Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи
Тема 4 Неогранічні речовини живих організмів
§ 14. ВОДА ТА ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ
Терміни та поняття: вода, водневі зв’язки, істинний розчин, колоїдний розчин, дифузія, осмос, гідроліз, теплоємність, теплопровідність, поверхневий натяг, водний баланс, хронічне зневоднення.
Вода – це найпоширеніша хімічна сполука на Землі, її маса найбільша у живому організмі. Підраховано, що вода становить 85 % від загальної маси середньостатистичної клітини. Тоді як в клітинах людини вода в середньому
Мал. 87.Схема будови молекули води: 1 – Гідроген; 2 – Оксиген; 3 – валентний кут
В особин чоловічої статі вміст води в клітинах становить в середньому 63 %, жіночої – трохи менше 52 %. Чим це викликано? Виявляється, все досить просто. У жіночому тілі багато жирової тканини, в клітинах якої
Унікальні властивості води обумовлені структурою її молекули. З курсу хімії вам відомо, що різна електронегативність атомів Гідрогену і Оксигену є причиною виникнення ковалентного полярного зв’язку в молекулі води. Молекула води має форму трикутника (мал. 87), у якому електричні заряди розташовані несиметрично, і є диполем (пригадайте означення цього терміну).
За рахунок електростатичного притягання атома Гідрогену однієї молекули води до атома Оксигену іншої молекули між молекулами води виникають водневі зв’язки.
Розглянуті особливості структури і фізико-хімічні властивості води (здатність води бути універсальним розчинником, змінна густина, висока теплоємність, великий поверхневий натяг, текучість, капілярність тощо), зумовлюють її біологічне значення.
Які функції виконує вода в організмі. Вода – це розчинник. Полярна будова молекули води пояснює її властивості як розчинника. Молекули води вступають у взаємодію з хімічними речовинами, елементи яких мають електростатичні зв’язки, і розкладають їх на аніони й катіони, що зумовлює перебіг хімічних реакцій. Як відомо, багато хімічних реакцій відбувається лише у водному розчині. При цьому сама вода залишається інертною, тому може використовуватися в організмі неодноразово. Вода слугує середовищем для транспортування різних речовин усередині організму. Крім того, кінцеві продукти обміну речовин виводяться з організму переважно в розчиненому вигляді.
У живих істотах існує два головних типи розчинів. (Пригадайте класифікацію розчинів.)
Так званий істин ний розчин, коли молекули розчинника співпадають за розмірами з молекулами розчинної речовини, яку вони розчинюють. В результаті відбувається дисоціація й утворюються йони. В цьому випадку розчин є гомогенним і, висловлюючись науковою мовою, складається з однієї – рідкої фази. Типовими прикладами слугують розчини мінеральних солей, кислот чи лугів. Оскільки в таких розчинах є заряджені частинки, то вони здатні проводити електричний струм і є електролітами, як і всі розчини, що зустрічаються в організмі, в тому числі кров хребетних тварин, де міститься багато мінеральних солей.
Колоїдний розчин – це той випадок, коли молекули розчинника значно менші за розмірами від молекул розчиненої речовини. У таких розчинах частки речовини, які називаються колоїдними, вільно рухаються у товщі води, оскільки сила їх тяжіння не перевищує силу їх зв’язків з молекулами розчинника. Такий розчин вважається гетерогенним, тобто таким, що складається з двох фаз – рідкої і твердої. Всі біологічні рідини є сумішами, до складу яких входять істинні та колоїдні розчини, оскільки в них містяться як мінеральні солі, так і величезні молекули (наприклад білків), які мають властивості колоїдних часток. Тому цитоплазма будь-якої клітини, кров чи лімфа тварин, молоко ссавців одночасно містять йони і колоїдні частки.
Як ви напевно пам’ятаєте, біологічні системи підкоряються усім законам фізики і хімії, тому в біологічних розчинах спостерігаються фізичні явища, які відіграють значну роль в життєдіяльності організмів.
Дифузія (від лат. діфузіо – розповсюдження, розтікання, розсіювання) у біологічних розчинах проявляє себе як тенденція до вирівнювання концентрації структурних часток розчинених речовин (йонів і колоїдних часток), що в кінцевому результаті приводить до рівномірного розподілу речовини в розчині. Саме завдяки дифузії відбувається живлення ба гать ох одноклітинних істот, транспортування кисню і поживних речовин по тілу тварин за відсутності в них кровоносної та дихальної систем (пригадайте, що це за тварини). Крім того, транспортування багатьох речовин до клітин здійснюється саме завдяки дифузії.
Ще одне фізичне явище – осмос (від грец. осмос – поштовх, тиск) – переміщення розчинника через напівпроникну мембрану. Осмос викликає переміщення води з розчину, що має низьку концентрацію розчинених речовин і високий вміст Н2О, у розчині з високою концентрацією розчинених речовин і низьким вмістом води. У біологічних системах це ніщо інше, як транспортування води на рівні клітини. Саме тому осмос відіграє значну роль в багатьох біологічних процесах. Сила осмосу забезпечує рух води у рослинному i тваринному організмах, завдяки чому їх клітини отримують поживні речовини та підтримують сталу форму. При цьому слід зазначити, що чим більшою є різниця в концентрації речовини, тим біль ший осмотичний тиск. То му як що клітини помістити в гіпотонічний розчин, вони за рахунок різкого надходження води набухнуть і розірвуться.
Вода – це хімічно активна речовина, яка вступає в реакцію гідролізу (від грец. гідро – вода і лізіс – розпад). Ця реакція є основою багатьох процесів, що відбуваються в живих організмах, і насамперед за її участю проходить розкладання величезних біологічних молекул.
Мал. 88.Сили притягання, що діють на молекули рідини: а – в середині; б – на поверхні рідини
Мал. 89.Клоп-водомірка на поверхні води
Молекули води є також безпосередніми складовими реакцій біологічного синтезу, зокрема утворення органічних речовин в результаті фотосинтезу.
Вода – найважливіша терморегулююча речовина організму, що зумовлено її надзвичайно високою теплоємністю – здатністю поглинати тепло. Це пояснюється тим, що частина теплової енергії витрачається на руйнування водневих зв’язків – подолання сил зчеплення між молекулами води, що запобігає перегріванню організму. Завдяки високій теплоємності води біохімічні реакції в клітинах відбуваються в сталому діапазоні температур.
Вода має високу теплопровідність і швидко передає тепло від однієї частини тіла до іншої, таким чином запобігаючи перегріванню органа, який найбільш активно функціонує.
Вода має велику теплоту випаровування; саме ця її особливість використовується при терморегуляції у тварин (потовиділення ссавців) і рослин (охолоджування листків).
Підраховано, що тільки внаслідок величезної теплоємності води температура тіла футболіста під час гри не підвищується до +110 °С.
У води велика теплота плавлення. Це перешкоджає утворенню кристалів льоду в клітинах при зниженні температури. (Тепер вам зрозуміло, чому рослини або комахи в стані діапаузи здатні переносити значні морози.)
Вода діє як мастильна рідина в тих частинах тіла, де поверхня одного органа треться об поверхню іншого, особливо в суглобах.
Вода є опорою організму не тільки рослин, а й деяких тварин. (Пригадайте, як в’януть квіти, якщо їх не поливати, і що таке гідроскелет червів.)
Воді властивий сильний поверхневий натяг. Як вам відомо з фізики, на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. На молекули рідини діють сили притягання сусідніх молекул (мал. 88) (Користуючись малюнком, визначте, чому дорівнює рівнодійна сил, що діють на молекулу всередині рідини.) Завдяки наявності поверхневого натягу по поверхні водойм можуть рухатися тварини (мал. 89).
Чимало властивостей води в живому організмі досі досконало не вивчено. Виявляється, молекули води надзвичайно чутливі до електромагнітних і акустичних (мал. 90 а, б) полів і, на думку вчених, є своєрідним органом чуття у багатьох живих істот.
Що таке водний баланс організму. Зазвичай потреба у воді дорослої людини, що живе в нежаркому кліматі, становить не менше 2,5-3 л на добу (в тропічному кліматі потреба зростає більш ніж у два рази).
Мал. 90.Наочна ілюстрація акустичної властивості води: так кристали води “реагують” на музику: а – Моцарт “Симфонія № 40”; б – Бетховен “Сифонія № 6”
Приблизно половина цього об’єму надходить з різноманітними напоями і ще близько половини – з їжею, а також утворюється внаслідок розпаду органічних речовин (таку воду інколи називають “метаболічною”). В середньому за добу близько 1,4 л води людина виділяє із сечею і приблизно 1 л випаровується з поверхні тіла, а також із легенів. Таким чином підтримується водний баланс організму – рівновага між кількістю води, що надходить до організму, і тією, що виділяється.
При цьому слід врахувати, що потреба у воді залежить від життєвої активності, живлення, фізичного навантаження, здоров’я, віку, клімату і навіть погоди.
Далеко не все, що називають у побуті водою, безпечно для здоров’я людини. Так, наприклад, зовсім не підходить водопровідна, оброблена хлором вода, що містить шкідливі йони, і в якій трапляються хвороботворні організми і шкідливі речовини. Кращою для пиття вважається вода з природних джерел, яка містить збалансований комплекс різних іонів, має потрібний для організму поверхневий натяг і насиченість киснем.
Дефіцит води в організмі – хронічне зневоднення – одна з причин багатьох захворювань (астми, алергії, підвищеного артеріального тиску, надлишкової ваги і навіть психічних розладів, наприклад депресії). Зазвичай люди не відчувають того, що їх організм зазнає дефіциту води.
Виявляється, що більшість людей щодоби випиває менше рідини, ніж необхідно для здорового життя. А свої недуги ніяк не пов’язують із нестачею води – головного розчинника, без якого неможливе життя.
Із вищезазначеного випливає, що питна вода найближчим часом стане важливим природним ресурсом, який визначатиме здоров’я нації. Тоді як вже зараз в Україні це один з найдефіцитніших природних ресурсів. Через фізико-географічні особливості території і внаслідок створення величезного числа гребель, що загородили річки і призвели до їх забруднення, Україна перетворилася на країну з постійним дефіцитом питної води. Щороку на кожного жителя нашої країни припадає до 1 тис. м3 прісної води на рік. Тоді як за оцінками ООН достатньою вважається величина на порядок більша – 10-15 тис. м3.
Ще трохи цікавої і важливої інформації. При втраті води на 2 % від маси тіла з’являється спрага, на 6-8 % – настає напівнепритомність, при браку в об’ємі 10 % з’являються галюцинації, а при дефіциті у 12 % людина гине. Паління призводить до зневоднення організму.
Вживання кави й алкоголю також призводить до зневоднення. На кожну випиту чашку кави або порцію алкоголю треба випити додатково склянку води.
Якщо спортсмен п’є більше води, ніж вимагає відчуття спраги, то його витривалість різко підвищується.
Ті, хто п’ють води і напоїв більше, виявляють і більше витримки, а ще такі люди схильні до творчості.
Багато з тих, хто хоче схуднути, вважає, що їх організм утримує воду, і намагаються пити якомога менше. Проте вода є природним сечогінним засобом, і тому при схудненні слід пити більше води.
У подорожі людина нерідко стикається з проблемами травлення і втомою, які важко пояснити. Виявляється, їх причиною є лише зміна води. Річ у тому, що організм “запам’ятовує” певний баланс речовин у воді, яку споживає щодня, і реагує на зміни цього складу.
Особливе значення в організмі має вода – най – масовіша сполука клітини і найпоширеніша речовина на планеті Земля. Вона має невеликі за розмірами полярні молекули і напівкристалічну структуру. Це єдина речовина, яка може перебувати у трьох агрегатних станах. Вода є сильним розчинником і хімічно активною речовиною. Вона забезпечує теплорегуляцію організму, транспортування речовин в організмі, рух крові капілярами у тварин і води провідними судинами у рослин.
Там, де є життя, завжди є вода. Життя без води неможливе.
(2 votes, average: 2,50 out of 5)