Содержание
Молекула воды электрически нейтральна, но асимметричное расположение атомов водорода на атоме кислорода дает ей чистый положительный заряд с одной стороны и отрицательный заряд с другой. Среди важных последствий для живых организмов - способность воды растворять различные вещества, больше, чем в любой другой жидкости, и ее сильное поверхностное натяжение, которое позволяет ей образовывать капли и проходить сквозь крошечные корни, стебли и капилляры. Вода - единственное вещество, которое существует в виде газа, жидкости и твердого вещества при температурах, найденных на Земле, и из-за полярности молекулы воды твердое состояние является менее плотным, чем жидкое состояние. В результате лед плавает, и это имеет глубокие последствия для жизни повсюду на планете.
Водородная связь
Простой способ оценить полярную природу молекулы воды - представить ее в виде головы Микки Мауса. Атомы водорода сидят на молекуле кислорода почти так же, как уши на голове Микки. Это искаженное тетраэдрическое расположение возникает из-за того, как электроны распределяются между атомами. Атомы водорода образуют угол 104,5 градуса, давая каждой молекуле характеристики электрического диполя или магнита.
Положительная (водородная) сторона каждой молекулы воды притягивается к отрицательной (кислородной) стороне окружающих молекул в процессе, называемом водородной связью. Каждая водородная связь длится всего доли секунды и недостаточно прочна, чтобы разорвать ковалентные связи между атомами, но придает воде аномальную природу по сравнению с другими жидкостями, такими как спирт. Три аномалии особенно важны для живых организмов.
Растворитель Жизни
Из-за своей полярной природы вода способна растворять так много веществ, что ученые иногда называют ее универсальным растворителем. Организмы поглощают много необходимых питательных веществ, включая углерод, азот, фосфор, калий, кальций, магний и серу из воды. Кроме того, когда вода растворяет ионное твердое вещество, такое как хлорид натрия, ионы свободно плавают в растворе и превращают его в электролит. Электролиты проводят электрические сигналы, необходимые для передачи нейронных сигналов, а также сигналы, которые регулируют другие биофизические процессы. Вода также является средой, через которую организмы уничтожают продукты обмена веществ.
Связывающая сила питания
Электростатическое притяжение молекул воды друг к другу создает явление поверхностного натяжения, при котором поверхность жидкой воды образует барьер, по которому некоторые насекомые могут фактически ходить. Поверхностное натяжение превращает водный шарик в капли, и когда одна капля приближается к другой, они притягивают друг друга, образуя единую каплю.
Из-за этого притяжения вода может втягиваться в маленькие капилляры как устойчивый поток. Это позволяет растениям извлекать влагу из почвы через свои корни, а также позволяет высоким деревьям питаться, вытягивая сок через их поры. Привлечение молекул воды друг к другу также помогает поддерживать циркуляцию жидкости в организме животных.
Аномалия плавающего льда
Если бы лед не плавал, мир был бы другим местом и, вероятно, не смог бы поддерживать жизнь. Океаны и озера могут замерзнуть снизу вверх и превратиться в твердую массу, когда температура станет холодной. Вместо этого водоемы зимой образуют ледяную крошку; поверхность воды замерзает при воздействии более низких температур воздуха над ней, но лед остается поверх остальной воды, потому что лед менее плотный, чем вода. Это позволяет рыбе и другим морским существам выживать в холодную погоду и давать пищу обитающим на земле существам.
За исключением воды, любое другое соединение становится плотнее в твердом состоянии, чем в жидком состоянии. Уникальное поведение воды является прямым следствием полярности молекулы воды. Когда молекулы оседают в твердом состоянии, водородная связь заставляет их образовывать решетчатую структуру, которая обеспечивает больше пространства между ними, чем в жидком состоянии.