Вода. Влажность как абиотический фактор

Самое распространенное на Земле вещество - "обыкновенная" вода. Три четверти поверхности планеты скрывают моря и океаны. Реки, озера, болота дополняют эту картину изобилия. И все же вода относится к дефицитным ресурсам и очень часто оказывается фактором, лимитирующим возможность распространения организмов в той или иной местности. Жизнь, как полагают, возникла в воде, и зависимость организмов от этого удивительного вещества непреодолима. Адаптации к самым "обезвоженным" условиям существования - не более, чем снижение иссушающего воздействия среды на полужидкую цитоплазму клеток.

С химической точки зрения вода (Н₂О) - это оксид водорода, самого распространенного элемента Вселенной. Все биологически значимые свойства воды определяются особенностями ее химического строения.

Водород и кислород в молекуле воды связаны ковалентными полярными связями. Кислород, способный оттянуть на себя большую часть электронной плотности (более электроотрицательный), приобретает частичный отрицательный заряд, а водород, частично "уступающий" ему собственные электроны (менее электроотрицательный), положительный заряд. Молекулу воды можно представить себе в виде равнобедренного треугольника, в углах при основании которого расположены атомы водорода, а вершина образована кислородом. Очевидно, что "вершина" заряжена отрицательно (-), а "основание" - положительно (+). Это означает, что молекула воды, будучи в целом электронейтральной, имеет неравномерное распределение зарядов, т.е. является полярной.

Электроотрицательность - способность атомов притягивать к себе электроны.

Известно, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Поэтому, если молекулы воды находятся на близком расстоянии (а это свойственно всем твердым телам и жидкостям), они "слипаются" участками, заряженными противоположно. При этом, кроме электростатического притяжения, возникают водородные связи. Таким образом, в жидком и твердом (лед) состояниях молекулы воды объединены в крупные блоки, а в виде отдельных молекул вода существует, в основном, в газообразном состоянии (пар). Этим объясняется то, что вода при комнатной температуре и атмосферном давлении - жидкость. Заметим, что сероводород (вещество аналогичного строения, но отличающееся меньшей электроотрицательностью серы по сравнению с кислородом), при аналогичных условиях – газ.

Требуется много энергии для нагревания, испарения и кипения (перехода в газообразное состояние) воды: прежде, чем затратить энергию на увеличение скорости движения молекул, необходимо разорвать водородные связи, а это требует дополнительных энергозатрат. Вода медленно остывает - при остывании уменьшается скорость движения молекул, и между ними замыкаются новые водородные связи. Образование этих связей сопровождается выделением энергии в виде тепла (экзотермический процесс). Плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твердом (вода имеет максимальную плотность при температуре +4°С). Вода - прекрасный растворитель веществ, имеющих, подобно ей самой, полярную структуру молекул ("подобное растворяется в подобном": в полярных растворителях растворяются полярные вещества, а в неполярных - неполярные).

Полярные вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными, а неполярные, нерастворимые, - гидрофобными (объясните эти названия сами).

Значение воды для живых организмов определяется тем, что жизнь на нашей планете зародилась в воде. Все биохимические процессы протекают в воде, содержащейся в клетках, тканях и органах, вне зависимости от среды обитания организма. При этом функции воды весьма разнообразны: вода является растворителем, необходимым для поглощения, транспорта внутри организма и выделения веществ, для осуществления химических реакций в клетках; вода - участник химических реакций (в качестве примера вспомним фотосинтез); вода - терморегулятор; вода - среда обитания многих организмов. Откуда же организмам взять столь необходимую воду?

Основные ее источники объединяют в единую систему круговорота воды в природе. Ее составляют водные бассейны, грунтовые воды, почвенная и атмосферная влага. Вода может находиться в любом агрегатном состоянии, в том числе и газообразном. Это особенно существенно в наземно-воздушной среде обитания.

Концентрацию водяных паров в воздухе называют абсолютной влажностью.

Максимальная возможная влажность воздуха меняется в зависимости от температуры: увеличивается при повышении и уменьшается при понижении; колеблется она и при изменениях давления. Поэтому для удобства принято использовать относительную влажность.

Относительная влажность - отношение реального количества пара к его максимальному при данной температуре и давлении количеству, выраженное в процентах.

Значение относительной влажности воздуха для наземных живых организмов совершенно очевидно: чем она ниже, тем активнее организм теряет воду из клеток за счет испарения, и наоборот.

Может возникнуть ложное впечатление, что организмы, обитающие в водной среде, избавлены от всех трудностей решения проблемы водного баланса. Это далеко не так. Отметим, что обитателям соленых и пресных водоемов приходится решать диаметрально противоположные задачи. Вспомним, что при диффузии молекулы вещества преимущественно перемещаются из области высокой в область низкой концентрации. Мембраны клеток живых организмов не препятствуют свободной диффузии воды. В процессе эволюции ни одному живому организму не удалось обзавестись мембраной, непроницаемой для паров воды и проницаемой для углекислого газа – его молекулы крупнее. СО₂ - продукт окисления органических веществ; он должен выделяться любой живой клеткой. В то же время концентрация многих веществ в клетке активно поддерживается на уровне, превышающем содержание этих веществ в окружающей среде. Этих представлений нам пока достаточно для того, чтобы понять проблемы обитающих в воде организмов. Предположим, что концентрация всех веществ, растворенных в клетке, составляет 2%; тогда остальные 98% - вода. Что будет, если мы поместим эту клетку в морскую воду с концентрацией веществ 5% (воды - 95%)? Находясь в воде, она будет терять воду! А если поместить эту клетку в пресную воду с концентрацией веществ 0,5% (воды - 99,5%), она лопнет от постоянно прибывающей в нее воды!

Давление диффузионного потока воды через мембрану называют осмотическим давлением, регуляцию количества воды в клетках и в организме осморегуляцией.

Осморегуляция - одна из главных проблем обитателей водной среды.

Как вы думаете, какова роль сократительных вакуолей простейших? Все ли простейшие обладают ими?

Не следует забывать, что жизнедеятельность организмов тоже является источником воды. Удивляться не придется, если мы вспомним, что фотосинтез и дыхание - взаимно противоположные процессы. В ходе фотосинтеза энергия накапливается, а в ходе дыхания выделяется; в ходе фотосинтеза создаются органические вещества, а в ходе дыхания - разрушаются. Из чего создаются органические вещества при фотосинтезе? Из углекислого газа (источник углерода) и воды (источник водорода). Значит, при разрушении органических веществ углекислый газ и вода будут выделяться! Вода, образующаяся в организме в ходе обмена веществ (метаболизма), называется метаболической водой. Особенно много метаболической воды образуется при окислении жиров: 1 кг жира - 1,2 кг воды!

Согласно закону сохранения масс (закону Ломоносова - Лавуазье), суммарная масса продуктов реакции равна суммарной массе реагирующих веществ. Как объяснить, что масса образующейся воды больше массы окисляемого в ходе дыхания жира?

Если организмы способны сами для себя служить источниками воды (в ограниченных количествах), то грех для этой цели не использовать чужой организм. Пища – один из самых естественных источников воды.

Воздействие влажности на организмы в наземных местообитаниях порой просто неотделимо от влияния температуры. Поэтому часто эти факторы рассматривают совместно и, более того, считают основными факторами, определяющими распределение на Земном шаре биомов климатически обусловленных комплексов экосистем.

Поиск по сайту: