Связанная и несвязанная вода в фосфолипидной эмульсии. Способы обезвоживания фосфолипидной эмульсии

Ограничивающим фактором распространения  растений на суши являлась вода. В связи с этим эволюционная  стратегия растений заключалась в следующем:

1) Развитие  корневой системы - специального  органа, который обеспечивал поглощение воды, минеральных веществ и закрепление в грунте;

2) Развитие стебля - опоры для листьев и обеспечения непрерывного потока воды и минеральных солей от корня к  листьям;

3) Покрытие всех  надземных органов кутикулой, снижающей потерю воды.

4) Развитие специальных  отверстий устиц, обеспечивающих  газообмен между окружающей средой  и растением, перемещение воды  вверх по растению и поддержание  нужного соотношения между расходованием  и потреблением воды;

5) Формирование в организме  специальных тканей, сохраняющих  эмбриональное состояние (меристем), которые обеспечивают рост растения  в течение всей жизни, что  позволяет отыскивать источники  воды и минеральных веществ  и постоянный приток квантов  света;

6) Развитие специальных репродуктивных органов, обеспечивающих размножение растений в условиях суши.

 

Функции воды в  метаболизме растений. [9]

В среднем вода составляет 80-90% массы растения. Однако ее содержание меняется  и в значительной степени зависит от видовых особенностей, ткани и органа, возраста, функциональной активности, факторов внешней среды.

 

Таблица 1. Содержание воды в разных органах растения по данным[9]

 

Растение или орган  растения	Содержание воды, %
Водоросли	до 98
Высшие растения	От 70 до 80
Листья деревьев	От 50 до 97
Клубни картофеля	75
Сочные плоды	до 95
Одревесневшие части растения	От 40 до 80
Сухие семена	От 5 до 15

 

Рассмотрим, в частности, для подсолнечника. Так как он требователен к влаге, поэтому урожайность и эффективность его выращивания ограничиваются обеспечением требований растений к влаге. Хорошо развитые посевы подсолнечника за вегетационный период потребляют от 500 до 600 мм воды, а минимальная потребность в воде удовлетворяется при 350…400 мм осадков. Особенно требовательны к влаге растения во время образования бутонов до цветения.(9) Такую большую потребность в воде подсолнечнику обеспечивает его мощная корневая система, которая может усваивать водные ресурсы почвы из большой глубины и при большой водоудерживающей силе почвы

Основные функции воды в растениях:

1) Объединяет все части  организма, образуя непрерывную  водную фазу;

2) Образует раствор и  среду для реакций метаболизма;

3) Принимает участие в  различных процессах как вещество  реакции

6СО₂ + 6Н₂О→С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

4) Обеспечивает передвижение  веществ по сосудам растения, по симпласту (единая система протопластов растительных клеток, объединяемых в одно целое многочисленными плазмодесмами) и апопласту (внеклеточная структура у высших растений, составленная клеточными стенками и межклетниками)

5) Защищает ткани растений  от резких колебаний температуры  (благодаря высокой теплоемкости  и большой удельной теплоте  парообразования);

6) Обеспечивает упругость  тканей и органов, выполняет  роль амортизатора при механических  воздействиях;

7) Поддерживает структуру  органических молекул, мембран,  цитоплазмы, клеточной стенки и  других компартментов клетки.

 

Функции воды обусловлены  особыми физико-химическими свойствами и строением молекулы. Молекула воды полярная и представляет из себя диполь ( Н^δ+ - О^δ-). Геометрия молекулы отвечает дважды незавершенному тетраэдру. Такая геометрическая форма вызывает разделение в пространстве «центров тяжести» отрицательного и положительного зарядов и образования диполя молекулы воды.(см. рис 4)[9]

 

 

Рисунок 4. Проекция на плоскости условного изображения молекулы воды

 

Диполи воды могут взаимодействовать  друг с другом за счет образования водородных связей. Благодаря способности молекул воды связываться друг с другом вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни:

Вода способна слипаться  сама с собой (когезия). Когезия обусловливает

поверхностное натяжение  вод , из-за которого вода как бы покрыта  кожицей.

Благодаря когезии вода заполняет тонкие проводящие пучки (см. рис. 5)[9]

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.Когезия воды Рисунок 6. Адгезия воды

 

Полярные молекулы воды притягиваются  любой поверхностью, несущей электрический  заряд (адгезия). Адгезия обусловливает  капиллярные свойства воды – способность  подниматься по мелким порам клеточной  стенки, сосудов, почвы. Молекулы воды прилипают к поверхности поры и благодаря сцеплению с нижележащими молекулами втягивают их в пору (см. рис. 6).

Вода является растворителем. Благодаря полярной природе вода обладает способностью взаимодействовать  с ионами и другими полярными  соединениями и смешивать их с  молекулами растворителя (воды).

Неполярные соединения в  воде не растворяются, а образуют с  водой поверхности раздела. В  живых организмах на поверхностях раздела  протекают многие химические реакции (см.рис. 7) .

 

Рисунок 7. Химическая реакция крахмала

 

Вода обладает высокой  теплопроводностью. Теплопроводность – это мера способности теплоты  распространяться по данному веществу. В организме постоянно идут реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме, таким образом устраняется возможность повреждения тонких структур ( см. рис. 8)[9].

 

 

 

Рисунок  8. Молекулы воды при нагреве.

Вода имеет высокую  температуру кипения. Для разрыва  водородных связей требуется затратить  много энергии. Достигнув температуры  кипения, вода превращается в газ (водяной  пар), в котором каждая молекула воды уже не связана ни с какой другой.

При испарении воды расходуется  энергия для разрыва водородных связей, молекулы, переходящие из воды в воздух, уносят с собой значительное количество тепловой энергии. Поэтому испарение воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов (см. рис. 9)[9]

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9. Транспирация воды растением.

 

Воды имеет максимальную плотность при 4° С, что несколько выше ее температуры замерзания (0°С). Поэтому слои воды, имеющие температуру 4° С, опускаются ниже слоев, имеющих более высокую или более низкую температуру. При охлаждении от 4°С до 0°С вода расширяется. В кристалле льда расстояние между молекулами воды больше, чем в жидкой воде, а это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался. Поэтому лед плавает на поверхности воды, создавая изолирующий слой, преграждающий доступ холодного воздуха. (см. рис. 10)[9]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10. Кристалл льда

 

 

Состояние воды в  растениях.

Вода по физическим свойствам бывает:- твердая  - жидкая    - парообразная

Жидкая вода – согласно гипотезе Франка и Вена(9 )свободные молекулы воды за счет водородных связей объединяются в агрегаты (Н₂О)_n (кластеры или рои), такие участки чередуются с областями, где водородные связи отсутствуют или реализованы лишь частично. ( см. рис.11)[9]

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11. Структура молекулы воды

По гипотезе О.Я.Самойлова [9] жидкая вода обладает  однородной (ажурной) льдоподобной структурой в пустотах которой находятся мономерные молекулы воды, не имеющие или имеющие малое число водородных связей. Структура льдоподобного каркаса может нарушаться тепловым движением молекул и ионами, превышающими размеры пустот.

Парообразная  вода – при повышении температуры происходит разрушение водородных связей между молекулами воды. При полном отсутствии водородных связей вода переходит в пар ( см. рис. 12) [9]

 

 

 

 

 

Рисунок 12. Молекула воды при парообразовании

 

В клетках вода находится в двух формах: - свободная вода- связанная вода Свободная вода – подвижна, он имеет практически все физико-химические свойства чистой воды, хорошо проникает через клеточные мембраны. Существуют специальные мембранные белки, образующие внутри мембраны каналы, проницаемые для воды (аквапорины). Свободная вода вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации, замерзает при низких температурах.

Связанная вода – имеет измененные физические свойства главным образом в результате взаимодействия с неводными компонентами. Условно принимают под связанной водой ту, которая не замерзает при понижении температуры до – 10°С. [9]

Связанная вода в  растениях бывает: 1) Осмотически- связанная 2) Коллоидно-связанная   3) Капиллярно-связанная

Осмотически-связанная  вода – связана с ионами или низкомолекулярными веществами. Вода гидратирует растворенные вещества – ионы, молекулы. Вода электростатически связывается и образует мономолекулярный слой первичной гидратации. Вакуолярный сок содержит сахара, органические кислоты и их соли, неорганические катионы и анионы. Эти вещества удерживают воду осмотически. (см. рис.13)(1 грамм-4 моль)

 

 

 

 

 

Рисунок 13.Молекула осмотрически-связанной воды

 

Коллоидно-связанная  вода – включает воду, которая находится внутри коллоидной системы и воду, которая находится на поверхности коллоидов и между ними, а также иммобилизованную воду. Иммобилизация представляет собой механический захват воды при конформационных изменениях макромолекул или их комплексов, при этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве макромолекулы. Значительное количество коллоидно-связанной воды находится на поверхности фибрилл клеточной стенки, а также в биоколлоидах цитоплазмы и матриксе мембранных структур клетки  (см. рис.14) [9]

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14. Молекула иммобилизованной  воды

1.3. УДИВИТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ О СВЯЗАННОЙ ВОДЕ. [5]

 

Связанная вода играет большую  роль в формировании и  существовании  горных  пород  и геологических  процессов на планете.  Понятие  связанная вода появилось  еще  в  начале ХХ века. Но только  в  30 х- 40 х годах прошлого века  начались  ее  систематические  исследования.

 

Если в поверхностных  водоемах (реках, морях, океанах, ледниках)  содержится  1,4 млрд. км3  воды, то  в  земной  коре  находится всего  лишь в половину меньше. То есть, гигантское  количество  воды  (около 0,84 млрд. км 3)  содержится  в пределах литосферы  –   горных породах  и  подземных  водах.    Сплошных  горных пород  в  природе  не  бывает.  Все  они,  имеют  какие – то  пустоты, трещины.  Их  и  заполняет  вода,  благодаря  своей   подвижности  и   высокой  текучести.  Вместе  с  растворенными  в  ней  газами  и  другими  такими  же  мобильными  элементами. [5]

 

Учеными  гидрогеологами  установлено,  что   все  пустоты,  расположенные  ниже  грунтовых  вод,  заполнены  водой  на  глубину 5 км.  и  более.  В  пределах  литосферы  это макроскопические,  неразрывные системы гидросферы.  Вода  в  горных  породах  находится  в  двух  состояниях:  в  свободном  или  связанном.

 

Свободная  вода перемещается  в  крупных  порах  и  трещинах  под  действием  силы  тяжести  или  напора,  путем  фильтрации,   образует  подземные  горизонты.  Это  вода,  используемая  человеком  для  своих  нужд,  и  обладающая  обычными  физическими  свойствами.

 

Связанная  вода  находится  в  мелких  порах  и  трещинах,  и  испытывает  ”связывающее”  влияние,  разной  интенсивности  со  стороны  поверхности  твердых  минералов,  придающих  ей  аномальные  свойства  и  изменяющие  её  структуру.  Связанной  воды  в  литосфере  Земли  содержится  42%  от  всей  воды  содержащейся  в  земной  коре.  Связанная  вода  очень  прочно  удерживается  в  горной  породе,  не  подчиняется  силам  гравитации  извлечь  ее  можно  только  повлияв  на  нее  другими природными  силами. [5]

 

Под влиянием поля поверхностных  сил,  происходит  искажение  и  изменение  межмолекулярных  водородных  связей  в  структурной  сетке  воды.  Эту  закономерность  установил  Б. В. Дерягин  еще  в  30 годы.  В результате  многочисленных  экспериментов,  он  доказал,  что  связанная  вода  в  граничных  состояниях,  вблизи  твердой  поверхности  пород,  имеет  аномальные  свойства, то есть  очень  отличается  от  свойств  обычной  воды.