Fizyka w Szkole

“Cząsteczka życia”

Biofizyka a niezwykłe właściwości wody

Tomasz Kubiak

Woda nazywana jest często „cząsteczką życia”. Wiele osób nie uświadamia sobie jednak kluczowej roli, jaką pełni ona w świecie przyrody ożywionej. Warto zatem przybliżyć ten temat ze szczególnym uwzględnieniem znaczenia niezwykłych właściwości wody dla funkcjonowania organizmów.

O wodzie młodzież uczy się w szkole na lekcjach chemii czy fizyki. Dowiaduje się tam m.in., że cząsteczka H2O składa się z dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym z atomem tlenu. Mimo to, nawet najbardziej podstawowa wiedza niektórym osobom czasem umyka.

Większość czytelników słyszała zapewne słynne żarty dotyczące monotlenku diwodoru (DHMO, ang. dihydrogen monoxide). Tabliczki z informacją o okresowym rozpylaniu tej substancji uchroniły przed zniszczeniem chociażby zieleń przed kościołem Dominikanów w Poznaniu, gdyż właściciele czworonogów zwyczajnie przestraszyli się ostrzeżenia. Skoro nawet inna nazwa popularnego związku chemicznego może wywołać konsternację, to co dopiero widok owada swobodnie poruszającego się po tafli jeziora. Do niezwykłych zdolności przedstawicieli rodziny nartnikowatych powrócimy jeszcze w dalszej części artykułu.

Na początek warto jednak skupić się jeszcze przez chwilę na budowie cząsteczki wody (rys.1.). Jest ona bowiem polarna, posiada elektryczny moment dipolowy równy 2,95 ± 0,2 debaja w temp. 300K.[1] Bardziej elektroujemny atom tlenu przyciąga pojedyncze elektrony atomów wodoru, odsłaniając ich jadra atomowe. Atomy H uzyskują zatem dodatni cząstkowy ładunek elektryczny, a atom O ujemny. Polarność cząsteczek H2O, a w konsekwencji ich zdolność do łączenia się za pomocą wiązań wodorowych, jest właśnie źródłem kluczowych dla funkcjonowania organizmów własności wody.

Woda w organizmie człowieka

Woda stanowi około 70% masy naszego ciała, ale należy pamiętać, że jej ilość uzależniona jest m.in. od budowy anatomicznej, płci, wieku i warunków panujących w otoczeniu. Największą procentową zawartością H2O cechuje się ciało noworodków, a najmniejszą osób starszych. Różny jest też stan uwodnienia tkanek, przy czym tkanki: kostna i tłuszczowa są najuboższe w tę ciecz.

Na zapotrzebowanie dobowe organizmu na wodę, wynoszące od 21 do ponad 43 ml na kilogram masy ciała, istotny wpływ mają takie czynniki, jak: temperatura otoczenia, wilgotność powietrza, tempo przemiany materii, rodzaj wykonywanej pracy czy podejmowanej aktywności fizycznej. Dobowy bilans wody dla przeciętnego człowieka, będącego w stanie komfortu cieplnego, przedstawia rys.2.

W zachodzących w ustroju reakcjach metabolicznych powstaje dziennie 200-300 ml H2O. Pozostałą niezbędną do życia ilość tej cieczy musimy po prostu dostarczyć z zewnątrz. Spożywana woda wchłaniana jest w przewodzie pokarmowym, w obrębie jelita cienkiego oraz grubego. Dostaje się do krwi, jest wraz z nią transportowana przez wątrobę do krążenia wielkiego. Następnie przechodzi do płynów tkankowych.

Szacuje się, że około ⅔ wody zawartej w organizmie mieści się wewnątrz komórek (głównie w cytozolu), natomiast ⅓ znajduje się poza nimi (m.in. w płynach: śródnaczyniowym i międzykomórkowym). Woda jest głównym składnikiem osocza, śliny, płynu łzowego i mózgowo-rdzeniowego, ponadto znajdziemy ją też w soku żołądkowym, trzustkowym a nawet żółci.

Nie można oczywiście pominąć płynu owodniowego. Pod względem chemicznym składa się on bowiem w 98-99% z H2O. Zawartość jego pozostałych składników (elektrolitów, białek, lipidów, węglowodanów itp.) waha się natomiast wraz z wiekiem ciążowym. Objętość wód płodowych zmienia się w miarę wzrostu rozwijającego się organizmu i można ocenić ją ultrasonograficznie.[2]

Płyn owodniowy chroni płód (amortyzuje wstrząsy i uderzenia), umożliwia mu swobodne ruchy, zapewnia homeostazę termiczną (stałość temperatury), bierze udział w transporcie substancji (m.in. już po ósmym tygodniu ciąży płód wydala mocz a nieco później zaczyna połykać płyn owodniowy).[3]

Widać zatem, że już od początku życia woda jest dla nas kluczowa. Generalnie ciecz ta pełni w organizmie tak wiele funkcji, że nie sposób szczegółowo opisać ich w pojedynczym artykule. Udział w reakcjach biochemicznych, procesach transportu czy termoregulacji to tylko wybrane przykłady. Przyjrzyjmy się dokładniej poszczególnym własnościom wody z punktu widzenia biofizyki.

Więcej przeczytacie w artykule Tomasza Kubiaka “Biofizyka a niezwykłe właściwości wody” wydaniu 4/2021 “Fizyki w Szkole”.

[1] Wartość na podstawie pracy: A. V. Gubskaya, Peter G. Kusalik, The total molecular dipole moment for liquid water, Journal of Chemical Physics, 117(11), (2002), s. 5290-5302.

[2] O ultrasonografii można dowiedzieć się więcej z artykułu: T. Kubiak, Ultrasonografia, czyli fale akustyczne w służbie medycyny, Fizyka w Szkole z Astronomią, nr 5 (2017), s. 4-9.

[3] Zainteresowanych szczegółami dotyczącymi płynu owodniowego odsyłam do artykułu: M. A. Underwood, W. M. Gilbert, M. P Sherman, Amniotic Fluid: Not Just Fetal Urine Anymore, Journal of Perinatology 25 (2005), 341-348.