La molecola d'acqua è elettricamente neutra, ma la disposizione asimmetrica degli atomi di idrogeno sull'atomo di ossigeno gli conferisce una carica netta positiva da un lato e una carica negativa dall'altro. Tra le conseguenze importanti per gli organismi viventi c'è la capacità dell'acqua di dissolvere una varietà di sostanze, più di ogni altra altro liquido, e la sua forte tensione superficiale, che gli permette di formare gocce e di viaggiare attraverso minuscole radici, steli e capillari. L'acqua è l'unica sostanza che esiste come gas, liquido e solido alle temperature che si trovano sulla Terra, e a causa della polarità della molecola d'acqua, lo stato solido è meno denso del liquido stato. Di conseguenza, il ghiaccio galleggia e questo ha profonde implicazioni per la vita in tutto il pianeta.
Legame idrogeno
Un modo semplice per apprezzare la natura polare di una molecola d'acqua è visualizzarla come la testa di Topolino. Gli atomi di idrogeno si trovano sopra la molecola di ossigeno più o meno allo stesso modo in cui le orecchie si trovano sulla testa di Topolino. Questa disposizione tetraedrica distorta si verifica a causa del modo in cui gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. Gli atomi di idrogeno formano un angolo di 104,5 gradi, conferendo a ciascuna molecola le caratteristiche di un dipolo elettrico o di un magnete.
Il lato positivo (idrogeno) di ogni molecola d'acqua è attratto dal lato negativo (ossigeno) delle molecole circostanti in un processo chiamato legame idrogeno. Ogni legame idrogeno dura solo una frazione di secondo e non è abbastanza forte da rompere il covalente legami tra gli atomi, ma conferisce all'acqua una natura anomala rispetto ad altri liquidi, come alcol. Tre anomalie sono particolarmente importanti per gli organismi viventi.
Il solvente della vita
A causa della sua natura polare, l'acqua è in grado di dissolvere così tante sostanze che gli scienziati a volte la chiamano un solvente universale. Gli organismi assorbono molti nutrienti essenziali, tra cui carbonio, azoto, fosforo, potassio, calcio, magnesio e zolfo dall'acqua. Inoltre, quando l'acqua dissolve un solido ionico, come il cloruro di sodio, gli ioni galleggiano liberamente in soluzione e lo trasformano in un elettrolita. Gli elettroliti conducono i segnali elettrici necessari per trasmettere i segnali neurali e quelli che regolano altri processi biofisici. L'acqua è anche il mezzo attraverso il quale gli organismi eliminano i prodotti di scarto del metabolismo.
La forza legante del nutrimento
L'attrazione elettrostatica delle molecole d'acqua l'una per l'altra crea il fenomeno della superficie tensione, per cui la superficie dell'acqua liquida forma una barriera sulla quale alcuni insetti possono effettivamente camminare. La tensione superficiale fa colare l'acqua in goccioline e, quando una goccia si avvicina a un'altra, si attraggono a vicenda per formare un'unica goccia.
A causa di questa attrazione, l'acqua può essere aspirata in piccoli capillari come un flusso costante. Ciò consente alle piante di assorbire l'umidità dal terreno attraverso le loro radici e consente agli alberi ad alto fusto di ottenere nutrimento attingendo linfa attraverso i loro pori. L'attrazione reciproca delle molecole d'acqua aiuta anche a mantenere i fluidi in circolazione attraverso i corpi degli animali.
L'anomalia del ghiaccio galleggiante
Se il ghiaccio non galleggiasse, il mondo sarebbe un posto diverso e probabilmente non sarebbe in grado di sostenere la vita. Oceani e laghi potrebbero congelare dal basso verso l'alto e potrebbero trasformarsi in una massa solida ogni volta che la temperatura si abbassasse. Invece, i corpi d'acqua formano una pelle di ghiaccio durante l'inverno; la superficie dell'acqua si congela quando esposta alle temperature dell'aria più fredde sopra di essa, ma il ghiaccio rimane sopra il resto dell'acqua perché il ghiaccio è meno denso dell'acqua. Ciò consente ai pesci e ad altre creature marine di sopravvivere quando fa freddo e di fornire cibo alle creature terrestri.
Ad eccezione dell'acqua, ogni altro composto diventa più denso allo stato solido che allo stato liquido. Il comportamento unico dell'acqua è un risultato diretto della polarità della molecola d'acqua. Man mano che le molecole si depositano allo stato solido, il legame a idrogeno le costringe in una struttura reticolare che fornisce più spazio tra loro rispetto a quello che avevano allo stato liquido.