Біологія. 9 клас. Шаламов

Розділ 1. Хімічний склад клітини та біологічні молекули

§ 2. Вода

Земне життя є надто обводненим

Безсумнівно, вода є однією з найважливіших речовин на Землі. Саме наявність значної кількості рідкої води на поверхні планети уможливила існування життя. Причини великого вмісту води на Землі порівняно з її вмістом на інших твердих планетах Сонячної системи досі залишаються не з’ясованими. Багато вчених вважають, що вода була занесена на Землю кометами на ранніх стадіях формування планети. Сьогодні вода вкриває 71 % земної поверхні та становить приблизно 0,05 % від маси Землі. У живих організмах уміст води коливається від 60 до 99 %.

Молекула води складається з атомів Оксигену й Гідрогену

Вода є бінарною неорганічною сполукою, молекули якої складаються з одного атома Оксигену та двох атомів Гідрогену (рис. 2.1). Незважаючи на те, що молекула води електронейтральна, заряд у ній розподілений нерівномірно: на атомі Оксигену накопичується надлишковий негативний заряд, а на атомах Гідрогену — надлишковий позитивний, тобто молекула води — це диполь. Саме завдяки полярній природі молекул вода є чудовим розчинником інших полярних сполук (наприклад, цукрів і спиртів), а також солей. Згідно з класичними уявленнями, солі під час розчинення розпадаються на заряджені частинки — йони (рис. 2.2). При цьому завдяки кулонівським силам протилежно заряджені йони притягуються один до одного, що перешкоджає розчиненню солей. Проте вода сильно послаблює сили притягання між йонами, формуючи навколо них гідратні оболонки. Іншою особливістю води є наявність водневих зв’язків. Між атомом Гідрогену (із частковим позитивним зарядом) однієї молекули й атомом Оксигену (із частковим негативним зарядом) іншої молекули виникає електростатична взаємодія.

Рис. 2.1. Будова молекули води

Такі взаємодії назвали водневими зв’язками (рис. 2.3). Водневі зв’язки значно міцніші за звичайні міжмолекулярні взаємодії, хоча й поступаються міцністю ковалентним зв’язкам. Саме завдяки наявності водневих зв’язків вода має високу теплоємність, високі температури кипіння та плавлення, а також інші аномальні властивості.

Рис. 2.2. Розчинення кухонної солі у воді

Вода полегшує процес розчинення електролітів шляхом формування гідратних оболонок навколо йонів. Гідратні оболонки відіграють роль ізолятора, що послаблює електростатичні взаємодії між йонами.

Рис. 2.3. Мережа водневих зв’язків у воді

Вода має багато аномальних властивостей

Завдяки наявності між молекулами водневих зв’язків вода має аномально високі температури плавлення (0 °С при тиску 1 атм) і кипіння (100 °С при тиску 1 атм). Тому за стандартних умов (температура 25 °С та тиск 1 атм) вода є рідиною. Для порівняння: близькі за структурою та масою сірководень, амоніак і метан — гази1.

Вода має аномально високу теплоємність: щоб нагріти 1 кг води на 1 °С, треба витратити 4,2 кДж енергії. Тому навіть для незначної зміни температури води потрібні великі витрати енергії. Випаровування води також пов’язане зі значними витратами теплоти, що дає змогу живим організмам використовувати воду як терморегулятор.

Ще одна загальновідома аномалія: вода має максимальну густину при +4 °С, тому лід плаває в рідкій воді й не тоне. Для більшості інших сполук тверда фаза виявляється густішою за рідку. Секрет низької густини льоду також криється у водневих зв’язках: за низької температури хаотичний рух молекул зведений до мінімуму, тому всі молекули води впорядковані в кристалічну структуру, яка підтримується водневими зв’язками. За вищої температури відбувається розрив частини водневих зв’язків і перехід води в рідкий стан — менш упорядкований, але щільніший (рис. 2.4). Саме тому взимку водойми не промерзають до дна, а лише вкриваються шаром льоду, що дозволяє рибам виживати.

Організми використовують воду з різною метою

Унікальні властивості води визначають її ключову роль у живих організмах. Вода є головним розчинником у клітині, становлячи приблизно 70 % маси клітини. Лише у водному розчині великі біологічні молекули, із якими ви ознайомитеся найближчим часом, можуть набувати правильної просторової форми й нормально функціонувати.

Проте чи всі речовини однаково добре розчиняються у воді? Зрозуміло, що не всі. Є численні групи сполук, які взагалі у воді не розчиняються. Якби всі частини клітини розчинялись у воді, то клітина дуже швидко розпалася б (тобто розчинилася), а отже, і припинила б існувати як структурне ціле. Саме тому величезне значення має розчинність тієї чи іншої речовини у воді. За здатністю розчинятись у воді всі речовини можна поділити на дві групи — гідрофільні та гідрофобні2. До першої групи належать полярні речовини, здатні добре розчинятись у воді. До другої — нерозчинні у воді речовини, такі як жири та подібні до них.

Рис. 2.4. Структура льоду (А) та рідкої води (Б)

1 Тут у читача може виникнути запитання, чому сірководень та амоніак не утворюють водневих зв’язків. Насправді вони їх утворюють, але міцність цих зв’язків значно нижча, ніж у води. Секрет міцності водневих зв’язків між молекулами води полягає в тому, що Оксиген є більш електронегативним атомом, ніж Сульфур чи Нітроген. Унаслідок цього він сильніше відтягує електрони з Гідрогену, що спричиняє утворення більших надлишкових зарядів на атомах. У результаті Гідроген та Оксиген різних молекул притягуються сильніше.

2 Від гр. hydor — вода, philia — любов, phobos — страх.

Завдяки різній розчинності гідрофобні речовини можуть розділяти ділянки всередині клітини чи цілі клітини. Як побачимо далі, усі біомембрани, що оточують клітини, складаються з гідрофобних речовин.

Як добрий розчинник для багатьох речовин, вода здатна транспортувати їх у живому організмі. Згадаймо хоча б рух речовин ксилемою та флоемою рослин чи транспортну функцію плазми крові.

Вода — майже нестискувана рідина, тому вона виконує опорну функцію. Більшу частину дозрілої рослинної клітини становить вакуоля, наповнена рідиною під тиском. Саме завдяки цьому тискові клітини й органи рослин зберігають свою форму. За втрати клітинами води ми спостерігаємо в’янення рослин, що напряму пов’язано зі зменшенням тиску у вакуолі (рис. 2.5).

Варто зауважити, що вода є не лише середовищем, у якому взаємодіють різні біологічні молекули, а й учасником хімічних реакцій. Так, у процесі фотосинтезу, який здійснюють рослини, вода є однією з речовин, із яких потім будуть побудовані молекули органічних сполук. Процес травлення також відбувається за безпосередньої участі молекул води: вона потрібна для розщеплення великих молекул на дрібніші.

Насамкінець зазначимо, що завдяки високій теплоємності води живі організми використовують її для терморегуляції. Організми миттєво не замерзають на морозі та не перегріваються в спеку саме тому, що містять велику кількість води. А такий процес, як випаровування поту, супроводжується втратою значної кількості теплоти та охолодженням організму.

Неорганічні речовини організмів здебільшого розчинені у воді

Уміст клітин — це водний розчин, у якому, крім молекул води, є багато різних органічних і неорганічних речовин. Значну частину внутрішньоклітинної та міжклітинної рідини становлять водні розчини неорганічних йонів. Серед неорганічних аніонів (негативно заряджених йонів) у клітині переважають хлорид- і фосфат-іони. Хлорид-аніон є як ззовні, так і всередині клітини, натомість фосфат-аніон переважає у внутрішньоклітинному середовищі. Серед катіонів (позитивно заряджених йонів) домінують йони лужних (Натрій, Калій) та лужноземельних (Кальцій і Магній) металів. При цьому спостерігається асиметрія розподілу йонів: у міжклітинній рідині більше йонів Натрію та Кальцію, а у внутрішньоклітинній — йонів Калію та Магнію1. Йони лужних і лужноземельних металів відіграють найрізноманітніші ролі.

Саме вони залучені до утворення різниці електричних потенціалів на мембрані нервових клітин, що забезпечує передачу нервового імпульсу. Йони Магнію вкрай потрібні для нормального функціонування багатьох великих біологічних молекул. Йони Кальцію залучені до таких процесів, як м’язове скорочення та передача сигналів усередині клітин.

Рис. 2.5. В’янення рослин — прямий наслідок втрати води клітинами

1 Це твердження не завжди правильне: часто всередині клітини є обмежені мембраною ділянки, у яких концентрація йонів Кальцію може значно перевищувати концентрацію ззовні клітини. Утім ці ділянки відгороджені від звичайного внутрішньоклітинного середовища та є «коморами» йонів Кальцію всередині клітини.

Деякі неорганічні речовини міжклітинного середовища є нерозчинними

Окрім важливої ролі всередині клітини, неорганічні сполуки виконують значущу роль поза клітиною. Так, достатня кількість йонів Кальцію в плазмі крові потрібна для згортання крові та припинення кровотечі. Шлунковий сік містить до 5 % хлоридної кислоти, необхідної для процесів розщеплення білків і знищення бактерій, що потрапили в шлунок разом із їжею. Певна кислотність крові підтримується, насамперед, завдяки наявності в крові карбонат- і фосфат-іонів: вони підтримують постійну кислотність плазми крові, якщо виникає загроза її зміни. Багато речовин важливі для організмів і в нерозчиненому стані. Так, кальцій ортофосфат і кальцій карбонат становлять до 70 % маси сухої кісткової тканини людини1, забезпечуючи високу міцність кісток і зубів. Солі Кальцію та Стронцію є основою скелета й в інших істот, входячи до складу мушель молюсків та одноклітинних, а також панцирів раків.

Поміркуйте

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Для перенесення теплоти по організму використовується

  • А залізо
  • Б гемоглобін
  • В кальцій
  • Г вода
  • Д кальцій фосфат

2. Тіло людини масою 70 кг містить 65 % води. Щоб нагрітися на 1 градус, ураховуючи, що поглинає теплоту лише вода, тілу потрібно поглинути теплоти

  • А 191 кДж
  • Б 294 кДж
  • В 273 кДж
  • Г 452 кДж
  • Д 4,2 кДж

3. У внутрішньоклітинному просторі більше, ніж у міжклітинному, йонів

  • А Na+ та Cl-
  • Б PO3-4 та Mg2+
  • В Cl- та PO3-4
  • Г Сa2+ та Cl-
  • Д Na+ та K+

4. Під час передачі нервового імпульсу позитивно та негативно заряджені боки мембрани міняються через перенесення йонів

  • А Na+ та Cl-
  • Б PO3-4 та Mg2+
  • В Cl- та PO3-4
  • Г Сa2+ та Cl-
  • Д Na+ та K+

5. Уміст якого елемента у висушеній кістці найбільший?

  • А К
  • Б Ca
  • В Mg
  • Г Sr
  • Д Na

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Як змінилися б властивості води, якби між її молекулами не виникали водневі зв’язки?

1 Насправді до складу міжклітинного матриксу кісткової тканини частіше входять не наведені речовини, а кальцій гідроксиапатит складу Ca10(OH)2(PO4)6.

7. До яких наслідків для організму призводить зменшення в ньому води в похилому віці?

8. Чому, на відміну від води, густина твердого аміаку більша за густину рідкого?

9. Собаки в спекотну погоду дихають відкритим ротом із висунутим вологим язиком. Які властивості води та як допомагають собакам боротися зі спекою в такий спосіб?

10. Схарактеризуйте порушення в роботі організму людини, що виникають у разі нестачі Кальцію.

11. Чому для створення кислого середовища в шлунку організм утворює хлоридну, а не якусь іншу кислоту?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

12. Оскільки внутрішній простір організмів заповнений водою, то нерозчинні в ній сполуки — жири та багато солей — не мали б транспортуватися, а мусили б накопичуватися в місці виникнення. У які способи організми вирішують цю проблему?

13. Чому основними катіонами організму є катіони лужних і лужноземельних металів, а не інші катіони?

14. Які хвороби та як призводять до зневоднення організму? Чи достатньо для боротьби зі зневодненням пити воду?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

15. У міжклітинній рідині підтримується певна концентрація неорганічних йонів. Що станеться з клітинами, якщо їх помістити в розчин, концентрація солей у якому в 10 разів більша або менша, ніж у клітині?

16. Клітини багатьох організмів здатні витримувати зниження температури нижче нуля без замерзання внутрішнього вмісту. Які стратегії захисту клітин від замерзання використовують такі організми?

Проект для дружної компанії

17. Значення органічних і неорганічних речовин для міцності та гнучкості кістки.

  • 1) З’їжте курку, а очищені від м’яких тканин кістки промийте водою та просушіть. Обов’язково збережіть кілька кісток для порівняння.
  • 2) Помістіть кілька кісток у банку й залийте їх оцтом (розчин оцтової кислоти). Щоб оцет не тхнув, щільно закрийте банку кришкою. Через 3-5 днів зберігання дістаньте кістки, промийте водою та просушіть.
  • 3) Кістки прожарте на відкритому вогні впродовж різного часу. Пам’ятайте, що горіння органічних речовин зумовить появу різкого неприємного запаху, тому працюйте в добре провітрюваному приміщенні. Зачекайте, поки кістка не почорніє від органічних сполук, що обвуглилися. Обережно остудіть кістки.
  • 4) Принесіть і покажіть однокласникам, як змінилися міцність і гнучкість кісток у результаті дослідів. Поясніть зміни, що відбулися.