Charakterystyka

Woda - źródło życia

Geneza wody

Woda jest na Ziemi powszechna – występuje głównie w oceanach, które pokrywają 70,8% jej powierzchni, ale także w rzekach, jeziorach i w postaci stałej w lodowcach. Część wody znajduje się pod powierzchnią gruntów lub w atmosferze (chmury, para wodna). Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli i gazów. Najwięcej soli mineralnych można znaleźć w wodzie morskiej, najmniej w wodzie z opadów atmosferycznych. Wodę o małej zawartości składników mineralnych nazywamy wodą miękką, natomiast zawierającą znaczne ilości soli wapnia i magnezu – wodą twardą.

Jako substancja użytkowa woda ma tysiące zastosowań. Słodka woda pitna używana jest do celów sanitarno-bytowych, w rolnictwie do nawadniania pól, a w przemyśle jako rozpuszczalnik i chłodziwo. Niestety, aż miliard ludzi na świecie ma utrudniony dostęp do wody pitnej. Każdego dnia choroby wynikające z jej niedostatku powodują śmierć wielu tysięcy ludzi, głównie dzieci.

Wśród naukowców istnieje kilka hipotez pojawienia się wody na Ziemi. Hipoteza geotermalna opiera się na obecności pary wodnej w gorącej magmie, wewnątrz skorupy ziemskiej. Kiedy wulkan staje się aktywny, woda zostaje uwolniona do atmosfery lub hydrosfery. Wody, które powstały z krzepnięcia magmy, nazywamy wodami juwenilnymi. Hipoteza solarna mówi, że wiatr słoneczny niesie za sobą atomy wodoru, które wchodząc w reakcję z tlenem w atmosferze tworzą wodę.

Trzecia hipoteza, najpopularniejsza wśród specjalistów, zakłada, że przyniosły ją lodowe komety i asteroidy uderzające w Ziemię w czasach jej młodości, blisko 4 miliardy lat temu. Wcześniej nasza planeta miała być sucha i bardzo gorąca.

Autorami ostatniej hipotezy są japońscy naukowcy z Tokyo Institute of Technology. Uważają oni, że woda powstała w wyniku reakcji wodoru zawartego w atmosferze z tlenkami obecnymi w skorupie ziemskiej. Istnienie gęstej wodorowej atmosfery wokół młodej Ziemi potwierdza analiza późniejszych zmian kształtu jej orbity. Niezależni eksperci uznają, że owa hipoteza zasługuje na dokładniejsze zbadanie, nie wykluczają też, że woda mogła pojawić się na Ziemi na kilka sposobów jednocześnie.

Właściwości chemiczne

Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych w przyrodzie. Jej wzór chemiczny to H₂O. Jak wskazuje model, jest to jeden atom tlenu O związany z dwoma atomami wodoru H. Cząsteczka wody posiada ładunek dodatni w miejscu, gdzie „przyłączone” są atomy wodoru, a ładunek ujemny tam, gdzie znajduje się atom tlenu. Ponieważ przeciwne ładunki elektryczne przyciągają się, cząsteczki wody przywierają do siebie, sprawiając, że woda jest jakby „lepka”. Strona cząsteczki z atomami wodoru (ładunek dodatni) przyciąga stronę z tlenem (ładunek ujemny) innej cząsteczki wody. Oznacza to, że wszystkie te przyciągające się wzajemnie cząsteczki tworzą skupiska. To dlatego krople wody są w rzeczy samej kroplami! Gdyby nie grawitacja, miałaby kształt idealnej kuli.

Doskonale czysta woda nie posiada smaku ani zapachu i jest przezroczysta. Ma neutralne pH, które wynosi 7, a więc jej odczyn nie jest ani kwasowy, ani zasadowy. Między innymi dlatego woda często nazywana jest „uniwersalnym rozpuszczalnikiem”, ponieważ rozpuszcza się w niej więcej substancji niż w jakiejkolwiek innej cieczy. Wynika z tego, że gdziekolwiek płynie woda, w ziemi, w drzewie czy ciele człowieka, niesie ze sobą cenne substancje chemiczne, minerały i składniki odżywcze.

Właściwości fizyczne wody

Woda to jedyna substancja występująca w środowisku naturalnym we wszystkich trzech stanach skupienia – ciekłym, stałym (lód) i gazowym (para wodna). Woda na Ziemi podlega ciągłej interakcji, nieustannie znajduje się w ruchu.
Temperatury zamarzania i wrzenia wody stanowią linię odniesienia dla pomiaru w skali Celsjusza: 0°C to temperatura zamarzania wody, a 100°C – moment jej wrzenia.
Niezwykłość wody polega na różnicach gęstości w zależności od stanu skupienia. W stanie stałym, gdy woda zamienia się w lód, jej gęstość staje się mniejsza niż w stanie ciekłym. Dzięki temu kry mogą unosić się na powierzchni rzeki.
Woda ma wysoki współczynnik ciepła właściwego. To znaczy, że może wchłonąć dużą ilość ciepła, zanim zacznie się nagrzewać. Z tego powodu jest cennym chłodziwem. Wysoki współczynnik ciepła właściwego wody ma także wpływ na prędkość zmian temperatury powietrza. To właśnie dzięki temu zmiany temperatur między porami roku są stopniowe, a nie nagłe.

Bardzo wysoki współczynnik napięcia powierzchniowego sprawia, że woda jest „lepka” i „elastyczna”. Dlatego też tworzy skupiska w postaci kropli, zamiast rozpraszać się w cienkie powłoki. Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za zjawisko kapilarne, dzięki któremu woda, wraz z rozpuszczonymi w niej substancjami, porusza się w korzeniach roślin oraz w cienkich naczyniach krwionośnych ludzkiego ciała.

Zjawisko kapilarne

Zjawisko kapilarne to ruch wody (i wszystkiego, co w niej rozpuszczone) wewnątrz przestrzeni materiałów porowatych, oparty na siłach przywierania, spójności i napięcia powierzchniowego. Zjawisko to zachodzi, ponieważ woda jest „lepka” dzięki działaniu sił spójności (cząsteczki wody lubią bliskość) i przylegania (cząsteczki wody przyklejają się do innych substancji). Właśnie dlatego woda ujawnia tendencje do łączenia się w krople i „przyczepia się” do szkła, tkanin, tkanek organicznych i gleby.

Napięcie powierzchniowe jest miarą wytrzymałości warstwy powierzchniowej wody. Przyciągające się cząsteczki tworzą silną powłokę ustępującą tylko rtęci (będącej zresztą metalem). Napięcie powierzchniowe sprawia, że woda utrzymuje na swej powierzchni substancje cięższe i gęstsze niż ona sama. Zjawisko to wykorzystują liczne owady, zwierzęta oraz ludzie żeglujący od tysięcy lat po rzekach, morzach i oceanach.

Rozlana szklanka coli, dzięki napięciu powierzchniowemu, tworzy zgrabną kałużę na stole, zamiast pokryć podłogę cienką warstwą lepkiej mazi. Papierowy ręcznik doskonale wchłonie kałużę, gdyż ciecz wypełni każdą wolną przestrzeń pomiędzy włóknami celulozy i wewnątrz nich.

Zjawisko kapilarne wykorzystują rośliny. Zapuszczają one w glebie korzenie, które czerpią z ziemi życiodajny płyn. Zawierająca rozpuszczone składniki odżywcze woda dostaje się do wnętrza i zaczyna „wspinać się” po tkankach rośliny. Każda kolejna cząsteczka ciągnie za sobą następną i tak dalej.

Woda w diecie człowieka

Do XVIII wieku wodę uważano za pierwiastek. Dopiero Cavendish w 1781 r. wykazał, że woda powstaje podczas spalania wodoru, któremu Lavoisier nadał nazwę hydrogenium (hedor – woda, genos – ród, pochodzenie). Ilościowy stosunek wodoru do tlenu podali w 1805 r. Humboldt i Gay Lussac. Jako związek wodoru z tlenem (tlenek wodoru, H₂O) woda zajmuje czołowe miejsce w gospodarce ustrojowej wszystkich organizmów.

Prawidłowy przebieg procesów życiowych jest nierozłącznie związany z określoną, niezbędną ilością wody. W formach życia ubogich w wodę (np.

w niekiełkujących nasionach) przemiana materii jest prawie całkowicie zahamowana (anabioza). Natomiast w roztworach wodnych zachodzą reakcje biochemiczne, będące podstawą procesów życiowych. Dlatego też dawna maksyma chemiczna głosiła: „Corpora non aqunt nisi soluta” („Związki działają tylko w stanie rozpuszczonym”).

Woda jest składnikiem niezbędnym do życia organizmu ludzkiego. Bardziej zgubny dla człowieka może być tylko brak tlenu. Bez pokarmów stałych człowiek wytrzymuje około 40 dni, ale brak picia przez 3–4 doby powoduje śmierć. Dowiedziono, że bez większej szkody dla zdrowia można stracić cały zapas glikogenu, ale utrata 10% wody jest groźna dla człowieka, a 20% deficyt pociąga za sobą śmierć. Długość życia organizmu pozbawionego wody do picia jest różna. Największą wytrzymałością odznacza się wielbłąd, jednak większość ssaków może obyć się bez wody tylko przez krótki czas.

Woda to ponad połowa masy ciała organizmu

U kobiet woda stanowi przeciętnie 52–55%, a u mężczyzn 63–65% masy ciała. Zmiany zawartości wody w masie ciała bardziej zależą od stopnia rozwoju tkanki tłuszczowej niż od wagi. U osób otyłych jest ona procentowo znacznie niższa niż u chudych. Wartości te różnią się zatem znacznie, w zależności od nagromadzenia lub braku tkanki tłuszczowej.

Źródła wody dla organizmu
Woda w organizmie uzupełniana jest z dwóch zasadniczych źródeł. Pierwszym są spożywane płyny i pokarmy zawierające wodę (np. gotowane chude mięso zawiera 65-70% wody). Drugim źródłem jest woda powstająca w procesach przemiany materii, poprzez utlenianie wodoru pochodzącego z pokarmów lub z samych tkanek. Woda wchłaniana jest głównie z jelita cienkiego, w mniejszej ilości z jelita grubego i bardzo nieznacznie z żołądka. Poniższe zestawienie przedstawia ilość wody powstałej w procesach przemiany materii z trzech podstawowych składników pożywienia:

100 g tłuszczu daje 107,1 g wody;
100 g skrobi daje 55,1 g wody;
100 g białka daje 41,3 g wody.

Zwykła dieta Europejczyka dostarcza, w wyniku reakcji utleniających, od 300 do 350 g wody dziennie, czyli około 14 g na każde 100 kcal jedzenia. Przy braku pożywienia i płynów, ustrój zużywa własne składniki tkankowe na wytwarzanie wody, osiągając znaczne jej ilości z glikogenu, białek i tłuszczów. Na przykład garb wielbłąda, składający się głównie z tłuszczu, staje się dzięki temu dużym rezerwuarem wody. Podobnie mól odzieżowy żywiący się całkowicie suchym pokarmem, składa jaja, które zawierają w sobie 88% wody.

U człowieka dorosłego dzienne zapotrzebowanie na wodę ze wszystkich jej źródeł wynosi w zwykłych warunkach 2500 ml, tj. około 1 ml na każdą kcal pobranego pożywienia. Oznacza to na ogół, że dla utrzymania równowagi należy podawać w postaci napojów około 1500–2500 ml wody. Zródłem wody są także pokarmy stałe; niektóre produkty spożywcze zawierają ją w bardzo dużych ilościach (ogórki 95%, sałata 94%, pomidory 94%, rzodkiewki 92%, mleko 87%, jabłka 85%, gruszki 85%, śliwki 79%, ziemniaki ugotowane 75%, jajo ugotowane 72%, ryż ugotowany 72%, wątroba 68%, sardynki - konserwy 52%, szynka gotowana 51%).

Pobieranie wody w warunkach przeciętnej temperatury i wilgotności, przy zwykłej diecie, przedstawia się następująco:

pokarmy stałe i półstałe – 1200 ml;
utlenianie składników pokarmowych – 300 ml;
napoje (woda, mleko, kawa, piwo, itd.) – 1000 ml.

Objętość wody w organizmie istoty żywej utrzymywana jest na stałym poziomie poprzez zrównoważenie jej pobierania i wydalania. Nawet nieznaczne zmniejszenie objętości wody w ustroju wywołuje uczucie pragnienia. Jest ono spowodowane zwiększeniem ciśnienia osmotycznego krwi oraz zahamowaniem czynności wydzielniczej ślinianek, wywołującym w konsekwencji wysuszenie śluzówki jamy ustnej.

Utrata wody i elektrolitów

Organizm człowieka wydala wodę:

z moczem przez nerki,
z potem wydzielanym przez gruczoły potowe,
poprzez powierzchnię skóry w wyniku parowania,
z powietrzem wydychanym przez płuca,
ze śliną.

Najwięcej wody i elektrolitów, około 1,5 litra na dobę, organizm traci w następstwie wydalania moczu. Utrata wody w rezultacie parowania z powierzchni skóry i wydzielania gruczołów potowych, zależy od temperatury ciała i otoczenia oraz od wilgotności powietrza.

W temperaturze nie wyższej niż 28°C organizm traci w ciągu doby około 500 ml wody przez parowanie z powierzchni skóry i pocenie się. Utrata wody przez płuca również zależy od temperatury i wilgotności otoczenia. W klimacie umiarkowanym człowiek traci w ten sposób około 300 ml wody na dobę. Z kałem wydalane jest z organizmu kolejne 100–200 ml wody. Natomiast strata wody ze śliną jest nieznaczna, ale może być duża przy oddychaniu ustami lub u osób mających niekulturalny zwyczaj częstego spluwania.

W normalnych warunkach istnieje równowaga bilansu wodnego – przychód i rozchód wody w organizmie waha się zwykle w granicach 2500–2800 ml dziennie. Woda, prócz transportu rozpuszczonych substancji między poszczególnymi tkankami, umożliwia także wymianę cieplną z otoczeniem. Odznacza się bowiem dużą absorpcją termiczną i chroni ustrój przed przegrzaniem. Podczas przechodzenia ze stanu ciekłego w parę, woda pochłania duże ilości ciepła (2403 kj/l – 574 kcal/l). Dlatego człowiek w upalne dni lub podczas wysiłku fizycznego poci się, a parujący z powierzchni skóry pot schładza organizm.

W klimacie wilgotnym, przy braku wiatru, wydzielanie potu staje się bardziej widoczne, chociaż w rzeczywistości może nie być większe niż w atmosferze suchej, gdzie parowanie jest większe. Duże ilości potu wydzielają się podczas intensywnej pracy mięśni oraz w wysokiej temperaturze otoczenia, np. w klimacie tropikalnym. W gorącym klimacie wydzielanie dzienne potu może dochodzić do 3000 ml, a przy bardzo skwarnej pogodzie do 10 litrów (wartość ta w skrajnych przypadkach może być znacznie przekroczona). Przy wykonywaniu ciężkiej pracy w gorącym otoczeniu pot może się wydzielać nawet z szybkością 2 litrów na godzinę. Wymaga to oczywiście uzupełniania płynów w celu utrzymania potrzebnej ilości wody w organizmie.

Dość szeroka jest skala zapotrzebowania organizmu na wodę w rejonach tropikalnych. Wszystko zależy od warunków otoczenia, natężenia pracy fizycznej i właściwości osobniczych. Ilość 4 litrów wody może wystarczyć dla człowieka lekko pracującego w temperaturze powietrza do 35°C, ale przy ciężkiej pracy popyt wzrasta do 7 litrów. Przy 40°C zapotrzebowanie podczas pracy wynosi odpowiednio 6 i 9 litrów, a w temperaturze 45°C nawet 10 i 13 litrów dziennie.

Ważny jest też sposób picia. Pić należy powoli, w niewielkich ilościach. Straty płynów uzupełniać stopniowo, z godziny na godzinę. Czas zatrzymywania wody przez organizm zależy od wielkości porcji i tempa spożycia płynu. Przy pospiesznym wypiciu 500–1000 ml napoju przechodzi on szybko do płynu pozakomórkowego – zmniejszając jego ciśnienie osmotyczne, prowadzi do znacznego obciąża układu krążenia. Sam płyn natomiast jest błyskawicznie wydalany. Przy piciu małymi łykami, utrata wody z moczem i potem jest powolniejsza i mniejsza. Dlatego też mieszkańcy Azji Południowo-Wschodniej, w okresie pory gorącej, popiją przez cały dzień herbatę, delektując się jednak małymi porcjami. W czasie silnego pocenia nie należy zatem reagować gwałtownie na zwiększoną chęć picia. Warto także pamiętać, że mechanizm odczuwania pragnienia czasami zawodzi i nie wskazuje na faktyczny stopień odwodnienia organizmu.

Człowiek o masie 70 kg ma w swym ciele ok. 45 litrów wody (65% masy ciała). Przy stracie 1,5 litra dziennie w ciągu 6 dni utraci on 9 litrów wody (20% masy ciała) i w tych warunkach umrze. Przy wysokiej temperaturze otoczenia, w tropiku, można zginąć już w ciągu 2–3 dni. Dla wyrównania niedoboru płynów nie należy pić dużych ilości wody gazowanej, która ze względu na zawartości dwutlenku węgla powoduje rozciąganie ścian żołądka i blokuje naturalną chęć napicia się. W ten sposób może dojść do maskowanego stanu odwodnienia przy braku pragnienia.

Czy wiesz, że...

Nie ma organizmów żywych, zdolnych do funkcjonowania bez choćby odrobiny wody.
W organizmie woda transportuje tlen, składniki odżywcze i inne rozpuszczające się w niej substancje. Wspomaga wszystkie czynności życiowe. Jest niezbędna do regulacji ciepłoty ciała, wydalania produktów przemiany materii i procesów trawienia. Ochrania mózg, gałkę oczną, rdzeń kręgowy oraz płód u kobiet w ciąży. Tracimy ją przez skórę, płuca, drogą pokarmową i przez nerki.
Utrata wody sięgająca 3% masy ciała powoduje obniżenie wydajności fizycznej o 20%. Przy utracie wody na poziomie 20% następuje śmierć organizmu.
Uzupełnienie odpowiedniej ilości wody w chorobach przebiegających
z gorączką chroni organizm przed przegrzaniem (groźnym dla centralnego układu nerwowego).
Bez wody człowiek może przeżyć w umiarkowanym klimacie 3–7 dni, a bez pożywienia – nawet 2 miesiące.

Przeciętna zawartość wody w różnych tkankach:

Mięsień - 75%
Skóra - 70%
Tkanki łączne - 60%
Tkanka tłuszczowa - 20%
Tkanka kostna (bez szpiku) - 25–30%
Szkliwo zębów - 0,2%
Zębina zębów - 10%
Osocze krwi - 90%
Krwinki - 65%
Nerka - 80%
Wątroba - 70%
Tkanka nerwowa - substancja szara - 85%