Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Властивості води

Вода має ряд специфічних особливостей, які накладають глибокий відбиток на будову й життєдіяльність організмів водного середовища. Насамперед вода — це єдина речовина на Землі, яка одночасно і у великих кількостях трапляється в рідкому, твердому й газоподібному станах.

Як рідина вода має надзвичайно високу універсальну розчинну здатність, зумовлену полярністю її молекул і здатністю утворювати водневі зв’язки. Вода є середовищем і безпосереднім учасником більшості біохімічних реакцій і процесів у живих організмах. Водні розчини — основа ґрунтового живлення рослин, транспортування речовин по організму. Своєрідні властивості води реалізуються у багатьох загальнобіологічних проявах.

Більшість речовин під час плавлення розширяються, а вода, навпаки, стискується. Під час замерзання води об’єм льоду збільшується. Ці об’ємні зміни води — один з могутніх факторів екологічного значення, який формує вигляд поверхні Землі, руйнуючи гори до материнських порід — первинного матеріалу для утворення ґрунту. Велике значення для збереження та підтримання життєдіяльності водних організмів має особлива властивість води — за температури +4 °С у неї найвища густина (1 г/см³), унаслідок чого лід утворюється лише на поверхні водойм, зберігаючи придонний шар води від замерзання.

Висока прихована теплота плавлення льоду (336 Дж/г) забезпечує поступове замерзання рік, озер, морів, танення снігу, льоду, льодовиків. Завдяки цій прекрасній властивості води на нашій планеті сезонні (температурні) переходи відбуваються плавно. Володіючи найвищою серед рідких і твердих тіл питомою теплоємністю та високою для рідин теплопровідністю, вода є ідеальною рідиною для підтримання теплової рівноваги організмів.

Кліматичне значення цих властивостей води важко переоцінити. Висока теплоємність робить воду головним акумулятором сонячної і термічної енергії та її розподілом на планеті.

Висока діелектрична проникність води зумовлює інтенсивну дисоціацію солей, кислот і основ на йони, наявність яких підвищує різноманітність біохімічних реакцій, здійснює регуляцію осмотичної рівноваги організму й середовища. Завдяки полярності своїх молекул вода виступає в ролі стабілізатора структури, визначає функціональну активність макромолекул залежно від товщини гідратної оболонки, розташованої навколо них.

Не зважаючи на високе значення теплоти плавлення льоду і пароутворення, вода має здатність випаровуватись за будь-якої температури, у тому числі й у стані замерзання.

Порівняно з іншими рідинами у води аномально висока прихована теплота випаровування — 2263,8 Дж/г при 100°С. Повільне випаровування рятує відкриті водойми від надмірних втрат від жаркої погоди. При цьому надзвичайно важливо, що витрачене на випаровування тепло не втрачається. Під час конденсації пари воно виділяється в такій самій кількості, підвищуючи температуру повітря або субстрату. Прихована теплота пароутворення відіграє вагому роль у взаємовідносинах організмів і середовища. До кількості біологічно значних властивостей води необхідно віднести високий поверхневий натяг, з яким пов’язані сили зчеплення її молекул (капілярності) й прилипання (адгезії). Завдяки їм здійснюється переміщення води та її розчинів по стеблу рослини, адсорбційні процеси в кореневих системах, травних системах, дихання, руху. Поверхневу плівку води використовують для пересування багато живих організмів (водомірки, тропічні ящірки-василіски), прикріплення та переміщення (ряд молюсків, личинки комарів, нейстонні водорості й безхребетні, утворюючи своєрідний біоценоз — нейстон).

Вода має повну прозорість у видимій ділянці спектра, що відіграє першорядну роль для більшості життєво важливих процесів живих істот земної поверхні й водної товщі — фотосинтезу, фотоперіодизму, орієнтації в просторі, фотоморфогенезу, пошуку їжі, поведінки, тощо.

Насамкінець ще одна властивість води — її нестискуваність, що дуже важливо для росту й підтримання форми органів і частин рослин і тварин. Стан тургору забезпечує доцільне положення органів рослин у просторі. В екологічному плані вода унікальна і незамінна як джерело газоподібного Оксигену, що виділяється в процесі фотосинтезу. Крім того, вона є донором іонів Гідрогену, що беруть участь у фотосинтетичних процесах.

Роль води в клітині

Вода визначає деякі фізичні властивості клітин, наприклад, їх об’єм, пластичність. Вода — добрий розчинник і більшість речовин у водному розчині надходить у клітину, у водному ж розчині відпрацьовані речовини виводяться з клітини. Більшість реакцій, які відбуваються в клітині можуть відбуватися лише у водному розчині. Вона є реагентом у багатьох реакціях. Білки, жири, вуглеводи та інші речовини розщеплюються за участі води. Такі реакції називають реакціями гідролізу. Вода відіграє істотну роль у розподілі та передаванні тепла в організмі. Вода є розчинником багатьох речовин: солей, цукрів, амінокислот, білків. У цьому випадку притягання молекул води до розчинної речовини перевищуватиме енергію притягання між молекулами води. Речовини, які добре розчиняються у воді, називають гідрофільними. Проте існує група речовин, які важко розчиняються у воді або практично нерозчинні — гідрофобні речовини. До них належить більшість неполярних речовин — жири, ліпоїди, каучуки, парафіни тощо.

Нерозчинність неполярних речовин широко використовується клітиною: до складу клітинних мембран входять неполярні речовини (ліпоїди), які обмежують перехід води із зовнішнього середовища в клітину й назад, а також з одних частин клітини в інші. Вагоме значення має вода в організації структури біополімерів, зокрема білків. Молекула білка — це довга нитка, від якої по всій довжині відходять бокові групи (радикали). Частина радикалів — гідрофільна, інша частина — різко гідрофобна. З тієї ж причини, з якої поміщені у воду жири, парафіни та інші гідрофобні речовини злипаються, утворюючи краплі, зчіплюються один з одним і гідрофобні радикали білка. Білкова нитка закручується в кульку, із зовнішнього боку якої розмістяться гідрофільні групи, а всередині — гідрофобне ядро. У водному середовищі між гідрофобними ділянками білкової молекули виникають сили зчеплення, які підтримують стабільність структури білкового полімеру. Вода є основною речовиною протоплазми, вона необхідна для перебігу реакцій обміну речовин. Активна роль у цих реакціях належить лише вільним молекулам води. Якщо ж молекула входить до складу кластера, вона скована й метаболічно інертна. Якщо кластерів багато, вони скупчуються, оточують і наче «затирають» активні поверхні клітини (наприклад, активні центри ферментів із субстратами) і тому гальмують перебіг обмінних процесів. Можливо, через це так різко пригнічується метаболізм у клітині під час зниження температури.

Основні функції води в біологічних об’єктах

Водне середовище об’єднує всі структури організму в єдине ціле, починаючи від молекул у клітинах і закінчуючи тканинами та органами. У тілі рослин водна фаза являє собою безперервне середовище: від вологи, поглинутої коренями з ґрунту, до поверхні розділення рідина — газ, де вона випаровується.
Вода — важливий розчинник і середовище для біохімічних реакцій.
Вода бере участь в упорядкуванні структур у клітинах. Вона входить до складу молекул білків, визначаючи їх конформацію. Видалення води з білків висолюванням або за допомогою спирту призводить до їх коагуляції та випадання в осад. У підтриманні структур гідрофобних ділянок білкових молекул і ліпопротеїдів істотна роль належить структурованій воді.
Вода — метаболіт і безпосередній компонент біохімічних процесів, під час фотосинтезу вода є донором електронів. Під час дихання (у циклі Кребса) вода бере участь в окиснювальних процесах. Вода необхідна для гідролізу та багатьох синтетичних процесів.
Можливо, істотну роль у життєвих явищах, особливо в мембранних процесах, відіграє відносно висока протонна й електронна провідність структурованої води.
Вода — головний компонент транспортної системи вищих рослин у судинах ксилеми й ситоподібних трубках флоеми, під час переміщення речовин по симпласту (багатоядерний цитоплазматичний утвір, сукупність протопластів, з’єднаних плазмодесмами) й апопласту (система взаємозв’язаних міжфібрилярних просторів клітинних оболонок та міжклітинників, через яку здійснюється переміщення води в рослині).
Вода — терморегулятор: вона захищає тканини від різких коливань температури завдяки високій теплоємності та високій питомій теплоті пароутворення.
Вода — добрий амортизатор під час механічних впливів на організм.
Завдяки явищам осмосу й тургору вода забезпечує пружний стан клітин і тканин рослинних організмів.
Для водоростей та для багатьох водних тварин вода є середовищем існування.
Наземні спорові рослини зберігають залежність від краплинно-рідкої води (їхні гамети рухаються за допомогою джгутиків).

Зміст