Какие свойства воды обусловлены полярностью ее молекул

Вода (H2O) — важнейшее неорганическое вещество клетки. В клетке в количественном отношении вода занимает первое место среди других химических соединений. Вода выполняет различные функции: сохранение объёма, упругости клетки, участие во всех химических реакциях. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.

Свободная вода находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей среды в клетку и наоборот.
Связанная вода входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами, и соединена с некоторыми белками.
Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительное значение для живых организмов.

Структура молекулы воды

Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы.

Свойства воды

Так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ.
Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными (соли, сахара, простые спирты, аминокислоты, неорганические кислоты). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает.

Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными (жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки). Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет некоторые вещества, для живых организмов также очень важен.

Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму.

Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создаётся плёнка, обладающая такой характеристикой, как поверхностное натяжение.

К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (O2, CO2 и др.).

Вода является также источником кислорода и водорода, выделяемых при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.

Биологические функции воды

• Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почву и к водоёмам.
• Вода — активный участник реакций обмена веществ.
• Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме (эти жидкости находятся в суставах позвоночных животных, в плевральной полости, в околосердечной сумке).
• Вода входит в состав слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей. Водную основу имеют и секреты, выделяемые некоторыми железами и органами: слюна, слёзы, желчь, сперма и т. д.

Водный режим растений

Свойства молекулы воды Полярность молекул воды. n Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле воды. n Такую молекулу называют диполем. n Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны водородных атомов, в результате между молекулами возникает электростатическое взаимодействие. Эти взаимодействия более слабые, чем обычные ионные связи называются водородными связями.

Вода как растворитель n n n Вода хороший растворитель для полярных веществ. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять растворы на отдельные компартменты, подобно биологическим мембранам. Неполярные части молекул отталкиваются водой и притягиваются друг к другу. Пример того – масла, образующие пленки, или крупные капли из мелких. То есть неполярные молекулы гидрофобны.

Другие свойства воды n n Большая теплоемкость. Удельной теплоемкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1°C. Большая теплоемкость сводит к минимуму температурные изменения в водной среде, благодаря этому биохимические реакции идут в относительно узком температурном диапазоне и опасность нарушения от резкого скачка температуры им грозит не так сильно. n n Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения – это мера тепловой энергии, которую нужно сообщить жидкости для ее превращения в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления. Испарение воды требует значительного количества энергии, что объяснимо наличием водородных связей между молекулами. Именно из-за этого температура кипения воды – вещества, обладающего настолько маленькими молекулами – необычно высока.

Другие свойства воды n n Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления – мера тепловой энергии, необходимая для расплавления твердого вещества (в случае воды – льда). Воде для плавления требуется довольно большое количество энергии. Справедливо и обратное – при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. n n Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия – сцепления молекул физического тела друг с другом при действии сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение – результат действия между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Значительная когезия играет важную роль в движении воды по сосудам ксилемы.

Физиологические функции воды n n n n n Обеспечивает поддержание структуры (высокое содержание воды в протоплазме). Служит растворителем и средой для диффузии. Вода участвует в реакциях гидролиза. Участвует в фотосинтезе: 6 CO 2+6 H 2 O→C 6 H 12 O 6+6 O 2 Обуславливает осмос и тургесцентность клеток. Обеспечивает транспирацию и транспорт веществ. Обеспечивает прорастание семян – набухание, разрыв семенной оболочки, дальнейшее развитие. Служит средой в которой происходит оплодотворение. Обеспечивает распространение семян и гамет.

Формы воды в клетках и тканях. Вода клетки Связанная вода Вода капиллярно связанная (в пределах организма) Вода связанная физически Свободная вода обладает высокой подвижностью. Вода связанная химически

Удержание воды в клетке и тканях n n n Вода удерживается в клетках за счет осмоса и набухания биоколлоидов. Даже если содержание воды снизится до критического – большое количество воды останется в клетке в составе коллоидов. Доля связанной воды зависит от вида, части растения, общего содержания воды в тканях. n n Клеточные стенки обладают высокой гигроскопичностью, в основном из-за гидрофильности пектиновых веществ и целлюлозных фибрилл. Разделяют две фракции воды подвижную и малоподвижную. Вода, удерживаемая водородными связями на фибриллах целлюлозы и содержащаяся в микрокапиллярах, считается малоподвижной. Вода, содержащаяся в крупных капиллярах между фибриллами, достаточно легко перемещается.

Строение корня. n n n Выделяют: корневой чехлик зоны: деления, роста растяжением, всасывания , проведения.

Корневой чехлик n n Клетки наружных слоев его секретируют полисахаридную слизь и слущиваются при передвижении корня в почве. Клетки центральной части чехлика – статоциты содержат много крахмальных зерен, участвующих в восприятии корнем силы тяжести.

Функции корневого чехлика n n n Предохранение растущей зоны, в первую очередь апикальной меристемы от повреждений при контакте с почвой. Облегчение движения кончика корня в почве. Восприятие геотропического раздражителя, обеспечивающее правильную пространственную ориентацию.

Апикальная меристема корня n n n Меристема корня откладывает новые клетки не только внутрь, но и наружу, то есть в направлении корневого чехлика, возобновляя его. Апикальные клетки меристемы корня отличаются от остальных более редкими делениями, более медленным синтезом ДНК, РНК и белка. Эти клетки получили название покоящегося центра. При повреждении апикальной меристемы из-за неблагоприятных факторов, она восстанавливается за счет деления клеток покоящегося центра.

Дифференциация корня n n n Ризодерма — покровная ткань, которой снаружи покрыты молодые корневые окончания. Она содержит корневые волоски и участвует в процессах всасывания. Кора — образована паренхимой, обычно дифференцируется на уровне зоны растяжения. Она рыхлая и имеет систему межклетников, по которой вдоль оси корня циркулируют газы, необходимые для дыхания и поддержания обмена веществ. Через кору активно проходит радиальный транспорт воды и растворенных солей от ризодермы к осевому цилиндру. В тканях коры осуществляется активный синтез метаболитов и откладываются запасные питательные вещества. Осевой цилиндр — представляет собой сложный комплекс из проводящей, образовательной и основной тканей.

Поглощение воды корнем, радиальный транспорт воды n n n Через клетки коры возможны два пути транспорта воды минеральных веществ: через цитоплазму по плазмодесмам (симпластный транспорт) и по клеточным стенкам (апопластный транспорт). Сопротивление клеточных стенок для воды значительно ниже, чем у цитоплазмы, следовательно, транспорт воды по апопласту более быстрый. На уровне эндодермы апопластный путь становится невозможным из-за непроницаемых для воды поясков Каспари.

Механизмы возникновения корневого давления. n n В результате активной работы ионных насосов в корне и осмотическому (пассивному) поступлению воды в сосуды ксилемы в сосудах развивается гидростатическое давление получившее название корневого давления. Оно обеспечивает поднятие ксилемного раствора по сосудам ксилемы из корня в надземные части. Механизм передвижения воды по растению в следствие развивающегося корневого давления называется нижним концевым двигателем.

Формы воды в почве • Степень увлажнения почвы, при которой растения начинают завядать, от недостатка влаги, называется влажностью завядания. • Количество воды, которую почва прочно удерживает, а растения не могут использовать, составляет мертвый запас воды. • Воду, которая содержится в почве сверх влажности завядания (некоторые считают сверх мертвого запаса), называют продуктивной (или доступной) влагой. • В некоторых климатических условиях, вода может содержаться в почве в достаточном количестве, но растение физиологически не может ее получить. Такая почва называется физиологически сухой. n n n Гравитационная вода занимает в почве крупные поры (некапиллярные), передвигается сверху вниз под собственной тяжестью. Это самая доступная для растений вода. Капиллярная вода занимает капилляры почвы. По ним она продвигается от более влажного слоя к более сухому. По мере испарения воды с поверхности почвы такой восходящий ток ее может иссушить почвы. Капиллярная вода вполне доступна растениям. Гигроскопическая вода находится в почве в виде молекул в поглощенном состоянии, удерживается поверхностью почвенных частиц, почти недоступна растениям, передвигается между частицами почвы в форме пара.

Транспирация n n Транспирацией называется физиологическое испарение воды растениями. Основным органом транспирации является лист. Устьица – поры, через которые диффундирует вода, испаряющаяся с поверхности клеток. Устьица находятся в эпидермисе листьев и стеблей. Через устьица испаряется до 90% воды это устьичная транспирация. Кутикула – воскоподобный слой, покрывающий эпидермис листьев и стеблей. Через него проходит вода, испаряющаяся с наружных стенок клеток эпидермиса. Через кутикулу испаряется около 10% воды, в зависимости от толщины кутикулы это кутикулярная транспирация. Чечевички: обычно их роль невелика, но у листопадных деревьев после опадения листьев через них испаряется основная масса воды.

n Верхний концевой двигатель создается и поддерживается высокой сосущей силой транспирирующих клеток листовой паренхимы.

Движение воды по листу n n n Вода может идти тремя путями: По апопласту она движется наиболее быстро, транспорт через симпласт наиболее медленный. Движение воды через вакуоли представляет собой смешение двух предыдущих путей.

Процесс транспирации можно разделить на три стадии: n Испарение воды с клеточных стенок в межклетники. n Диффузия паров воды через устьица наружу. n Диффузия паров воды от поверхности листа. n

Транспирация через сверхмалые отверстия n воды идет быстрее Этим объясняется, что испарение. Все листья окружены неподвижным слоем при большом числе малых отверстий, чем при воздуха, толщина одном большом отверстии той же общей площади. областикоторого определяется одинаковой размером листа и концентрации особенностями его паров воды Чем выше градиент водного потенциала, тем ближе расположены области одинаковой концентрации паров и тем быстрее происходит диффузия. Поэтому имеет место краевой эффект – диффузия идет интенсивнее с краев отверстия. строения. Пары воды сначала диффундируют через этот слой, а потом уносятся воздушными потоками.

Устройство и работа устьичного механизма n n Морфологической особенностью замыкающих клеток является различие в толщине клеточной стенки. Основной силой вызывающей изменение степени открытости устьичной щели, является изменение тургора замыкающих клеток или, реже, клеток – спутников. Первый механизм характерен для большинства растений и называется гидроактивным механизмом, второй же свойственен злакам и называется гидропассивным.

Механизм работы устьиц n n n Традиционная гипотеза для любого механизма сахарокрахмальная. Днем в результате фотосинтеза в замыкающих клетках накапливаются сахара, в результате повышается осмотическое давление и сосущая сила клеток, что вызывает приток воды в клетку. Кроме этого обнаружено, что днем в замыкающих клетках накапливаются ионы калия (К+) которые, обладая гидрофильностью, так же вызывают приток воды в клетку. n Ночью в устьичных клетках происходит образование крахмала, и понижение концентрации сахаров, ионы же калия оттекают в клетки – спутники, что тоже понижает осмотическое давление замыкающих клеток.

Внешние факторы, влияющие на транспирацию n n n Свет. На свету устьица открываются и закрываются в темноте, поэтому потери воды ночью невелики и связаны в основном с кутикулярной транспирацией. Открывание устьиц на свету обусловлено увеличением интенсивности фотосинтеза замыкающих клеток. Температура. На свету самое сильное влияние на открытость устьиц оказывает температура. Чем она выше, тем выше скорость испарения воды из клеток мезофилла и тем больше насыщен водяными парами воздух в межклетниках. Но в то же время уменьшается влажность окружающего лист воздуха. Влажность воздуха. Пониженная влажность воздуха способствует транспирации, так как градиент влажности между межклетниками и окружающей средой увеличен. Повышение влажности наоборот подавляет транспирацию. Ветер. Вокруг листа образуется область воздуха, насыщенная парами воды, мешающая транспирации, которая сдувается при малейшем ветре. Таким образом, ветреная погода способствует транспирации, а безветрие снижает ее интенсивность. Доступность воды в почве. При отсутствии в почве легкодоступной влаги, поглощение ее корнями снижается, что приводит к понижению обводненности всего растения, что сказывается, в том числе и на количестве воды в замыкающих клетках устьиц и их тургоре.

Внутренние факторы, влияющие на транспирацию n Площадь поверхности листьев. Транспирация возрастает с увеличением поверхности листьев. Потери воды могут быть уменьшены с уменьшением площади листовой поверхности. Такие приспособления видим у кактусов – редуцированные листья превращенные в колючки; у хвойных, где листья превращены в иглы. Листопадные растения сбрасывают листья на зимний период, который отличается малым количеством доступной влаги.

Внутренние факторы, влияющие на транспирацию n Кутикула. Транспирация через кутикулу идет тем быстрее, чем тоньше кутикула. Молодые листья в этом отношении теряют больше воды потому как их кутикула развита слабо. У старых – потеря воду через кутикулу составляет не более 1 -2% из-за толстой кутикулы. Многие суккуленты имеют очень толстую, зачастую блестящую кутикулу, которая является их защитным механизмом от потери влаги.

Внутренние факторы, влияющие на транспирацию n Устьица. Интенсивность транспирации определяется количеством устьиц на единицу площади листа. Чем оно больше, тем выше транспирация. Устьица могут располагаться как на одной стороне листа, так и на обеих. n n n Листья у которых устьица располагаются с верхней стороны называются эпистоматическими. Листья, у которых устьица снизу – гипостоматические. Листья у которых устьица с обеих сторон – амфистоматические.

Группы растений по водному режиму. Гидрофиты n n n Обитают в водной среде Механические и проводящие ткани развиты слабо Развита аэренхима – воздухоносная ткань Транспирация почти не регулируется, кутикула на листьях слабая. Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации – 1: 9

Группы растений по водному режиму. Гигрофиты. n n Растут в местах избыточного увлажнения Проводящие пучки слабо развиты, ткани листьев рыхлые Кутикула тонкая Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации примерно 1: 4

Группы растений по водному режиму. Мезофиты. Подгруппа: гигромезофиты. n n n Растут в местах избыточного увлажнения или периодического затопления. Ткани развиты в полном объеме. Кутикула развита средне. Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации от 1: 3 до 1: 2

Группы растений по водному режиму. Мезофиты. Подгруппа: эумезофиты. n n n Растут в местах умеренного увлажнения Ткани развиты нормально. Кутикула хорошо развита. Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации от 1: 1 до 2: 1 в зависимости от местообитания.

Группы растений по водному режиму. Мезофиты. Подгруппа: ксеромезофиты. n n Растут в более засушливых местообитаниях. Сильно развиты проводящая и механическая ткани. Часто развивается опушение листьев. Кутикула мощная. Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации около 4: 1

Группы растений по водному режиму. Ксерофиты. Настоящие ксерофиты. n n n Обитают в засушливых условиях. Имеют мощно развитую корневую систему и проводящие ткани. Листья и побеги часто метаморфизированы в филлодии, филлокладии или иглы. Растения зачастую опушены, обладают толстой блестящей кутикулой. Устьица расположены на нижней стороне листьев, листья сворачиваются в трубочку. Соотношение устьичной и кутикулярной транспирации 9: 1

Группы растений по водному режиму. Ксерофиты. Суккуленты n n Растения приспособлены к накоплению воды внутри своих тканей. Корневая система не глубокая, но широко раскинута в поверхностном слое почвы. Листья метаморфизированы в иглы, или мелкие с мощной кутикулой, но могут отсутствовать. У некоторых видов запасание воды происходит так же в листьях.