Біологія. Практичний довідник. 9 клас

Вода

Вода є найважливішою неорганічною сполукою: жоден з живих організмів не може обходитися без води, тому що вона бере участь в усіх процесах життєдіяльності. У середньому в клітинах організмів міститься близько 80 % води. Вміст води в різних тканинах та органах рослини може змінюватися від 3-9 % у сухій тканині до 80-95 % у молодих листочках. Що більше в клітині води, то інтенсивніший у ній обмін речовин: у 1,5-місячного ембріону людини вміст води становить 97, 5%, у новонародженої людини — 74 %, у дорослої людини — у середньому 66 %, а в клітинах людей похилого і старечого віку — 60 %.

Уміст води в різних тканинах та органах (% сирої маси)

  • Склисте тіло ока — 98,5 %;
  • Кров цільна — 82 %;
  • Мозок — 80 %;
  • М’язи — 75 %;
  • Печінка — 75 %;
  • Кістки — 45 %;
  • Жирова тканина — 30-40 %;
  • Дентин — 10 %;
  • Емаль — 3 %;
  • Листя салату, цибулі, плоди помідорів, огірки — 95 %;
  • Листок редиски, капусти, м’якуш кавуна — 80 %;
  • Листя трав’янистих рослин, яблука, груші, бульби, картоплі — 75-80 %;
  • Стовбури дерев — 40-50 %;
  • Зерна злаків — 12-15 %;
  • Мохи, лишайники — 5-7 %;
  • Водні рослини, гриби — понад 80 %;
  • Хвоя — 50-70 %;
  • Сухе насіння — 12-20 %.

Структура води

За даними рентгеноструктурного аналізу, обидва атоми Гідрогену в молекулі води розміщені на однаковій відстані від атома Оксигену (0,098 нм), але не на одній лінії з ним, а утворюючи кут 105°. Кожний атом Гідрогену утримується біля Оксигену потужним ковалентним зв’язком, утвореним завдяки виникненню спільної пари електронів. Енергія ковалентного зв’язку становить близько 110 ккал/моль. У цій сполуці дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд усередині молекули розподілений нерівномірно; в атомів Гідрогену (точніше, ядер Гідрогену, тобто протонів) переважає позитивний заряд, а в Оксигену — негативний. Отже, молекула води — це диполь.

Наявністю полюсів у молекулі води пояснюють її здатність набувати орієнтації в електричному полі, притягуватись і приєднуватися до різних молекул, які несуть заряд, унаслідок чого утворюються гідрати.

Здатність води утворювати гідрати пояснює її універсальні розчинні властивості. З дипольними властивостями води пов’язана також її здатність утворювати водневі зв’язки. Водневий зв’язок виникає в результаті притягання між протонами та спільними парами електронів сусідніх молекул води. Енергія водневого зв’язку, порівняно з енергією ковалентного зв’язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/моль. Проте слабкий зв’язок, повторений багаторазово, дає значну енергію взаємодії. Завдяки тепловому рухові молекул водневі зв’язки між молекулами рідкої води постійно виникають і розриваються. Під час охолодження, коли енергія теплового руху стає меншою від енергії водневих зв’язків, останні пронизують усю масу молекул. Виникає регулярна, характерна для льоду шестигранна структура. Під час утворення льоду виникають великі міжмолекулярні порожнини. Молекули в рідкій воді «упаковані» щільніше. Утворення водневих зв’язків між молекулами води істотно впливає на деякі її властивості. Питома теплота плавлення льоду вища, ніж у більшості інших речовин і становить 79,7 кал/г, тобто 1,44 ккал/моль. Така значна кількість тепла потрібна для розриву водневих зв’язків під час перетворення льоду в рідину.

Кожна молекула води в кристалі льоду сполучена із сусідніми молекулами двома водневими зв’язками. Теоретично для розриву всіх водневих зв’язків потрібно було б: 2 • 4,5 = 9 ккал/моль. Насправді потрібно лише 1,44 ккал/моль. Це свідчить про те, що для перетворення льоду в рідину зовсім не потрібно розривати всі водневі зв’язки. Для цього достатньо зруйнувати близько 15 % їх. Отже, в рідкій воді зберігаються значні скупчення молекул, зв’язаних між собою, як у льоді, водневими зв’язками.

За температури +20 °С близько 70 % молекул перебувають у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул кожний. Такі агрегати, що зберігають у рідкій воді структуру льоду, називають кластерами. Високу питому теплоємність води пояснюють поглинанням енергії, яка витрачається на руйнування кластерів. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури зовнішнього середовища. Вода, поглинаючи тепло, що витрачається на розрив водневих зв’язків, діє як буфер. Висока теплота пароутворення води вказує на те, що кластери існують і за температури, близької до кипіння, тому потрібно багато енергії для руйнування залишків водневих зв’язків. Цю особливість води живі організми використовують для боротьби з перегріванням (випаровування води з поверхні тіла).

Властивості води

Вода — це єдина речовина на Землі, яка одночасно й у великих кількостях трапляється в рідкому, твердому та 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, транспорту речовин по організму. Своєрідні властивості води реалізуються у багатьох загальнобіологічних проявах.

Більшість речовин під час плавлення розширюються, 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. Вагоме значення для збереження і підтримання життєдіяльності водних організмів має особлива властивість води — за температури +4 °С у неї найбільша 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 властивості води на нашій планеті сезонні (температурні) переходи здійснюються 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. Завдяки високій теплоємності вода є головним акумулятором сонячної і термічної енергії та «розподіляє» їх 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 виконує роль стабілізатора структури, визначає функціональну активність макромолекул залежно від товщини гідратної оболонки, розташованої навколо них.

Порівняно з іншими рідинами для води характерна аномально висока прихована теплота випаровування — 2 263,8 Дж/г за температури +100 °С. Повільне випаровування рятує відкриті водойми від надмірних втрат за спекотної погоди. Надзвичайно важливо, що використане 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 біологічно вагомих властивостей води необхідно віднести високий поверхневий натяг, з яким пов’язана сила 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 важливих процесів у живих організмах 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 й незамінна як джерело газоподібного Оксигену, що виділяється в процесі фотосинтезу. Крім того, вона є донором іонів Гідрогену, що беруть участь у фотосинтетичних процесах.