השפעות הקוטביות של המים על יצורים חיים

מולקולת המים היא ניטרלית חשמלית, אך הסידור הא-סימטרי של אטומי המימן באטום החמצן מעניק לה מטען חיובי נטו מצד אחד ומטען שלילי מצד שני. בין ההשלכות החשובות על אורגניזמים חיים הם יכולתם של מים להמיס מגוון חומרים, יותר מכל נוזל אחר ומתח פניו החזק המאפשר לו ליצור טיפות ולעבור דרך שורשים זעירים, גבעולים ו נימים. מים הם החומר היחיד שקיים כגז, נוזל ומוצק בטמפרטורות שנמצאות על פני כדור הארץ, ובגלל הקוטביות של מולקולת המים, המצב המוצק פחות צפוף מהנוזל מדינה. כתוצאה מכך קרח צף, ויש לכך השלכות עמוקות על החיים בכל מקום על פני כדור הארץ.

דרך קלה להעריך את הטבע הקוטבי של מולקולת מים היא לדמיין אותה כראשו של מיקי מאוס. אטומי המימן יושבים על גבי מולקולת החמצן באותו אופן שבו האוזניים יושבות על ראשו של מיקי. סידור טטראדרי מעוות זה מתרחש בגלל האופן שבו חולקים אלקטרונים בין האטומים. אטומי המימן יוצרים זווית של 104.5 מעלות, ומעניקים לכל מולקולה את המאפיינים של דיפול חשמלי או מגנט.

הצד החיובי (מימן) של כל מולקולת מים נמשך לצד השלילי (חמצן) של המולקולות הסובבות בתהליך הנקרא קשירת מימן. כל קשר מימן נמשך רק לשבריר שנייה, ואינו חזק מספיק כדי לשבור את הקוולנט נקשר בין האטומים, אך הוא מקנה למים אופי חריג בהשוואה לנוזלים אחרים, כגון כּוֹהֶל. שלוש חריגות חשובות במיוחד עבור אורגניזמים חיים.

בגלל אופי הקוטב שלהם, מים מסוגלים להמיס חומרים רבים כל כך שלעתים מדענים מכנים אותם ממס אוניברסלי. אורגניזמים סופחים חומרים מזינים חיוניים רבים, כולל פחמן, חנקן, זרחן, אשלגן, סידן, מגנזיום וגופרית מהמים. יתרה מכך, כאשר מים ממיסים מוצק יוני, כגון נתרן כלורי, היונים צפים בחופשיות בתמיסה והופכים אותם לאלקטרוליט. אלקטרוליטים מוליכים את האותות החשמליים הדרושים להעברת אותות עצביים כמו גם אלה המווסתים תהליכים ביופיזיים אחרים. מים הם גם המדיום שדרכו אורגניזמים מסלקים את מוצרי הפסולת של חילוף החומרים.

המשיכה האלקטרוסטטית של מולקולות מים זו לזו יוצרת את תופעת השטח מתח, לפיו פני המים הנוזלים מהווים מחסום עליו חרקים מסוימים יכולים למעשה לָלֶכֶת. מתח פני השטח גורם למים לחרוג לטיפות, וכאשר טיפה אחת מתקרבת לאחרת, הם מושכים זה את זה כדי ליצור טיפה אחת.

בגלל האטרקציה הזו, מים יכולים להישאב לנימים קטנים כזרם יציב. זה מאפשר לצמחים לשאוב לחות מהאדמה דרך שורשיהם, וזה מאפשר לעצים גבוהים לקבל הזנה על ידי ציור מוהל דרך נקבוביותיהם. המשיכה של מולקולות מים זו לזו מסייעת גם בשמירה על נוזלים המסתובבים בגופי בעלי חיים.

אם קרח לא היה צף, העולם היה מקום אחר וכנראה לא יוכל לתמוך בחיים. אוקיינוסים ואגמים עלולים לקפוא מלמטה למעלה ויכולים להפוך למסה מוצקה בכל פעם שהטמפרטורה נהיית קרה. במקום זאת, גופי מים יוצרים עור של קרח במהלך החורף; פני המים קופאים כאשר הם נחשפים לטמפרטורות האוויר הקרות שמעליהם, אך הקרח נשאר על שאר המים מכיוון שקרח הוא פחות צפוף ממים. זה מאפשר לדגים וליצורים ימיים אחרים לשרוד במזג אוויר קר ולספק מזון ליצורים תושבי היבשה.

למעט מים, כל תרכובת אחרת הופכת להיות צפופה יותר במצב מוצק מאשר במצב נוזלי. ההתנהגות הייחודית של מים היא תוצאה ישירה של הקוטביות של מולקולת המים. כאשר המולקולות מתמקמות במצב מוצק, קשירת מימן מכריחה אותן למבנה סריג המספק יותר מקום ביניהן ממה שהיה במצב הנוזל.