Какое свойство воды обеспечивает жизнь о
Вода (H2O) — важнейшее неорганическое вещество клетки. В клетке в количественном отношении вода занимает первое место среди других химических соединений. Вода выполняет различные функции: сохранение объёма, упругости клетки, участие во всех химических реакциях. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.
Обрати внимание!
Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной.
Свободная вода находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей среды в клетку и наоборот.
Связанная вода входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами, и соединена с некоторыми белками.
Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительное значение для живых организмов.
Структура молекулы воды
Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы.
Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате молекула воды является диполем (обладает полярностью). Каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом, а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд.
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
Свойства воды
Так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ.
Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными (соли, сахара, простые спирты, аминокислоты, неорганические кислоты). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает.
Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными (жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки). Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет некоторые вещества, для живых организмов также очень важен.
Вода обладает высокой удельной теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Чтобы разорвать многочисленные водородные связи, имеющиеся между молекулами воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.
Для испарения воды необходима довольно большая энергия. Использование значительного количества энергии на разрыв водородных связей при испарении способствует его охлаждению. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева.
Пример:
примерами этого могут являться транспирация у растений и потоотделение у животных.
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму.
Обрати внимание!
Высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей.
Пример:
гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создаётся плёнка, обладающая такой характеристикой, как поверхностное натяжение.
Пример:
благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (O2, CO2 и др.).
Вода является также источником кислорода и водорода, выделяемых при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.
Биологические функции воды
- Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почву и к водоёмам.
- Вода — активный участник реакций обмена веществ.
- Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме (эти жидкости находятся в суставах позвоночных животных, в плевральной полости, в околосердечной сумке).
- Вода входит в состав слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей. Водную основу имеют и секреты, выделяемые некоторыми железами и органами: слюна, слёзы, желчь, сперма и т. д.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
https://infourok.ru/prezentaciya_po_biologii_na_temu_mineralnye_veschestva_i_voda-409343.htm
https://otvet.mail.ru/question/182353364
https://www.studfiles.ru/html/2706/741/html_fBK8q_mH0r.UWHS/htmlconvd-PYhDG9_html_1c3325a2.png
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.
Вода, у тебя нет цвета, нет вкуса, нет запаха,
тебя невозможно описать, люди тобою наслаждаются,
при этом не ведая, что ты есть такое..
Нельзя сказать, что ты необходима для жизни —
ты есть сама жизнь.
(Антуан де Сент-Экзюпери)
Все ли мы знаем о таком привычном для нас веществе, которое всегда и в природе, и в быту сопровождает нас?
Вода — самое распространенное на Земле вещество, она занимает более 70% площади поверхности земли, и только около 30% приходится на долю суши. Вода придает Земле тот неповторимый вид, который отличает ее от других планет Солнечной системы.
С древности люди поклонялись воде и обожествляли, об этом можно посмотреть в фильме «Великая тайна воды». Видео 22.
В философии древних греков отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека. Так, Фалес Милетский, великий древнегреческий философ и математик, живший в 6-7 в.в. до н.э., высказал гениальную догадку, что вода — первооснова всего на Земле. Современная наука, в том числе экология, полностью подтвердила это. Вода — непременная составная часть всего живого, она играет первостепенную роль в жизни всех живых существ, в том числе человека.Как утверждают ученые, жизнь на Земле впервые появилась в воде, а лишь потом распространилась на сушу/ Свою зависимость от воды наземные организмы сохранили в ходе эволюции в течение многих миллионов лет.
Как Вы думаете, сколько времени может прожить человек без пищи, а сколько — без воды?
Вода обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела, защиту и буферизацию жизненно важных органов, регуляцию температуры тела, помогает в преобразовании пищи в энергию, усвоении питательных веществ органами, вывод шлаков и отходов в процессе жизнедеятельности и выполнение целого ряда других функций. Видео 23.
Попробуйте подышать на холодное стекло. Что Вы увидите? Пары воды, которую Вы выдохнули, сконденсировались на холодном стекле, превратились в жидкую воду. Откуда эта вода взялась в нашем организме?
Не будем забывать, что вода — среда обитания огромного числа живых организмов, отличающихся друг от друга и определяющих различные свойства вод океанов, морей, озер, рек и болот.
Благодаря воде в природе происходитперенос веществ из почвы в растения, с суши в реки, озера и океаны, из атмосферы на сушу, питание живых организмов этих систем и вынос отходов их жизнедеятельности. Значение воды в природе иногда сравнивают с той ролью, какую выполняет кровь в живом организме.
Почему воду справедливо называют чудом природы?
Что знает о воде современная наука?
Несмотря на широкую распространенность и доступность вода все еще остается непознанным до конца веществом. Ежегодно публикуются новые работы по исследованию свойств воды, и она не перестает удивлять ученых. Без преувеличения можно сказать, что среди необозримого множества природных веществ вода является одним из самых необыкновенных. Она обладает целым рядом физических и химических свойств, которые называют уникальными или аномальными. Эти свойства воды обеспечивают протекание многих природных процессов и существование жизни на Земле в целом. Видео 24.
Необычными свойства воды кажутся по сравнению с жидкостями. Но ученые установили, что жидкая вода имеет структуру, так как ее молекулы способны сцепляться, образовывая межмолекулярные связи, которые очень легко разрываются. То есть можно сказать, что жидкая вода является полимером! Связями между молекулами воды объясняются многие ее необычные свойства. Например, для кипячения воды необходимо затратить много энергии, которая тратится на разрыв этих связей.«Аномальные» температуры кипения, а также замерзания воды обусловливают способность воды находиться в природе в трех агрегатных состояниях (жидком, твердом и газообразном). На планете нет другого вещества, которое находились бы в трех агрегатных состояниях.
Приходилось ли Вам видеть воду в природе одновременно в двух или даже в трех агрегатных состояниях? Где?
Это приводит к тому, что водная оболочка Земли (гидросфера) и, соответственно, жизнь на планете практически не прерывается на поверхности планеты, все ее компоненты объединяются в единое целое благодаря воде. Если представить, что вода обладала бы «нормальной» температурой кипения, то она бы закипала при температуре минут 70 градусов.
В каком состоянии она находилась бы в условиях существующего на Земле температурного режима? И где бы в таком фантастическом мире могли бы возникать водоемы?
Для жизни на Земле также чрезвычайно важным является такое свойство воды, как ее высокая теплоемкость, Теплоемкость — количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. она определяет стабильность температурного режима на планете. Для того чтобы нагреть какую-то массу воды на 1 градус, требуется гораздо больше тепла, чем для того, чтобы произвести нагревание на 1 градус такой же массы любого другого вещества. Благодаря исключительно высокой термической инертности воды Мировой океан, а также многочисленные водоемы суши как нельзя лучше выполняют роль гигантского планетарного терморегулятора, сглаживающего суточные и сезонные перепады температуры. В дневное время, а также летом, водные массы медленно нагреваются, поглощая при этом много тепла, что не позволяет воздуху разогреваться очень сильно. По ночам и в зимние периоды, наоборот, водные массы медленно остывают, выделяя накопленное ранее тепло, что не позволяет воздуху чрезмерно остывать.
Как Вы думаете, какой был бы климат на Земле, если бы вода не обладала такой высокой теплоемкостью?
Еще одним замечательным свойством воды является ее исключительно высокая растворяющая способность, она — универсальный растворитель огромного количества химических веществ, среда, в которой протекают все процессы жизнедеятельности.
Существуют и другие важные для природы «аномальные» свойства воды, такие какочень большая способность к капиллярному движению, Под капиллярным движением воды в грунтах понимается их способность поднимать воду по капиллярным порам снизу вверх или в стороны вследствие воздействия капиллярных сил, которые возникают на границах раздела различных компонент грунта. В их основе лежат силы взаимодействия воды и воздуха с твердыми частицами грунта, проявляющиеся в смачивании последних и в других явлениях. высокое поверхностное натяжение См.: https://theoryandpractice.ru/posts/1012-chto-takoe-poverkhnostnoe-natyazhenie-i-pochemu-vodomerki-ne-tonut .
Поверхностная пленка воды является для многих водных организмов опорой для движения
А какое колоссальное значение имеет«необычное» увеличение плотности воды при нагревании в диапазоне температур от 0 до 4 градусов! Плотность практически всех веществ уменьшается при нагревании во всем диапазоне температур. Однако плотность воды при нагревании от 0 градусов до 4 градусов возрастает. Это связано с тем, что, как мы уж говорили, вода является структурированной жидкостью, и в этом интервале имеющиеся в структуре льда полости заполняются молекулами воды. Далее от 4 градусов до 100 градусов вода ведет себя «нормально» — т.е. ее плотность при нагревании уменьшается. Видео 25.
Как Вы думаете, как это свойство воды сказывается на жизни водоемов в холодное время года? Почему в них возможна жизнь зимой?
Если бы любое из названных свойств воды каким-то невероятным способом стало «нормальным», то это имело бы самые серьезные последствия для всего происходящего на поверхности планеты. О жизни капли воды со времени ее образования на Земле и до наших дней можно написать самую удивительную и увлекательную повесть. Вместе с миллионами других капель эта капля точила и растворяла горы, в виде кристаллов льда она тысячи лет хранилась в высокогорных ледниках, совершила не одно кругосветное путешествие вместе с морскими течениями, затопляла села и города во время наводнений, плавала в облаках над океанами и морями, разбивала корабли о прибрежные скалы, насыщала влагой травы, кусты и деревья; каплей росы она сверкала в душистых лепестках розы, взращивала посевы, излечивала больного человека и несла жизнь в пустыне утомленному путнику. Посмотрите фильм «Приключения капельки воды», из него Вы узнаете много увлекательных фактов про воду. Какими путями движется вода на Земле? Как осуществляется ее круговорот?
Земля представляет собой шар, окутанный водяными парами и хотя неравномерно, но щедро смоченный и пропитанный водой. Энергия Солнца поднимает воду в виде водяных паров вверх, охлаждается, конденсируется, затем сила тяжести увлекает ее вниз. Благодаря этим двум силам вода на Земле находится в непрерывном движении. Остановить движение воды — это значит превратить Землю в безжизненное космическое тело. Видео 26.
Полная смена воды в атмосфере происходит очень быстро, приблизительно через каждые 9 дней, речная вода меняется в среднем 20 раз в году, а для полной смены подземных вод требуется по меньшей мере 8 тыс. лет.
За последнее время в естественный круговорот воды на Земле вторгся человек. Использование человеком воды достигло таких размеров, что стало оказывать заметное влияние на скорость круговорота и количество воды в его отдельных звеньях. То есть безответственная деятельность человека на планете оказывает влияние даже на такой глобальный природный процесс, как круговорот воды на планете.
Сделаем вывод. Вода благодаря своим поистине уникальным свойствам является одним из важнейших факторов жизнеобеспечения на Планете. Наша жизнь полностью зависит от воды.
Сколько нужно воды человеку и насколько важна ее экономия? Об этом мы поговорим в следующей теме.