Woda jako źródło życia

Owocem reakcji pierwiastków ze sobą nawzajem są związki chemiczne. Spośród całego repertuaru możliwych do wykorzystania substancji to woda okazała się swego rodzaju starterem, który zainicjował wszystkie procesy leżące u podstaw powstania życia. Jej własności okazały się na tyle unikalne, że wymagają dodatkowego omówienia. 

Cząsteczka wody jest zbudowana z dwóch atomów wodoru podzielonych jednym atomem tlenu. Nie są one jednak ułożone w linii, a pod kątem. Każdy atom otacza chmura ujemnie naładowanych elektronów, jednak tlen zdecydowanie lepiej je przyciąga. W związku z tym gromadzi się wokół niego ładunek ujemny. Z kolei brak elektronów wokół atomów wodoru skutkuje ich dodatnim naładowaniem. Można zatem stwierdzić, że cząsteczka wody jest polarna. W swojej strukturze posiada bowiem dwa bieguny − dodatni i ujemny. Dipol jest bardziej fachowym określeniem takiej struktury. 

Woda może rozpuszczać różne substancje. Powinny one jednak posiadać ładunki elektryczne, do których cząsteczka wody się przyciągnie. Może to dotyczyć całej molekuły w przypadku jonów mających ładunek dodatni lub ujemny. Inne dipole również będą lepiej lub gorzej oddziaływać z polarną wodą. Niekiedy wystarczy nawet lokalna obecność ładunku, jak w przypadku wiązania kowalencyjnego spolaryzowanego. Taka cząsteczka nie musi być dipolem, aby rozpuszczać się w wodzie. Przykładem jest dwutlenek węgla albo tlenek siarki (VI). Wszystkie substancje, które dobrze łączą się z wodą, nazywamy hydrofilowymi. Ich przeciwieństwem są związki 

Wiązania wodorowe między cząsteczkami wody

hydrofobowe. Są to substancje niepolarne, w których cząsteczkach nie ma szczególnej dysproporcji w rozmieszczeniu ładunku elektrycznego. Niemniej jednak ogół biologicznie czynnych związków funkcjonuje na różne sposoby w wodzie. Stanowi ona naturalne środowisko reakcji chemicznych istotnych dla funkcjonowania żywych organizmów. 

Cząsteczki wody przyciągają się nawzajem. Jest to spowodowane posiadaniem przez nie ładunków elektrycznych na powierzchni. Co więcej, te molekuły mogą łączyć się ze sobą specyficznym wiązaniem zwanym wodorowym. Atom tlenu jednej cząsteczki wiąże się stosunkowo trwale z atomem wodoru drugiej. Zapewnia to przede wszystkim dużą temperaturę wrzenia wody. Przyciągające się w stanie ciekłym molekuły trudno oderwać od siebie, aby mogły przejść do stanu gazowego. Ponadto w stanie stałym cząsteczki są regularnie ułożone i są obecne między nimi puste przestrzenie. To sprawia, że lód jest lżejszy od wody i unosi się na jej powierzchni. Przy temperaturze czterech stopni Celsjusza woda ma gęstość największą, dlatego będzie układać się na dnie naczynia, w jakim się znajduje. Z punktu widzenia życia na Ziemi ma to praktyczne znaczenie w zamarzniętym jeziorze. Wierzchnia warstwa lodu chroni przed dalszym zamarzaniem, natomiast stosunkowo ciepła woda na dnie zapewnia środowisko do życia, albo przynajmniej przetrwania tymczasowo niekorzystnych warunków. 

Manifestacją wzajemnego przyciągania się cząsteczek substancji jest tak zwana kohezja. Im jest ona większa, tym trudniej oddzielić od siebie poszczególne molekuły. W przypadku wody to zjawisko będą intensyfikować wspomniane wiązania wodorowe. Równolegle obok niej pojawia się adhezja, czyli zdolność do łączenia się powierzchni różnych ciał fizycznych. Te dwie siły są swoim wzajemnym przeciwieństwem. Pierwsza skupia się na wnętrzu, druga zaś na zewnętrznej stronie danego ciała. Ich wzajemną relację można zaobserwować na przykład w momencie rozlania wody na płaską powierzchnię. Dzięki adhezji ciecz będzie do niej przylegać. Z drugiej jednak strony kohezja chroni wodę przed całkowitym rozlaniem się i dlatego przyjmuje ona postać różnego rodzaju kropli. 

Duże znaczenie dla funkcjonowania organizmów żywych ma zjawisko napięcia powierzchniowego. Manifestuje się wówczas, gdy siły kohezji przeważają nad siłami adhezji. Najczęściej można zaobserwować je na powierzchni zbiornika wodnego. W dużym uproszczeniu polega na stawianiu oporu przedmiotom, które próbują wniknąć do środka cieczy. Tym obiektem może być mały organizm — na przykład bardzo popularny w książkach nartnik duży (Gerris lacustris), który słynie z poruszania się po tafli zbiorników wodnych. Jeżeli jesteś już po przeczytaniu książki (lub streszczenia) Nad Niemnem Elizy Orzeszkowej, zapewne kojarzysz scenę, w której Bogumił do stóp Barbary rzucił grzybienie białe (Nymphaea alba). Liście nawodne tej rośliny nie toną dzięki dwóm mechanizmom. Po pierwsze, mają gęstość mniejszą od gęstości wody, dzięki obecności w swojej strukturze powietrza. Niemniej jednak napięcie powierzchniowe dodatkowo wspiera roślinę w utrzymaniu się na powierzchni wody, nie dopuszczając do „przebicia” tafli przez krawędzie liścia. 

Zdjęcie spod mikroskopu elektronowego przedstawiające celulozowe kapilary 

W przypadku dużej powierzchni elementów łączących się z cieczą, ich hydrofilowości i szeregu innych czynników może dojść do przewagi adhezji nad kohezją. W biologii spotkamy się z tym w przypadku martwej tkanki roślinnej, czyli drewna. Jest ono zbudowane z mikroskopijnych, cienkich rurek zbudowanych ze stosunkowo dobrze łączących się z wodą celulozy i ligniny. Dzięki małym rozmiarom tych kapilar woda przylega do ich ścian z tak dużą siłą, że zaczyna się niejako po nich „wspinać” wbrew grawitacji. To sprawia, że takie elementy są w stanie podnieść wodę nieco ponad jej ustalony poziom. Dzięki temu drewno skutecznie pobiera ją z gleby, dostarczając tym samym do wyższych części rośliny. 

Woda, oprócz środowiska zachodzenia reakcji chemicznych, zapewnia organizmom odpowiednią temperaturę. Ona z kolei gwarantuje właściwe tempo wspomnianych reakcji. Jest to możliwe dzięki dużemu ciepłu właściwemu. Parametr ten obrazuje ilość energii cieplnej, jaką należy dostarczyć do określonej ilości danej substancji, aby ogrzać ją o jeden stopień Celsjusza. Niektóre substancje, jak chociażby metale, z racji niskiego ciepła właściwego szybko się nagrzewają i ochładzają. W przypadku wody te zmiany temperatury nie będą tak intensywnie wyrażone. Kolokwialnie ujmując − raz nagrzana woda wolno się studzi. Taka jej własność chroni organizmy żywe przed nadmiernymi wahaniami temperatury ich ciała. W szczególności przed wychłodzeniem. 

W upalne dni (a taki właśnie jest w dniu pisania tego rozdziału) intensywnie się pocimy. Woda na powierzchni naszej skóry niepostrzeżenie zamienia się w parę wodną. Ten proces jest obarczony koniecznością dostarczenia energii cieplnej. Jej ilość określa ciepło parowania. Analogicznie do ciepła właściwego, parametr ten w przypadku wody ma stosunkowo dużą wartość. Organizmy żywe, usuwając wodę, szczególnie podczas jej odparowania z powierzchni swojego ciała, tracą dużo energii cieplnej. Może to zostać użyte do chłodzenia, chroniąc tym samym przed przegrzaniem. 

Zobacz więcej

Woda jako źródło życia

Owocem reakcji pierwiastków ze sobą nawzajem są związki chemiczne. Spośród całego repertuaru możliwych do wykorzystania substancji to woda okazała się swego rodzaju starterem, który zainicjował

Zobacz więcej »