Водата е живот: под строй и в танц

20 март 2019 г., 18:44
1084

Учени откриха как се организират молекулите на течността. Снимка: Shutterstock

Няма по-изтъркано, макар и вярно клише от това в заглавието. Но малцина се замислят за причините, поради които тази уникална течност наистина представлява неотменима част от химията и физиката на живия свят.

Никой не би изтърпял да му обясняват какво е вода, но надали са много хората, които знаят, че тя се отличава по 66 начина от „нормалните” течности. На първо място е нейната странно изменяща се плътност при различни температури, голяма топлоемкост и високо повърхностно напрежение. Тези качества сами по себе си вече са основа за нейната незаменимост за живота такъв, какъвто го познаваме.

От ранна детска възраст знаем, че при охлаждане водата намалява обема си. Но при 4 °С (по-точно - при 3,98 °С) настъпва кризисно състояние - структурнo преустройство, и при по-нататъшно понижаване на температурата обемът на водата вече не намалява, а се увеличава. При охлаждaне при нормални условия под 0 °С водата кристализира, превръщайки се в лед, чиято плътност е по-малка, а обемът почти 10% по-голям от този на течната вода, от която е образуван.

Увеличението на обема се обяснява с това, че всяка молекула в структурата на леда е свързана с водородни връзки с четири други молекули. Така се формира ажурна конструкция с "кухини" между фиксираните молекули вода, което води до значително разширяване на цялата замръзнала маса. Ето защо ледът

пука стоманените водопроводни тръби,

ако бъдат оставени да замръзнат. Но същият този лед през зимата спасява всичко живо, населяващо водоемите.

Ето как става това. Охладен до 4 °С и достигнал максимална плътност, горният слой на водата пада на дъното, като донася кислород за обитателите и осигурява равномерно разпределение на хранителните вещества. Издигналите се на повърхността по-топли слоеве се уплътняват при контакта си с въздуха, охлаждат се до 4 °С и на свой ред се спускат надолу. Това "разбъркване" става дотогава, докато температурата на всички равнища не се изравни. Тогава спира циркулацията и езерото започва да се покрива със слой от плаващ лед, тъй като само при водата твърдото агрегатно състояние е по-леко от течното.

От този момент започва подреждане на взаимното положение на водните молекули, формира се характерната за леда шестоъгълна структура на кристалите му. Благодарение на обемната си кристална структура той остава на повърхността и тъй като топлопроводимостта му е много по-малка от тази на течната вода, той предпазва дълбините на водоема от замръзване. Именно поради това в реките, моретата и океаните въобще е възможeн живот. В противен случай всички води през зимата ще представляват огромен леден блок и всичко живо в него би замръзнало до смърт.

Структурният преход

"лед-вода" също е любопитен. В процеса на топене при 0 °С около 10-15% от водата се откъсва от връзките на ледената структура, повишава се подвижността им и те се потапят в споменатите структурни кухини на леда. Това обяснява и сгъстяването на леда при топене - по-голямата (с около 10%) плътност на образуващата се вода. Плътността на водата достига споменатия си максимум при 4 °С, а с по-нататъшно увеличаване на температурата закономерното разширяване на водата поради засиленото движение на молекулите й превишава ефекта от преструктурирането на леда във вода и плътността на водата бавно започва да намалява.

В сравнение с други вещества водата има

огромна топлоемкост

и поради това е ефективен топлоносител. Ако нелюбимите за мнозина топлофикации ползваха не вода, а въздух, за да ни греят, те щяха да харчат четири пъти по-малко енергия за затоплянето му до същата температура. Но и радиаторите ни щяха да отдават четири пъти по-малко топлина. Затова водата се използва и като охладител в съответните системи (например на автомобилите).

Уникалните свойства на водата се появяват и при нагряване. Нейната температура на изпарение е изключително висока. Например, за да се изпари 1 грам вода, загрята до 100 °С, е нужна шест пъти повече топлина, отколкото за загряване на същото количество вода от 0 до 80 °C. Така пара с висока температура и високо налягане се ползва в турбините на ТЕЦ, където огромната й енергия се преобразува в електричество. Накратко - работи безотказно в техниката.

Но ако топлоемкостта на водата е винаги толкова високa, ние, топлокръвните същества, трудно бихме оцелели. Термичният баланс, необходим за поддържане на всички процеси, протичащи в тялото ни, се базира на енергията от храната, която ядем, и въздуха, който дишаме. Като се има предвид, че голяма част от нашия организъм е вода, и то с огромен топлинен капацитет, за поддържане на нормална телесна температура (36-37 °С) би трябвало да поемаме прекалено много енергия. Бихме яли страшни количества храна или, дъвчейки нещо, би трябвало да си седим върху горещите радиатори, топлейки ту единия, ту другия си хълбок.

От друга страна, ако топлоемкостта на водата беше ниска, дори и малко количество топлина, подадена отвън (например малко слънчева светлина), бързо би увеличило телесната ни температура, което също би нарушило всички физиологични процеси в организма.

Но водата е създадена като че ли точно за човека. При затоплянето й от 0 до 37 °С отначало топлинният й капацитет намалява, като достига минимум при нормалната температура на човешкото тяло. След това започва да расте. Накратко, водата работи като температурен регулатор, който изглажда резките колебания на температурата. И това е причината да са възможни топлокръвните животни, включително човекът.

Водата е инертен разтворител,

който не се променя химически под въздействието на по-голямата част от съединенията, които разтваря, и не променя самите тях. Тази характеристика на водата е от съществено значение за живите организми на планетата, тъй като необходимите за тъканите им хранителни вещества влизат във водни разтвори в относително стабилна форма.

Капилярността е друго необичайно свойство на водата, което се дължи на изключително високото й повърхностно напрежение (ПН) - 72,7 Dyn/кв.см при 20 °С. То характеризира силата на сцепление между водните молекули и формата на повърхността на течността (като например на капката). В това отношение измежду всички течности водата е на второ място след живака.

Необходимо е да се отбележи, че вътреклетъчната вода в човешкото тяло има повърхностно напрежение от около 43 дина/см2. По принцип е хубаво в организма водата да влиза „по-течна”, с по-ниско ПН, отколкото това на обичайната чешмяна вода, така че клетките да не изразходват енергия за преодоляването му. В допълнение - вода с ниско повърхностно напрежение по-лесно влиза в междумолекулни взаимодействия. За намаляване на повърхностното напрежение на водата е достатъчно леко да я постоплим.

Повърхностното напрежение се проявява при мокрене. Мокренето и повърхностното напрежение са в основата на явлението, наречено капилярност. Именно тя „командва” движението на кръвта и тъканните течности в организма на животните и хората.

Италианският биолог и лекар Марчело Малпиги още в средата на 17. век открива, че кръвта постепенно протича от артериалната система във венозната по микроскопични „тръбички” – капиляри. През 1920 г. Нобеловият лауреат Август Крог установява, че диаметърът на капилярите е само няколко микрона, но ако всички капиляри на само един човек се навържат на нишка, тя би могла да се опъне от Земята до Луната и обратно. По тези "микроскопични сламки" постоянно тече кръвна плазма, като поточетата продължават и в междуклетъчните пространства и лимфните системи.

Какво кара кръвта и лимфата, които са 90-92% вода, да се изкачват по тесни канали с огромна височина? Науката все още се затруднява с точния отговор на този въпрос. А водата междувременно го прави, доставяйки през капилярите на всяка от клетките ни хранителни вещества и кислород.

Капилярнoстта е от съществено значение за животa

на нашата планета. Именно поради това явление водата овлажнява земните пластове високо над подпочвените потоци и храни растенията с минерали от дълбочина десетки метри.

Истински пробив в разбирането на тези жизненоважни свойства на водата правят учени от САЩ, Швеция и Япония.

Отдавна се знае как водните молекули се организират във вид на лед - те образуват тетраедри, като всяка молекула се свързва с други четири. Екипът на Анерс Нилсън от американската Национална ускорителна лаборатория започва търсенето на подобни структури и в течната вода. За целта те насочват към нея мощни снопове от рентгенови лъчи, генерирани от Станфордския радиационен светлоизточник в САЩ и от синхротрона SPring-8 в Япония. И откриват, че водата се „подрежда” в два основни типа образувания - или много строго тетраедрични (във формата на равностранни триъгълни пирамиди), или много безпорядъчни. Тетраедричните форми се изграждали от по около 100 задружни молекули, заобиколени от безредни пространства. Самата вода е променяща се смес от двата типа структури в целия температурен диапазон, в който животът е мислим - от 0 до 100 градуса. В по-топлата вода хаотичните форми стават повече (а и по-хаотични), но тетраедричните не изчезват.

Според Нилсън водата

се организира подобно на оживен ресторант с дансинг.

В него някои посетители седят около големи маси, заемайки доста място - като водните тетраедри. Останалите са притиснати един до друг на дансинга и се движат по-бавно или по-бързо в зависимост от музиката (температурата). Между двете групи тече обмен, а когато дансингът се попрепълни, масите може да бъдат избутани далеч от него, за да има повече място за танцуващите. А когато те се поуморят, пак се организират около масите.

Това откритие обяснява и „свръхохладената” вода (без примеси), която не замръзва дори при температура, много по-ниска от 0 градуса. Максималната плътност на водата при 4 °С пък се обяснва с факта, че тетраедричните структури са с ниска плътност, която не се мени особено с температурата. А по-хаотичните структури стават още по-безпорядъчни при загряване - и съответно по-малко плътни. С повишаването на температурата те стават и повече, увеличава се и броят на молекулите в такова състояние - а те могат да поемат повече топлина. Оттук и високата топлоемкост на водата.

Способността на водата да образува силни водородни връзки между молекулите се обяснява с високото й повърхностно напрежение, което някои насекоми ползват, за да „ходят” по повърхността на езера и локви.

Новите знания за същността на течността на живота неизбежно ще доведат до нови подходи в медицината и биологията, смятат учените. Едва ли откритието ще остане без последици в изучаването на протеините например, които живеят и работят изцяло във водна среда. И може би утре ще се лекуваме с достатъчно загрята или охладена „жива вода”.

Петър Кънев

Ключови думи:
Коментари