آب
آب (water)
ترکیب شیمیایی هیدروژن و اکسیژن (H۲O). به‌صورت جامد (یخ)، مایع (آب)، و گاز (بخار آب) یافت می‌شود. آب رایج‌ترین مادۀ روی زمین و حیاتی‌ترین ماده برای همۀ موجودات زنده است. ۷۰ درصد از سطح زمین را آب پوشانده است که محل زندگی بسیاری از موجودات آب‌زی است. آب جزء سازندۀ اصلی همۀ موجودات زنده است. حدوداً ۶۵ درصد بدن انسان متشکل از آبی است که در همۀ سلول‌ها یافت می‌شود و بسیاری از مواد شیمیایی طی فرآیندهایی نظیر تنفس[۱] و فتوسنتز نیز بایستی برای واکنش در آب واقع شوند. آب خالص مایعی است بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه که در صفر درجۀ سانتی‌گراد منجمد می‌شود و در ۱۰۰ درجۀ سانتی‌گراد می‌جوشد. تقریباً ۹۷ درصد از آب زمین در اقیانوس‌هاست. ۲ درصد دیگر به‌شکل برف یا یخ، و فقط ۱ درصد به‌صورت آب مصرفی حیوانات و گیاهان یافت می‌شود. بازیافت و گردش آب از بیوسفر[۲] را اصطلاحاً چرخۀ آب[۳] یا چرخۀ آب‌شناختی[۴] می‌نامند. آب براثر سرما سنگین‌تر می‌شود و در چهار درجۀ سانتی‌گراد به چگالی[۵] بیشینۀ خود می‌رسد. اگر آب بیشتر از این حّد سرد شود، آب سردشده روی سطح شناور می‌ماند و یخ تشکیل می‌شود. قطرات ریز آب در ابر با هم ترکیب می‌شوند و به‌صورت باران به زمین می‌بارند (بارش[۶]). پس از آن، آب باران از طریق رودخانه‌ها و نهرها به دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها می‌رسد و بار دیگر براثر عمل تبخیر[۷] به اتمسفر باز می‌گردد و چرخه ادامه می‌یابد. از آن‌جا که چرخۀ آبی سیستمی بسته است، مقدار آب موجود در هیدروسفر زمین ثابت می‌ماند. آب ۶۰ تا ۷۰ درصد از حجم بدن انسان، حدود ۴۰ لیتر، را تشکیل می‌دهد. از این مقدار ۲۵ لیتر درون سلول‌ها و ۱۵ لیتر خارج از سلول‌هاست که ۱۲ لیتر آن در مایع بافتی و ۳ لیتر دیگر در پلاسمای خون قرار دارد. کاهش ۴ لیتر آب باعث بیهوشی می‌شود و کاهش ۸ ـ۱۰ لیتر به مرگ می‌انجامد. تقریباً هر روزه ۱.۵ لیتر آب از طریق دم و بازدم، تعریق[۸]، و فضولات دفع می‌شود. انسان در آب و هوای معتدل بیشتر از پنج تا شش روز و در محیط گرم بیش از دو تا سه روز بدون آن قادر به زندگی نیست. حیوانات آب می‌نوشند و آب از طریق رودۀ آن‌ها جذب بدنشان می‌شود. گیاهان آب را از طریق ریشه از خاک جذب می‌کنند. در هر دو مورد مکانیسم جذب از طريق اسمز[۹] صورت می‌گیرد.
تنظيم اسمزي. آب برای موجودات زنده مایۀ حیات و بسیار مهم است و به سلول‌ها در حفظ شکلشان کمک می‌کند. همچنین به منزلۀ حلّال نمک‌ها، قندها و پروتئین‌ها عمل می‌کند و بسیاری از مواد دیگر در متابولیسم و هضم غذا را در خود حل می‌کند. آب قادر به انتقال مواد زائد بدن است و دمای بدن را با تبخیر و تعرق ثابت نگه می‌دارد. امّا ممکن است خطرناک نیز باشد. فرآیندی که طی آن تعادل مقدار ثابت آب در بدن موجود زنده حفظ می‌شود، تنظیم اسمزی[۱۰] معروف است. موجودات زنده آب را از چند راه به‌دست می‌آورند که عبارت‌اند از اسمز، غذا، و تنفس. همچنین، موجودات زنده آب را از طریق تبخیر، ادرار، و اسمز از دست می‌دهند. کلیه های انسان نقش مهمی در تنظیم تعادل آب بازی می‌کنند.
آب و گیاهان. آب در گیاهان از طریق بافت آوندی[۱۱] به برگ‌ها منتقل می‌شود ( ← برگ). آب در برگ تبخیر می‌شود و براثر تعریق به اتمسفر برمی‌گردد. تعرق آبی را که در آوندها جابه‌جا می‌شود حفظ می‌کند و با این کار مواد معدنی را به سلول‌هایی می‌رساند که به آن نیاز دارند. در هر سلول گیاهی، آب طی فرآیندهای شیمیایی سلول مصرف می‌شود. به‌علاوه، آب برای پرکردن سلول و حفظ استحکام آن لازم است. به این ترتیب، از سلول‌های سخت و توپر و بخش‌هایی از گیاهان مانند برگ‌ها حفاظت می‌شود (← آماسیدگی). طی فرآیند فتوسنتز در گیاهان، آب و دی‌اکسید کربن[۱۲] ترکیب و گلوکز[۱۳] و کربوهیدرات‌های[۱۴] دیگر تولید می‌شود. خون بسیاری از مواد شیمیایی، ازجمله گلوکز را به نقاط بدن منتقل می‌کند. تعادل بین آب درون‌سلولی و خون باید حفظ شود. آب قبل از این‌که دما افزایش یابد، توانایی جذب گرمای فراوانی دارد. بدن از خون برای انتقال گرما از درون بدن به سطح پوست استفاده می‌کند. در سطح پوست، گرما به محیط منتقل می‌شود. اگر بدن انسان به خنک‌شدن نیاز داشته باشد، آب براثر تعریق حذف و تبخیر می‌شود و پوست را خنک می‌کند.
آلودگی آب. آب باران آفت‌کش‌ها، کودهای شیمیایی، و علف‌کش هایی را می‌شوید که در عملیات کشاورزی و در جاده‌ها به‌کار می‌روند. این آب ممکن است به آب‌های زیرزمینی نفوذ و آن‌ها را آلوده کند. به این ترتیب، ممکن است آلودگی به دریاچه‌ها و رودخانه‌ها گسترش یابد و موجودات زنده را نیز با خطر مواجه سازد.
خواص آب. جرم_مولکولی نسبی آب برابر ۱۸ است که به نسبت مولکولی با ابعاد آب غیرعادی است. بسیاری از خواص آب اهمیت بیولوژیکی دارند. آب مولکولی قطبی است. در این مولکول بار جزیی مثبت در یک طرف، و بار جزئی منفی در طرف دیگر قرار دارند. مولکول اکسیژن بار منفی دارد و با اتم‌های هیدروژن با بار مثبت، در مولکول‌های دیگر آب، برهم‌کنش می‌کند. درنتیجه، پیوندهای هیدروژنی‌ای بین مولکول‌های آب تشکیل می‌شود که آن‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. به‌همین سبب، آب حلّالی بسیار خوب برای حل‌‌کردن مولکول‌های قطبی و مواد یونی دیگری است که به‌صورت محلول واکنش‌پذیرند. آب حدواسط واکنش‌های متابولیکی[۱۵] سلول‌های زنده را فراهم می‌سازد و در انتقال مواد به همۀ نقاط بدن موجودات زنده نقشی حیاتی ایفا می‌کند. مواد_غذایی، هورمون‌ها، و اوره در پلاسمای خون حل و به این طریق جابه‌جا می‌شوند، زیرا ۹۰ درصد پلاسما آب است. آب ظرفیت_گرمایی[۱۶] بالایی دارد و مقدار زیادی انرژی گرمایی لازم است تا دمای آب به‌صورت جزئی افزایش یابد. درنتیجه، تغییرات دمایی در آب معمولاً بسیار ناچیزند. این موضوع در سلول‌هایی مهم است که واکنش‌های متابولیکی در آن‌ها با آنزیم کنترل می‌شوند. آب محیط نسبتاً ثابتی را نیز برای موجودات آب‌زی فراهم می‌کند. همچنین، برای تغییر حالت آب از مایع به بخار گرمای زیادی لازم است و به‌همین علت کنترل دما در پستانداران اهمیت بسیار دارد. هنگامی‌که بدن بیش از حد گرم شود، حیوان عرق می‌کند. در این وضعیت، گرمای مصرفی برای تبخیر آبِ عرق از بدن خارج و بدن خنک می‌شود. آب را در حالت مایع نمی‌توان متراکم کرد، امّا هنگام انجماد، حجم آن به نسبت یک به یازده بیشتر می‌شود. این موضوع عامل مهمی برای تکامل زندگی در کرۀ زمین، مخصوصاً در نواحی معتدل و شمالی بوده است.