Nierównomierny rozkład wody słodkiej na kuli ziemskiej sprawia, ze około 800 milionów ludzi nie na dostępu do zdrowej – nieskażonej – wody do picia.

W ostatnich 10 latach, zasoby słodkiej wody spadły o połowę, koncerny już od dawna przyzwyczaiły nas do kupowania tego darmowego dobra, oferowanego przez nasza planetę, w niezdrowych plastikowych butelkach. Mówi się o całkowitym zakazie darmowego czerpania wody ze źródeł. Nieustannie postępuje zakażenie wód gruntowych i zbiorników wodnych, i nikt nie bije na alarm!? Dziś przybliżamy Wam, czym jest woda, po tlenie – nasz największy skarb.

Fenomen wody dla życia

Woda występuje w postaci ciekłej, gazowej, czyli pary wodnej, oraz stałej – w postaci lodu. Jest ona nie tylko środowiskiem, w jakim zachodzą procesy życiowe, ale sama woda jest aktywnym składnikiem struktury komórki uczestnicząc jako substrat wielu reakcji. Stosunkowo wysoka wartość ciepła właściwego powoduje, że woda może spełniać rolę magazynu ciepła, co ma ogromne znaczenie dla całokształtu życia w biosferze Ziemi. Woda paruąac silnie ochładza otoczenie lub powierzchnie ciała organizmu wyposażonego w gruczoły potowe. Trzy czwarte powierzchni naszej planety zajmują morza i oceany, które magazynują cieplne promieniowanie słoneczne oddając ciepło podczas zimy. Z tego tżz powodu klimat oceaniczny jest łagodniejszy od klimatu kontynentalnego i charakteryzuje się mniejszymi amplitudami: upały – dni mroźne.

Przez długi okres czasu badacze przyrody (głównie chemicy) postrzegali wodę jako wewnętrzne środowisko komórek organizmu będące jedynie rozpuszczalnikiem substancji organicznych i nieorganicznych. Nic bardziej błędnego. Funkcje  fizjologiczne wody w komórce są liczne i różnorodne. Woda jest jednym z najbardziej aktywnych  fizjologicznie związków w metabolizmie komórkowym tworząc dynamiczny układ koloidalny (faza rozpraszająca tego układu). Najważniejsze biochemiczne procesy są związane z enzymatycznymi biokatalizatorami z grupy hydrolaz (rozkładają one polisacharydy do cukrów prostych, białka do aminokwasów, tłuszcze właściwe do glicerolu i wyższych kwasów tłuszczowych nasyconych i nienasyconych, np. omega-3, omega-6, omega-9.

Enzymy z grupy hydrolaz z udziałem wody katalizują rozpad następujących wiązan chemicznych:

• Estrowe,
• Glikolowe,
• Eterowe,
• Peptydowe,
• C – N,
• Bezwodników kwasowych,
• C – C,
• Halogenków.

Enzymy z klasy hydrolaz działają zwykle bez pomocy koenzymów czym odróżniają się od pozostałych klas enzymów jak: oksydoreduktazy, transferazy, liazy, ligazy, izomerazy.

Fizjologiczna rola wody dla życia roślin

Woda jest niezbędna we wszystkich procesach  fizjologicznych związanych ze wzrostem, rozwojem i rozmnażaniem roślin. Niedobory wody mogą wywołać też susze  fizjologiczną skutkującą więdnięciem i usychaniem liści, a jeśli niedobór wody glebowej kapilarnej i grawitacyjnej trwa długi okres czasu rośliny obumierają. Niedobór wody zawsze obniża intensywność fotosyntezy, co skutkuje obniżeniem intensywności fotosyntezy i niskim plonowaniem roślin uprawnych.

Cały świat istot żywych jest uzależniony od roślinnej produkcji fotosyntetycznej bazującej na dwóch substratach nieorganicznych, którymi są woda i dwutlenek węgla. Produktami fotosyntezy są związki organiczne, w których węgiel pochodzi z gazowego dwutlenku węgla, zaś wodór bedący biochemicznym nośnikiem energii, pochodzi z fotolizy wody przebiegającej w kwantosomach chloroplastów komórek miękiszu asymilacyjnego zielonych liści roślin.

W skład roślinnej biomasy fotosyntetycznej wchodzą:

• Celuloza,
• Hemiceluloza,
• Lignina,
• Pektyny,
• Skrobia,
• Inulina,
• Sacharoza,
• Woski,
• Balsamy roślinne,
• Aminokwasy,
• Białka,
• Tłuszcze właściwe,
• Fosfolipidy,
• Sterydy,
• Kwasy nukleinowe,
• Witaminy,
• Fitohormony,
• Żywice,
• Garbniki,
• Lateks,
• Około 250 000 poznanych związków o właściwościach leczniczych.

Biomasa drewna (celuloza, ligniny i inne związki) ma duże znaczenie w różnych sektorach gospodarki narodowej, podobnie jak roślinne włókna (len, konopie, sizal, itp.). Białka zawierające egzogenne i endogenne aminokwasy są cennymi składnikami codziennej żywności człowieka i pasz dla zwierząt. Węglowodany są również podobnie jak tłuszcze właściwe i fosfolipidy składnikami codziennej żywności człowieka, a także pasz dla zwierzęcych. Niektóre oleje roślinne przetwarzane są na oleje napędowe, lakiery i konserwanty drewna. Żywica sosnowa służy do produkcji terpentyny i kalafonii. Bardzo wiele roślinnych metabolitów wtórnych służy w przemyśle do różnych syntez (np. barwniki, środki zapachowe, środki czystości, konserwanty żywności, przyprawy do żywności i wiele innych). Najwięcej metabolitów wtórnych znalazło zastosowanie w produkcji farmaceutycznej, a także tradycyjnej  fitoterapii. Zagadnienia  – fitoterapii, fotosyntezy i chemicznej przemysłowej syntezy związków organicznych i nieorganicznych omówiłem w poprzednich publikacjach na łamach Magazynu Hipoalergiczni, popularyzujących często niedostępna dla czytelnika wiedze naukowa.

Na globie ziemskim żyją rośliny lądowe korzystające z wody glebowej – głównie kapilarnej i grawitacyjnej

prof. dr inż. Jerzy Leszek Zalasiński
Fizjolog i biochemik roślin, ekolog. Od wielu lat jest ekspertem ONZ, FAO/WHO i Rady Europy. Wykłady wygłaszane przez profesora na wielu
uniwersytetach krajowych i zagranicznych zostały uhonorowane licznymi odznaczeniami i listami gratulacyjnymi od Rektorów. Autor wielu rozwiązań w zakresie biotechnologii ważnych dla postępu biologicznego w rolnictwie, ogrodnictwie, leśnictwie i pszczelarstwie.
Kontakt w redakcji: redakcja@hipoalergiczni.pl

oraz rośliny wodne (słodkowodne i słonowodne). Rośliny lądowe pobierają wodę za pomocą systemu korzeniowego wraz z jonami (kationami i anionami) soli mineralnych. Woda transportowana jest tkanką przewodząca do liści, gdzie przebiega proces fotosyntezy i bioenergetyczny proces oddychania, w którym uczestniczy wodorowy nośnik energii w postaci protonu i elektronu. Proces oddechowy przebiega również w heterotroficznych organizmach zwierzęcych, w których wodorowy nośnik energetyczny w końcowym etapie tego procesu spalany jest w tlenie (też pochodzący z fotolizy wody), dostarczając organizmowi energii chemicznej, która może ulec przemianie w energie mechaniczna, elektryczna, a nawet świetlna (u robaczka świętojańskiego). Produktem spalenia wodoru w tlenie jest woda.

Woda przetransportowana z gleby do linii nadaje turgor1 komórkom liścia jako ciecz nieściśliwa przy wzroście jej objętości w komórkach. Turgor umożliwia otwieranie aparatów szparkowych w skórce liścia, poprzez które do wnętrza liścia dyfunduje z powietrza atmosferycznego dwutlenek węgla, będący obok wody substratem fotosyntezy, co można zapisać równaniem chemicznym:

6H2O + 6CO2 <> C6H12O6 + 6O2

Dwutlenek węgla dostarcza węgla do budowy związków organicznych wraz z wodorem pochodzącym z fotolizy wody. W powyższym równaniu jest nim glukoza (roślinny składnik roślinnej skrobi bądź też glikogenu, który w wątrobie ludzkiej zmagazynował glukozę pochodzącą że spożytej przez człowieka roślinnej skrobi (ziemniaczanej, ryżowej, owsianej itp.). Wydzielony w prawym członie powyższego równania tlen dyfunduje z liści roślinnych do atmosfery i służy do oddychania roślinom i zwierzętom.

Proces oddychania przedstawić można również w postaci sumarycznego równania chemicznego.

C6H12O6 + 6O2 <> 6CO2 + 6H2O + 684 kcal/mol

                                                      1                2             3             4             5

Objaśnienie uproszczonego sumarycznym równaniem chemicznym procesu oddychania przebiegającego u roślin i zwierząt:

1 Produkt fotosyntezy glukoza jest substratem oddychania  2 Tlen wydzielony podczas fotosyntezy pochodzi z fotolizy wody i służy w procesie oddychania do spalenia wodoru w celu uzyskania energii potrzebnej roślinom i zwierzętom do wzrostu, rozwoju i rozmnażania.  Spalenie wodoru w tlenie daje energie oraz 5 wodę,  4 która może powtórnie uczestniczyć jako substrat fotosyntezy. 3 Dwutlenek węgla jest wydzielany z glukozy 1 przez enzym dekarboksylazę i może uczestniczyć jako substrat fotosyntezy.

W przedstawionych równaniach chemicznych fotosyntezy i oddychania zawarty jest fenomen życia roślin i zwierząt. Z nieorganicznych związków – dwutlenku węgla i wody, autotroficzne rośliny zielone są zdolne do syntezy wymienionych komponentów organicznych, wśród których znajdują się pokarmy dla ludzi i zwierząt, a także niezbędne do życia egzogenne aminokwasy i kwasy tłuszczowe, które omówię w kolejnym artykule w kwartalniku Hipoalergiczni. Odrębny artykuł poświęcę też witaminom produkowanym przez rośliny.

Chłodzenie

Kolejna funkcja  fizjologiczna wody jest ochładzanie liści przez transpiracje pary wodnej (parowanie roślin – przyp. red.) do atmosfery poprzez aparaty szparkowe liści. Poprzez parowanie  fizyczne wody, a także transpiracje, woda jest włączana w cykl hydrologiczny (czyli naturalny obieg wody na Ziemi), tworząc przemieszczające się chmury, z których powstają opady w postaci deszczu, śniegu i gradu – zasilają one gleby lądów w wodę niezbędna do życia roślin. Deficyt wodny rośliny objawia się więdnięciem liści (okresowym lub trwałym), gdy w glebie nie ma już wody kapilarnej i grawitacyjnej, a wiec dostępnej dla korzeni roślin. Chcąc uzyskać jedną tonę ziarniaków pszenicy w rolnictwie, trzeba dostarczyć roślinom około 1000 ton wody. W rolnictwie polskim pochodzi ona głównie z opadów atmosferycznych w postaci deszczu, śniegu i gradu. W sezonie wegetacyjnym mogą panować okresy suszy lub zalewanie pól uprawnych podczas powodzi. W wymienionych warunkach rolnicy tracą kontrole nad plonowaniem roślin. Fizjologia plonowania roślin jest znacznie szerszym zagadnieniem i można ją omówić wyłącznie w wydawnictwie książkowym.

Czym jest czysta woda?

Cząsteczki wody są dipolami wykazującymi biegunowe rozłożenie ładunków elektrycznych ujemnie naładowanego atomu tlenu będącym niemetalem posiadającym sześć elektronów walencyjnych, a co za tym idzie dużą reaktywnością chemiczną. Drugim komponentem wody są dwa atomy wodoru o elektrycznym ładunku dodatnim.

W cząsteczce wody atomy wodoru są rozmieszczane z obu stron tlenu pod katem 105°, dlatego ładunki elektryczne są rozmieszczone asymetrycznie warunkując charakter dipolowy cząsteczki. Związek dipolowy może wiązać się zarówno z dodatnio jak i ujemnie naładowanymi grupami w cząsteczkach innych substancji, a także z innymi cząsteczkami wody. Promień cząsteczki wody wynosi 0,138 nm (1.38 Å). W modelu laureata Nagrody Nobla – chemika Linusa Paulinga – woda ma strukturę klatratową zbudowaną z wielościennych dodekaedrów utworzonych przez wiązania wodorowe między szkieletowymi cząsteczkami H2O. We wnękach szkieletu są rozmieszczone cząsteczki nie tworzące wiązań wodorowych. Puste wnęki między szkieletowymi cząsteczkami wody w zależności od rodzaju wielościanu tworzącego klastrat maja średnicę 0,52 nm (5.2 Å) lub 0,6 nm (6 Å). Gęstość takiego przestrzennego szkieletu zbudowanego na planie pentagonalnych dodekaedrów z cząsteczek wody powiązanych wiązaniami wodorowymi wynosi około 0,80 g/ cm3, jest wiec nieco mniejsza od gęstości lodu.

Model Paulinga w przedziale temperatury 0 – 30 °C dobrze tłumaczy anomalne właściwości wody.

Wiązanie między dwiema cząsteczkami wody nosi nazwę wiązania wodorowego. Wiązanie wodorowe jest kilkakrotnie słabsze od wiązania kowalencyjnego wiążącego każdy atom wodoru z atomem tlenu w cząsteczce wody. Dipolowy charakter wody wywołuje szereg anomalii we właściwościach wody. Na przykład woda przy dodatniej temperaturze jest cieczą podczas gdy siarkowodór H2S i amoniak NH3 są gazami. Polarność wody wymusza do zajmowania ściśle określonego położenia cząsteczki organiczne białek, kwasów nukleinowych, fosfolipidów itp. W temperaturach  fizjologicznych (0° – 40°C) woda wykazuje pewien stopień uporządkowania i ma wyjątkowo wysoka wartość napięcia powierzchniowego, a jednocześnie wskutek drobnych rozmiarów cząsteczek niezbyt duża lepkość. Cząsteczki wody dzięki polarnemu rozmieszczeniu swoich ładunków elektrycznych wiążą się z polarnymi grupami elektrododatnimi lub elektroujemnymi, takimi jak np. -OH, -COOH, -NH2, reszty fosforanowe i inne występujące w makrocząsteczkach białek, kwasów nukleinowych i innych związków organicznych.

Cząsteczki wody tworzą wokół makromolekuł związków organicznych warstwę, w której są zorientowane przestrzennie przez wiążące je grupy i w pewnym stopniu unieruchomione. Ilość takiej związanej wody jest dość znaczna i sięga około 0,2 grama na 1 gram kwasu nukleinowego oraz 0,2 do 0,5 grama na 1 gram białka. Tworzy się w ten sposób ciągły, dynamiczny układ powiązany wewnętrznie przez wiązania wodorowe.

Woda jest najdoskonalszym rozpuszczalnikiem w całej chemii

Cząsteczki ciał rozpuszczonych mieszczą się w parakrystalicznej sieci wody, tak, że objętość roztworu jest mniejsza niż wody i ciała rozpuszczonego (pomocna może być analogia do pewnej objętości maku pomieszczonej w 1 litrze grochu). Czysta woda ma wysoka stała dielektryczna, ale domieszka nawet małych ilości rozpuszczonych soli czyni z niej przewodnik prądu. Wysoka stała dielektryczna zapewnia wodzie dużą siłę dysocjującą, utrzymując odmiennie naładowane jony w roztworze, co czyni wodę również ośrodkiem transportującym jony: kationy i aniony np. K+ czy NO3-) w naczyniach rurkowatych, przewodzących jony z korzeni do liści u roślin lądowych. Przewodzenie ładunków dodatnich i ujemnych zachodzi w wodzie wchodzącej w skład organizmów żywych – wyjątkowo szybko – szybciej niż w wyniku dyfuzji przewodzonych z wodą kationów i anionów. Prędkość wędrowania jonów na drodze dyfuzji, nawet tak ruchliwego jonu jak H+ mogłaby nie sprostać szybkości reakcji chemicznej.

Woda jest najmniejsza istniejąca cząsteczka trójatomowa i rozpuszczenie w niej np. gazowego metanu, powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła, w wyniku rozerwania części wiązań wodorowych w klastrach wody przez dwukrotnie większe cząsteczki metanu od cząsteczek wody. Powstanie wiązania wodorowego wymaga według Linusa Paulinga dostarczenia energii 19 kJ/mol – ta sama ilość energii wydziela się w wyniku rozerwania wiązania wodorowego. Rozrywanie i odtwarzanie wiązań wodorowych utworzonych przez cząsteczki wody zapewnia z jednej strony pewna stałość struktur molekularnych w komórkach organizmu, a z drugiej możliwość przemian i reakcji.

Ile potrzebujemy wody, a ile jej mamy?

Rozważając problem zapotrzebowania wody dla potrzeb rolnictwa posłużmy się ekonomiczna teoria wartości (aksjologia). Tona ziarniaków pszenicy ma wartość rynkowa około kilkaset dolarów. Tymczasem 1000 ton wody w przemyśle w wybranych technologiach może wygenerować zysk wartości 14 000 dolarów. Pszenica niezbędna jest dla głodujących, zaś drogi gadżet przemysłowy ludziom o niepohamowanym apetycie na nowości techniki XXI wieku. Do wyprodukowania 100 kg papieru potrzeba aż 100 000 litrów wody (wynika to z obliczeń: do fotosyntetycznej produkcji 1 grama celulozy w zależności od gatunku rośliny potrzeba od 500 ml do 2 litrów wody). W gospodarstwie domowym wykorzystujemy 200 -300 litrów wody dziennie na osoęe (do kąpieli, prania, mycia naczyń).

Minimalna dzienna ilość wody potrzebna do życia człowiekowi wynosi 2 – 3 litrów. Bez wody w naszej strefie klimatycznej można żyć kilka dni, na gorącej pustyni umieramy w ciągu kilkunastu godzin. Bez fotosyntetycznego tlenu możemy żyć zaledwie 2 minuty. Oto aksjologia ekologiczna potrzebna do strategii przetrwania ludziom w biosferze Ziemi, gdzie wody słodkie są nierównomiernie rozmieszczone i coraz częściej niedostępne.

Jeden litr oleju zużytego w silniku eliminuje 1 milion litrów wody, której nie oczyści z cuchnącej emulsji żadna oczyszczalnia ścieków. Aby nie mnożyć przykładów destrukcji antropogenicznej pozostawiam Państwa z  filozoficzna refleksją nad sumieniem ekologicznym dla potrzeb omawianej w moich artykułach strategii przetrwania ludzkości i całej bioróżnorodności w ekosystemach biosferze Ziemi. Dobre zrozumienie zagadnień, które przedstawiłem do tej pory na łamach kwartalnika Hipoalergiczni, są warunkiem zrealizowania strategii przetrwania w świecie obfitującym w ekologicznych analfabetów. Należy sobie uzmysłowić, że nierównomierny rozkład wody słodkiej na kuli ziemskiej sprawia, ze około 800 milionów ludzi nie ma dostępu do zdrowej (czytaj: nieskażonej wody do picia). Ponad 2,5 miliarda ludzi nie ma dostępu do należytych urządzeń sanitarnych. Hasło Światowego Dnia Wody zwracające uwagę na omawiane zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi, niestety pozostanie tylko hasłem, gdyż spełnienie tych wymagań w 50% wymagałoby ogromnych nakładów  finansowych. Jakie stanowisko w tej kwestii zajmą bilionerzy i biedniejsi miliarderzy?!

Dziś, w drugiej dekadzie XXI wieku, odpowiednikiem wody pitnej jest wstęp do wodorowego nośnika energii, z którego korzystają wszystkie organizmy żywe opierające swą bioenergetykę na wodorze zawartym w wodzie. Polski matematyk i sympatyk lwowskiej kawiarni szkockiej wyjechał do Stanów Zjednoczonych dając teoretyczne podwaliny pod konstrukcje bomby wodorowej (wątpliwy moralnie wyczyn naukowy). Pokojowe osiągnięcia naukowe doprowadziły do wodnego ogniwa paliwowego (water fuel cell), które sprawi, że ludzie na całym świecie będą tankować swoje pojazdy nie na stacji paliwowej, ale pod kranem z woda w swoim garażu.

Zamiana wody na paliwo wodorowe została doskonale opracowana już wcześniej, lecz wynalazcy nadal giną w nieznanych okolicznościach.Przykładem pogromu ludzi wybitnych jest Serb – Nicola Tesla, geniusz naukowy wszech czasów, który dowiódł, ze energia elektryczna jest wszędzie w nieograniczonych ilościach i może wprawić w ruch wszelkie maszyny bez potrzeby używania ropy naftowej, węgla czy gazu. Prąd przemienny, którego Nicola Tesla był wynalazca, zasila dziś 99% wszystkich urządzeń.

Badania Tesli były bardzo wysoko zaawansowane, lecz zostały zablokowane przez banki, które niespodziewanie odcięły mu fundusze.Tesla zmarł kilka lat później w biedzie, w obskurnym hoteliku w Nowym Jorku, a jego plany generatora dającego ludziom wolny dostęp do energii, zniknęły w tajemniczych okolicznościach. Prace nad darmowa energia elektryczna, która Nicola Tesla pragnął dąc ludziom, zostały zablokowane przez bankiera Morgana, który bronił swych dotychczasowych zysków z naftowych, gazowych i węglowych  firm energetycznych, które nadal bezkarnie generują cieplarniane zmiany klimatyczne na globie ziemskim.