Глава 5 .
Водная среда - основа клеточной жизни, поэтому о воде нам нужно знать как
можно больше, так что продолжим рассказ о воде и узнаем о ней еще много инте-
ресного
.
Все знают, что вода мокрая, но что именно это означает и почему так проис-
ходит , знают далеко не все. Мы теперь можем в этом разобраться без труда. То,
что вода «мокрая», означает, что если мы сунем в воду палец, то после вынима-
ния из воды он останется покрытым молекулами воды. Таким образом, очень и
очень многие предметы, встречающиеся в нашей жизни, становятся «влажными». Но
почему на них остается слой воды? Да потому, что каждая молекула воды, как мы
уже знаем, является диполем, и имеет положительно и отрицательно заряженные
стороны. За счет этого соседние молекулы воды притягиваются друг к другу, но
не только ведь друг к другу. Молекулы воды точно так же легко будут притяги-
ваться любыми другими полярными молекулами! Вот и всё объяснение. Стеклянная
бутылка состоит из молекул, которые не являются электрически нейтральными
—
там тоже есть положительно и отрицательно заряженные части, поэтому-то эта
бутылка и будет мокрой, когда мы вытащим ее из воды
— молекулы воды притянут-
ся к молекулам стекла. Притяжение между молекулой воды и молекулой стекла не-
много больше, чем притяжение между соседними молекулами воды.
Если мы нальем немного воды в стеклянную бутылку и внимательно посмотрим на
верхний край водной поверхности, то увидим, что поверхность воды не совсем
плоская
— по периметру она немного приподнимается вверх, потому что краевые
молекулы воды, соприкасающиеся со стеклом, притягиваются к нему и немного
Похоже, что жизнь зарождалась на горячей или теплой планете. Согласно современным
моделям, на Земле жизнь возникла около 4,1—3,8 млрд. лет назад. Древнейшие известные
ископаемые строматолиты имеют возраст 3,7 миллиарда лет. Но позже планета стала ос-
тывать , и начались ледниковые эры (в ледниковых эрах выделяются ледниковые периоды).
Первая из них - раннепротерозойская
— 2,5—2,2 млрд. лет назад. Вот в них жизнь и
уцелела.
приподнимаются вверх. Подняться еще выше они не могут, поскольку сила земного
притяжения тащит их вниз. Но что будет, если эту бутылку перенести в космос,
где притяжения почти нет? Тогда мы увидим удивительное явление
— вода попол-
зет по внутренним стенкам бутылки и покроет их целиком, то есть вся внутрен-
няя поверхность бутылки станет мокрой. Самое смешное будет, когда мы захотим
вылить воду из бутылки, аккуратно ее наклоняя. Вода откажется выливаться на
пол. Вместо этого... она поползет теперь уже по наружной поверхности стекла,
сделав мокрым и его.
Но есть ситуация, в которой даже тут, на Земле, вода преодолевает силу зем-
ного притяжения. В капиллярах деревьев вода поднимается вверх очень высоко,
до ста метров вверх, и происходит это за счет того, что эти капилляры очень
тонкие, и в итоге молекулы воды, будучи со всех сторон тесно окружены клетка-
ми капилляров, притягиваются ко многим из них сразу, так что итоговая сила
притяжения легко преодолевает земное притяжение. В теле животных также имеет-
ся огромное количество капилляров, и важнейшие особенности кровообращения и
лимфообращения также связаны с сильным поверхностным натяжением воды. Поверх-
ность , состоящая из совершенно неполярных молекул, смачиваться водой никогда
не будет. Конечно, между полярной и неполярной молекулами по-прежнему будет
действовать сила Ван-дер-Ваальсового притяжения (о ней мы узнаем позже), но
она намного слабее, чем водородная связь, поэтому никакая молекула воды не
сможет оторваться от своих соседок и прилипнуть к неполярной поверхности. Ка-
пля воды, капнутая на покрытую жиром поверхность, останется в форме полусфе-
рической капли, приплюснутой земным притяжением. И теперь мы можем легко по-
нять, что неполярная поверхность будет смачиваться неполярной жидкостью, ведь
силы Ван-дер-Ваальса там будут проявляться, поэтому если, к примеру, графито-
вая поверхность не смачивается водой, то она будет смачиваться жиром.
Всем известно, что испачканные в жире руки можно отмыть с помощью воды лишь
в том случае, если мы используем мыло. Почему так? Это происходит потому, что
молекулы мыла являются своего рода кентаврами.
На одном их конце находится гидрофильная группа
— то есть такая группа мо-
лекул , которая имеет электрические заряды на разных своих частях, т.е. явля-
ется полярной и, таким образом, легко прицепляется к молекулам воды. На кар-
тинке выше гидрофильная часть состоит из атома серы, окруженного атомами ки-
слорода
. Атомы кислорода обладают очень большой электроотрицательностью
(3.4), а сера
— намного меньшей (2.6), так что на этой стороне молекулы мыла
формируется отчетливый отрицательный заряд, и поэтому атомы водорода, входя-
щие в состав молекул воды и несущие на себе частичный положительный заряд,
будут отлично сюда прилипать несмотря на то, что гидрофильный кусок очень ма-
ленький. С другого конца молекулы мыла
— длинный гидрофобный (т.е. не имеющий
электрических зарядов, т.е. неполярный, не притягивающийся к молекулам воды)
кусок, состоящий из блоков СН2, то есть длинная неполярная группа, которая
цепляется к молекулам жира с достаточной силой в силу своей большой протяжен-
ности (большая протяженность тут нужна из-за того, что незаряженные молекулы
гораздо слабее взаимодействуют между собой, чем заряженные, и поэтому нужно
иметь большую площадь для таких слабых взаимодействий). Электроотрицатель-
ность углерода равна 2.6, а водорода
— 2.2, поэтому пара молекул водорода
вполне компенсирует одну молекулу углерода в этом смысле, и молекула получа-
ется электрически нейтральной. В результате каждая молекула мыла является
своего рода лассо, поводком, который молекулы воды накидывают на шею молеку-
лам жира и выводят их погулять подальше.
Такими кентаврами в клетке являются и молекулы-фосфолипиды, из которых со-
стоят двухслойные клеточные мембраны. Оба мембранных слоя устроены так, что
составляющие их фосфолипиды своими гидрофильными (то есть притягивающими во-
ду) концами направлены в стороны внутриклеточного и внеклеточного пространст-
ва, которые по сути и наполнены водой. На этой картинке гидрофильные концы
изображены синими шариками.
Это обеспечивает плотный контакт мембраны с внутри- и вне-клеточным про-
странством, что очень удобно для осуществления транспорта веществ внутрь
клетки и обратно из клетки. В межмембранное пространство фосфолипиды направ-
лены своими гидрофобными концами, так что создается непробиваемая для воды
броня, ведь транспорт веществ в клетку и из клетки должен находиться под пол-
ным контролем и тщательно регулироваться, иначе клетка не сможет существо-
вать .
На свойства воды довольно сильно влияют примеси, и мы можем ставить экспе-
рименты, которые показывают
— как та или иная примесь влияет на смачивающие
свойства воды. Возьмем две капли воды. Одна из них пусть будет почти чистая,
а во второй мы растворим сахар. Капнем обе капли на поверхность, смазанную
жиром. Капля чистой воды будет торчать в виде шарика
— вода не смачивает жир-
ную поверхность. А как поведет себя вторая капля? Изменится ли ее форма, и
насколько сильно? Проверь.
Сильная полярность молекул воды приводит к тому, что между ними существует
сильное электрическое притяжение, и именно поэтому вода остается жидкой при
очень высокой температуре
— до 100 градусов Цельсия, а не разбивается на от-
дельные молекулы водяного газа
— пара. Если молекула воды не была бы поляр-
ной, то она бы кипела уже при температуре минус 80 градусов Цельсия! Не плюс
80, это не опечатка
— именно минус 80. А при минус 100 градусах она бы замер-
зала . Та жизнь, которая сейчас есть на Земле, просто не смогла бы возникнуть.
Во внутриклеточной жидкости растворены многие вещества, важные для жизне-
деятельности клетки. Что значит «вещество растворено в воде»? Значит, молеку-
лы воды растащили полярные молекулы этого вещества, и молекула этого вещества
окружена молекулами воды. Давай посмотрим
— что происходит с молекулой уксус-
ной кислоты, растворенной в воде.
В левой части этого уравнения уксусная кислота стоит самой левой. Видишь
—
крайний правый атом водорода уксусной кислоты соединен с кислородом? Что это
значит? Это значит, что этот водород химически очень активен. Почему? Потому
что этот кислород, конечно же, сильно оттягивает электрон у водорода, так что
в итоге этот водород, по сути, представляет собой почти, что голый положи-
тельно заряженный протон. Для обозначения этого положительного заряда мы под
водородом приписали значок б+. А рядом находится молекула воды
— ее формула
справа от уксусной кислоты. И эта молекула воды разворачивается к положитель-
но заряженному протону своей отрицательно заряженной частью, то есть кислоро-
дом, и между ними возникает достаточно сильное притяжение. Получается так,
что два атома кислорода (один
— в молекуле уксусной кислоты, и другой
— в мо-
лекуле воды) примерно с одинаковой силой начинают притягивать к себе этот
протон, причем в зависимости от конфигурации электрических полей, возникающих
от находящихся вокруг других молекул воды, пересиливает то один кислород, то
другой. Такая борьба нанайских кислородиков.
В результате возникает интересное явление: атом водорода словно плавает от
молекулы уксусной кислоты к молекуле воды, и обратно. Он то присоединяется на
краткое время к молекуле воды, то возвращается, и в тот момент, когда он при-
соединяется к молекуле воды, образуется молекула Н30+, имеющая электрический
заряд +1, т.е. образуется положительно заряженный ион Н30+. Такой ион называ-
ется гидроксонием (часто его еще называют оксонием).
Гидроксоний неустойчив, и протон быстро возвращается назад. Плавая туда-
сюда , протон, по сути, оказывается растворен в воде.
Точно так же происходит и с другими кислотами. Вообще, кислота - это и есть
такое вещество, которые отдаёт свой водород (точнее - ядро водорода, протон),
и когда молекула воды этот протон временно захватывает, то образуется гидро-
ксоний. Значит и вода является кислотой? Да, ведь молекула воды тоже может
временно отдавать свой протон другой молекуле воды, и в таком случае на ко-
роткое время образуется положительно заряженный ион гидроксония Н30+, и отри-
цательно заряженный гидроксильный ион ОН- (иначе - «гидроксил»).
Может возникать путаница в терминах «водород» и «протон», потому что ядром
водорода является именно один протон. Если к протону добавить один электрон,
то у нас и получится стандартный атом водорода, а это и значит, что отдельный
протон также является водородом, но просто лишенным электрона, ведь мы знаем,
что химический элемент определяется именно количеством протонов в его ядре.
Подобных процессов происходит очень много, они идут постоянно, так что в
итоге в каждый конкретный момент времени во внутриклеточной жидкости находит-
ся много ионов гидроксония и гидроксила. Нужно иметь это в виду, когда мы го-
ворим о внутриклеточном пространстве.
Мы разобрались в том, что такое «кислота», почему бы теперь не разобраться
и в другом классе веществ, растворенных в клетке: они называются основаниями
или щелочами. Основанием является то вещество, которое не отдает, а наоборот,
захватывает себе протон, плавающий между молекулами воды, тем самым снижая
концентрацию гидроксония, ведь именно гидроксоний легче всего готов расстать-
ся с лишним атомом водорода. Например, гидроксид натрия (NaOH) проявляет себя
как щелочь - посмотрим почему. Водород имеет среднюю электроотрицательность,
ближе к слабой (2.2), а натрий - еще слабее, всего лишь 0.9! (Это неудиви-
тельно, если мы посмотрим на электронную формулу натрия: ls22s22p63s1
— т.е.
лишь 1 электрон на внешних уровнях, который натрий стремится поскорее от-
дать)
. Поэтому кислород почти что срывает один электрон с натрия, и натрий
становится легкой добычей для находящихся вокруг молекул воды, ведь их много,
а кислород в NaOH только один. Происходит, таким образом, диссоциация (т.е.
распад на составные части) молекулы NaOH на ионы Na+ и ОН-. Возникшие ионы
гидроксила (ОН-) немедленно захватывают любой доступный протон, тем самым и
снижая концентрацию гидроксония. Таким образом, щёлочи поступают противопо-
ложным образом по сравнению с кислотами
— они снижают концентрацию гидроксо-
ния и повышают концентрацию гидроксила.
Другие щёлочи способны самостоятельно временно захватывать атом водорода
непосредственно у молекул воды в том случае, если вокруг складывается благо-
приятная конфигурация электрических полей. Таким веществом, к примеру, явля-
ется аминогруппа (-NH2)
— очень распространенное и очень важное для биохимии
соединение. Вот что происходит с аминогруппой:
-NH2 + Н20 <=> -NH3+ + ОН"
Временно захватывая протон (позже станет ясно - как это происходит), амино-
группа приобретает временный положительный заряд.
Когда температура воды высокая, то высока и кинетическая энергия её отдель-
ных молекул, и они активно движутся, колеблются. Когда температура начинает
падать, кинетическая энергия молекул уменьшается, скорость их движения также
замедляется, и молекулы начинают выстраиваться всё более и более упорядочен-
ие . Что при этом происходит? Сначала плотность воды начинает расти
— так же,
как это случается с другими жидкостями, то есть молекулы начинают распола-
гаться поближе друг к другу, а не дергаться в разные стороны. Но нечто не-
обычное возникает при температуре 4 градуса Цельсия. При этой температуре мо-лекулы воды настолько сближаются друг с другом, что теперь их полярные концы
оказываются очень близкими друг к другу, и теперь атомы водорода начинают по-
степенно выстраиваться напротив атомов кислорода, а не каким-то хаотическим
образом. То есть по мере того, как температура воды падает от 4 градусов до
нуля, её плотность уже не растет, а падает, ведь если при более высокой тем-
пературе в какой-то момент времени одна молекула воды своим водородом могла
просунуться между кислородом и водородом соседней молекулы, то теперь это
становится невозможным, молекулы воды расходятся на пионерское расстояние,
выстраиваясь в четком порядке и занимая в итоге больший объем! В результате
получающийся лёд имеет заметно меньшую плотность, чем вода
— на 10% меньше, и
поэтому он плавает на поверхности водоёмов, не давая им промерзнуть до дна,
сохраняя подводную жизнь, превращаясь в непропуекающее холод одеяло, посколь-
ку лёд является хорошим теплоизолятором, слабо пропускающим как тепло, так и
холод. Но ещё более качественным теплоизолятором является пушистый снег, ле-
жащий на льду. По своим теплоизолирующим свойствам снег идентичен шерсти! Так
что наши водоемы зимой похожи на покрытых шерстью животных.
Водяной лёд имеет ячеистую структуру, и внутри этих ячеек могут находиться
молекулы других веществ. Такого рода соединения воды с другими веществами на-
зываются «клатратными соединениями» или «клатратами». Одним из экологически
важных клатратных соединений является соединение воды с метаном - гидрата ме-
тана. Клатраты играют огромную роль в функционировании всей экологической
системы Земли. Огромное количество гидрата метана было найдено под океанским
дном по всей Земле. Резкое высвобождение большого количества метана из газо-
вых гидратов, которое может наступить при повышении температуры, может быть
причиной резких климатических изменений, ведь метан
— сильный парниковый газ.
Способность воды поглощать и накапливать тепло проявляется не только тогда,
когда она жидкая, но и тогда, когда она существует в виде пара. Поэтому водя-
ной пар в атмосфере играет довольно большую роль в качестве парникового газа - он пропускает высокоэнергетические солнечные лучи к поверхности Земли, но
удерживает тепло (т.е. длинноволновое
— инфракрасное излучение), излучаемое
нагретой Землей. В результате присутствие паров воды в атмосфере приводит к
ее нагреву, и этого пара в атмосфере очень много. Каждую минуту за счет сол-
нечного нагрева образуется миллиард тонн водяного пара, который поднимается в
атмосферу вместе с нагретым воздухом. В основном, конечно, это происходит на
поверхности океанов. Миллиард тонн ежеминутно! Сложно представить такой мае-
штаб работы этого чайника. По мере того, как пар поднимается, он охлаждается,
и начинается его конденсация
— так возникают облака. Охлаждаясь, пар передает
свою энергию окружающему воздуху, нагревая его, и таким образом через посред-
ство водяного пара солнечная энергия передается слоям воздуха там, где плава-
ют облака. Неравномерность нагрева воздушных слоев приводит к тому, что ог-
ромные массы воздуха начинают перемещаться, образуя ветры и, иногда, ураганы,
в которых энергия снова перераспределяется. Ураганы бывают очень мощными, но
насколько именно мощными? Один ураган высвобождает энергию, равную энергии
десятков тысяч атомных бомб средней мощности.
Если же вода находится при температурах +10...20 градусов, то ее молекулы ве-
дут себя довольно хитрым образом: они то выстраиваются в структуру, похожую
на кристаллическую, то вновь поворачиваются каким-то случайным образом. Чем
ниже температура, тем чаще молекулы выстраиваются упорядоченным образом
—
плюс к минусу, и чем температура выше, тем реже такая упорядоченность имеет
место, так как молекулы приобретают больше кинетической энергии. Для нас сей-
час важно то, что именно при температуре от 35 до 40 градусов вода оконча-
тельно прекращает даже на краткие мгновения образовывать кристаллоподобные
образования, становясь при этом по-настоящему жидкой. Возможно, этот факт
сыграл свою эволюционную роль, так что теплокровные существа имеют нормальную
температуру тела именно от 36 до 40 градусов. Кстати, водяной лёд тоже бывает
очень разнообразным. Сейчас выделяют до двадцати разных модификаций льда, и
это явно не предел, и каждая из них обладает своей особой структурой, своими
особенностями.