水的特性與生物學(xué)意義

水的特性與生物學(xué)意義第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日§1水的結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)：水是極性分子，能形成分子間氫鍵第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日2.水的特性1)Highboilingpoint(高沸點)Compare:CH416CH3CH330CH3CH2CH344CH3CH2CH2CH358CH3(CH2)3CH372boilingpoint36℃but:water18boilingpoint100℃reason:nH2O≒(H2O)n+heatgas第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日2)Waterhashighspecificheat(高比熱)Thepolarityofwaterandtheresultinghydrogenbondingamongwatermoleculesmeansthatittakesmuchheat(onecalorie)toraisethetemperatureof1mLofwaterjust1°C.Thehydrogenbondinghastobegivenalotofenergytogetthemtovibrateandgeneratethetemperaturechange.Thispropertyofwateriscalledspecificheat.Itmeansthatthisliquidcanabsorbmuchheatfromthevariouschemicalreactionsoccurringincellswithouttemperaturechange;itisaheatbuffer.Ithelpsmaintainanevenbodytemperature.

第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日3)Waterhasahighlatentheatofvaporization(高汽化熱)Amongliquids,waterhasthehighestlatentheatofvaporization(44kJ·mol-1).Thismeansthatwhenwatergoesfromliquidtogasittakesalotofenergy.Thispropertycanobviouslybetraceddirectlytohydrogenbondingagain.Asthehighestenergymoleculesintheliquidachievewhatittakestomoveawayasagas,theirenergyisremovedfromtheliquidanditgetscooler.Wesometimesrefertothisasevaporativecooling.Thisisacriticalpropertyinmaintainingthetemperatureofdarkgreenleavesessentially"parked"insunshine.第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日3)Waterdemonstratescohesionandadhesion(內(nèi)聚力和粘附力)內(nèi)聚力(Cohesion):液體狀況下同類分子間的吸引力叫內(nèi)聚力，水的內(nèi)聚力可達30MPa.粘附力(adhesion):液相與固相間的吸引力叫粘附力或附著力原因：水是極性分子，與其它極性分子形成氫鍵。若水與某物質(zhì)的粘附力大于水的內(nèi)聚力，則水可吸附在該物質(zhì)上，該物質(zhì)即為可濕的，或可浸潤的；反之則不可濕或不可浸潤。如水可浸潤土壤(SiO32-)、濾紙、CO32-，SO42-等，而不可浸潤石碏，石墨等。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日4)cohesion,adhesionandsurfacetensionleadstocapillarity(內(nèi)聚力、粘附力和表面張力導(dǎo)致毛細(xì)現(xiàn)象)h=2Tcos/rg=14.9×10-6/r第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日毛細(xì)作用對植物的重要性：土壤下層的水分可通過毛細(xì)作用上升，供植物利用。細(xì)胞壁的纖維素微纖絲間有空隙，形成很多小而彎曲的毛細(xì)管，這樣可使植物的細(xì)胞壁通過毛細(xì)作用保持濕潤。植物導(dǎo)管是一種水分可濕的毛細(xì)管，如把一根干樹桿插入水中，水可上升一段距離(導(dǎo)管r=20~40um,水可上升0.37~0.74m，但不要希望導(dǎo)管的毛細(xì)作用給植物供水，因毛細(xì)作用產(chǎn)生的前提是存在空氣—水界面，而導(dǎo)管和上下都是完整的細(xì)胞，無空氣—水界面。)蒸騰時氣孔下腔細(xì)胞間的毛細(xì)管產(chǎn)生的蒸騰拉力是水分上升的主要動力。第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日5)Waterisnotcompressible

(水是不可壓縮的)Whilegasescanbecompressedintosmallerandsmallerspaces,liquidwaterisnotsocompressible.Thuscompressionofwaterintoaspacesurroundedbyacellwallproducesturgorpressure.Thisformofhydraulicpressureiscriticalforcellgrowth,fortheopeningandclosingofstomata,flowprocessesintranslocationinthephloem,exchangeofmaterialswithinandbetweencellcompartments,andfortherigidityandsupportforherbaceous(notsupportedbylignininwood)plants.Turgorkeepspetalsandleavesextendedintotheairandpreventswilting.第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日6)Waterhashightensilestrength(高抗張強度)抗張強度即為物體在斷裂前所能經(jīng)受的最大張力(拉力)。由于水分子間氫鍵的存在，水可忍受很高的張力，20℃時可忍受30MPa的拉力，相當(dāng)于同樣粗銅絲的10%。這可保證導(dǎo)管中的水不會被輕易拉斷。第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日7)Waterisanexcellentsolvent

（水是極好的溶劑）Thepolarityofthewatermoleculegivesittheabilitytodissolvepolarmoleculesaswellasless-polarmolecules.Infact,amongknownliquids,waterdissolvesthewidestrangeofchemicalsolutes.Thismakeswateramediumforchemicaltransportandexchange.Forplants,waterdissolvessoilmineralsandcarriesthemuptheplantinthetranspirationstreaminthexylem;photosynthesisproducescarbohydrateswhicharedissolvedinwaterandcarriedfromtheleaftotherestoftheplantinthetranslocationstreaminthephloem.第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日8)Watercanformhydrationlayeraroundpolarmolecules(水合作用)Watercanformhydrationlayeraroundpolarmolecules，andthusmaintainthestabilityofthemoleculesandinthesametimeincreasestheirsolubility.第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日9)Waterishighlytransparent(透光性強)VisiblelightandUVcanpenetratethroughwater,thussubmergedplantscansurvive;Furthermore,theinnermesophyllcellscanabsorbthepenetratedlighttophotosynthesizeaswell.第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日3水分的遷移方式擴散(diffusion)集流(bulkflow)滲透(osmosis)

第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日1)擴散定義：物質(zhì)從高濃度(高化學(xué)勢)的區(qū)域向低濃度(低化學(xué)勢)區(qū)域自發(fā)的轉(zhuǎn)移稱為擴散。原理：分子隨機熱運動的結(jié)果，高濃度區(qū)分子密集其相互碰撞的機會多，因而向相反方面移動。擴散速率：JB=-DC/tc=?=(

2/D)K

對于一般植物細(xì)胞而言，其直徑為50μm,水的擴散系數(shù)D=10-9m2S-1,則t=(5010-6m)2/10-9m2S-1=2.5S

對于1m的距離來說，t=1m2/10-9m2S-1=109S≈24年故：擴散僅適應(yīng)于短距離水的遷移第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日2)集流定義：指液體中成群的分子在壓力梯度下共同的移動特點：是植物體內(nèi)水經(jīng)木質(zhì)部做長距離遷移的主要機制，集流只與水柱兩端的壓力差有關(guān)，而與濃度梯度無關(guān)。流速：ν=πr4(8η)-1ΔΨΡΔΧ-1

其中r為管道半徑，η為水的粘度系數(shù)，ΔΨΡ為兩端的壓力差，ΔΧ為距離。第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日3)滲透作用滲透作用是指水透過半透膜的一種遷移方式，事實上是一種特殊的擴散，但也與集流(膜兩側(cè)的壓力差)有關(guān)。由于細(xì)胞膜的脂雙分子層對水是可通透的，所以水分子可直接通過脂雙分子層擴散進入；另外，在膜上有內(nèi)在的水孔蛋白和水通道蛋白，水分子可以不通過脂雙分子層而由后者跨膜遷移。水孔蛋白(aquaporin)是一種位于質(zhì)膜、液泡膜和某些細(xì)胞器膜上的主要內(nèi)在蛋白(MIP)，MW26~30KD，它由6個α-helix跨膜而成通道，允許水分通過。水分通過水孔蛋白遷移的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過脂雙分子層的速度。滲透作用是由膜兩側(cè)的水勢差所驅(qū)動的。第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日§2.植物體中水分的作用第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日一植物的含水量含水量的指標(biāo)：含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%WC=(FW-DW)/FW×100%

相對含水量=(鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)×100%RWC=(FW-DW)/(SFW-DW)×100%一些經(jīng)驗數(shù)值(以含水量計)：水生植物90%；旱生地衣6%一般植物70~90%

生長旺盛部位如根尖、芽、幼葉70~90%

生長緩慢部位如主干35~70%；體眠種子5~15%第二十三頁，