Физические и химические свойства воды.

Вода является основной составной частью растительных организмов. Ее содер­жание доходит до 95% от массы организма, и она участвует прямо или косвенно во всех жизненных процессах. Вода— это та внутренняя среда, в которой проте­кает обмен веществ. Она осуществляет связь органов, координирует их деятель­ность в целостном растении. Вода входит в состав мембран и клеточных стенок, составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обусловливает определенную кон-формацию молекул белка. Высокое содержание воды придает содержимому клет­ки (цитоплазме) подвижный характер. Являясь растворителем, вода обеспечивает транспорт веществ по растению и циркуляцию растворов. Вода — непосредст­венный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, мно­гочисленные окислительно-восстановительные реакции (фотосинтез, дыхание) идут с участием воды. Вода защищает растительные ткани от резких колебании температуры. Обеспечивает упругое тургесцентное состояние растений, с чем связано поддержание формы травянистых растений, ориентация органов в про­странстве.

Вода играет важную роль в жизнедеятельности организма благодаря своим уни­кальным физическим и химическим свойствам. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, присоединенных к одному атому кислорода. Атом кислорода оттягивает электроны от водорода, благодаря этому заряды в молекулах воды распределены неравномерно. Один полюс приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный (в целом молекула воды электронейтральна). Иначе говоря, вода представляет собой диполь. Благодаря этому молекулы воды могут ассоциировать друг с другом. Положительный заряд атома водорода одной молекулы притягивается к отрицательному заряду другой. Это приводит к возникновению водородных связей. Благодаря наличию водородных связей вода имеет определенную упорядоченную структуру. Каждая молекула воды при­тягивает к себе еще четыре молекулы. Число ассоциированных молекул может быть неопределенно большим.

В твердом состоянии (лед) все молекулы воды соединены водородными свя­зями и организованы в правильные гексагональные структуры. При нагревании лед плавится, и частично эти связи разрываются. При 0°С разрывается пример­но 15% водородных связей. Даже при нагревании до 20°С остаются ненарушен­ными 80% водородных связей. В жидкой воде упорядоченные участки чередуются с неупорядоченными — хаотически распределенными молекулами. Благодаря этому плотность воды больше плотности льда. Кроме того, при плавлении льда плотность увеличивается. Сцепление молекул воды между собой (когезия), а так­же с другими веществами (адгезия) имеет большое значение в процессе пере­движения воды по растению. Высокая скрытая теплота испарения воды (при 20°С она составляет 586 кал/град) также обусловливается наличием водородных связей. Для того чтобы в процессе испарения произошел отрыв молекул от вод­ной поверхности, необходимо затратить дополнительное количество энергии для разрыва водородных связей. Поэтому испарение воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов. Понижение темпе­ратуры листьев при транспирации имеет важное физиологическое значение.

Вода обладает очень высокой теплоемкостью — 1 кал/град, поэтому поглоще­ние или потеря значительного количества тепла тканями растений сопровож­дается сравнительно небольшими колебаниями их температуры. Это позволяет растительному организму воспринимать колебания температуры окружающей среды как бы в «смягченном виде».

Вода обладает высокой растворяющей способностью. В воде анионы и ка­тионы какой-либо соли оказываются разъединенными. Гидратные оболочки, ок­ружающие ионы, ограничивают их взаимодействие. Положительно заряженные ионы притягивают полюс молекулы воды с отрицательно заряженными атома­ми кислорода, тогда как ионы, несущие отрицательный заряд, притягивают по­люс с положительно заряженными атомами водорода. Одновременно наруша­ется и структура самой воды. При этом чем крупнее ион, тем это нарушение сильнее.

Согласно современным представлениям, вода в клетке представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из: 1) жидкой фазы; 2) гидратно-связанной; 3) гидрофобно-стабилизированной (главным образом в мембранах); 4) пространственно стабилизированной (в капиллярных промежутках). Что каса­ется гидратной воды, то различают два типа гидратации: 1) притяжение диполей воды к заряженным частицам (как к ионам минеральных солей, так и к заря­женным группам белка СОО^- и NH₂⁺); 2) образование водородных связей с по­лярными группами органических веществ — между атомом водорода воды и ато­мами О или N.

Вода в растении находится как в свободном, так и в связанном состоянии. Свободной называют воду, сохранившую все или почти все свойства чистой во­ды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких темпера­турах. Связанная вода имеет измененные физические свойства главным образом в результате взаимодействия с неводными компонентами.

Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки), называют коллоидно-связанной, а растворенные вещества (минеральные соли, сахара, ор­ганические кислоты и др.) — осмотически-связанной. Некоторые исследовате­ли считают, что вся вода в клетке в той или иной степени связана. Физиологи условно понимают под связанной водой ту, которая не замерзает при пониже­нии температуры до — 10°С. Важно отметить, что всякое связывание молекул во­ды (добавление растворенных веществ, гидрофобные взаимодействия и др.) уменьшает их энергию. Именно это лежит в основе снижения водного потен­циала клетки по сравнению с чистой водой.