آثار قطبية الماء على الكائنات الحية

جزيء الماء متعادل كهربائيًا ، لكن الترتيب غير المتماثل لذرات الهيدروجين على ذرة الأكسجين يعطيها شحنة موجبة صافية من جانب وشحنة سالبة على الجانب الآخر. من بين العواقب المهمة للكائنات الحية قدرة الماء على إذابة مجموعة متنوعة من المواد ، أكثر من أي شيء آخر سائل آخر ، وتوتره السطحي القوي ، مما يسمح له بتكوين قطرات والسفر عبر الجذور الصغيرة والسيقان و الشعيرات الدموية. الماء هو المادة الوحيدة التي توجد كغاز وسائل و صلب في درجات حرارة موجودة على الأرض ، وبسبب قطبية جزيء الماء ، تكون الحالة الصلبة أقل كثافة من السائل حالة. نتيجة لذلك ، يطفو الجليد ، وهذا له آثار عميقة على الحياة في كل مكان على هذا الكوكب.

طريقة سهلة لتقدير الطبيعة القطبية لجزيء الماء هو تصورها على أنها رأس ميكي ماوس. تقع ذرات الهيدروجين فوق جزيء الأكسجين بنفس الطريقة التي تجلس بها الأذنين على رأس ميكي. يأتي هذا الترتيب المشوه رباعي السطوح بسبب الطريقة التي يتم بها مشاركة الإلكترونات بين الذرات. تشكل ذرات الهيدروجين زاوية مقدارها 104.5 درجة ، مما يعطي كل جزيء خصائص ثنائي القطب الكهربائي أو المغناطيس.

ينجذب الجانب الموجب (الهيدروجين) لكل جزيء ماء إلى الجانب السلبي (الأكسجين) للجزيئات المحيطة في عملية تسمى الترابط الهيدروجيني. تدوم كل رابطة هيدروجينية لجزء من الثانية فقط ، وهي ليست قوية بما يكفي لكسر التساهم الروابط بين الذرات ، لكنها تعطي الماء طبيعة شاذة عند مقارنتها بالسوائل الأخرى ، مثل كحول. ثلاث حالات شاذة مهمة بشكل خاص للكائنات الحية.

بسبب طبيعتها القطبية ، فإن الماء قادر على إذابة العديد من المواد التي يطلق عليها العلماء أحيانًا مذيبًا عالميًا. تمتص الكائنات الحية العديد من العناصر الغذائية الأساسية ، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم والكبريت من الماء. علاوة على ذلك ، عندما يذوب الماء مادة صلبة أيونية ، مثل كلوريد الصوديوم ، تطفو الأيونات بحرية في المحلول وتحولها إلى إلكتروليت. تقوم الإلكتروليتات بتوصيل الإشارات الكهربائية اللازمة لنقل الإشارات العصبية وكذلك تلك التي تنظم العمليات الفيزيائية الحيوية الأخرى. الماء هو أيضًا الوسيط الذي من خلاله تقضي الكائنات الحية على نفايات التمثيل الغذائي.

يخلق التجاذب الكهروستاتيكي لجزيئات الماء لبعضها البعض ظاهرة السطح التوتر ، حيث يشكل سطح الماء السائل حاجزًا يمكن أن تقوم عليه بعض الحشرات بالفعل يمشي. التوتر السطحي يجعل حبة الماء تصل إلى قطرات ، وعندما تقترب إحدى القطرات من أخرى ، فإنها تجذب بعضها البعض لتشكيل قطرة واحدة.

بسبب هذا الجذب ، يمكن سحب الماء إلى شعيرات دموية صغيرة كتيار ثابت. يسمح هذا للنباتات بسحب الرطوبة من التربة من خلال جذورها ، ويمكّن الأشجار الطويلة من الحصول على التغذية عن طريق سحب النسغ من خلال مسامها. يساعد جذب جزيئات الماء لبعضها البعض أيضًا في الحفاظ على تداول السوائل عبر أجسام الحيوانات.

إذا لم يطفو الجليد ، فسيكون العالم مكانًا مختلفًا وربما لن يكون قادرًا على دعم الحياة. يمكن أن تتجمد المحيطات والبحيرات من الأسفل إلى الأعلى ويمكن أن تتحول إلى كتلة صلبة كلما أصبحت درجة الحرارة باردة. وبدلاً من ذلك ، تشكل المسطحات المائية قشرة من الجليد خلال فصل الشتاء. يتجمد سطح الماء عند تعرضه لدرجات حرارة الهواء الأكثر برودة فوقه ، لكن الجليد يبقى فوق بقية الماء لأن الجليد أقل كثافة من الماء. هذا يسمح للأسماك والمخلوقات البحرية الأخرى بالبقاء على قيد الحياة في الطقس البارد وتوفير الغذاء للمخلوقات التي تعيش على الأرض.

باستثناء الماء ، يصبح كل مركب آخر أكثر كثافة في الحالة الصلبة مما هو عليه في الحالة السائلة. السلوك الفريد للماء هو نتيجة مباشرة لقطبية جزيء الماء. عندما تستقر الجزيئات في الحالة الصلبة ، يجبرها الارتباط الهيدروجيني على تكوين بنية شبكية توفر مساحة أكبر بينها مما كانت عليه في الحالة السائلة.