Das Wassermolekül ist elektrisch neutral, aber die asymmetrische Anordnung der Wasserstoffatome am Sauerstoffatom verleiht ihm eine positive Nettoladung auf der einen und eine negative Ladung auf der anderen. Zu den wichtigen Folgen für lebende Organismen gehört die Fähigkeit des Wassers, eine Vielzahl von Substanzen zu lösen, mehr als alle anderen andere Flüssigkeit und seine starke Oberflächenspannung, die es ihm ermöglicht, Tropfen zu bilden und durch winzige Wurzeln, Stängel und Kapillaren. Wasser ist die einzige Substanz, die bei den auf der Erde vorkommenden Temperaturen gasförmig, flüssig und fest ist. und wegen der Polarität des Wassermoleküls ist der Festkörper weniger dicht als der flüssige Zustand. Als Ergebnis schwimmt Eis, und dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Leben überall auf dem Planeten.
Wasserstoffbrückenbindung
Eine einfache Möglichkeit, die polare Natur eines Wassermoleküls zu verstehen, besteht darin, es sich als Mickey Mouse Kopf vorzustellen. Die Wasserstoffatome sitzen auf dem Sauerstoffmolekül ähnlich wie die Ohren auf Mickeys Kopf. Diese verzerrte tetraedrische Anordnung entsteht durch die Art und Weise, wie Elektronen zwischen den Atomen geteilt werden. Die Wasserstoffatome bilden einen 104,5-Grad-Winkel, der jedem Molekül die Eigenschaften eines elektrischen Dipols oder Magneten verleiht.
Die positive Seite (Wasserstoff) jedes Wassermoleküls wird von der negativen Seite (Sauerstoff) der umgebenden Moleküle in einem Prozess namens Wasserstoffbrückenbindung angezogen. Jede Wasserstoffbrücke hält nur für den Bruchteil einer Sekunde und ist nicht annähernd stark genug, um das Kovalent zu brechen Bindungen zwischen den Atomen, aber es verleiht Wasser eine anomale Natur im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten, wie z Alkohol. Drei Anomalien sind für lebende Organismen besonders wichtig.
Das Lösungsmittel des Lebens
Aufgrund seiner polaren Natur kann Wasser so viele Substanzen lösen, dass Wissenschaftler es manchmal als universelles Lösungsmittel bezeichnen. Organismen nehmen viele essentielle Nährstoffe auf, darunter Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium, Magnesium und Schwefel aus dem Wasser. Wenn Wasser einen ionischen Feststoff wie Natriumchlorid auflöst, schwimmen die Ionen außerdem frei in der Lösung und verwandeln sie in einen Elektrolyten. Elektrolyte leiten die elektrischen Signale, die zur Übertragung neuronaler Signale sowie zur Regulierung anderer biophysikalischer Prozesse benötigt werden. Wasser ist auch das Medium, durch das Organismen die Abfallprodukte des Stoffwechsels eliminieren.
Die bindende Kraft der Ernährung
Die elektrostatische Anziehung von Wassermolekülen zueinander erzeugt das Phänomen der Oberfläche Spannung, wodurch die Oberfläche von flüssigem Wasser eine Barriere bildet, auf der bestimmte Insekten tatsächlich gehen. Die Oberflächenspannung lässt Wasser zu Tröpfchen abperlen, und wenn sich ein Tröpfchen einem anderen nähert, ziehen sie sich gegenseitig an, um einen einzigen Tröpfchen zu bilden.
Aufgrund dieser Anziehungskraft kann Wasser als stetiger Strom in kleine Kapillaren gezogen werden. Dadurch können Pflanzen durch ihre Wurzeln Feuchtigkeit aus dem Boden ziehen und hohe Bäume können sich ernähren, indem sie Saft durch ihre Poren ziehen. Die gegenseitige Anziehung von Wassermolekülen trägt auch dazu bei, dass Flüssigkeiten durch den Tierkörper zirkulieren.
Die Anomalie des schwimmenden Eises
Wenn Eis nicht schwimmen würde, wäre die Welt ein anderer Ort und wäre wahrscheinlich nicht in der Lage, das Leben zu ernähren. Ozeane und Seen konnten von unten nach oben gefrieren und bei Kälte zu einer festen Masse werden. Stattdessen bilden Gewässer im Winter eine Eishaut; die Wasseroberfläche gefriert, wenn sie den kälteren Lufttemperaturen darüber ausgesetzt ist, aber das Eis bleibt auf dem Rest des Wassers, da Eis weniger dicht ist als Wasser. Dies ermöglicht es Fischen und anderen Meeresbewohnern, bei kaltem Wetter zu überleben und Nahrung für Landbewohner zu bieten.
Außer Wasser wird jede andere Verbindung im festen Zustand dichter als im flüssigen Zustand. Das einzigartige Verhalten von Wasser ist eine direkte Folge der Polarität des Wassermoleküls. Wenn sich die Moleküle im festen Zustand absetzen, werden sie durch Wasserstoffbrücken in eine Gitterstruktur gezwungen, die mehr Platz zwischen ihnen bietet als im flüssigen Zustand.