CAP.2 Bioelementi. Importanza biologica dell acqua. Ciclo dell acqua. Osmosi. Diffusione. 2.1 Bioelementi Gli elementi essenziali per la vita sono molteplici, ma quattro, carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N) costituiscono il 96 % della materia vivente. Altri elementi chimici fosforo (P), zolfo (S), calcio (Ca), Potassio (K), Sodio (Na), Ferro (Fe), Cloro (Cl) e Magnesio (Mg) rappresentano circa il 4% della materia vivente. Esistono ancora gli oligoelementi o microelementi, che costituiscono meno dello 0,01% della materia vivente, ma sono comunque essenziali per molti organismi : Iodio (I), Zinco (Zn), Boro (B), Cromo (Cr), Rame (Cu), Manganese (Mn), Fluoro (F), Selenio (Se), Silicio (Si), Stagno (Sn), Vanadio(V). OSSIGENO: presente con il carbonio nella gran maggioranza delle molecole organiche CARBONIO: costituisce lo scheletro di tutte le molecole organiche IDROGENO: fa parte di tutte le molecole organiche e di molte altre come l acqua. AZOTO: è il costituente delle proteine e degli acidi nucleici; nell aria è presente sottoforma di molecole costituite da due atomi di azoto legati assieme. Si trova nel terreno sottoforma di ioni (ammonio e nitrato) che vengono utilizzati dalle piante come nutrimento. FOSFORO: Si trova negli acidi nucleici nella molecola dell ATP ZOLFO: è contenuto nelle proteine; si trova nel terreno come ione solfato che le piante utilizzano come nutrimento. 2.2 Importanza biologica dell acqua L acqua è il componente più abbondante della materia vivente, infatti più della metà del peso di ogni organismo vivente è costituito da acqua. Nei semi secchi il contenuto di acqua può essere inferiore al 10%. Nelle meduse il contenuto di acqua è pari al 95% del peso totale. 1
La molecola dell acqua: è costituita da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno (tra O e H legame covalente), la sua formula chimica è H 2 O. l atomo di ossigeno è più grosso dell atomo d idrogeno per cui la molecola non ha una forma lineare, ma i tre atomi formano un angolo di circa 105 :ne deriva che la molecola risulta formata da due poli: un polo formato dall ossigeno (negativo) ed un polo formato da due atomi di idrogeno (positivo) e si comporti quindi come un dipolo. Fig.2.1 Legame idrogeno fra molecole d acqua (da Brum et al., 2000). Il legame idrogeno si forma quando due molecole condividono un atomo di idrogeno. Molecole di acqua adiacenti si attraggono in corrispondenza delle loro regioni cariche di segno opposto, cosicché gli atomi di ossigeno di due molecole d acqua adiacenti condividono un atomo di idrogeno. CONSEGUENZE DEL LEGAME IDROGENO TENSIONE SUPERFICIALE: causata dalla coesione tra le molecole d acqua. La coesione è data dal fatto che le molecole di acqua aderiscono l una all altra mediante legami di idrogeno. Si forma come una pellicola sulla superficie dell acqua, che consente agli insetti di camminarci sopra (Es. insetti che scivolano sulla superficie dei laghi); AZIONE CAPILLARE: è la capacità delle molecole di acqua di aderire a una sostanza idrofila (adesione); Il vetro ha una superficie idrofila che attrae le molecole d acqua con una forza sufficiente a vincere la forza di gravità per cui l acqua tende a risalire lungo un tubetto di vetro. Quando le molecole di acqua esterne risalgono il tubicino trascinano con sé le molecole adiacenti unite da legami idrogeno, così si ha la risalita dell acqua anche al centro del tubo. FORZA DI COESIONE: questa forza agisce su molecole dello stesso tipo mantenendole unite. FORZA DI ADESIONE: questa forza agisce su molecole di tipo diverso mantenendole unite. IMBIBIZIONE: movimento capillare delle molecole d acqua all interno di corpi solidi (es. semi prima della germinazione). 2
RESISTENZA AI CAMBIAMENTI DI TEMPERATURA: l acqua ha un elevato calore specifico (quantità di calore necessaria per determinare un aumento di temperatura della sostanza) a causa dei legami idrogeno che limitano il movimento delle molecole. EVAPORAZIONE: l acqua ha un elevato calore di evaporazione, che avviene quando alcune delle molecole del liquido, in movimento più rapido, affiorano alla superficie e passano nell aria, spezzando i legami idrogeno. L operazione richiede energia termica: perché avvenga l evaporazione le molecole d acqua devono assorbire una certa quantità di energia termica, raffreddando l acqua che rimane. (Es: In estate il sudore evaporando asporta energia termica dalla superficie del corpo, determinando una diminuzione della temperatura del corpo). PASSAGGIO ALLO STATO SOLIDO: nella maggior parte dei liquidi la densità (massa della sostanza in un dato volume) aumenta col diminuire della T. La densità dell acqua aumenta al diminuire della temperatura fino a 4 C. Al di sotto di questa temperatura, le molecole sono così vicine che ognuna stabilisce contemporaneamente 4 legami H con altre 4 molecole; questo fa sì che le molecole si allontanino. Perciò l acqua, allo stato solido, occupa un volume maggiore che allo stato liquido. Il ghiaccio è meno denso dell acqua liquida e galleggia su di essa. SOLUBILITA : l acqua è un buon solvente per moltissime sostanze. L acqua unita ad un sale o a uno zucchero (detti soluto) forma una soluzione. La solubilità dell acqua aumenta all aumentare della temperatura. Soluzione: è il risultato della miscelazione di un solvente e di un soluto. Soluto: sostanza disciolta in un solvente. Solvente: sostanza in cui si scioglie un'altra sostanza, che si separa in singoli ioni e molecole. L ACQUA NELLE CELLULE Le cellule possono regolare il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari, che escludono il passaggio di certe sostanze e permettono quello di altre. Il controllo di questi scambi dipende dalle proprietà chimico-fisico delle membrane e delle molecole che le attraversano. Tra le molte molecole che entrano e escono dalle cellule, la più importante è l acqua. 3
2.3 Diffusione DIFFUSIONE (Fig.2.2): è il movimento passivo di molecole in un fluido (gas o liquido) da una regione dove sono presenti ad una concentrazione più alta a una regione dove sono presenti a una concentrazione più bassa. La differenza di concentrazione tra due zone è definita gradiente di concentrazione. Dopo un certo intervallo le molecole sono distribuite in modo più o meno uniforme. Il risultato finale è uno stato di equilibrio, con la stessa concentrazione di molecole da ambo i lati della membrana. CONDIZIONI PER LA DIFFUSIONE ATTRAVERSO MEMBRANA: la sostanza deve essere presente a concentrazione più alta da un lato; la membrana deve essere permeabile alla sostanza. Fig.2.2 Diffusione (da Longo e Longo, 1987) 4
2.4 Osmosi OSMOSI: è la migrazione dell acqua attraverso una membrana semipermeabile (che lascia passare solo l acqua, che separa due soluzioni a diversa concentrazione; l acqua si muove dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata, fino al raggiungimento dell equilibrio. Fig.2.3 Effetti osmotici su una cellula posta in una soluzione isotonica, ipertonica e ipotonica (da Brum et al., 2000). Fig.2.4 Comportamento osmotico delle cellule animali e vegetali in ambiente ipotonico, isotonico e ipertonico (da Longo e Longo, 1987). 5
AMBIENTE ISOTONICO: Una cellula posta in una soluzione isotonica (una soluzione contenente la stessa concentrazione di soluto presente nella cellula), non si gonfia e non si contrae, poiché acquista e perde quantità uguali di acqua. AMBIENTE IPERTONICO: Una cellula posta in una soluzione ipertonica (una soluzione contenente una concentrazione di soluto maggiore di quella della cellula) si contrae a causa di una perdita netta di acqua per osmosi. Nelle cellule vegetali l uscita dell acqua dalle cellule determina il distaccarsi della membrana plasmatica dalla parete cellulare cioè la plasmolisi. AMBIENTE IPOTONICO: Una cellula posta in una soluzione ipotonica (una soluzione contenente una concentrazione di soluto minore di quella della cellula) si gonfia a causa di un acquisto di acqua per osmosi. L entrata dell acqua nelle cellule vegetali crea un elevata pressione dell acqua sulle pareti cellulari che viene anche chiamata pressione di turgore. 2.5 Ciclo dell acqua Fig.2.5 Il ciclo dell acqua (da Longo e Longo, 1989) Il ciclo dell acqua (Fig.2.5) non comporta trasformazioni chimiche della sostanza, ma solo passaggi di stato (acqua, ghiaccio, vapore) e spostamenti tra acqua, atmosfera e terreno. 6
Il calore del sole fa evaporare l acqua dal mare, dai fiumi, dai laghi, dal suolo, dalle foglie e dai corpi di altri organismi. Il vapore viene trasportato in alto dalle correnti d aria; da qui l acqua ricade come pioggia o neve. Per gravità, l acqua torna al mare o, filtrata dagli strati profondi del suolo, forma stagni, laghi e fiumi che si versano nel mare. Parte dell acqua, filtrata dal suolo, raggiunge una zona di saturazione (falda freatica) al di sotto della quale ci sono rocce compatte in cui l acqua non può penetrare. Dalla falda, l acqua in movimento molto lento, raggiunge il mare. 7