Почему вода необходима для жизни?

Вода составляет 60-75% веса человеческого тела. Потеря всего 4% воды в организме приводит к обезвоживанию, а потеря 15% может быть смертельной. Поэтому, хотя человек может прожить месяц без еды, но без воды он обычно не может прожить больше 3 дней. Эта критическая зависимость от воды является ключевым регулятором всех форм жизни. Ясно, что вода необходима для выживания, но почему она так важна?

Вода с молекулярной точки зрения

Многие функции воды в поддержании жизни обусловлены ее молекулярной структурой и несколькими особыми свойствами. Вода - это простая молекула, состоящая из двух небольших положительно заряженных атомов водорода и одного большого отрицательно заряженного атома кислорода. Когда атомы водорода связываются с кислородом, образуется асимметричная молекула с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным - на другой (рис. 1). Эта разница в зарядах называется полярностью, и она определяет способ взаимодействия воды с другими молекулами.

Рисунок 1: Химический состав воды. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного кислорода. Эти атомы различаются по размеру и заряду, что приводит к асимметрии в молекулярной структуре и к прочным связям между водой и другими полярными молекулами, включая саму воду.

Вода - универсальный растворитель

Как полярная молекула вода лучше всего взаимодействует с другими полярными молекулами, такими как она сама. Это происходит из-за явления, при котором противоположные заряды притягиваются друг к другу: поскольку каждая отдельная молекула воды имеет как отрицательную, так и положительную части, каждая сторона притягивается к молекулам с противоположным зарядом. Притяжение позволяет воде образовывать относительно прочные связи с другими полярными молекулами вокруг нее, включая другие молекулы воды. Затем положительный атом водорода одной из молекул воды объединится с отрицательным атомом кислорода соседней молекулы, собственные атомы водорода которой притягиваются к следующему атому кислороду, и так далее (рис. 1). Важно отметить, что эта связь приводит к тому, что молекулы воды объединяться. Такое свойство воды известно как когезия. Когезия воды помогает растениям «вытягивать» воду из корней. Когезия также способствует высокой температуре кипения воды, что помогает животным регулировать температуру тела.

Кроме того, поскольку большинство биологических молекул имеют некоторую асимметрию напряжения, они также полярны, и молекулы воды могут образовывать связи и окружать как их положительные, так и отрицательные части. Окружая полярные молекулы другого вещества, вода попадает в каждый уголок и щель между молекулами, эффективно разрушая и растворяя их. Вот что происходит, когда мы добавляем кристаллы сахара в воду: и вода, и сахар полярны, так что отдельные молекулы воды окружают каждую молекулу сахара, расщепляя сахар и растворяя его. Как и в случае с поляризацией, некоторые молекулы состоят из ионов или противоположно заряженных частиц. Вода также разрушает эти ионные частицы, взаимодействуя как с положительно, так и с отрицательно заряженными частями. Вот что происходит, когда мы добавляем соль в воду, потому что соль состоит из ионов натрия и хлора.

Благодаря сильной способности воды растворять различные молекулы, она стала известна как «универсальный растворитель», и именно эта способность делает воду такой бесценной силой поддержания жизни. На биологическом уровне вода как растворитель помогает клеткам переносить и использовать кислород и питательные вещества. Растворы на водной основе, такие как кровь, помогают перемещать вещества в нужные места. Таким образом, роль воды как растворителя облегчает транспортировку веществ, таких как кислород, для дыхания, и имеет большое влияние на способность лекарств достигать своих целей в организме.

Вода поддерживает клеточную структуру

Вода также играет важную структурную роль в биологии. Вода заполняет клетки, помогая сохранять их форму и структуру (рис. 2). Вода во многих клетках (включая те, что составляют человеческое тело) создает давление, противодействующее внешним силам, как воздух в воздушном шаре. Даже некоторым растениям, способным поддерживать свою клеточную структуру какое-то время без воды, для выживания все равно потом нужна вода. Вода способствует тому, что все внутри клеток сохраняет свою правильную форму на молекулярном уровне. Поскольку форма имеет решающее значение для биохимических процессов, это тоже является одной из самых важных ролей воды.

Рисунок 2: Вода влияет на форму клетки. Вода создает в клетке давление, которое помогает ей сохранять форму. В гидратированной клетке (слева) вода выталкивается наружу, и ячейка остается круглой. В обезвоженной клетке вытесняется меньше воды, поэтому клетка становится морщинистой.

Помимо влияния на общую форму клеток, вода также влияет на некоторые основные компоненты каждой клетки: ДНК и белки. Белки производятся в виде длинной цепочки строительных блоков, называемых аминокислотами, и для правильного функционирования они должны иметь определенную форму. Вода направляет сборку аминокислотных цепей, поскольку разные типы аминокислот ищут и избегают взаимодействия с водой. Белки обеспечивают структуру, улавливают сигналы и катализируют химические реакции в клетке. В конечном итоге белки управляют сокращением мышц, коммуникацией, перевариванием питательных веществ и многими другими жизненно важными функциями. Без правильной формы белки не смогли бы выполнять эти функции, и клетка (не говоря уже обо всем теле человека) не смогла бы выжить. Точно так же ДНК должна иметь определенную форму, чтобы ее инструкции были правильно расшифрованы. Белки, которые читают или копируют ДНК, могут связываться с ДНК только определенной формы.

Химические реакции воды

Вода принимает непосредственное участие во многих химических реакциях, предназначенных для создания и разрушения важных компонентов клетки. Фотосинтез, процесс, который происходит в растениях, который производит сахар для всех форм жизни, требует воды. Вода также участвует в создании более крупных молекул в клетках. Молекулы, такие как ДНК и белки, состоят из повторяющихся единиц более мелких молекул. Соединение этих маленьких молекул происходит в результате реакции с образованием воды. И наоборот, вода необходима для того, чтобы обратить вспять реакцию, которая разрушает эти молекулы, позволяя клеткам получать питательные вещества или повторно использовать части больших молекул.

Кроме того вода защищает клетки от вредного воздействия кислот и щелочей. Сильно кислые или щелочные вещества, такие как отбеливатель или соляная кислота, являются едкими даже для самых прочных материалов. Это связано с тем, что кислоты и основания выделяют избыток водорода или забирают избыток водорода из окружающих материалов. Потеря или приобретение положительно заряженного водорода нарушает структуру молекул. Для правильного функционирования протеинам требуется определенная структура, поэтому важно защищать их от кислот и щелочей. Вода делает это, действуя как кислота и основание (рис. 3). Хотя химические связи в молекуле воды очень стабильны, молекула воды может отдать водород и стать ОН-, таким образом действуя как основание, или принять другой водород и превратиться в H3O +, таким образом действуя как кислота. Эта адаптивная способность позволяет воде противодействовать резким изменениям pH, вызванным кислотными или щелочными веществами в организме, в процессе, называемом буферизацией. В конечном итоге это защищает белки и другие молекулы в клетке.

Рисунок 3: Вода действует как буфер, высвобождая или поглощая атомы водорода.

Вода необходима для любой жизни. Её универсальность и адаптируемость помогает проводить важные химические реакции. Никакая другая молекула не может сравниться с водой, с ее уникальными жизнеобеспечивающими свойствами. Интересно, что исследователи все еще выявляют новые свойства воды, такие как дополнительные преимущества ее асимметричной структуры. Ученым еще предстоит определить физиологические эффекты этих свойств. Удивительно, насколько простая молекула универсально важна для организмов с разными потребностями.

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

Назад ко всем новостям