12.3.7. Роль воды для живых организмов

В заключение § 12.3 о биохимии живого вещества рассмотрим роль воды в жизни, поскольку из нее в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь, по гипотезе Опарина, заро­дилась в теплом первобытном океане. Вода является одним из наиболее распространенных веществ на Земле и покрывает боль­шую часть поверхности нашей планеты. (См. Приложение 5.) Как заметил Антуан де Сент-Экзюпери (1900—1944), «нельзя сказать, что вода необходима для жизни — она и есть жизнь».

Всеобъемлющая роль воды для жизни обусловлена ее уни­кальными свойствами. Молекулы воды связываются друг с дру­гом водородной связью и обладают полярными свойствами. Это позволяет воде быть очень хорошим растворителем, в котором происходит диссоциация, и ионы растворенного вещества легче перемещаются в растворе. Активность биохимических реакций в водной среде клетки значительно возрастает. Молекулы воды при диссоциации «растаскивают» ионы полярных молекул. Напри­мер, растворение в воде поваренной соли NaCl: отрицательные ионы гидроксида ОН^- притягивают положительные ионы Na⁺, а положительные протоны Н⁺ или ионы гидроксония Н₂0⁺ — от­рицательные ионы С1~. В этом проявляются гидрофильные свой­ства веществ с полярными молекулами.

Неполярные соединения, например липиды, в воде не рас­творяются и образуют с водой поверхности раздела, которые «работают», как мембраны. Именно на этих поверхностях проте­кают многие химические реакции, и физика процессов не толь­ко перемещений ионов и электронов в клетке, но и потоков воды во многом зависит от поверхностных свойств. Молекулы воды могут слипаться друг с другом (когезия) и с другими веще­ствами (адгезия), в частности, сильное поверхностное натяжение воды обусловлено адгезией. Кроме того, полярные молекулы во­ды сильно притягиваются любой электрически заряженной по­верхностью. Вещества с неполярными молекулами обладают гид­рофобными свойствами.

Поэтому вода является не только средой, где протекают био­химические реакции, но и активным участником различных ки­нетических процессов переноса веществ в организме. Вода имеет высокие теплопроводность и теплоемкость. Благодаря первому свойству тепло от происходящих химических реакций равномер­но распределяется по объему и устраняется перегрев организма. В силу высокой теплоемкости даже для незначительного повы­шения температуры организма требуется большее количество энергии. Высокие теплофизические свойства воды обеспечивают стабильность среды организма и постоянство протекания биохи­мических процессов при низких температурах, имеющихся в нормальном живом организме теплокровных животных. Высо­кая теплоемкость воды позволяет океанам поглощать и отдавать огромные количества тепла без значительного изменения темпе­ратуры воды и воздуха, что обеспечивает относительное посто­янство температуры окружающей среды, необходимое для проте­кания биологических процессов. Тепловые свойства воды наибо­лее подходят для функционирования организма, например, высокая температура кипения воды, обусловленная большой скрытой теплотой кипения и парообразования, с одной стороны, обеспечивает жизнедеятельность организма при низких темпера­турах (в газообразном состоянии молекулы веществ просто раз­летелись бы!), а с другой, — означает, что поскольку на испаре­ние требуется энергия, то при процессе испарения происходит охлаждение организма (это мы неоднократно ощущаем на себе: перегрев тела устраняется потоотделением).

Вода по сравнению с другими жидкостями имеет высокую температуру замерзания и при образовании льда выделяет значи­тельную теплоту кристаллизации, что уменьшает вероятность за­мерзания воды в клетках организма. Максимальная плотность воды наблюдается при 4 °С, т.е. выше температуры замерзания. Поэтому при охлаждении от 4 °С до О °С плотность воды в жид­ком состоянии больше, чем в твердом, и лед образуется сначала у поверхности воды и только затем наращивается до дна (напри­мер, водоема или реки). С позиции сохранения жизнедеятель­ности в водной среде это очень важно, так как наружный лед изолирует водоем от внешнего холода, а вода со дна при темпе­ратурах выше 4 °С, поднимаясь вверх, способствует переносу питательных веществ по всему объему воды и сохранению жиз­ни. Что касается внутренней водной среды организма, то обра­зование льда, проходящее с увеличением объема, разрушает тон­кие структуры клеток и вызывает их гибель, как и гибель всего организма в целом.

Удивительным фактом можно считать, что вода, являясь ос­новой жизни на Земле, до сих пор не слишком хорошо исследо­вана на молекулярном уровне и во многом остается субстанцией с таинственными свойствами, выделяющими ее из всех осталь­ных веществ. Так, недавно в воде были обнаружены кластеры молекул воды, которые образуются в результате самосборки. Они изменяют структуру воды и могут играть роль ячеек памяти.

ч