vand (Biologi)

Alle de kemiske processer, der knytter sig til opbygning og funktion af en levende celles karakteristiske makromolekyler (DNA, RNA, proteiner og sammensatte kulhydrater) er, ligesom cellens membransystemer, tilpasset dette specielle miljø kendetegnet ved vands egenskaber som et kemisk stabilt, polært opløsningsmiddel, der kan indgå hydrogenbindinger med de molekyler, det er i kontakt med, og med sig selv.

Molekyler, der er hydrofobe (apolære eller vandskyende), fordi de er uden elektrisk ladning og ikke kan indgå hydrogenbindinger (fx olier), udstødes af vandet og samler sig i dråber. Molekyler, der er aflange og kun hydrofile (polære) i den ene ende (såkaldt amfifile), vil i et vandigt miljø danne fladeudbredte, tolagede membraner, hvori de hydrofobe molekyloverflader er skjult for vandet. Dette simple fysisk-kemiske fænomen er grundlaget for dannelsen af alle den levende celles membransystemer, både plasmamembranen (overflademembranen) og cellens indre membransystemer, der har amfifile fosfolipider som byggesten (se celle). Opretholdelse af koncentrationsforskelle, elektriske potentialforskelle og kontrollerede energistrømme over disse membransystemer er en grundlæggende forudsætning for livsprocesserne.

Plasmamembranen er interessant, fordi den definerer det territorium, inden for hvilket cellens samlede arvemasse (genom) opererer og udvikles, og kan principielt føres tilbage til cellens stamform i urhavet som den i lige linje ubrudte barriere, inden for hvilken arvemassen har gennemløbet sin evolution i det vandige miljø.

De fleste proteiners, bl.a. enzymers, funktion er kritisk afhængig af, at peptidkæden (aminosyrekæden) er foldet på en ganske bestemt måde. Vand spiller en central rolle for stabiliseringen af proteinstrukturen, idet proteinmolekyler optager vand, hydreres; normalt 10-20 % af selve proteinmolekylets vægt er vand. Vandet stabiliserer proteinstrukturen på flere måder, bl.a. ved at danne hydrogenbindinger mellem hydrofile grupper på peptidkæden og ved at holde hydrofobe områder af kæden i kontakt med hinanden eller tvinge dem i kontakt med det hydrofobe indre af en cellemembran, fx som membranproteiner, der varetager cellens vekselvirkninger med det omgivende miljø.

Selv små ændringer i vands evne til at indgå hydrogenbindinger, fx som følge af nogle få graders temperaturstigning, vil forstyrre proteiners struktur og funktion. Det samme gør tilsætning af nogle få procent tungt vand (D₂O), hvis evne til at indgå hydrogenbindinger afviger lidt fra almindeligt vands; navnlig celledelingsprocessen er følsom herfor.

Vand forbruges og dannes i talrige af den levende celles stofskiftereaktioner (hydrolyse og kondensationsreaktioner, se fx citronsyrecyklus) og indbygges ved planternes fotosyntese i kulhydrat, der er hovedkilden til det organiske materiale i biosfæren.

I de større, flercellede organismer fungerer vand som transportør af opløste stoffer mellem legemets forskellige afsnit (se blod og blodkredsløb) og som middel til udskillelse af affaldsstoffer i vandig opløsning, se ekskretionsorganer og nyre. En levende, dvs. kemisk fungerende celle, indeholder som regel 70-90 % vand inden for sin cellemembran. Ca. 60 % af et voksent menneskes samlede vægt er vand, for storgopler som fx vandmand er andelen 98 %. Nogle organismer kan i mangel af vand gå i en dvaletilstand, hvor de næsten fuldstændig udtørres for at genoptage livsprocesserne, når de igen kommer i vand (se kryptobiose).

Vandets store varmefylde og store fordampningsvarme regulerer klimaet på Jorden og skaber stabile livsbetingelser. Vandet dæmper temperatursvingninger, fordi det meste af varmeenergien bruges til at bryde hydrogenbindingerne mellem vandmolekylerne, og varmeenergi frigøres, når de samles. Ved fordampning bliver den resterende vandmængde koldere, fordi det er de hurtigste molekyler, der forlader vandet. Det er dette forhold, der udnyttes til varmeafgivelse ved planters og dyrs temperaturregulation: Mennesker køles fx af fordampende sved, og planternes blade af vand, der fordamper gennem spalteåbningerne.

Vand har sin største densitet (massefylde) ved 3,98 °C, hvilket er af afgørende betydning for livet i dybe søer. Afkølet overfladevand synker ned gennem de varmere og lettere vandmasser og fornyer ilten ved bunden, og is lægger sig på overfladen, hvilket hindrer hav- og søvand i at fryse til permanente ismasser fra bunden. Isen på overfladen beskytter tværtimod vandet nedenunder mod at fryse, og her kan livsprocesserne fortsætte.

De ældste spor af liv er fundet i de samme 3,8 mia. år gamle Isua-bjergarter ved Nuuk, hvor også de tidligste spor af hav er fundet (se Jorden (Jordens udvikling)). De levende organismer holdt i de første 3 mia. år udelukkende til i havvand; undersøgelser fra nogle sydafrikanske geologiske lag tyder dog på, at der fandtes bakteriemåtter på jordoverfladen for 2,6 mia. år siden. Flercellede planters invasion af landjorden begyndte formentlig i Ordovicium for omkring 450 mio. år siden. Formentlig var det grønalger fra ferskvand, der var begyndelsen til landplanterne (se planter (evolution)). Landjordens planter skabte levesteder med skygge, læ og skjul og udgjorde føden for nogle af de dyrearter, der gik på land, i begyndelsen kun på kortvarige besøg.

Da først livet havde spredt sig til landjorden, oplevede Jorden en eksplosiv evolution af nye arter, og i dag findes langt størstedelen af de kendte arter på land, heraf flest insekter (se art).

Mange af landjordens padder har ikke sluppet forbindelsen med vand, hvor deres ungdomsstadier stadig lever. Mange landdyr og -planter er senere vendt tilbage til livet i vand, de fleste til ferskvand, og størstedelen af ferskvandsinsekterne deler deres tilværelse mellem begge levesteder, idet de unge stadier, larverne, lever i vand, de voksne på land.

Fordelingen af de levende organismer på Jordens overflade bestemmes af tilgængeligheden af vand. Jordens forskellige klimazoner underopdeles således i plantebælter, bl.a. efter nedbørens størrelse og fordeling gennem året (se klima- og plantebælter).

Vejen op fra vandet over de fugtige overgangszoner ind i de egentlige landområder er en historie om, hvordan dyr og planter udvikler mekanismer, der sikrer dem en forsyning med vand, samtidig med at de frigøres fra de begrænsninger, der er forbundet med livet i vand; de tilpasses landlivets fordele.

På land er der meget ilt: Atmosfæren indeholder i nutiden 210 ml ilt pr. l luft (21 %), mens der i ferskvand kun er en tyvendedel heraf ved 0 °C — og ved højere temperaturer og i saltvand endnu mindre (se ilt (ilt som miljøfaktor)). For at vandlevende dyr kan skaffe sig tilstrækkelig med ilt, må de ofte bruge energi på at pumpe vandet forbi kroppen. I luft går transporten meget lettere; mens et iltmolekyle ved diffusion i luft flytter sig 6,3 mm i sekundet, flytter det sig kun 0,063 mm i vand, altså en 100 gange korte vejlængde.

Den lette adgang til de store iltmængder i atmosfæren var ikke uden problemer: Vand fordampede let fra de tidlige landorganismers tynde hud, som ilten skulle sive igennem. Men dyrene udviklede respirationsorganer som fx lunger og trakéer, der sikrer en god forsyning med ilt uden et stort tab af vand.

På land fik planterne lettere adgang til kuldioxid, ikke fordi der er mere end i vand, men fordi det transporteres meget lettere. Men problemet med fordampning fra overfladen havde de fælles med dyrene. Planterne udviklede en tæt overflade dækket af et beskyttende lag, kutikula, hvorigennem kuldioxid siver gennem små spalteåbninger, der kan åbnes og lukkes, men når spalteåbningerne er åbne, fordamper vandet. Planter på heder, i ørkener og andre varme, tørre steder har udviklet bygningstræk, som i endnu højere grad beskytter mod tab af vand. Spalteåbningerne kan være beskyttet i dybe furer som hos hedelyng og revling. Nogle tørketålende planter og ørkenplanter har udviklet særlige former for fotosyntese, hvor der kun er ringe tab af vand (C4- og CAM-planter, se fotosyntese og væskebalance (planter)). Hos CAM-planter er spalteåbningerne lukkede om dagen, og syntesen af organiske stoffer sker med kuldioxid, der om natten er bygget ind i organiske syrer. Fordampningen er således kun en tyvendedel af, hvad den ville være, hvis de skulle hente kuldioxid ind gennem spalteåbningerne om dagen.

Planterne på land måtte også udvikle et vandforsyningssystem, rødder, der kunne nå ned til jordens vand, og et rørsystem, ledningsvævet (se kar og ved), som kunne lede vandet op gennem stængler og stammer. Vand trækkes ind i rødderne ved osmose, men det er fordampningen fra spalteåbningerne, der trækker vandet længere op i planten. Fordampning er altså ikke kun et problem, men en nyttig funktion for planterne.

Umiddelbart kunne man forvente, at træer kun kan blive nogle få meter høje, da det er fysisk umuligt at suge vandet højere op under et omgivende lufttryk på 1 atm. Men der kommer vand helt op til toppen af 100 m høje træer. Det sker ikke ved et egentligt undertryk som i en sugepumpe: Vandet trækkes op som en lang, sammenhængende, elastisk tråd takket være vandmolekylernes evne til at holde sammen. Planterne, især træerne, trækker så store vandmængder op fra jorden til atmosfæren, at de er en væsentlig faktor i vandkredsløbet. Et birketræ kan fx fordampe 350 l vand om dagen. Vandmolekylerne hænger så godt sammen (overfladespændingen er så stor), at de kan skabe en hinde på vandoverfladen, som insekter som skøjteløbere og hvirvlere kan gå på.

Også dyrene har udviklet mange mekanismer som tilpasning til at leve på steder med knappe vandresurser, både fysiologiske og adfærdsmæssige. Fx kan de søge ned i kølige huler i de varmeste timer. Dyrene kan være beskyttet af tætte membraner, men i åndedrætssystemet, især i de landlevende hvirveldyrs lunger, er der fri passage for vandmolekyler. Indåndingsluften optager vand fra de uhyre store, meget tynde overflader, inden ilten udveksles med kuldioxid. Det meste af dette vand leveres tilbage, inden luften udåndes, i særdeleshed hos dyr, der lever på varme, tørre steder. Hos kameler optager indåndingsluften store mængder vand fra luftvejenes indre overflader. På vejen ned til lungernes alveoler mættes indåndingsluften med vanddamp. Den fugtige udåndingsluft kommer på vejen ud i kontakt med mere og mere tørre overflader, som optager vanddamp, så udåndingsluften bliver stadig mere tør. Der er altså hele vejen en effektiv udveksling ved modstrømsprincippet. Hos kamelen optages 95 % af vandet igen. Se også miljøfaktorer og økologi.

Læs mere om vand.