Биологические свойства воды

1.3 Биологические свойства воды.

Вода принимает участие в биологическом круговороте веществ, в процессе которого несколько изменяется. Она является одной из важнейших составных живых организмов. Вода входит в состав различных тканей и органов. Так, 22 - 34 % ее содержится в костях, до 70 – 80 % - в жировой ткани и до 82 – 94 % - в нервных волокнах.

В теле грудного ребенка воды содержится – до 65 % . По мере роста и накопления жировых отложений содержание воды в организме уменьшается, достигая примерно 60 % (40 – 42 литра) у среднего взрослого мужчины и 50% - у женщины[12].

Автотрофы – зеленые растения – трансформируют неорганические соединения, в частности воду, оксид углерода (ΙV) и минеральные соли в органические вещества тела клетки, молекулярная структура которой неимоверно велика. Основой этого процесса является реакция фотосинтеза, в результате которой из углекислого газа и воды при участии хлорофилла и солнечной энергии появляются органические вещества, входящие в состав клеток и выделяется кислород:

hν

6CO2 + 6H2O + 2,72 кДж―—–→ C6H12O6 + 6O2↑.

Хлорофилл

Гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, которые необходимы для их существования. Они используют питательные вещества, которые входят в состав организмов авто- и гетеротрофов. При этом вещества экзометрически расщепляются и окисляются на более простые. Все процессы происходят при непосредственном участии живого вещества.

Ряд автотрофных организмов – продуцентов неспособны использовать солнечную энергию, поскольку не имеют соответствующих пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных соединений.

Катаболизм, или процесс внутриклеточного разрушения питательных веществ, включает образование воды или участие ее молекул в окислении органических веществ и протекании восстановительных реакций. Последние обеспечивают использование химической энергии, которая содержится во всех питательных веществах. Движущая сила разрушения (анаэробного или аэробного) органического вещества обеспечивается действием ферментов (энзимов). Важнейшие особенности последних обусловлены их структурой. В зависимости от условий, в которых происходит процесс биологического окисления, получаются различные конечные продукты расщепления. Например, окисление глюкозы при аэробных условиях происходит по уравнению[14]:

C6H12O 6 + 6CO2 = 6CO2 + 6H2+2,72 кДж / моль,

В анаэробных –

C6H12O6 = 3CO2 + 3CH4 + 144 кДж /моль.

Выход энергии при анаэробных условиях составляет всего 5,3 % количества энергии, которая высвобождается в аэробных условиях. Исходя из этого, в аэробных условиях процесс получения жизненной энергии более экономичен, нежели в аэробных. Поэтому клеточное деление при аэробных условиях продуктивней, и, и как следствие этого, процессы разрушения органических веществ до конечного состояния происходят интенсивнее.

Итак, в природе вода совершает беспрерывный биологический круговорот при участии зеленых растений, консументов и при помощи микроорганизмов-редуцентов, которые трансформируют органические вещества в неорганические (воду, метан, углекислый газ, аммиак, водород и др.), и вода снова возвращается к зеленым растениям-продуцентам. Микроорганизмы имеют большое значение для поддержания биологической активности и осуществления круговорота веществ, в данном случае воды, в природе.

1.4 Водные растворы и взвеси.

Поскольку вода является хорошим полярным растворителем, все природные воды – это растворы различных неорганических и органических соединений. В воде растворяются газы, жидкости и твердые вещества, с которыми она контактирует. Поэтому такие растворы являются гомогенными системами, свойства которых определяются как природой и структурным строением самого растворителя (воды), так и свойствами растворенных веществ. При этом образуется не инертная смесь нескольких соединений, происходит их взаимодействие, сопровождаемое взаимным влиянием растворителя на растворенные структуры и наоборот.

Органические вещества обычно пребывают в воде в молекулярно-растворенном состоянии. Для воды, которая имеет ажурную льдоподобную структуру, возможны два типа растворимости – замещение и проникновение. По первому типу растворимости молекулы растворенного вещества имеют размеры, близкие к размеру молекул воды, аналогичное силовое поле и замещают их в структурных образованиях, а по второму – молекулы растворенного вещества проникают в пустоты, образованные элементами структуры воды, если размеры молекул отвечают размерам пустот и они неполярны. Возможно также размещение в нескольких пустотах без существенного изменения углов связей между молекулами воды, если размеры молекулы растворенного вещества не отвечают одной из пустот. Для веществ, которые имеют полярные (OH¯, NH2¯) и неполярные (CH3¯ ,C2H2¯) группы, первые могут замещать молекулы воды в структурном каркасе, а другие обычно размещаются в пустотах. Известно, что вещества, которые содержат углеводородные группы, при так называемой гидрофобной гидратации содействуют образованию додекаэдрических, тетрокаэдрических и гексаэдрических структур из молекул воды.

В природных водах как примеси преимущественно содержатся взвеси минеральных веществ. Вода взаимодействует с ними по-разному. Часто она химически связана с породами, которые попадают в нее во время размывания берегов или в результате поверхностного покрова. Вода также способна образовывать адсорбционные стабилизованные слои на поверхности частичек. Считают, что физические качества связной воды, которая пребывает под действием активных центров частичек породы, отличаются от качеств воды в объеме.

Растворы организма: Существуют два основных типа жидкостей организма – внутриклеточные и внеклеточные. Внеклеточные жидкости состоят большей частью из плазмы крови (ок. 3 литров) и тканевой жидкости (ок. 12 литров). Внутриклеточная жидкость является главным ингредиентом клеток, и у среднего взрослого человека ее объем составляет примерно 25 литров.

Таблица 1.2. Содержание жидкостей в организме человека[12].

Человеческое тело состоит из множества клеток, разделенных микроскопическими промежутками, по которым циркулирует тканевая жидкость. В нашем организме происходит непрерывный водный обмен с участием крови, межклеточных и тканевых жидкостей.

Кровь (состоящая из воды на 60 %) доставляет в растворенном виде необходимые клеткам (содержащим 80 % воды) питательные вещества. В процессе жизнедеятельности клетки вырабатывают углекислый газ, который необходимо удалять вместе с другими отходами. Вся эта работа выполняется при участии тканевой жидкости. Отходы сквозь стенки клеток попадают в тканевую жидкость, а оттуда сквозь стенки капилляров – в кровь. Одновременно из крови тем же путем поступает в клетки питание в виде кислорода и прочих химических веществ. И, наконец, отработавшая свой срок тканевая жидкость тоже вливается в кровоток.

Почти вся жидкость поступает непосредственно в кровь, но определенная ее часть возвращается в кровоток из лимфатической системы (рисунок 1.3), ведущей борьбу с болезнетворными микробами и содержащей молекулы – например, белковые, - которые слишком велики, чтобы проникнуть в кровь сквозь стенки капилляроврис. 1.3)

От многих продуктов жизнедеятельности клеток необходимо избавиться, и кровь несет их в почки, где проходит фильтрацию и очистку, а вредные вещества отделяются и растворяются в моче, состоящей главным образом из воды. Моча накапливается в мочевом пузыре и периодически выводится из организма.

Часть влаги непрерывно испаряется с потом при каждом выдохе. Небольшое ее количество присутствует и в кале (твердых экскрементах). В обычных условиях взрослый человек теряет за сутки 1,5 л воды.

Для нормального функционирования организму необходимо, чтобы содержание воды в нем оставалось более или менее постоянным, поэтому, непрерывно теряя воду, необходимо непрерывно восполнять ее запасы. Некоторое количество воды содержится в пище, но главная ее часть поступает с питьем. При обычной комфортной температуре и нормальном питании человек должен выпивать за день как минимум две трети литра воды. В жару, при тяжелых физических нагрузках или во время болезни организм теряет с потом гораздо больше жидкости, и, соответственно, возрастает потребность в питье. Таким образом, вода гораздо важнее для жизни, чем пища. Так как без ежедневного питья организм не сможет нормально функционировать. Если человек без особого вреда для себя может обходиться достаточно долго без еды, то без воды мы способны прожить гораздо меньше.

Потребление жидкости (в виде воды, фруктовых соков, чая или других напитков) отчасти зависит от привычки, и человек нередко пьет, фактически не нуждаясь в пополнении запасов воды. Если воды поступает в организм сверх надобности, то ее избыток выводиться вместе с мочой. И, напротив, при нехватке воды концентрация мочи повышается, чтобы организм не терял драгоценную воду.

Если организму требуется больше воды, чем ее потребляется, возникает чувство жажды. Им управляет гипоталамус – участок головного мозга, выполняющий ряд различных функций, в том числе регулирующий чувство жажды и голода. Нервные клетки гипоталамуса контролируют кровоток, а также уровень концентрации солей и прочих веществ в крови. Если общий объем крови уменьшается, указывая на то, что организм нуждается в воде, нервные клетки стимулируют выработку гормона. Вызывающего сухость в горле, и тогда возникает чувство жажды.

То же гипоталамус регулирует интенсивность работы почек и, Следовательно, объем жидкости, которая выводиться из организма с мочой. В управлении чувством жажды гипоталамус действует совместно с нервными окончаниями полости рта и горла. Они, в свою очередь, соединены со стволом головного мозга и, получив от него сигнал, что выпито достаточно жидкости, гасят чувство жажды еще до того, как вода отправится циркулировать по организму.

Помимо доставки питания к клеткам, удаления отходов и борьбы с болезнями, внеклеточные жидкости выполняют еще ряд важнейших функций. Одна из них заключается в переносе и распределении по тканям растворенных солей и других химических веществ, например, вырабатываемых организмом гормонов и ферментов (энзимов). С помощью солей приводиться в действие мышцы и нервные клетки, а гормоны и ферменты регулируют и контролируют многие функции организма.

Некоторые жидкости выполняют и роль защитной подушки. К примеру, головной мозг как бы плавает в спинномозговой жидкости. Которая не только снабжает его питательными веществами, но и действует как амортизатор, смягчая удары. Брюшина, окружающая и оберегающая внутренние органы брюшной полости (желудок, печень, селезенку и кишечник) тоже содержит некоторое количество жидкости, которая, как хорошая смазка, смягчает взаимное трение между органами. Точно также действует жидкость, заполняющая околосердечную сумку и плевру вокруг легких.

Растворенные соли необходимы не только для четкой работы мышц и нервов, но и для поддержания нормального жидкостного обмена между кровью, тканевой жидкостью и клетками.

Пронизанные кровеносными капиллярами клеточные оболочки полупроницаемы. Это значит, что для жидкостей и мельчайших молекул путь свободен, а для более крупных молекул и растворенных в жидкостях твердых веществ – нет. Процесс проникновения жидкости и мелких молекул сквозь эти полупроницаемые барьеры называется осмосом, а поддерживаемый с его помощью баланс – осмотическим давлением. Весь обмен питательных веществ и продуктов жизнедеятельности, т. е. Сама основа равновесного состояния живого организма, обеспечивается с помощью этого давления.

Оптимальный баланс содержания солей в крови и тканях имеет огромное значение для организма человека. Благодаря этому поддерживается необходимое осмотическое давление и не допускается всасывание избыточной жидкости из крови в клетки. Когда во время болезни или в жару человек сильно потеет, его кровь теряет соли, и если эту потерю быстро не восполнить с пищей, то концентрация солей в тканях становится выше, чем в крови.

Как результат, осмотическое давление в клетках повышается, и вода из крови переходит в тканевые жидкости и клетки. И вот клетки уже заполнены до краев, а организм тем временем испытывает острый дефицит внеклеточной жидкости. При значительном обезвоживании плазмы крови у больного может случиться шок, который нередко становиться следствием перегрева или сильной кровопотери.

Концентрация солей в жидкостях организма контролируется почками под воздействием антидиуретического гормона АДГ. Этот гормон вырабатывается гипофизом по команде гипоталамуса, управляющего чувством жажды.

Когда в ткани или клетки просачивается слишком большое количество воды при недостаточном обратном оттоке, происходит скопление жидкости. В медицине это состояние называют отеком, или водянкой.

Чаще всего отекают руки и ноги, но от водянки не застрахованы и другие органы. Одной из форм лечения отека является прием диуретических средств, которые побуждают почки выводить из организма соль, а вместе с ней и избыток воды. Отек возникает в результате различных заболеваний, но может быть и следствием хронического недоедания, когда нехватка белка в крови приводит к перенасыщению тканевой жидкости избыточной водой, и тело в результате опухает. От этого отека избавляет богатая белками диета.