الماء ودوره في دورة حياة الكائنات الحية

الماء ودوره في دورة حياة الكائنات الحية

قال تعالى:" وجعلنا من الماء كل شئ حي". صدق الله العظيم.

للماء أهمية خاصة تختلف عن باقي العوامل اللاإحيائية.

الماء هو أحد المواد الأكثر إنتشارا على سطح الكرة الارضية. حيث أن ثلاثة أرباع سطحها مغطي بالماء.

 تنبع أهمية الماء للكائن الحي أولا، من كونه مركبا مهما في جسم كل الكائنات الحية. حوالي ثلثي وزن جسمنا مكون من الماء، ولا يمكننا العيش زمنا "طويلا" بدون الماء. البيئة الداخلية للخلايا هي بالاساس بيئة مائية، والماء ضروري لتنفيذ العمليات البيوكيميائية التي تحدث داخلها.

عدا ذلك يساعد الماء في نقل المواد الذائبة داخل الخلية ومن مكان إلى آخر في الجسم. واضح مما قيل حتى الآن أن نقص الماء يمكن أن يؤدي الى الضيق وحتى الموت. في المناطق القاحلة يمكن إيجاد ملاءمات مختلفة للحياة في بيئة فيها نقص بالماء. أمثلة على ذلك ستعرض فيما بعد. وحتى الزراعة التي تزود الإنسان بمعظم غذائه، غير ممكنة بدون كميات كبيرة من الماء.

المياه هي أيضا بيئة حياتية خاصة وفريدة في نوعها. يعتقد الباحثون في علم التطور أن الخلايا الحية الاولى تطورت في مياه المحيطات القديمة. أشكال الحياة في الماء متنوعة جدا، وفي هذا الفصل سنتعرف على أمثلة من الملاءمات الخاصة للحياة في الماء.

الصفات الخاصة للماء

أهمية الماء الكبيرة لحياة الكائنات الحية نابعة من صفاته الخاصة

وهي:

1. جزيئات الماء هي جزيئات قطبية

كل جزئ ماء مكون من ناحية كيميائية من ذرتي هيدروجين وذرة واحدة من الاكسجين. (تخطيط ب1 ـ 1). الكيميائيون الذين فحصوا مبنى جزيء الماء توصلوا الى استنتاج ان شكله هو كما يلي.

تخطيط ب1 ـ 1: معادلة وتخطيط لجزئي الماء

من التخطيط ب1 ـ 1 يمكن أن نرى أن جزيء الماء قطبي، لأنه كما في المغناطيس، القطب الذي تتواجد فيه ذرات الهيدروجين ذو شحنة كهربائية موجبة، والقطب الذي يتواجد فيه الاكسجين يحمل شحنة كهربائية سالبة.

التقطب يؤدي الى:

1. جزيئات الماء تجذب الواحدة الأخرى.

2. جزيئات ماء تنجذب لجزيئات أخرى.

يتبين أن قسما كبيرا من الصفات الخاصة بالماء قابلة للتفسير على أساس صفة التقطب عند جزيئ الماء. مثلا: مواد عديدة تذوب في الماء، وينبع هذا الشيء من أن جزيئات مواد مختلفة قطبية أيضا، تنجذب لجزيئات الماء وهكذا تذوب داخلها.

مثل آخر: جزيئات الماء القطبية تنجذب لبعضها البعض بقوة وهكذا تكوِّن على وجه الماء سطحا قويا

2. يساعد الماء في المحافظة على درجة الحرارة.

أنت تعرف بالطبع أن معظم الكائنات الحية لا تستطيع العيش في درجات حرارة منخفضة جدا أو درجات حرارة مرتفعة جدا . للماء وظيفة مهمة في المحافظة على درجة الحرارة في البيئة المائية ـ بحيرات وبحار ـ وفي الكائنات الحية.

يستطيع الماء إستيعاب طاقة حرارية كثيرة بدون أن ترتفع درجة حرارته بشكل كبير. والعكس ـ يمكن للماء أن يفقد طاقة كثيرة بدون أن يبرد بشكل حاد. وبسبب ذلك، لا تتغير درجة حرارة أجسام مائية كبيرة، مثل المحيطات، البحار والبحيرات الكبيرة، تغيرا "حاد" بالمقارنة مع درجة حرارة الهواء الذي حولها.

-         لماذا يكون الفارق في درجات الحرارة بين الليل والنهار في منطقة الشاطئ أقل بكثير من الفارق في مناطق البلاد الداخلية؟

الحرارة النوعية وحرارة التبخر

الحرارة النوعية هي إحدى صفات المادة. وهي كمية الطاقة التي يجب بذلها لرفع درجة حرارة 1غم مادة درجة حرارة واحدة (مئوية). الحرارة النوعية للماء هي 4, 20جول/غم/1 درجة مئوية، وللمقارنة، الحرارة النوعية للبترول هي 2, 25 جول/غم/1 درجة مئوية. أي لتسخين 1غم ماء بدرجة مئوية واحدة يجب بذل طاقة أكثر من تسخين 1غم بترول.

حرارة تبخر الماء أيضا كبيرة جدا: لتحويل 1غم من الماء السائل بدرجة حرارة 100مئوية الى غاز (بخار) يجب بذل 536 سعر حراري. لو تذكرنا ما هو التعريف ل "السعر الحراري" (كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1غم ماء درجة مئوية واحدة) سنفهم ان الطاقة اللازمة لتبخير 1غم ماء كافية لتسخين 536 غم ماء درجة مئوية واحدة!

إن كون كمية الطاقة اللازمة لتبخير الماء كبيرة يفسر كيف يبرِّد العرق الجسم. يستهلك تبخر العرق طاقة كبيرة مصدرها الجسم، وهكذا يبرد الجسم.

3. يتمدد الماء عند التجمُّد

صفة أخرى مثيرة للاهتمام عند الماء هي التغير في الحجم عند التجمد. وعلى عكس مواد أخرى، للماء في الوضع الصلب ـ ثلج ـ حجم أكبر، أو للدقة، كتلة نوعية أصغر من تلك التي للماء في وضع سائل. لهذه الصفة علاقة بظاهرة مهمة تحدث في بحيرات المناطق الباردة في فصل الشتاء. طبقة الجليد، الخفيفة تطفو على سطح ماء البحيرة. تعزل الماء الذي تحتها وتمنع تجمدها. وهكذا يمكن للحياة أن تستمر حتى في فصل الشتاء البارد.

نلخص الصفات المهمة للماء ومفهومها لحياة الكائنات الحية:

1. تزيد قطبية الجزيء قدرة الماء في إذابة المواد وهكذا تساعد في نقلها.

2. للماء حرارة نوعية عالية وحرارة تبخر عالية. تؤدي هذه الصفات الى محافظة الماء على درجة حرارة ثابتة نسبيا لدرجة حرارة الهواء في محيطها ونتيجة لذلك يبرِّد تبخر العرق الجسم.

3. الكتلة النوعية للجليد أصغر من تلك التي للماء ولذا فهو يطفو على سطح الماء. يمنع غطاء جليدي على سطح الماء تجمد مياه البحيرات ويمكن من وجود حياة في البحيرات حتى في فصل الشتاء.

أهمية الماء لحياة الكائن الحي

الماء مهم لحياة الكائنات الحية في كل مستويات التنظيم، ابتداء بالخلية وانتهاءا بالجهاز البيئي.

-          الماء في الخلية

تحتوي خلايا الكائن الحي على نسبة عالية من الماء، 80% ـ 90% تقريبا. الخلية هي، في الحقيقة، بيئة مائية تحدث فيها العمليات التالية: بناء مواد، تحليل، مواد، انتاج طاقة، نقل مواد وغير ذلك.

يستعمل الماء في العمليات البيوكيميائية كمادة متفاعلة وكناتج، مثلا:

ــ في عملية التركيب الضوئي يتحلل جزيئ الماء ويرتبط الهيدروجين بثاني أكسيد الكربون لانتاج السكر.

ــ عند تحليل النشا لجزيئات صغيرة يشترك الماء كمادة متفاعلة في العملية.

ــ ينتج الماء في عملية التنفس الخلوي (ماء أيض) ويشكل مصدر ماء مهم لحيوانات صحراوية.

الماء في حياة الكائن الحي

للماء عدة وظائف مهمة في حياة الكائن الحي:

1. نقل مواد مذابة

تساعد قدرة الماء على إذابة مواد في نقل مواد مذابة من مكان الى آخر داخل الخلية نفسها وايضا بين أقسام الكائن الحي العديد الخلايا المختلفة.

في الكائنات الحية عديدة الخلايا الكبيرة والمتطورة تُنقل مواد من مكان الى آخر بواسطة أجهزة نقل. جهاز الدم هو نموذج لجهاز نقل كهذا، فيه ينقل أكسجين، مضادات، نواتج الهضم ومواد افراز مذابة.

سؤال

من أين والى أين ينقل الاكسجين، نواتج الهضم، ومواد الافراز عند الانسان؟

عند النباتات تُنقل أملاح مذابة من التربة وبواسطة الأوعية الخشبية الى كل أقسام النبتة حتى قمم الاشجار. تنقل نواتج التركيب الضوئي المذابة في الماء، من الاوراق الى كل أقسام النبات بالاساس بواسطة أنابيب اللحاء.

2. تنقل خلايا التكاثر بواسطة الماء.

توجد كائنات حية تعيش على اليابسة، وعلى الرغم من ذلك فإنها متعلقة بالماء لتكاثرها. مثلا: خلايا تكاثر (جاميتات) ذكرية عند الحزازيات والسرخسيات، وهي نباتات يابسة بسيطة، يمكنها الوصول الى المبيض وإخصاب البويضات داخله فقط بواسطة الماء، بالرغم من أن النبات نفسه لا يعيش في الماء.

مثلا آخر هو الضفدع وبرمائيات أخرى. يضع الضفدع بيوضه في الماء، والخلايا الذكرية تفرز في الماء أيضا. يتم الاخصاب في الماء، والدعموص الصغير الذي يتطور من البويضة المخصبة يقضي الفترة الاولى من حياته في الماء. بالرغم من أن الضفدعة البالغة قادرة على الحياة على اليابسة، فانها متعلقة بالبيئة المائية من أجل تكاثرها.

3. المحافظة على انتصاب النباتات غير الخشبية (عشبية)

لا يوجد مواد خشبية في أجسام النباتات الصغيرة والنباتات الحولية، انتصاب النبات وشكل الورقة يكون فقط بفضل الماء الذي يملأ الفجوة العصارية التي تحتل قسما كبيرا من حجم الخلية. ويسهل علينا ملاحظة أهمية الماء للمحافظة على انتصاب النبتة، عندما ننظر الى نباتات لم تسق ـ انها منكشمة وذابلة، أسقاؤها يعيد لها شكلها المنتصب. هذه المشكلة غير موجودة في أشجار معظم أقسامها صلبة وخشبية وحتى في حال نقص الماء فانها تبقى منتصبة. النقص بالماء في الاشجار يظهر واضحا، اذا، بالاساس في الاوراق والاغصان الصغيرة.

الماء كبيت تنمية

تشكل المياه في المحيطات، البحيرات والأودية بيت التنمية لكائنات حية مختلفة خلال كل فترة حياتها.

الماء هو بيت تنمية مريح جدا لأنه:

1. لا يوجد خطر جفاف للخلايا.

2. لا يوجد تغييرات متطرفة في درجة الحرارة بين الليل والنهار وبين فصول السنة.

3. توجد مواد مذابة ضرورية لحياة الكائنات الحية في الماء.

4. يوجد دعم كاف للكائن الحي الذي يعيش فيه، ويمكن ان تعيش في الماء كائنات حية ليس لها هيكل عظمي داخلي أو خارجي، مثل الهيدرا أو الميدوزا.

5. يوجد تيارات مائية تسهل حركة الجاميتات (خلايا التكاثر) والكائنات الحية، ويمكنها الانجراف من مكان الى آخر بدون بذل طاقة كبيرة.

الملاءمات للحياة في الماء

صحيح أن الماء هو بيت تنمية مريح، لكن الكائن الحي الذي يعيش في الماء يضطر الى مواجهة مشاكل خاصة مثل:

ــ تركيز منخفض للاكسجين المذاب.

ــ انتشار كبير للماء والاملاح بين الكائن الحي والبيئة.

مواجهة هذه المشاكل أدت خلال عملية التطور، الى تطور ملاءمات لحياة الماء. اليك بعض الأمثلة.

1. ملاءمة أعضاء التنفس لتركيز الاكسجين في الماء

يذوب الاكسجين في الماء بنسبة قليلة: في كل 1لتر ماء يذوب فقط 6 مللتر أكسجين (0.6% من حجم المحلول) بالمقارنة مع تركيز الاكسجين في الهواء والذي يساوي تقريبا 20% (أكبر بـ 30 مرة من الماء). ذائبية الاكسجين في الماء تقل مع الارتفاع في درجة الحرارة. مبنى الخياشيم في الاسماك ملائم لنقل كميات كبيرة من الماء على سطح أوعية الدم في الخياشيم، وهكذا يستوعب الاكسجين بنسبة كبيرة .

سؤال

أ. على أي مبدأ يعتمد مبنى الخياشيم.؟ كيف يلائم هذا المبنى الحياة في ماء نسبة الاكسجين فيه منخفضة؟

ب. إعطوا أمثلة أخرى تعتمد على نفس المبدأ، في أعضاء أخرى.

2. إفراز فائض الماء في كائنات حية تعيش في مياه عذبة

في الكائنات الحية التي تعيش في مياه عذبة (ماء تركيز الاملاح فيها منخفض) تحدث اسموزا للماء من البيئة الخارجية الى داخل الكائن الحي.

مواجهة النقص بالماء

يمكن أن نفهم أن الحياة غير ممكنة بدون الماء (على الأقل في الشكل المعروف لنا). حل المشاكل المتعلقة بالنقص بالماء معقد جدا. وقد ذكرنا سابقا أن باحثي علم التطور يعتقدون أن الحياة بدأت بالتطور في الماء، وفقط بعد ذلك تطورت الحياة على اليابسة.

الماء ليس متوفرا دائما على اليابسة وغير موجود في كل مكان. عدا ذلك فان الهواء الجاف يؤدي الى تبخر كبير للماء من السطح الخارجي للكائن الحي ولخسارة الماء. تطور الحياة على اليابسة كان ممكنا بعد أن تطورت خلال عملية التطور ملاءمات مختلفة للحياة على اليابسة. بجانب التنوع الكبير لاشكال الملاءمة هذه، والتي قسم منها سيشرح فيما بعد، توجد ثلاث أشكال ملاءمة مشتركة لكل الكائنات المتكيفة للحياة على اليابسة:

1. تغطية سطح الجسم بغطاء غير نفّاذ للماء

جلد الحيوانات، طبقة الشمع (÷هèé÷هىن) عند النباتات والحشرات تمنع تبخر ماء من سطح الجسم.

2. الدفاع عن المناطق التي يحدث فيها تبادل غازات مع الهواء.

القصد هنا هو لتبادل الغازات والتي هي قسم من عملية التنفس (التي تحدث في كل الكائنات الحية هوائية التنفس) ولتبادل الغازات في التركيب الضوئي. تبادل غازات يمكن أن يحدث فقط عندما يكون سطح الخلايا رطب.

عند الثدييات وحيوانات أخرى يحدث تبادل الغازات في الرئتين، وتثبت داخل جسم الكائن الحي بعيدة عن خطر الجفاف. أوعية خاصة تربط بينها وبين الهواء الخارجي، إستيعاب الاكسجين وثاني أكسيد الكربون في خلايا النباتات يتم أيضا عن طريق الجدران الرطبة للخلايا. نظام الاقفال عن الثغور تحفظ داخل الورقة من الجفاف عندما يتواجد النبات في وضع نقص بالماء.

3. تكاثر غير متعلق بالماء

تفرز خلايا التكاثر الى الماء في البيئة المائية وهناك يحدث اللقاء بينها والاخصاب. لكن، خلايا التكاثر ـ الخلية الذكرية والبويضة ـ غير قادرة على البقاء في الهواء الجاف.

كيف تُنقل خلايا التكاثر بين الكائنات الحية على اليابسة. وكيف يتم اللقاء، بينها؟

عند النباتات (تلك التي يتم فيها إخصاب ذاتي وتلك التي يتم فيها إخصاب متبادل) تصل حبيبة اللقاح، ولها غطاء غير نفاذ للماء من المتوك الى الميسم. بعد أن تثبت حبيبة اللقاح تستعمل إحدى نويّاته لإخصاب البويضة المختبئة جيدا داخل المبيض.

عند الزواحف، الطيور والثدييات الاخصاب داخلي، خلايا التكاثر الذكرية تدخل الى جسم الانثى وهي غير معرضة للهواء الخارجي الجاف.

بعد الإخصاب يصان الجنين من الجفاف. وعند النباتات محميٌّ بواسطة أغطية البذور، عند الطيور يحفظ داخل بيضة تحتوي محلولا مائيا وهي ذات قشرة غير نفاذة للماء. وعند الثدييات فإنه يتطور داخل البيئة المائية في رحم أمه.

إستيعاب الماء

يتم إستيعاب الماء عن طريق الجذور. يستوعب الماء في أطراف الجذور التي تتواجد فيها ما يشبه "شعيرات" تسمى شعيرات ماصة. الشعيرات الماصة دقيقة جدا ومساحة سطحها كبيرة جدا بالنسبة لحجمها. وهكذا تزداد مساحة السطح الكلي للجذور. وعن طريق الشعيرات الماصة يتم إمتصاص الماء والمذابات. يوجد أحيانا لنباتات الصحراء شبكات جذور عميقة ومتشعبة، وهكذا يزداد حجم التربة التي يمتص النبات الماء منها