Значението на водата за живота

При търсенето на извънземен живот в Космоса, най-често се търсят признаци за наличие на вода върху спътници или планети. Причината е, че животът, какъвто го познаваме, е зависим от водата. И за да разберем това, трябва да разгледаме по-отблизо някои от характеристиките на водата. Тук има няколко молекули вода. Може би за теб това е преговор. Всяка водна молекула има един кислороден атом, свързан с два водородни атома. Това е водороден атом и това също е водороден атом. Природата на тази връзка – това е ковалентна връзка, което означава, че кислородът споделя електрони с всеки от водородните атоми. Но кислородът е по-електроотрицателен и това е сложен начин да кажем, че въпреки че тези електрони са споделени, те ще прекарват повече време около кислородния атом, отколкото около водородните атоми. Един начин да разсъждаваме, е, че кислородът привлича по-силно електроните, отколкото водородът. И тъй като електроните ще прекарат повече време около кислорода, отколкото около водорода, и понеже молекулата е асиметрична, като водородните атоми са в единия край на молекулата, там, където е кислородът, където електроните прекарват повечето от времето си, се формира частично отрицателен заряд. Това е малката гръцка буква делта. Това просто означава частично отрицателен заряд. Краищата с водородните атоми придобиват частично положителен заряд. Както виждаш, водната молекула като цяло няма заряд, но в краищата ѝ има частични заряди. Така че това е полярна молекула. И можеш да си представиш, че когато поставиш куп водни молекули на едно място – какво ще се случи? Частично положителен край на една водна молекула, където има водороден атом, ще бъде привлечен към частично отрицателен край на друга водна молекула. И те ще бъдат привлечени – това е познато като водородна връзка. Мога да продължа да чертая това. Това тук ще е частично положително. Това ще е частично отрицателно. Те ще се привлекат. Този кислороден край ще бъде привлечен към този водороден край. Този кислороден край ще бъде привлечен към този водороден край. Наличието на тези водородни връзки дава на водата много от характеристиките, които я правят специална за поддържането на живота за това да прави възможно съществуването на живота. Животът, както го разбираме, има нужда от течна среда. Нещата се движат наоколо и се блъскат едни в други. Тези водородни връзки, когато температурата и условията са подходящи, позволяват водата да е в течна форма, като са достатъчно силни, така че молекулите на водата да останат свързани, но са достатъчно слаби, че да позволят водните молекули да се плъзгат едни покрай други. Водата не само предоставя добра течна среда, но е и много добър разтворител. Водата често е позната като универсален разтворител, но си струва да отбележим нещо. Въпреки че хората казват, че е универсален разтворител, това не означава, че разтваря всичко. Водата наистина разтваря повече вещества, когато е в течното си състояние, отколкото всяко друго вещество, което познаваме. Но съществуват много вещества, които не могат да се разтворят добре. Веществата, които се разтварят добре, са полярни молекули или неща, които имат заряд. Например, когато натриевият хлорид се разтваря във вода, натриевият йон е положителен, така че това е положително заредено. Можеш да си представиш, че може да бъде привлечено към страната на водната молекула, в която е кислородът. Но се разтваря добре. Но вещества, чиито молекули нямат заряд, по принцип не се разтварят добре във вода. Но дори свойството, че има определени вещества, които не се разтварят добре, също е полезно за живота. По-късно в биологията ще разгледаме фосфолипидните бислоеве, в които имаш тези молекули, при които единият край е хидрофилен, което означава, че съществува привличане с водните молекули, а другият край е хидрофобен, което означава, че няма привличане с водни молекули. И много еволюционни биолози вярват, че това свойство – че едната страна е хидрофилна, а другата хидрофобна, е позволило на тези молекули да започнат да се събират в мембрани, в крайна сметка образувайки тези сферични мембрани, които се превърнали в съдове за ранния клетъчен живот. Друго свойство на водата, което я прави много подходяща за живота, е нейният висок топлинен капацитет. Понякога ще чуеш хората да казват, че има висока специфична топлина. Специфичната топлина е количеството енергия, което е необходимо, за да се увеличи температурата на един грам вода с един градус по Целзий. Може да се запиташ защо това има значение за живота. Много форми на живот могат да действат само в определен температурен диапазон. Ако беше лесно много бързо да се повиши температурата на водата, или много бързо да се понижи, това би затруднило развитието на живота във вода или дори изграждането на живота от вода. Свързана идея с това е, че водата също има висока топлина на изпарение. Говорим повече за това в подробности в други видеа, но това означава колко енергия е необходима за водата, за да премине от течно състояние в газообразно състояние. И това се е доказало като ценно за различни организми като форма на охлаждане, при което изпарението на водата, изпарителното охлаждане, може да отведе топлина от даден организъм, така че той да не прегрее. Други свойства важни свойства на водата са т.нар. кохезия и адхезия. Кохезия е свойството на водните молекули да бъдат привлечени към други водни молекули. Видяхме го тук при водородните връзки. Но когато го разгледаш на макромащаб, виждаш образуване на неща като водните капки. Всички сме виждали водни капки. Тези капки не могат да се образуват, ако водата нямаше кохезивни свойства. И дори една капка може да е среда, в която могат да живеят хиляди микроорганизми. Адхезията е свойството на водата да се прикрепя към други неща. Може би това ти е познато, когато в една стъклена епруветка изглежда сякаш водата пълзи нагоре по стените. Причината е полярността на молекулите на стъклото, изграждащо епруветката. Това свойство, заедно с кохезията, позволява на водата да пренася хранителни вещества, да кажем, от корените на едно дърво чак до върха на дървото. Тези свойства са в действие в собствените ни кръвоносни системи, където стигаш до много малките кръвоносни съдове – капилярите. Те се наричат капиляри, понеже в тях наблюдаваме капилярното действие на водата, което е резултат от кохезията и адхезията. Следващото свойство на водата – и това не е пълен списък – е това, че има по-ниска плътност в твърдо състояние. Друг начин да помислим за това е, че ледът, който е вода в твърдо агрегатно състояние, е по-слабо плътен от течната вода. Може би се чудиш защо това има значение за живота. Представи си средите, в които мислим, че се е зародил животът. Ако си представиш някакъв вид езеро – и това е напречно сечение – ако ледът беше по-плътен от водата, което е така при много вещества, в твърдо агрегатно състояние те имат по-голяма плътност, какво би се случило тогава? Ако тук въздухът е студен, да кажем, през зимата, тогава тази част би замръзнала. Но после, докато става по-плътна, тя ще потъне на дъното. После следващата повърхностна вода би замръзнала и потънала на дъното. И така с времето цялото езеро би замръзнало и живите организми не биха могли да живеят в това езеро. Понеже когато водата замръзне, тя разкъсва мембранно-ограничените структури, каквито ги познаваме. И това не би било подходящо за живот. Но понеже ледът е по-слабо плътен от водата, обикновено замръзва само горният слой на водоемите. После ще замръзне и надолу, докато става по-студено, Но имаш цяла среда, в която животът може да продължи да процъфтява, дори когато въздухът е много по-студен от това, което би било благоприятно за живот. И поради високия топлинен капацитет на водата температурната вариация в тази вода ще е много по-малка от температурната вариация извън водата, или във въздуха, или на сушата. Това е просто въведение, но се надявам, че ти помага да оцениш водата малко повече. Спомни си, казвали сме това и в други видеа, ние сме предимно вода. Един начин да обясмим това е, че всеки от нас е изграден от трилиони клетки, които са предимно изградени от вода и съществуват във водна среда. Те се координират помежду си и в крайна сметка имат сложност, която мисли, която чувства, която е като всеки от нас.