancje hydrofobowe mogą rozdzielać obszary wewnątrz komórki lub całe komórki. Wszystkie błony biologiczne otaczające komórki są złożone z substancji hydrofobowych.
Jako dobry rozpuszczalnik dla wielu substancji woda zdolna jest do transportowania ich w żywym organizmie. Przypomnij sobie chociażby ruch substancji ksylemem i floemem u roślin lub funkcję transportową osocza krwi.
Woda jest cieczą prawie nieściskalną, dlatego ona wykonuje funkcję podporową. Większą część dojrzałej komórki roślinnej stanowi wodniczka wypełniona cieczą pod ciśnieniem. Właśnie dzięki temu ciśnieniu komórki i narządy roślin zachowują swoje kształty. Gdy komórki tracą wodę, obserwujemy więdniecie roślin, co jest bezpośrednio związane z obniżeniem ciśnienia w wodniczce (ryc. 2.5).
Warto zwrócić uwagę, że woda jest nie tylko środowiskiem, w którym współdziałają różne cząsteczki biologiczne, lecz uczestniczy też w reakcjach chemicznych. W procesie fotosyntezy, którą dokonują rośliny, woda jest jedną z substancji, z których potem będą zbudowane cząsteczki substancji organicznych. Proces trawienia też zachodzi przy bezpośrednim udziale cząsteczek wody: ona jest niezbędna do rozszczepienia dużych cząsteczek na drobniejsze.
Na zakończenie zaznaczmy, że dzięki wysokiej pojemności cieplnej wody organizmy żywe wykorzystują ją do termoregulacji. Organizmy nie zamarzają na mrozie natychmiast i nie przegrzewają się podczas upału właśnie dlatego, że zawierają dużą ilość wody. A takiemu procesowi jak parowanie potu towarzyszy strata znacznej ilości ciepła i ochłodzenie organizmu.
Substancje nieorganiczne organizmów przeważnie są rozpuszczone w wodzie
Zawartość komórki - to roztwór wodny, w którym oprócz cząsteczek wody jest dużo różnych substancji organicznych i nieorganicznych. Większa część płynów wewnątrzkomórkowych i międzykomórkowych - to wodne roztwory jonów nieorganicznych. Wśród anionów nieorganicznych (ujemnie naładowanych jonów) w komórce przeważają jony chloru i fosforanu. Aniony chloru są jak na zewnątrz, tak i wewnątrz komórki, natomiast
aniony fosforanu mają przewagę w środowisku wewnątrzkomórkowym. Wśród kationów (jonów naładowanych dodatnie) dominują jony metali alkalicznych (sód, potas) i ziem alkalicznych (wapń i magnez). Przy tym obserwuje się asymetria podziału jonów: w płynie międzykomórkowym jest więcej jonów sodu i potasu, a w wewnątrzkomórkowym - jonów potasu i magnezu1. Jony metali alkalicznych i ziem alkalicznych odgrywają różnorodne role.
1 To stwierdzenie nie zawsze jest poprawne: często wewnątrz komórki są odcinki ograniczone btoną, w których stężenie jonów potasu może znacznie przewyższać stężenie na zewnątrz komórki. Przy tym te odcinki są oddzielone od zwykłego środowiska wewnętrznego i są „spiżarniami" jonów potasu wewnątrz komórki.
Właśnie one są zaangażowane w tworzenie różnicy potencjałów elektrycznych na błonie komórkowej komórek nerwowych, co zapewnia przekazywanie impulsów nerwowych. Jony magnezu mają zasadnicze zna-
czenie dla normalnego funkcjonowania wielu dużych cząsteczek biologicznych. Jony wapnia są zaangażowane do takich procesów, jak skurcze mięśniowe i przekazywanie sygnałów wewnątrz komórki.
Niektóre substancje nieorganiczne środowiska międzykomórkowego są nierozpuszczalne
Oprócz ważnej roli wewnątrz komórki, substancje nieorganiczne pełnią znaczącą rolę poza komórką. Tak więc dostateczna ilość jonów wapnia w osoczu krwi jest niezbędna do powstania skrzepów i ustania krwawienia. Sok żołądkowy zawiera do 5% kwasu solnego niezbędnego do procesów rozszczepiania białek i niszczenia bakterii, które dostają się do żołądka wraz z jedzeniem. Określona kwasowość krwi jest podtrzymywana przede wszystkim dzięki obecności we krwi węglanów i fosforanów: one podtrzymują stałą kwasowość osocza krwi, gdy powstaje niebezpieczeństwo jej zmiany. Wiele substancji jest korzystnych dla organizmów również w stanie nierozpuszczalnym. Na przykład ortofosforan wapnia i węglan wapnia stanowią do 70% suchej masy tkanki kostnej człowieka1, co zapewnia mocne kości i zęby. Sole wapnia i strontu są podstawą szkieletu również innych istot, wchodząc do składu muszli mięczaków i pierwotniaków, a także pancerzy skorupiaków.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
Do przeniesienia ciepła w organizmie wykorzystuje się A żelazo В hemoglobinę C wapń Dwodę E fosforan wapnia
Ciało człowieka o masie 70 kg zawiera 65% wody. Ile ciepła powinno pochłonąć ciało, żeby ogrzać się o 1 stopień, uwzględniając, że ciepło pochłania tylko woda
A 191 kJ В 294 kJ C 273 kJ D 452 kJ E 4,2 kJ W przestrzeni wewnątrzkomórkowej jest więcej niż w międzykomórkowej jonów
Przy przekazywaniu impulsu nerwowego dodatnio i ujemnie naładowane strony błony komórkowej zmieniają się przez przeniesienie jonów
Zawartość jakiego pierwiastka w wysuszonej kości jest największa? AC В Ca C Mg D Sr E Na
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
Jak zmieniłyby się właściwości wody, gdyby między jej cząsteczkami nie powstawały wiązania wodorowe?
Jakie skutki dla organizmu w wieku podeszłym ma obniżenie się w nim wody?
Dlaczego, w odróżnieniu od wody, gęstość stałego amoniaku jest większa od gęstości płynnego?
Psy podczas upału oddychają otwartą kufą z wysuniętym wilgotnym jęzorem. Jakie właściwości wody i jak pomagają psom walczyć z upałem w ten sposób?
Podaj charakterystykę zaburzeń pracy organizmu człowieka powstających przy niedostatecznej ilości wapnia.
Dlaczego do stworzenia środowiska kwasowego w żołądku organizm wytwarza kwas solny, a nie jakiś inny kwas?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
Ponieważ wewnętrzna przestrzeń organizmów jest wypełniona wodą, to nierozpuszczalne w niej substancje - tłuszcze i wiele soli - nie miałyby transportować się, lecz gromadzić w miejscu powstania. W jaki sposób organizmy rozwiązują ten problem?
Dlaczego podstawowymi kationami organizmu są kationy metali alkalicznych i ziem alkalicznych, a nie inne kationy?
Jakie schorzenia i w jaki sposób prowadzą do odwodnienia organizmu? Czy wystarczające jest picie wody w walce z odwodnieniem?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
W płynie międzykomórkowym podtrzymuje się określone stężenie jonów nieorganicznych. Co stanie sie z komórkami, jeśli ulokujemy je w roztworze, w którym stężenie soli jest 10 razy wyższe lub niższe niż w komórce?
Komórki wielu organizmów są zdolne do wytrzymywania obniżenia temperatury poniżej zera bez zamarzania zawartości wewnętrznej. Jakie strategie ochrony komórek przed zamarzaniem wykorzystują takie organizmy?
Projekt do opracowania w grupie
Znaczenie substancji organicznych i nieorganicznych dla twardości i giętkości
kości.
1) Zjedz kurczaka, a oczyszczone od miękkich tkanek kości wypłucz wodą i wysusz. Obowiązkowo zachowaj kilka kości do porównania.
2) Umieść kilka kości w puszce i nalej do niej ocet (roztwór kwasu octowego). Aby ocet nie dawał zapachu, zakryj szczelnie puszkę pokrywką. Po 3-5 dniach przechowywania wyjmij kości, wypłucz wodą i wysusz.
3) Inne kości praż w ciągu różnego czasu. Pamiętaj, że palenie się substancji organicznych powoduje powstawanie ostrego nieprzyjemnego zapachu, dlatego pracuj w dobrze wietrzonym pomieszczeniu. Zaczekaj, dopóki kość nie sczernieje od substancji organicznych, które zwęgliły się. Ostrożnie ostudź kości.
4) Przynieś i pokaż kolegom, jak zmieniła się twardość i giętkość kości wskutek doświadczenia. Wytłumacz zmiany, które zaszły.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow