Gospodarka wodna w organizmie

WODA - stanowi przeważającą część masy większości organizmów. W ludzkich tkankach zawartość jej waha się od 20% w kościach do 85% w komórkach mózgu. Najwięcej tego związku chemicznego zawierają komórki embrionalne i młode, w miarę starzenia się jej ilość w tkankach spada (przykładem jest występowanie zmarszczek, wskutek starzenia się). Woda to ok.70% ciężaru naszego ciała, a w przypadku meduz, niektórych roślin to aż 95%. Jej niedostatek powoduje zaburzenia procesów fizjologicznych i biochemicznych. Natomiast przy większych jej brakach- zamieranie organizmu. W przypadku większości zwierząt utrata ok. 10% wody powoduje poważne zaburzenia procesów metabolicznych i fizjologicznych, a 15-20%- śmierć. Jednymi z nielicznych zwierząt znoszących utratę 40% wody są wielbłądy oraz niektóre żaby. Większą tolerancją na niedostatek wody w środowisku i na odwodnienie komórek charakteryzują się rośliny, gdyż już przy utraceniu ok. 30%-50% (jej zawartości w organizmie) jedynie więdną. Szerokim zakresem tolerancji wyróżniają się wśród roślin kserofity oraz mchy.

Kserofity - to rośliny przystosowane do życia w skrajnie suchym środowisku.

SIŁY WYSTĘPUJĄCE W WODZIE - KOHEZJI I ADHEZJI

SIŁA KOHEZJI - to silna tendencja do skupiania się cząsteczek wody. Jest skutkiem tworzenia się między nimi wiązań wodorowych.

SIŁY ADHEZJI - to przyleganie cząsteczek wody do substancji, na których powierzchni znajdują się grupy naładowanych atomów lub cząsteczek.

Woda wykazuje wysokie napięcie powierzchniowe. Wynika to z kohezji jej cząsteczek, które przyciągają się znacznie silniej między sobą niż z cząsteczkami powietrza. Zagęszczenie cząsteczek wody na powierzchni, na skutek ich jednostronnego przyciągania przez cząsteczki leżące głębiej, powoduje wytworzenie silnej warstwy powierzchniowej.

Woda w procesach życiowych roślin

Gospodarka wodna roślin
Ruch wody w ukł. żywym jest uwarunkowany dział. siły grawitacji, osmotycznej, kapilarnej.
Gosp. wodna na poziomie komórkowym
Kom. jest otwartym ukł. osmotycznym (plazmoliza, deplazmoliza); r-r izotoniczny, hipertoniczny (stężony), hypotoniczny.
Tk. przewodząca
Przewodzi wodę z solami min.z korzeni do góry i asymilaty na dół. Skł.się z tk. sitowej i tk. naczyniowej.
Tk. sitowa (rurki sitowe, kom. przyrurkowe)

Rurki sitowe zbud.są z żywych kom. ułożonych pionowo 1 nad 2. Poprzeczne ściany posiadają drobne otworki – sita. Przez rurki sitowe wędrują r-ry subst. organicznych: białka, aminokwasy, sacharydy z liścia w str. korzenia – prąd zstępujący. Perforacja w sitach jest b. drobna (duża perforacja w roślpnących, np. dynia) . U roślin nagonasiennych i paprotników często wyst.kom.sitowe (wszystkie ściany tych kom. posiadają drobne otworki) – też przewodzą subs. organiczne. Rurki sitowe u roślin dwuliściennych są czynne przez okres wegetacyjny.

Naczynia przewodzą wodę z solami min.z korzeni do liści (prąd wstępujący). Ściany kom. naczyń są mocne, sztywne, posiadają charakt.zgrubienia w kształcie jamki, drobinki, pierścienia. Naczynia są na ogół czynne do 1 roku. Starsze ulegają z biegiem czasu zatkaniu i ustaje w nich proces przewodzenia wody.
Razem naczynia i sita tworzą wiązki przewodzące.

Pobieranie i przewodzenie wody

Woda z korzenia do liści pobierana na zasadzie pompy ssąco-tłoczącej. Siła ssąca liścia i woda tłoczona jest z gleby do włośników (przekst.kom.ryzodermy). Mechanizm pasywny umiejscowiony jest w liściach, natomiast aktywny – w korzeniu. Woda podciągana jest w tk. przewodzącej dzięki sile ssącej liścia i siłom kohezji i adhezji.
W liściach nadmiar wody ulega transpiracji (wyparowaniu). Na miejsce wyparowanej wody pobierana jest następna. Gł..mechanizm jest w korzeniu, ale działa dzięki sile ssącej znajdującej się w liściu.

Susza fizjologiczna – zjawisko, gdy woda jest, a roślina nie może jej pobrać (np.w post. lodu, podlanie rośliny r-rem superstężonym).

Rola wody w organizmie zwierzęcym

Pozyskiwanie wody: picie, resorpcja z kału i moczu pierwotnego, z procesów metabolicznych, z powietrza, wchłanianie przez pow. ciała
Utrata wody: parowanie z pow.ciała i dróg oddechowych, z kałem, moczem, do proc. metabolicznych

U organizmów wodnych zachodzi stała wymiana wody i soli przez powłoki ciała i skrzela, a u lądowych – utrata wody przez parowanie z powierzchni ciała i narządów oddechowych.
Ryby morskie – płyny ustrojowe są hipoosmotyczne. Są narażone na utratę wody, bo stężenie soli nieorganicznych w ich płynach jest niższe niż w środowisku, a nie tolerują one wyższych stężeń mocznika. Picie wody i jej jonów zapobiega odwodnieniu. Woda jest wchłaniana w przewodzie pokarmowym, a nadmiar jonów – usuwany przez skrzela i skórę.
Inne zwierzęta morskie (gady – żółwie, węże; ptaki – albatrosy; ssaki – foki, wieloryby) wydalają wodę z moczem i przez drogi oddechowe. Tylko niektóre kompensują stary przez picie wody morskiej (np. albatrosy). Większość pobiera wodę ze spożytego pokarmu, wchłania z moczu i uzyskuje z proc. metabolicznych Nadmiar soli usuwany przez nerki.
Zwierzęta słodkowodne narażone są na ciągły osmotyczny dopływ wody. Dlatego produkują duże ilości rozcieńczonego moczu. Ryby tracą w ten sposób sól, którą pozyskują dzięki komórkom skórnym i skrzeli wychwytujących sole z wody i przekazujących je do krwi.

U zwierząt lądowych utrata najw.ilości wody i soli min. odbywa się z moczem (usuwanie azotowych prod.przemiany materii) i pow. ciała. Aby zmniejszyć lub ograniczyć ubytki wody przez powłoki ciała, wiele zwierząt lądowych utrzymuje stały kontakt z wodą, przebywa w zacienionych i wilgotnych środowiskach (mięczaki, płazy).

Liczne lądowe ssaki tracą wodę i sole min.w procesie pocenia się, który jest ważnym czynnikiem reg.temp.ciała tych zwierząt. Nieuniknione są straty wody na skutek parowania z powierzchni dróg oddechowych, ponieważ przez suchą powierzchnię nie morze zachodzić wymiana gazów (szczególnie u ptaków i wielu ssaków – wysokie tempo przemian metabolicznych).

Rola wody w procesach zachodzących w organizmie

Organizm składa się przeciętnie w 70 do 80% z wody. W cytoplazmie woda stanowi fazę rozpraszająca koloidu,a w niej zawieszona jest faza rozproszona.
Woda występuje w płynach tkankowych, płynach ustrojowych, w naczyniach limfatycznych i krwionośnych Płyny te zapewniają komórkom właściwe środowisko życia, umożliwiają komunikacje miedzy komórkami

Woda jest substratem w wielu procesach np. w fotosyntezie i trawieniu lub produktem, np. w oddychaniu tlenowym.

Gęstość wody jest największa w temperaturze 4 stopni Celsjusza
Na tyle duża lepkość wody dzięki jej polarnej budowie pozwala na unoszenie się po powierzchni organizmów biernie unoszących się w niej.

Uwodnienie wielu organizmów oraz poszczególnych tkanek i narządów może nawet znacznie odbiegać od przeciętnej zawartości wody w organizmie.
Odwodnienie organizmu powoduje poważne zaburzenia czynnoscizyciowych. Niedobór wody ogranicza rozwój 20% odwodnienia jest śmiertelne dla człowieka
Silne odwodnienie nie zawsze jest katastrofa dla organizmu. Dla wielu stanowi szansę przetrwania niekorzystnych warunków środowiskowych Często łączy się to z powstaniem form przetrwalnikowych.

Ograniczenie procesów biochemicznych a tym samym czynności życiowych, na skutek odwodnienia nosi nazwę życia utajonego, jego skrajna forma, kiedy utrata wody jest maksymalna nosi nazwę anabiozy.

Turgor - ciśnienie wody wewnątrz komórki
plazmoliza - proces zmniejszenia się objętości cytoplazmy
roztwór hipertoniczny - roztwór o wyższym stężeniu
roztwór hipotoniczny - roztwór o niższym stężeniu

Osmoza - szczególny rodzaj dyfuzji, w którym przez błonę polpszepuszczalna przenika rozpuszczalnik (w komórce - woda), a nie przenika substancja w nim rozpuszczona.Podczas zjawiska osmozy powstaje ciśnienie (potencjał) osmotyczne - jest to ciśnienie hydrostatyczne, które równoważy obniżanie potencjału wody w roztworze.
Wyraża on zdolność komórki do pobrania pewnej ilości wody. Miedzy potencjałem osmotycznym, potencjałem ciśnienia, a potencjałem wody w komórce zachodzi następująca zależność

Potencjał w komórce = potencjał osmotyczny + potencjał ciśnienia

Właściwości fizykochemiczne wody

Woda jest jedna z najważniejszych i najbardziej rozpowszechnionych substancji. Czysta chemicznie woda w przyrodzie nie występuje, zawiera zawsze domieszki, można ją natomiast otrzymać w wyniku destylacji. Czysta woda ma następujące cechy:
- jest przezroczysta, bez zapachu i smaku
- jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji
- ma wysoka temp. wrzenia i topnienia
- odznacza się dobrym przewodnictwem cieplnym i wysokim ciepłem parowania, co zabezpiecza organizm przed przegrzaniem, umożliwia sprawną termoregulacje
- ma wysokie napięcie powierzchniowe, co sprawia, że spełnia ważną rolę w tworzeniu błon cytoplazmatycznych
- wykazuje duża lepkość
- ma dużą pojemność cieplną, chroniącą organizmy przed nagłymi skokami temp.
- ma wysokie ciepło właściwe, co zmniejsza wahania temp. Wewnątrz organizmu- woda wolno nagrzewa się i wolno ochładza
- ma dużą gęstość
- ma niesymetrycznie rozmieszczone ładunki elektryczne, co nadaje jej charakter dipolu
- dysocjuje na jony H+ i OH-, ma odczyn obojętny (pH=7)

Biologiczna rola wody

Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych i niezbędnym uzupełnieniem pokarmu każdego organizmu oraz związkiem uczestniczącym w przebiegu większości reakcji metabolicznych, a ponadto:
- stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, np. produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, witamin, enzymów
- uczestniczy w regulacji temp., ciśnienia osmotycznego, pH
- uczestniczy w reakcjach hydrolizy
- utrzymuje odpowiednie wymiary i kształty komórek, warunkuje jędrność komórki (tzw. turgor)
- stanowi płynne środowisko, niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii.

Nie ma życia bez wody

Zasiedlenie lądu przez rośliny i zwierzęta łączy się ściśle z gospodarzeniem wodą przez poszczególnych osobników. Skomplikowane systemy oszczędnego gospodarowania wodą wykształcają się bardzo powoli, dlatego pierwsze lądowe rośliny i zwierzęta nie mogą jeszcze żyć w suchych strefach (np. na pustyniach). Ich występowanie ogranicza się więc do brzegowych stref mórz, jezior i rzek oraz okolic bagiennych. Z drugiej strony rozwój flory przyczynia się do wilgotnych stref na kontynentach. Gleby czysto mineralne magazynują na ogół bardzo mało wody, podczas gdy próchnica i torf są w stanie długo utrzymać więcej wilgoci. Także rośliny oraz powietrze w przestrzeniach o gęstej szacie roślinnej utrzymują wodę. Wszystkim organizmom lądowym niezbędna jest woda, gdyż wszelkie istotne dla życia procesy zachodzą w roztworach wodnych. Poza pozyskiwaniem niezbędnych dla organizmu substancji przez asymilację, rośliny pobierają jeszcze rozpuszczone w wodzie sole mineralne. Również wiele zwierząt żywi się wyłącznie płynnym pokarmem: niektóre muchy, pluskwy i wszy, cykady, komary, motyle, pszczoły, wiele chrząszczy, roztocza i pająki, pijawki, kolibry, pewne nietoperze itd. We wnętrzu organizmów roślinnych i zwierzęcych woda jest najważniejszym środkiem rozpuszczającym i transportującym Wiele zwierząt wodnych składa się w 90% do 99% z wody ale ssaki też z 65% do 70%. Woda służy nie tylko do pobierania pożywienia, trawienia, wydalania oraz rozprowadzania substancji po krążących w organizmie sokach życiowych. Wyznaczany przez ilość wody poziom chłonności tkanek decyduje też o wielu czynnościach życiowych m.in. o pracy mięśni. Bilans wodny określa także odporność na nadmierne ciepło lub zimno. Życie wyżej zorganizowane nie jest właściwie możliwe powyżej temperatury 42-56C. Dlatego niektóre zwierzęta zamieszkujące strefy gorące posługują się regularnym systemem parowania i chłodzenia wody, np. antylopa Oryx, która utrzymuje odpowiednią temperaturę krwiobiegu za pomocą specyficznej "chłodnicy", składającej się z cienkich przegród. Woda jest więc "matką życia".

Woda substancją niezbędną do życia

Woda, zarówno pod względem fizycznym jak chemicznym, jest jedną z najbardziej niesfornych substancji. Właśnie to powoduje, że woda jest nieodzowna dla życia. Zwykle ciecz ochładzana zmniejsza swą objętość, a przechodząc w stały stan skupienia kurczy się dalej. Tymczasem woda ochłodzona do temperatury poniżej 4C zaczyna się rozszerzać. Mówi się więc o tzw. anomalii wody. Zamrożona w temperaturze poniżej 0C woda nadal zwiększa swą objętość Dlatego zamarznięta woda, czyli lód, pływa po powierzchni wody. Wody zamarzają od góry do dołu i dlatego dają w zimie bezpieczne schronienie zwierzętom wodnym. Jeśli woda zachowałaby się tak jak inne ciekłe związki wodoru, to w normalnej temperaturze powinna by mieć postać gazu, przy 90C - cieczy, a zamarzałaby w temperaturze 0C. Wówczas nie mogłoby oczywiście w ogóle istnieć życie na Ziemi. Jest jeszcze jedna niezwykle ważna sprzeczność: woda najchętniej pozostaje cieczą i z trudem zmienia temperaturę. Potrzeba wiele energii, by przekształcić ją w lód czy gaz albo zmienić jej ciepłotę. Organizmom żywym, składającym się przecież w większej części z wody, zapewnia to daleko idące uodpornienie się na zmiany temperatury. Z chemicznego punktu widzenia ciekawe jest, że spośród wszystkich cieczy woda jest zdolna rozpuścić w sobie najwięcej substancji, a także wchodzi w skład licznych związków chemicznych W przyrodzie ożywionej prowadzi to niekiedy do powstania zadziwiających zjawisk Płyny ustrojowe ryb morskich zawierają mniej soli niż otaczająca je woda. Dla wyrównania tej różnicy stale tracą one wodę na drodze osmozy. Spadek zawartości wody pociąga za sobą konieczność uzupełnienia jej przez picie, przy czym ryby morskie dysponują własnymi mechanizmami odsalania wody Odwrotny proces zachodzi u ryb słodkowodnych, które stale pobierają wodę przez skórę, gdyż ich płyny ustrojowe zawierają więcej soli niż słodka woda. Nie potrzebują więc pić i wydalają więcej wody, niż jej pobierają z pożywieniem. Charakter osmotycznych mechanizmów regulujących dzisiejszych zwierząt wskazuje wyraźnie skąd się one wywodzą. Można więc określić, czy ich przodkowie żyli w wodach słodkich czy słonych.

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie nigdy nie jest czysta, lecz zawiera pewną ilość zawiesin, rozpuszczonych związków chemicznych i gazów. Woda z opadów atmosferycznych jest stosunkowo najbardziej czysta. Zawiera jednak zawsze pewne ilości pyłów i rozpuszczonych gazów. Woda rzek i jezior zawiera pewne ilości rozpuszczonych soli, głównie węglanu wapniowego i magnezowego. Woda morska zawiera duże ilości soli przede wszystkim NaCl. W Bałtyku zasolenie jest stosunkowo małe i wynosi 2%.