Какие свойства воды определяют ее транспортную функцию
Непрерывность жизни на нашей планете в течение миллиардов
лет обеспечивается взаимодействием четырех основных элементов — воздух, вода,
огонь и земля. По мнению ученых, водный раствор стал первоначальной
благоприятной средой, где зародились предшественники современных живых существ.
Намного позже, благодаря их активному развитию и жизнедеятельности смогли
сформироваться атмосфера и почва. Вода регулярно подвергается изучению со
стороны научного мира. Уже доказано, что она наделена уникальными свойствами, и
жизнь без воды не сможет продолжать свое существование.
Вода – это жизнь
Основой жизни на Земле является вода. Это вещество самое
распространенное на нашей планете и на 70-95 % входит в состав всего живого
мира. Каждая растительная и животная клетка на 2/3 состоит из водного раствора
необходимых питательных компонентов. Роль воды в биосфере не поддается сомнению
– она задействована в самых разных механизмах и жизненных циклах, а также
является средой обитания для многих макро- и микроорганизмов.
Значение воды в жизни человека
Активное развитие человечества требует регулярного
потребления природных ресурсов. Первостепенным по важности даром природы
является вода, поэтому издревле все цивилизации формировались и продолжали свое
существование только вблизи водоемов. Человек представляет собой главного
потребителя, и значение воды для него неоценимо – используется для питания и
питья, гигиены, в быту, а также для различных сельскохозяйственных и
промышленных нужд. Кроме того, роль воды для человеческого организма
немаловажна с точки зрения биологии:
- Человеческое тело на 50-86% из воды (86% у новорожденного и до 50% у пожилых людей), которая в основном распределяется между клеточным содержимым, межклеточной жидкостью, кровью, лимфой, различными секретами желез и др.
- Исключительно важный источник энергии. Норма потребления жидкости составляет не менее 2 л в день. При недостатке влаги в организме на 12% и более запускаются патологические процессы, а при обезвоживании на 20% наступает летальный исход.
- Способствует поддержанию оптимальной температуры тела.
- Выводит шлаки, токсины и продукты жизнедеятельности.
- Транспортирует ко всем клеткам кислород и питательные вещества.
- Поддерживает структуру клеток, защищает ткани и внутренние органы.
- Амортизирует суставы и предотвращает их трение.
- Способствует усвоению и перевариванию продуктов питания.
Круговорот воды в организме
Живой организм – это транзитный пункт непрерывного потока
жидкости. Водный цикл в нем включает три этапа: поступление, поглощение клетками
и выведение.
Биологические функции воды (транспортная, регуляторная,
структурная, метаболическая) обоснованы ее уникальными свойствами. Она является
универсальным растворителем и входит в состав всех биологических жидкостей,
включая слезы, урину, пот, слюну, лимфу и кровь. Даже межклеточное пространство
и сама клетка на 60-80% состоит из водного раствора питательных веществ,
который обновляется в течение 5-7 дней. Полное обновление жидкостного состава
происходит за 25-30 дней.
Вода в природе
Вода – уникальная субстанция, участвующая во всех физических,
химических и биологических процессах. Она представлена тремя агрегатными
состояниями (газообразное, твердое, жидкое), благодаря чему возможна реализация
важнейшего природного механизма – круговорота воды в природе. За счет
циклического перемещения влаги происходит взаимосвязь и полноценное
функционирование атмосферы, гидросферы, биосферы и литосферы.
Значение воды для всех живых существ на планете невозможно
переоценить:
- Она на три четверти покрывает поверхность земного шара, что в совокупности с солнечной энергией (согласно современным представлениям) способствовало происхождению жизни на микроуровне.
- Все водоемы участвуют в создании климата той или иной местности, способствуют регулировке температурного режима в атмосфере.
- Вода необходима для прорастания семян.
- Ключевой аспект фотосинтеза. Без ее участия растения не могут перерабатывать углекислый газ в кислород.
- Эпидемиологическое значение. Основные этапы жизненного цикла многих паразитов и патогенных микроорганизмов проходят в водной среде (например, плоские черви, возбудители брюшного тифа, бруцеллеза и дизентерии).
Вода в промышленности
Благодаря развитию технологий, во всех отраслях
промышленного производства все чаще требуется высококачественное исходное сырье
и сопутствующие продукты. Для достижения необходимых характеристик применяемого
материала в большинстве случаев используется вода, которая может использоваться
в технологическом процессе следующим образом:
- Выступать сырьем для конечного продукта – от нее напрямую зависит качество и конкурентные преимущества (например, лекарственные препараты, косметика, напитки и др.).
- Непосредственно использоваться в технологическом процессе – от параметров применяемой жидкости может зависеть надежность и срок работы используемого оборудования (как правило, дорогостоящего) или свойства получаемого изделия (например, линии порошковой окраски, линии гидроабразивной резки, производство электроники и др.).
- Сопутствовать технологическому процессу. От качества используемой жидкости зависит срок службы коммуникаций (например, оборотная вода систем охлаждения, нагрева, кондиционирования и др.).
Кроме промышленного производства, вода является главным
элементом в энергетике:
- ГЭС (гидроэлектростанция). Используется сила движущегося водного потока (обычно реки), благодаря чему вырабатываются колоссальные объемы электричества и механической энергии.
- АЭС (атомная электростанция). Применение воды в качестве рабочего тепла и теплоносителя. Такой вариант использование обусловлен ее физическим свойством — высокой теплоемкостью.
- ПЭС (приливные электростанции). Такие сооружения устанавливаются на побережьях океанов и морей, функционируют за счет энергии приливов и отливов. Несмотря на экологичность и низкую себестоимость производства энергии, широкого распространения они пока не получили.
Из-за нерационального использования водных ресурсов, во
многих странах мира возник дефицит питьевой воды. В настоящее время большинство
промышленных предприятий успешно внедряют технологии по ее эффективному
возврату в природу в чистом виде либо вторичному использованию на производстве.
Например, установка очистительных сооружений позволяет повторно применять воду
для снабжения систем пожаротушения, термических циклов производственных
процессов, мойки тротуаров, водоснабжения отопительных систем.
Вода в сельском хозяйстве
Сельское хозяйство по объему потребляемых водных запасов
значительно превосходит все другие производственные отрасли. Его водоснабжение
осуществляется за счет поверхностных и подземных резервуаров, условно
разделяется на несколько видов:
- Организация обводнения и полива земель сельскохозяйственного угодий назначения.
- Системы водоснабжения пастбищ.
- Водоснабжение птицефабрик и животноводческих ферм.
- Системы водопровода населенных пунктов.
- Водообеспечение пунктов ремонта и техобслуживания.
В качестве источников воды для бытовых нужд жителей сельских
поселений (например, питье и приготовление пищи, обслуживание
сельскохозяйственного оборудования и техники, полив полей и теплиц, предприятия
аграрного и животноводческой сферы) принято использовать грунтовые воды. В
случае недостатка подземных резервов для удовлетворения всех потребностей,
возможен водозабор из наземных естественных или искусственных водоемов: реки,
озера и водохранилища. Для организации оптимального водоснабжения особое
внимание уделяется выбору насосного оборудования, станций водоснабжения и
фильтров очистки воды.
1. Один атом кислорода в воде соединен ковалентными связями с парой атомов водорода. Поэтому каждый атом водорода приобретает частично положительный заряд, а атом кислорода частично отрицательный.
2. Между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и положительно заряженным атомом водорода другой молекулы имеется водородная связь. Потому молекулы воды и связаны друг с другом.
3. Водородные связи легко разрушаются — они в 20 раз слабее ковалентных связей. Поэтому молекулы воды подвижны в клетке и организме.
4. Водородные связи также обусловливают высокую температуру кипения воды, теплоемкость
(способность поглощать тепло при минимальном колебании собственной температуры).
Роль воды в живой системе — клетке
1. Молекула воды — это диполь, так как в области атомов водорода преобладает заряд положительный, а в области атома кислорода выше плотность отрицательного заряда.
2. Угол связи H-O-H в молекуле воды составляет 104,5 градуса, поэтому положительный и отрицательный заряды сосредоточены на разных концах молекулы. И именно поэтому вода — прекрасный растворитель полярных веществ.
3. Вода вообще является универсальным растворителем благодаря своей способности образовывать гидраты.
4. Вода способна на ориентирование в электрическом поле, она может присоединиться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, — при этом образуются гидраты. Если силы притяжения внутри молекулы воды меньше, чем силы притяжения молекул воды к молекулам иного вещества, это вещество растворятся в воде.
5. Поэтому выделяют гидрофильные вещества — они хорошо растворимы в воде: соли, щелочи, кислоты. Данные вещества диссоциируют на заряженные частицы — катионы и анионы. Молекулы воды взаимодействуют с ними.
6. Кроме полярных соединений к гидрофильным веществам относятся также сахара, аминокислоты, спирты — неполярные соединения, в составе которых имеются полярные группы (OH, различные радикалы).
7. Гидрофобные вещества — с трудом или вовсе не растворяются в воде. К ним относятся жиры, жироподобные вещества, бензин, парафин, каучук. Жироподобные вещества находятся, например, внутри клеточных мембран, ограничивая исход растворенных веществ из клетки в окружающую среду и проникновение обратно.
8. Вода — участник многих реакций в клетке, ведь большинство реакций идут как раз в водном растворе. Белки, липиды, углеводы и другие органические вещества расщепляются в результате работы ферментов и взаимодействия с водой до более простых веществ в результате реакций гидролиза.
9. В связи с высокой теплоемкостью вода отлично поддерживает тепловое равновесие в клетке, и при сильном повышении температуры среды вода нагревается медленно, но долго сохраняет тепло. Организмы защищены водой от резких колебаний температуры окружающей среды, поэтому процессы обмена веществ могут происходить в стабильных условиях.
10. Вода имеет относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Тепло равномерно распределяется по всему объему воды в клетке, препятствуя перегреванию в отдельных точках.
11. Испарение
воды обеспечивает охлаждение именно всей поверхности клетки, так как на разрыв водородных связей тратится энергия. Таким образом, вода участвует в терморегуляции.
12. Вода — источник кислорода, который растения выделяют в атмосферу.
13. Вода — источник водорода, который используется для синтеза органических веществ растениями.
14. Вода — среда для транспорта веществ
в организме. Она обеспечивает ток лимфы и крови, восходящие и нисходящие токи растворов по древесине и лубу у растений. В клетках вещества, растворенные в воде, транспортируются через клеточные мембраны. Транспортные функции воды обеспечиваются ее низкой вязкостью и высокой подвижностью.
15. В клетке различают воду свободную (ее 90 процентов) и связанную (10 процентов). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и никогда не теряется живой клеткой. Вода определяет объем и тургор клеток и тканей. Тургор
— напряженное состояние плазматической мембраны, вызванное давлением воды внутри клетки.
16. Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением — этим обеспечивается сцепление ее молекул. Благодаря такому свойству молекулы воды передвигаются по проводящим тканям растений, а также некоторые животные двигаются по поверхности воды. Например, клоп-водомерка при передвижении использует именно поверхностное натяжение воды. На первой и третьей паре ног у него есть специальные волоски, которые не продавливают слой воды, а держат жука на поверхности.
17. При замерзании воды ее объем возрастает, а плотность уменьшается, поэтому вода в виде льда всплывает на поверхность водоема. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4 градуса, а при 0 она имеет меньшую плотность. Зимой часть воды в реках превращается в более легкий лед, который всплывает на поверхность и создает защиту для речных обитателей, препятствуя промерзанию толщи воды. При этом более теплая и плотная вода (с температурой не ниже 4 градусов) концентрируется под покровом льда, создавая условия для выживания водных животных. Поздней осенью, при понижении температуры ниже 4 градусов в клетках растений образуются кристаллы льда и они погибают. Чтобы выжить, многие растения накапливают в тканях белки и сахара, благодаря чему вода с растворенными в ней органическими веществами не замерзает, и растения благополучно переносят холода.
Свойства воды и ее роль в клетке:
На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет около 80% массы клетки. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она необходима не только как компонент клеток, но для многих и как среда обитания.
1. Вода определяет физические свойства клетки — ее объем, упругость.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
3. Вода — хороший растворитель: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.
4. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.
5. Вода обладает уникальным свойством: при охлаждении ее от +4 до 0 градусов, она расширяется. Поэтому лед оказывается легче жидкой воды и остается на ее поверхности. Это очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
6. Вода может быть хорошим смазочным материалом.
Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
Биологические функции воды:
транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций, донором электронов при фотосинтезе; она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.
вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме.
За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты
Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности. Оно наиболее высоко в эмбрионе (90% ) и с возрастом постепенно уменьшается. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Например, в сером веществе мозга воды до 80%, а в костях до 20%. Вода — основное средство перемещения веществ в организме (ток крови, лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке. Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах). Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам.
Каждый из нас наверняка слышал фразу о том, что человеческий организм в большей степени состоит из воды. А задумывались ли вы, почему это так? Зачем нужно такое большое количество жидкости и в целом какую функцию выполняет вода в организме?
Свойства
Вода обладает следующими свойствами:
- прежде всего она хороший растворитель (как для питательных веществ, так и для токсических);
- текучесть;
- имеет высокую теплоемкость и теплопроводность;
- может испаряться;
- способна гидролизировать другие вещества (т. е. вещества разлагаются под ее действием или расщепляются в ней).
Благодаря этим основным свойствам вода выполняет целый ряд жизненно важных функций в организме каждого живого существа. Рассмотрим их подробнее.
Функции воды в организме
Тело человека в среднем на 75 % состоит из воды. Это соотношение с возрастом изменяется, к сожалению, в сторону уменьшения.
Вода, будучи основной составляющей всех жидкостей организма, в частности крови, в которой более 90 % содержится именно ее, выполняет следующие основные функции:
- регуляция температуры тела;
- выведение шлаков, токсинов и продуктов жизнедеятельности;
- транспорт питательных веществ и кислорода;
- усвоение и переваривание продуктов питания;
- транспортная функция;
- амортизация суставов и предотвращение их трения;
- поддержание структур клеток;
- защита тканей и внутренних органов;
- улучшение метаболизма.
Функции воды в процессах терморегуляции заключаются в обеспечении постоянной температуры тела на клеточном уровне путем испарения и потоотделения. Благодаря своей способности переносить достаточно большое количество теплоты, влага, циркулируя в человеческом теле, забирает ее там, где она в излишке, и добавляет туда, где ее недостаточно.
Амортизирующие функции воды в организме обеспечиваются за счет ее большого содержания в синовиальных жидкостях суставов. Это предотвращает трение суставных поверхностей во время нагрузок и работы суставов, а также является определенным защитным буфером при возможных падениях и травмах.
Вода выполняет функцию транспорта необходимых соединений благодаря ее большому поверхностному натяжению. Таким образом, она может проникать везде, даже в межклеточные пространства, доставляя органам и тканям необходимые питательные вещества и выводя продукты их жизнедеятельности.
Общепринятым является тот факт, что от количества употребляемой жидкости напрямую зависит умственная работоспособность человека. Обезвоживание грозит не только упадком сил, энергии, появлением головных болей и головокружения, но и снижением работоспособности, памяти и возможности концентрации на нужной информации.
Также, учитывая, что с возрастом количество воды как составляющей организма снижается, учеными предполагается некая зависимость между количеством жидкости и процессами старения. Поэтому людям старшей возрастной группы особенно внимательно нужно подходить к водному рациону.
В последние годы все чаще отмечаются функции воды и в профилактике многих заболеваний, в том числе и онкологических. Считается, что чем больше жидкости мы употребляем, тем больше она выводится, а с ней и болезнетворные организмы, продукты их жизнедеятельности, токсины и канцерогенные вещества, которые потенциально могут быть плацдармом для развития раковых заболеваний.
Таким образом, все функции воды важны для нормального функционирования всех органов и систем и для комфортного и здорового образа жизни человека.
Интересно, но факт
Чем меньше поступает воды извне, тем больше ее накапливается внутри. Это означает, если вы нерегулярно и в недостаточных количествах употребляете жидкость, то при очередном ее поступлении организм задерживает воду, сохраняя ее как бы про запас. Таким образом, человек не только собственноручно подвергает себя целому ряду заболеваний, но и набирает лишний вес.
Первым сигналом, который дает ваш организм о недополучении им воды, является всем известная усталость. Если длительное время не возмещать физиологические потери жидкости, то человек начинает ощущать ломоту в суставах и дискомфорт в позвоночнике. В организме накапливаются токсины, иммунитет снижается, и человек становится более подвержен заболеваниям, особенно инфекционным.
Важно!
Ежедневно необходимо употреблять 1,5-2 литра жидкости. Регулярный прием качественной воды подарит вам ощущение прилива сил и бодрости, улучшатся процессы пищеварения, перестанут беспокоить головные боли и другие дискомфортные ощущения. Вы не только станете чувствовать себя лучше, но и обязательно будете лучше выглядеть.
Рекомендуется употреблять стакан воды натощак. В течение дня суточная норма должна быть распределена равномерно. Лучше пить воду негазированную и комнатной температуры.
Заключение
Функции воды в организме человека разнообразны и многочисленны. Поэтому не стоит пренебрегать столь важной составляющей вашего рациона. Употребляйте воду в необходимых количествах и будьте здоровы!