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La vida comenzó en el agua, y el agua es la molécula más
importante en la Tierra. Todos los organismos son 70-90% de agua; sus células
consisten en compartimentos membranosos que encierran soluciones acuosas. La estructura
de una molécula de agua le otorga propiedades únicas. Estas propiedades juegan
un papel importante en cómo funcionan los organismos vivos.
Los electrones compartidos entre dos átomos en un enlace covalente no siempre se comparten por igual. Los átomos difieren en su electronegatividad, es decir, su afinidad por los electrones en un enlace covalente. Los átomos que son más electronegativos tienden a tener más electrones compartidos que los que son menos electronegativos. Esta distribución desigual de electrones hace que el enlace se vuelva polar, lo que significa que los átomos en ambos lados del enlace están parcialmente cargados, a pesar de que la molécula en general no soporta ninguna carga neta.
Figura 25. El agua funciona como un
imán. Los iones positivos son rodeados por las puntas negativas del
agua; y los iones negativos por las puntas positivas, esto se conoce como la
hidratación de un ion. Esta integración con la estructura del agua líquida le
permite a un soluto soluble en agua desaparecer en esta a simple vista. Esta
desaparición se conoce como mezcla homogénea, disolución o simplemente
solución.
Por ejemplo, en una molécula de agua, el oxígeno comparte
electrones con dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es más electronegativo que
el hidrógeno, por lo que los dos enlaces son polares. Los electrones
compartidos pasan más tiempo orbitando el núcleo de oxígeno que los núcleos de
hidrógeno, y esta distribución desigual de electrones hace que el agua sea una
molécula polar. Los enlaces covalentes están en ángulo, y la molécula se dobla
aproximadamente en forma de V. El punto de la V (oxígeno) es el extremo
negativo (-), y los dos hidrógenos son los dos extremos positivos (+).
La polaridad de las moléculas de agua hace que se atraigan
entre sí como si fueran pequeños imanes. Los átomos de hidrógeno positivos en
una molécula son atraídos por los átomos de oxígeno negativos en otras
moléculas de agua. Esta atracción se llama un enlace de hidrógeno o puente de
hidrógeno, y cada molécula de agua puede participar en hasta cuatro puentes de
hidrógeno. El enlace covalente es mucho más fuerte que un puente de hidrógeno,
pero la gran cantidad de puentes de hidrógeno en el agua crean una fuerza de
atracción fuerte. Las propiedades del agua se deben a su polaridad y su
capacidad para formar puentes de hidrógeno.
A menudo damos por sentada el agua, pero sin agua, la vida
tal como la conocemos no existiría. Las propiedades del agua que sustentan la
vida son la solvencia, la cohesión y la adhesión, la alta tensión superficial,
la alta capacidad de calor y la densidad variable.
Debido a su polaridad y capacidad de unión de hidrógeno, el
agua disuelve una gran cantidad de sustancias. Se dice que las moléculas
atraídas por el agua son hidrofílicas (hidro=agua,
phil=amor). Las moléculas polares e
ionizadas son generalmente hidrofílicas, se pueden disolver o unir al agua
aparentando desaparecer (YouTube).
Se dice que las moléculas no ionizadas y no polares que no son atraídas por el
agua son hidrofóbicas (hidro=agua, phob=miedo). Cuando una sal como el cloruro
de sodio (NaCl) se pone en el agua, los extremos negativos de las moléculas de
agua son atraídos por los iones de sodio, y los extremos positivos de las
moléculas de agua son atraídos por los iones cloruro. Esta atracción provoca
que los iones de sodio y los iones de cloruro se rompan o se disocien en el
agua.
El agua también puede disolver sustancias no iónicas
polares, como largas cadenas de glucosa, formando puentes de hidrógeno con
ellas, pero para que esto ocurra, la molécula a disolver debe tener átomos muy
electronegativos como el oxígeno en su estructura. Cuando los iones y las
moléculas se dispersan en el agua, se mueven y colisionan, permitiendo que
ocurran las reacciones. El interior de nuestras células está compuesto
principalmente de agua, y la capacidad del agua para actuar como un solvente
permite que los átomos y las moléculas dentro de cada célula interactúen y
participen fácilmente en las reacciones químicas.
La cohesión se refiere a la capacidad de las moléculas de
agua para pegarse entre sí debido al puente de hidrógeno. Debido a la cohesión,
el agua existe como un líquido en condiciones normales de temperatura y
presión, con su tamaño molecular, las moléculas de tamaño semejante al agua que
no forman puentes de hidrógeno son gases en las mismas condiciones de presión y
temperatura. La fuerte cohesión de las moléculas de agua es evidente porque el
agua fluye libremente, aunque las moléculas no se separan entre sí. La adhesión
se refiere a la capacidad de las moléculas de agua para adherirse a otras
superficies polares. Esta habilidad se debe a la polaridad del agua. Los polos
positivo y negativo de las moléculas de agua hacen que se adhieran a otras
superficies polares.
Debido a la cohesión y adhesión, el agua líquida es un
excelente sistema de transporte, además que le permite fluir pegada a otros
objetos (YouTube).
Tanto dentro como fuera de la célula, el agua ayuda en el transporte de
nutrientes y materiales de desecho. Muchos animales multicelulares contienen
vasos internos en los que el agua ayuda al transporte de materiales. La porción
líquida de sangre, que transporta sustancias disueltas y suspendidas dentro del
cuerpo, es 90% de agua. La cohesión y la adhesión de las moléculas de agua
permiten que la sangre llene los vasos tubulares del sistema cardiovascular,
haciendo posible el transporte. La cohesión y la adhesión también contribuyen
al transporte de agua en las plantas. Las plantas tienen sus raíces ancladas en
el suelo, donde absorben el agua, pero las hojas se elevan y se exponen a la
energía solar. El agua que se evapora de las hojas se reemplaza inmediatamente
con moléculas de agua de los recipientes de transporte que se extienden desde
las raíces hasta las hojas. Debido a que las moléculas de agua son cohesivas, se
crea una tensión que tira de una columna de agua desde las raíces, básicamente
es un efecto de esponja. La adhesión del agua a las paredes de los recipientes
también ayuda a evitar que la columna de agua se rompa.
Figura 26. Tensión superficial. Las moléculas de
agua en la superficie forman una laminilla fina, que se siente como plástico al
contacto, y le permite a algunos objetos permanecer en su superficie, siempre y
cuando no agiten el agua.
Debido a que las moléculas de agua en la superficie se
atraen más fuertemente entre sí que hacia el aire de arriba, las moléculas de
agua en la superficie se adhieren fuertemente entre sí. Por lo tanto, decimos
que el agua exhibe tensión superficial. Cuanto más fuerte es la fuerza entre
las moléculas en un líquido, mayor es la tensión superficial. El puente de
hidrógeno es la fuerza principal que hace que el agua tenga una alta tensión
superficial. Si lentamente llenas un vaso de agua, puedes notar que el nivel
del agua forma una pequeña cúpula sobre la parte superior del vaso. Esto se
debe a la tensión superficial del agua.
Los numerosos puentes de hidrógeno que unen las moléculas de
agua permiten que el agua absorba calor sin cambiar mucho la temperatura. La
alta capacidad de absorción de calor del agua es importante no solo para los
organismos acuáticos sino también para todos los organismos. Debido a que la
temperatura del agua aumenta y disminuye lentamente, los organismos terrestres
son más capaces de mantener sus temperaturas internas normales y están
protegidos de los rápidos cambios de temperatura.
El agua también tiene un alto calor de vaporización: se
necesita una gran cantidad de calor para romper los puentes de hidrógeno en el
agua, de modo que se vuelve gaseosa y se evapora en el medio ambiente solo
cuando se administran cantidades de energía muy elevadas. Si el calor emitido
por nuestras actividades metabólicas no fuera amortiguado por el agua, la
muerte seguiría de manera rápida ya que las proteínas que componen a las
células perderían sus estructuras funcionales.
Debido a la alta capacidad de calor del agua y al alto calor
de vaporización, las temperaturas a lo largo de la mayoría de las costas de la
Tierra son moderadas. Durante el verano, el océano absorbe y almacena el calor
solar; durante el invierno, el océano lo libera lentamente. Por el contrario,
las regiones interiores de los continentes experimentan cambios bruscos de
temperatura, y por ende tienden a ser desiertos en caso de no ser atravesados
por algún rio.
Figura 27. La densidad del hielo
permite la vida. Debido a que el agua se congela de arriba hacia abajo, pues el
hielo formado al ser menos denso flota, la vida debajo de él se mantiene, pues
el hielo es un aislante de calor, una vez formada una capa gruesa, impide que
el calor interno se escape, manteniendo el agua líquida.
A diferencia de otras sustancias, el agua se expande a
medida que se congela debido a que las moléculas de agua se organizan en
cristales a medida que asumen su estado sólido, lo que explica por qué las
latas de soda estallan cuando se colocan en un congelador y cómo las carreteras
en los climas del norte se llenan de baches debido a la "helada" en
el invierno. Como el agua se expande a medida que se congela, el hielo es menos
denso que el agua líquida y, por lo tanto, el hielo flota sobre el agua
líquida.
Si el hielo fuera más denso que el agua, se hundiría, y los
estanques, lagos e incluso el océano se congelarían, lo que haría la vida
imposible tanto en el agua como en la tierra. En cambio, los cuerpos de agua
siempre se congelan de arriba hacia abajo. Cuando un cuerpo de agua se congela
en la superficie, el hielo actúa como un aislante para evitar que el agua
debajo de él se congele, esto debido a que el bloque de hielo actúa como un
espejo que provoca que la energía proveniente de la luz rebote sin convertirse
en calor. Esto protege a los organismos acuáticos, para que puedan sobrevivir
el invierno. A medida que el hielo se derrite en la primavera, atrae el calor
del ambiente, lo que ayuda a evitar un cambio repentino de temperatura que
podría ser perjudicial para la vida.
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