Woda jest istotnym składnikiem wszystkich żywych organizmów, stanowi przeważającą część ich masy. Najwięcej wody zawierają komórki mózgu ( około 85% ) , najmniej - kości
( około 20% ). Ilość wody w tkankach zmniejsza się wraz z wiekiem. Woda w organizmie człowieka stanowi 70% masy jego ciała, u innych organizmów ( np. u meduz lub niektórych roślin ) może ona stanowić nawet 95% masy całego organizmu.
Woda uczestniczy w wielu reakcjach fizjologicznych , jako substrat, produkt lub środowisko tych reakcji. Niedobór wody w organizmie powoduje nieprawidłowości w przebiegu tych procesów , co może prowadzić do zaburzeń funkcjonowania całego ustroju. Duży niedobór wody może spowodować nawet śmierć organizmu. Nieprawidłowy przebieg procesów biochemicznych i fizjologicznych obserwuje się w organizmie jeżeli straty wody sięgają wartości około 10% całkowitej ilości wody w organizmie. Natomiast strata 15-20% wody powoduje śmierć organizmu. Istnieją jednak pewne gatunki zwierząt odpornych na duże utraty wody, np. wielbłądy ( potrafią znieść utratę nawet 40% wody ) i niektóre gatunki żab.
Największą odporność na utratę wody wykazują rośliny, więdną one dopiero przy utracie około 30-50% wody. Wyjątkowe przystosowania do warunków niedoborów wody wykazują mchy oraz kserofity.
Cechy fizykochemiczne wody.
Woda jest substancją chemiczną powszechnie występującą w przyrodzie. Woda w przyrodzie nie występuje w postaci czystej, zawsze zawiera domieszki innych substancji. W czystej postaci woda jest bezbarwną, bezwonną cieczą , nie posiadającą smaku. Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem wielu substancji, ma wysoką temperaturę topnienia oraz wysoką temperaturę wrzenia. Woda ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne pełni ważną rolę w termoregulacji organizmu. Jest ona dobrym przewodnikiem cieplnym a także posiada wysokie ciepło parowania. Te właściwości wody sprawiają , że organizm jest w pewnym stopniu zabezpieczony przed przegrzaniem.
Woda charakteryzuje się wysokim napięciem powierzchniowym oraz wysoką lepkością. Ta właściwość wody ma zastosowanie w budowie błon komórkowych. Duża pojemność cieplna wody powoduje, że kumuluje ona w sobie energię cieplną , chroniąc tym samym organizm przed gwałtownymi skokami temperatury. Wysoka wartość ciepła właściwego wody powoduje, że w organizmie nie dużych wahań temperatury. Woda wewnątrz organizmu powoli się schładza i powoli nagrzewa się. Jest cieczą o dość dużej gęstości.
Budowa chemiczna wody wskazuje na nierównomierne rozłożenie ładunków elektrycznych w cząsteczce, w związku z tym ciecz ta jest dipolem. Czysta woda ma odczyn pH = 7, a więc posiada odczyn obojętny.
Gospodarka wodna w organizmach roślinnych.
Utrzymywanie odpowiedniego poziomu wody w tkankach roślinnych jest niezbędne do prawidłowego przebiegu wszystkich procesów życiowych w organizmie roślinnym. Bilans wodny rośliny jest warunkowany zyskami i stratami wody w tkankach. Roślina zdobywa wodę poprzez system korzeniowy i rozprowadza po całym organizmie wiązkami przewodzącymi. Straty wody wynikają z parowania jej z powierzchni liści a także zużywania w procesach metabolicznych.
Pobieranie wody przez roślinę oraz rozprowadzanie jej do wszystkich tkanek organizmu związane jest z jej szczególnymi właściwościami wody oraz z pewnymi mechanizmami wspomagającymi transport. Przepływ wody w wiązkach przewodzących warunkowany jest przez siłę adhezji i kohezji. Siła kohezji - jest to siła , dzięki której cząsteczki wody przyciągają się i skupiają ze sobą. W wyniku tego skupiania się , miedzy cząsteczkami wody tworzą się wiązania wodorowe. Siła adhezji powoduje z kolei przyleganie cząsteczek wody do powierzchni z którą się styka. Dzięki tym dwóm siłom w wiązkach przewodzących utrzymywany jest ciągły słup wody. Woda utrzymywana jest w tych wiązkach nawet wbrew sile przyciągania ziemskiego. Mechanizm pobierania wody przez korzenie oparty jest na zasadzie pompy ssącej. Woda wyparowuje z liści poprzez szparki. Pod wpływem tego zjawiska następuje wytworzenie się podciśnienia w liściu oraz w tkankach przewodzących. Wynikiem tego następuje podciąganie słupa wody do góry rośliny. Powstaje siła ssąca , dzięki której woda z gleby pobierana jest przez komórki włośnikowe korzeni. Woda pobierana jest do komórek korzenia na zasadzie różnicy jej stężeń w glebie i soku komórkowym. Dodatkowym mechanizmem pobierania wody przez roślinę jest parcie korzeniowe- aktywny transport wody do korzenia. Woda doprowadzana jest stale, systemem wiązek przewodzących, do wszystkich organów rośliny.
Niekiedy zdarza się taka sytuacja, że woda jest obecna w podłożu, jednak roślina nie może jej pobrać, ponieważ woda ta jest w formie nieprzyswajalnej, np. w formie lodu lub roztworu superstężonego. Zjawisko to określa się mianem suszy fizjologicznej.
Struktury uczestniczące w transporcie wody i substancji organicznych w organizmach roślinnych.
Tkankę przewodząca roślin stanowią wiązki przewodzące. Wiązki te zbudowane są z różnych komórek , transportujących różne produkty. Oprócz komórek przewodzących w skład wiązek wchodzą także komórki pomocnicze oraz komórki otaczające całą wiązkę.
Do komórek przewodzących zalicza się rurki sitowe z komórkami przyrurkowymi oraz naczynia ( komórki naczyniowe ).
Rurki sitowe są podłużnego kształtu i ułożone są jedna nad drugą , tworząc długi przewód. Ściany, którymi komórki się stykają ( ściany poprzeczne ) posiadają liczne pory . Dzięki tym otworkom możliwy jest transport substancji z komórki do komórki. Rurki sitowe są strukturami przewodzącymi związki organiczne ( cukry, białka ) z liści do korzeni, czyli prąd transportu substancji jest prądem zstępującym. Perforacja ścian poprzecznych komórek jest z reguły drobna, jednak u roślin pnących ( np. u dyni ) perforacja ta jest dużo większa. U niektórych gatunków roślin występują komórki sitowe , czyli komórki posiadające perforację na każdej ścianie. Rośliny posiadające komórki sitowe to paprotniki i nagonasienne. U dwuliściennych roślin rurki sitowe pełnią swoje funkcje jedynie w okresie wegetacyjnym.
Komórki tworzące naczynia nie posiadają protoplastu ,a więc są komórkami martwymi. Ich ściany komórkowe wysycone są ligniną , która tworzy na ich powierzchni różne zgrubienia w postaci jamek, drabinek , itp. Rurkami transportowana jest woda i zawarte w niej sole mineralne. W rurkach istnieje prąd wstępujący wody, ponieważ jest ona przewodzona od korzeni w kierunku liści. Rurki z czasem ulegają zatkaniu substancjami woskowymi i przestają one pełnić swoje funkcje. Funkcje te przejmują młodsze naczynia.
Z transportem wody do i z komórki związane są także zjawiska plazmolizy i deplazmolizy.
Transport wody w poprzek błon komórkowych może zachodzić samoczynnie na drodze osmozy. Osmoza polega na przemieszczaniu się cząsteczek wody w poprzek błony półprzepuszczalnej ze środowiska o jej wysokim stężeniu do środowiska o niższym stężeniu.
Jeżeli komórka znajduje się w roztworze o stężeniu wody równym jej stężeniu w soku komórkowym, to transport wody w tym układzie nie zachodzi.
Jednak , gdy komórka znajduje się w środowisku o stężeniu wody niższym ( hipertonicznym ) niż jej stężenie w soku komórkowym, następuje przechodzenie wody z komórki do otoczenia. Przy dużych różnicach stężeń dochodzi do odwodnienia komórki, protoplast ulega skurczeniu i odrywa się od ściany komórkowej. Zjawisko to określane jest jako plazmoliza.
Natomiast w przypadku , gdy stężenie wody w otoczeniu jest wyższe od komórkowego , następuje intensywne przemieszczanie się wody z otoczenia do komórki. Efektem tego jest pęcznienie komórki i zwiększanie jej objętości. Zjawisko to ostatecznie może prowadzić do rozerwania błony komórkowej i śmierci komórki. Proces ten został nazwany deplazmolizą.
Woda w komórkach roślinnych odpowiedzialna jest również za utrzymanie prawidłowego turgoru ( ciśnienia wody ). Ciśnienie to warunkuje prawidłowe napięcie błon komórkowych a tym samym kształt całej rośliny.
Gospodarka wodna w organizmach zwierzęcych.
U zwierząt , tak jak u roślin woda jest życiodajnym płynem, bez którego organizm nie mógłby normalnie funkcjonować. Zwierzęta pozyskują wodę przede wszystkim w czasie picia , ale również przez powłoki ciała, w czasie zwrotnej resorpcji z moczu pierwotnego i kału oraz z procesów biochemicznych zachodzących w ustroju. Organizm zwierzęcy traci wodę wraz z moczem i kałem, w czasie oddychania i pocenia się. Woda zużywana jest także do różnych procesów metabolicznych.
Metody pozyskiwania i wydalania wody są u zwierząt bardzo różne i związane ze środowiskiem w jakim żyją. Na straty wody w organizmie narażone są najbardziej zwierzęta lądowe.
Zwierzęta słonowodne, mimo iż mają nieograniczony dostęp do wody , ciągle narażone są na jej utratę z organizmu. Związane jest to z tym, iż żyją one w środowisku hipertonicznym w odniesieniu do ich płynów ustrojowych. Oznacza to, że stężenie soli nieorganicznych w środowisku jest wyższe niż w ich płynach ustrojowych. Efektem tego jest ciągła utrata wody z organizmu. Dlatego niektóre zwierzęta słonowodne ( np. albatrosy ) piją wodę morską aby uzupełniać jej braki. Nadmiar soli mineralnych jest usuwany przez skórę i skrzela. Picie wody morskiej nie jest zjawiskiem powszechnym. Większość zwierząt zamieszkujących wody słone wykorzystują wodę zawartą w pokarmie , lub odzyskują ją poprzez zwrotną resorpcję moczu pierwotnego , lub pozyskują ją z niektórych procesów metabolicznych.
U zwierząt słodkowodnych płyny ustrojowe są hipertoniczne w stosunku do środowiska, w związku z czym woda napływa stale do ich organizmów. Zwierzęta te pozbywają się wody wydalając duże ilości mocno rozcieńczonego moczu. Usuwając z organizmu duże ilości wody, ryby słodkowodne narażone są na niedobory soli mineralnych . Dlatego sole mineralne wychwytywane są przez skrzela i komórki skórne i następnie transportowane do krwi.
Zwierzęta lądowe są wyjątkowo narażone na utratę wody z organizmu. Najwięcej wody i soli mineralnych tracą one wraz z moczem oraz przez powłoki ciała. Ubytki wody w organizmie następują w wyniku pocenia się , procesu, który niezbędny jest w procesach termoregulacji. Pewne straty wody związane są także w oddychaniem zwierząt.
Zwierzęta lądowe chronią się przed nadmierną utratą wody poprzez powadzenie specyficznej, oszczędnej gospodarki wodnej, z którą związany jest rodzaj substancji azotowej wydalanej wraz z moczem. Poza tym zwierzęta żyją często w sąsiedztwie zbiorników wodnych a także zamieszkują zacienione i wilgotne miejsca ( głównie płazy i mięczaki ).
Znaczenie wody w organizmach żywych.
Woda jest bardzo ważnym składnikiem wszystkich organizmów. Uczestniczy ona w różnych przemianach biochemicznych, reguluje ciśnienie osmotyczne, pełni także funkcje strukturalne. Woda obecna jest w każdej strukturze żywego organizmu, występuje w komórkach, płynach ustrojowych, płynach tkankowych, w krwi. Woda stanowi ważny składnik wszystkich płynów w ustroju , dzięki którym zapewniona jest komunikacja pomiędzy wszystkimi elementami ustroju. Woda jest zarówno substratem jak i produktem wielu reakcji biochemicznych zachodzących w żywym organizmie. Jako substrat, niezbędna jest w procesach trawienia i fotosyntezy, natomiast jest produktem reakcji związanych z oddychaniem tlenowym.
Niedobór wody w organizmie często prowadzi do różnych zaburzeń. Jednak dla niektórych organizmów ubytek wody nie jest groźnym zjawiskiem, ponieważ mają one zdolność przechodzenia w stan tzw. życia utajonego, czyli anabiozy. Niektóre mikroorganizmy w niekorzystnych warunkach ( np. niedostatku wody ) tworzą formy przetrwalnikowe.
W czasie anabiozy tempo procesów fizjologicznych ulega zwolnieniu, co ma na celu ograniczenie strat wszelkich związków odżywczych , wody i energii.
Duże znaczenie wody w organizmie związane jest z tym, że stanowi ona główny rozpuszczalnik wszelkich substancji w ustroju. Za pośrednictwem wody transportowane są w całym organizmie związki odżywcze, witaminy, hormony , enzymy. Dzięki specyficznym właściwościom ( duża pojemność cieplna, wysokie ciepło właściwe ) uczestniczy ona w regulacji prawidłowej temperatury ciała, ciśnienia osmotycznego a także utrzymaniu
stałego pH. Woda jest środowiskiem wielu reakcji, głównie reakcji hydrolizy. Woda jest także środowiskiem w którym rozpuszczane są zbędne produkty przemiany materii i usuwane z organizmu. Woda zapewnia jędrność komórek, ich odpowiedni kształt i wymiary.
Woda była także ważnym czynnikiem w ewolucji wszystkich organizmów na Ziemi.
Jak wiadomo pierwsze rośliny i zwierzęta , które pojawiły się na Ziemi były organizmami wodnymi. Ich "wyjście na ląd" trwało bardzo długo, co związane było z powolną ewolucją wszelkich przystosowań do życia w nowym środowisku. Początkowo pierwsze rośliny lądowe rozwijały się w okolicach przybrzeżnych rzek, jezior i mórz. Ekspansja lądu przez rośliny dotyczyła głównie stref wilgotnych kontynentu. Opanowanie przez rośliny terenów wybitnie suchych ( np. pustyń ) trwało najdłużej w toku ewolucji organizmów roślinnych.
Występowanie roślin na określonym terenie związane jest także z rodzajem gleby. Gleby różnią się między sobą właściwościami chemicznymi i fizycznymi, do których zalicza się m.in. pojemność wodną. Najwięcej wilgoci są w stanie utrzymać gleby próchnicowe i torfowe, natomiast najmniejszą pojemnością wodną charakteryzują się gleby mineralne.
U roślin, zarówno pobieranie związków odżywczych jak i rozprowadzanie asymilatów odbywa się za pośrednictwem wody. Znane są także zwierzęta , które żywią się pokarmem wyłącznie w postaci wodnego roztworu. Do zwierząt takich zaliczamy m.in. : roztocza, pająki, pchły, wszy, motyle, komary, pluskwy, kolibry, niektóre muchy, i wiele innych.
Zawartość wody w danej tkance organizmu warunkuje tempo przebiegu jej czynności fizjologicznych. Woda jest jedną z ważniejszych substancji warunkujących życie wszystkich organizmów.
