Hvordan vands polaritet former livet:fra opløselighed til plantetransport

Af  Chris Deziel Opdateret 24. marts 2022

thomasmales/iStock/GettyImages

Vandmolekylet er elektrisk neutralt, men det asymmetriske arrangement af brintatomerne på iltatomet giver det en netto positiv ladning på den ene side og en negativ ladning på den anden. Blandt de vigtige konsekvenser for levende organismer er vands evne til at opløse en række stoffer, mere end nogen anden væske, og dets stærke overfladespænding, som gør det muligt for det at danne dråber og rejse gennem bittesmå rødder, stængler og kapillærer. Vand er det eneste stof, der eksisterer som gas, væske og fast stof ved temperaturer fundet på Jorden, og på grund af vandmolekylets polaritet er den faste tilstand mindre tæt end den flydende tilstand. Som et resultat flyder isen, og det har dybtgående konsekvenser for livet overalt på planeten.

Brintbinding

Brintbinding

En nem måde at forstå den polære natur af et vandmolekyle er at visualisere det som Mickey Mouses hoved. Brintatomerne sidder oven på iltmolekylet på nogenlunde samme måde, som ørerne sidder på Mickeys hoved. Dette forvrængede tetraedriske arrangement opstår på grund af den måde, elektroner deles mellem atomerne. Brintatomerne danner en vinkel på 104,5 grader, hvilket giver hvert molekyle karakteristika som en elektrisk dipol eller en magnet.

Den positive (brint) side af hvert vandmolekyle tiltrækkes af den negative (ilt) side af omgivende molekyler i en proces kaldet hydrogenbinding. Hver brintbinding varer kun en brøkdel af et sekund og er ikke nær stærk nok til at bryde de kovalente bindinger mellem atomerne, men det giver vand en unormal karakter sammenlignet med andre væsker, såsom alkohol. Tre anomalier er især vigtige for levende organismer.

Livets opløsningsmiddel

Livets opløsningsmiddel

På grund af dets polære natur er vand i stand til at opløse så mange stoffer, at videnskabsmænd nogle gange kalder det et universelt opløsningsmiddel. Organismer absorberer mange essentielle næringsstoffer, herunder kulstof, nitrogen, fosfor, kalium, calcium, magnesium og svovl fra vand. Desuden, når vand opløser et ionisk fast stof, såsom natriumchlorid, flyder ionerne frit i opløsning og gør det til en elektrolyt. Elektrolytter leder de elektriske signaler, der er nødvendige for at transmittere neurale signaler såvel som dem, der regulerer andre biofysiske processer. Vand er også det medium, hvorigennem organismer eliminerer affaldsprodukter fra stofskiftet.

Næringens bindende kraft

Næringens bindende kraft

Den elektrostatiske tiltrækning af vandmolekyler for hinanden skaber fænomenet overfladespænding, hvorved overfladen af flydende vand danner en barriere, som visse insekter faktisk kan gå på. Overfladespænding får vand til at perle op til dråber, og når en dråbe nærmer sig en anden, tiltrækker de hinanden og danner en enkelt dråbe.

På grund af denne tiltrækning kan vand blive trukket ind i små kapillærer som en jævn strøm. Dette giver planterne mulighed for at trække fugt fra jorden gennem deres rødder, og det gør det muligt for høje træer at få næring ved at trække saft gennem deres porer. Tiltrækningen af vandmolekyler for hinanden hjælper også med at holde væsker cirkulere gennem dyrekroppe.

Anomalien ved flydende is

Anomalien ved flydende is

Hvis isen ikke svævede, ville verden være et andet sted og sandsynligvis ikke være i stand til at understøtte livet. Have og søer kunne fryse fra bunden og kunne blive til en fast masse, når temperaturen blev kold. I stedet danner vandmasser et skind af is om vinteren; overfladen af ​​vandet fryser, når den udsættes for de koldere lufttemperaturer over det, men isen bliver på toppen af ​​resten af ​​vandet, fordi is er mindre tæt end vand. Dette gør det muligt for fisk og andre havdyr at overleve i koldt vejr og give mad til landlevende væsner.

Med undtagelse af vand bliver hver anden forbindelse tættere i fast tilstand, end den er i flydende tilstand. Vands unikke adfærd er et direkte resultat af vandmolekylets polaritet. Når molekylerne sætter sig i fast tilstand, tvinger hydrogenbinding dem ind i en gitterstruktur, der giver mere plads mellem dem, end de havde i flydende tilstand.