Чому вода необхідна для життя?

Чому вода необхідна для життя?

Видано 05/11/2020

Вода становить 60-75 % ваги людського тіла. Втрата всього 4% води в організмі призводить до зневоднення, а втрата 15% може бути смертельною. Тому, хоч людина може прожити місяць без їжі, але без води вона зазвичай не може прожити більше 3 днів. Ця критична залежність від води є основним регулятором всіх форм життя. Зрозуміло, що вода потрібна для виживання, але чому вона така важлива?

Вода з молекулярної точки зору

Багато функцій води у підтримці життя обумовлені її молекулярною структурою та кількома особливими властивостями. Вода - це проста молекула, що складається з двох невеликих позитивно заряджених атомів водню та одного великого негативно зарядженого атома кисню. Коли атоми водню зв'язуються з киснем, утворюється асиметрична молекула з позитивним зарядом з одного боку і негативним - з іншого (рис. 1). Ця різниця в зарядах називається полярністю і вона визначає спосіб взаємодії води з іншими молекулами.

image1

Малюнок 1: Хімічний склад води. Молекули води складаються з двох атомів водню та одного кисню. Ці атоми розрізняються за розміром та зарядом, що призводить до асиметрії в молекулярній структурі та до міцних зв'язків між водою та іншими полярними молекулами, включаючи саму воду.

Вода – універсальний розчинник?

Як полярна молекула вода найкраще взаємодіє з іншими полярними молекулами, такими як вона сама. Це відбувається через явище, при якому протилежні заряди притягуються один до одного: оскільки кожна окрема молекула води має як негативну, так і позитивну частину, кожна сторона притягується до молекул із протилежним зарядом. Притягнення дозволяє воді утворювати відносно міцні зв'язки з іншими полярними молекулами навколо неї, включаючи інші молекули води. Потім позитивний атом водню однієї з молекул води поєднається з негативним атомом кисню сусідньої молекули, власні атоми водню якої притягуються до наступного атома кисню, і так далі (рис. 1). Важливо відзначити, що цей зв'язок призводить до того, що молекули води об'єднуються. Така властивість води відома як когезія. Когезія води допомагає рослинам «витягувати» воду з коріння. Когезія також сприяє високій температурі кипіння води, що допомагає тваринам регулювати температуру тіла.

Крім того, оскільки більшість біологічних молекул мають деяку асиметрію напруги, вони також полярні, і молекули води можуть утворювати зв'язки та оточувати як їх позитивні, так і негативні частини. Оточуючи полярні молекули іншої речовини, вода потрапляє в кожен куточок і щілину між молекулами, ефективно руйнуючи та розчиняючи їх. Ось що відбувається, коли ми додаємо кристали цукру у воду: і вода, і цукор полярні, тому окремі молекули води оточують кожну молекулу цукру, розщеплюючи цукор і розчиняючи його. Як і у випадку з поляризацією деякі молекули складаються з іонів або протилежно заряджених частинок. Вода також руйнує ці іонні частинки, взаємодіючи як із позитивно, так і з негативно зарядженими частинами. Ось що відбувається, коли ми додаємо сіль у воду, тому що сіль складається з іонів натрію та хлору.

zdjecie reka wewnetrzne

Завдяки сильній здатності води розчиняти різні молекули вона стала відома як «універсальний розчинник», і саме ця здатність робить воду такою безцінною силою підтримки життя. На біологічному рівні вода як розчинник допомагає клітинам переносити та використовувати кисень та поживні речовини. Розчини на водній основі, такі як кров, допомагають переміщувати речовини у потрібні місця. Таким чином, роль води як розчинника полегшує транспортування речовин, таких як кисень для дихання, і має великий вплив на здатність ліків досягати своїх цілей в організмі.

Вода підтримує клітинну структуру

Вода також відіграє важливу структурну роль біології. Вода заповнює клітини, допомагаючи зберігати їх форму та структуру (рис. 2). Вода у багатьох клітинах (включаючи ті, що становлять людське тіло) створює тиск, що протидіє зовнішнім силам, як повітря у повітряній кулі. Навіть деяким рослинам, здатним підтримувати свою клітинну структуру якийсь час без води, для виживання все одно потім потрібна вода. Вода сприяє тому, що все всередині клітин зберігає свою правильну форму на молекулярному рівні. Оскільки форма має вирішальне значення для біохімічних процесів, це також є однією з найважливіших ролей води.

image2

Рисунок 2: Вода впливає на форму клітини. Вода створює у клітині тиск, який допомагає їй зберігати форму. У гідратованій клітині (ліворуч) вода виштовхується назовні, і клітина залишається круглою. У зневодненій клітині витісняється менше води, тому клітина стає зморшкуватою.

Крім впливу на загальну форму клітин, вода також впливає на деякі основні компоненти кожної клітини: ДНК і білки. Білки виробляються у вигляді довгого ланцюжка будівельних блоків, які називаються амінокислотами, і для правильного функціонування вони повинні мати певну форму. Вода спрямовує складання амінокислотних ланцюгів, оскільки різні типи амінокислот шукають та уникають взаємодії з водою. Білки забезпечують структуру, вловлюють сигнали та каталізують хімічні реакції у клітині. Зрештою білки керують скороченням м'язів, комунікацією, перетравленням поживних речовин та багатьма іншими життєво важливими функціями. Без правильної форми білки не змогли б виконувати ці функції, і клітина (не кажучи вже про все тіло людини) не змогла б вижити. Так само ДНК повинна мати певну форму, щоб її інструкції були правильно розшифровані. Білки, які читають чи копіюють ДНК, можуть зв'язуватися з ДНК лише певної форми.

Хімічні реакції води

ВВода бере безпосередню участь у багатьох хімічних реакціях, призначених для створення та руйнування важливих компонентів клітини. Фотосинтез, процес, який відбувається у рослинах, що виробляє цукор для всіх форм життя, потребує води. Вода також бере участь у створенні більших молекул у клітинах. Молекули, такі як ДНК і білки, складаються з одиниць дрібніших молекул, що повторюються. З'єднання цих дрібних молекул відбувається в результаті реакції з утворенням води. І навпаки, вода необхідна для того, щоб звернути назад реакцію, яка руйнує ці молекули, дозволяючи клітинам отримувати поживні речовини або повторно використовувати частини великих молекул.

Крім того, вода захищає клітини від шкідливого впливу кислот і лугів. Сильно кислі або лужні речовини, такі як відбілювач або соляна кислота, є їдкими навіть для міцних матеріалів. Це пов'язано з тим, що кислоти та основи виділяють надлишок водню або забирають надлишок водню з навколишніх матеріалів. Втрата чи придбання позитивно зарядженого водню порушує структуру молекул. Для правильного функціонування протеїнам потрібна певна структура, тому важливо захищати їх від кислот та лугів. Вода робить це, діючи як кислота та основа (рис. 3). Хоча хімічні зв'язки в молекулі води дуже стабільні, молекула води може віддати водень і стати ОН-, таким чином діючи як основа, або прийняти інший водень і перетворитися на H3O+ таким чином діючи як кислота. Ця адаптивна здатність дозволяє воді протидіяти різким змінам pH, викликаним кислотними або лужними речовинами в організмі, в процесі буферизації. Зрештою, це захищає білки та інші молекули в клітині.

image3

Рисунок 3: Вода діє як буфер, вивільняючи чи поглинаючи атоми водню.

Вода потрібна для будь-якого життя. Її універсальність та адаптованість допомагає проводити важливі хімічні реакції. Жодна інша молекула не може зрівнятися з водою, з її унікальними життєзабезпечувальними властивостями. Цікаво, що дослідники ще виявляють нові властивості води, такі як додаткові переваги її асиметричної структури. Вченим ще належить визначити фізіологічні ефекти цих властивостей. Дивно, наскільки проста молекула універсальна для організмів з різними потребами.

Оригінальна стаття: https://sitn.hms.harvard.edu/uncategorized/2019/biological-roles-of-water-why-is-water-necessary-for-life/

Назад до всіх новин

Цей сайт використовує файли-куки. Додаткова інформація в Політиці Конфіденційності