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CAP.2 Bioelementi. Importanza biologica dell’acqua. Ciclo dell’acqua. Osmosi. Diffusione.

2.1 Bioelementi

Gli elementi essenziali per la vita sono molteplici, ma quattro, carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno

(O) e azoto (N) costituiscono il 96 % della materia vivente. Altri elementi chimici fosforo (P), zolfo

(S), calcio (Ca), Potassio (K), Sodio (Na), Ferro (Fe), Cloro (Cl) e Magnesio (Mg) rappresentano

circa il 4% della materia vivente. Esistono ancora gli oligoelementi o microelementi, che

costituiscono meno dello 0,01% della materia vivente, ma sono comunque essenziali per molti

organismi : Iodio (I), Zinco (Zn), Boro (B), Cromo (Cr), Rame (Cu), Manganese (Mn), Fluoro (F),

Selenio (Se), Silicio (Si), Stagno (Sn), Vanadio(V).

OSSIGENO: presente con il carbonio nella gran maggioranza delle molecole organiche

CARBONIO: costituisce lo scheletro di tutte le molecole organiche

IDROGENO: fa parte di tutte le molecole organiche e di molte altre come l’acqua.

AZOTO: è il costituente delle proteine e degli acidi nucleici; nell’aria è presente sottoforma di

molecole costituite da due atomi di azoto legati assieme. Si trova nel terreno sottoforma di ioni

(ammonio e nitrato) che vengono utilizzati dalle piante come nutrimento.

FOSFORO: Si trova negli acidi nucleici nella molecola dell’ATP

ZOLFO: è contenuto nelle proteine; si trova nel terreno come ione solfato che le piante utilizzano

come nutrimento.

2.2 Importanza biologica dell’acqua

L’acqua è il componente più abbondante della materia vivente, infatti più della metà del peso di

ogni organismo vivente è costituito da acqua.

Nei semi secchi il contenuto di acqua può essere inferiore al 10%.

Nelle meduse il contenuto di acqua è pari al 95% del peso totale.

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La molecola dell’acqua:

? è costituita da due atomi di idrogeno e da un atomo di

ossigeno (tra O e H legame covalente), la sua formula

chimica è H2O.

? l’atomo di ossigeno è più grosso dell’atomo d’idrogeno

per cui la molecola non ha una forma lineare, ma i tre

atomi formano un angolo di circa 105°:ne deriva che la

molecola risulta formata da due poli: un polo formato

dall’ossigeno (negativo) ed un polo formato da due atomi

di idrogeno (positivo) e si comporti quindi come un dipolo.

Fig.2.1 – Legame idrogeno fra molecole d’acqua (da Brum et al., 2000).

Il legame idrogeno si forma quando due molecole condividono un atomo di idrogeno. Molecole di

acqua adiacenti si attraggono in corrispondenza delle loro regioni cariche di segno opposto,

cosicché gli atomi di ossigeno di due molecole d’acqua adiacenti condividono un atomo di

idrogeno.

CONSEGUENZE DEL LEGAME IDROGENO

TENSIONE SUPERFICIALE: causata dalla coesione tra le molecole d’acqua.

La coesione è data dal fatto che le molecole di acqua aderiscono l’una all’altra mediante legami di

idrogeno. Si forma come una “pellicola” sulla superficie dell’acqua, che consente agli insetti di

camminarci sopra (Es. insetti che scivolano sulla superficie dei laghi);

AZIONE CAPILLARE: è la capacità delle molecole di acqua di aderire a una sostanza idrofila

(adesione);

Il vetro ha una superficie idrofila che attrae le molecole d’acqua con una forza sufficiente a vincere

la forza di gravità per cui l’acqua tende a risalire lungo un tubetto di vetro. Quando le molecole di

acqua esterne risalgono il tubicino trascinano con sé le molecole adiacenti unite da legami idrogeno,

così si ha la risalita dell’acqua anche al centro del tubo.

FORZA DI COESIONE: questa forza agisce su molecole dello stesso tipo mantenendole unite.

FORZA DI ADESIONE: questa forza agisce su molecole di tipo diverso mantenendole unite.

IMBIBIZIONE: movimento capillare delle molecole d’acqua all’interno di corpi solidi (es. semi

prima della germinazione).

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RESISTENZA AI CAMBIAMENTI DI TEMPERATURA: l’acqua ha un elevato calore specifico

(quantità di calore necessaria per determinare un aumento di temperatura della sostanza) a causa dei

legami idrogeno che limitano il movimento delle molecole.

EVAPORAZIONE: l’acqua ha un elevato calore di evaporazione, che avviene quando alcune delle

molecole del liquido, in movimento più rapido, affiorano alla superficie e passano nell’aria,

spezzando i legami idrogeno. L’operazione richiede energia termica: perché avvenga

l’evaporazione le molecole d’acqua devono assorbire una certa quantità di energia termica,

raffreddando l’acqua che rimane. (Es: In estate il sudore evaporando asporta energia termica dalla

superficie del corpo, determinando una diminuzione della temperatura del corpo).

PASSAGGIO ALLO STATO SOLIDO: nella maggior parte dei liquidi la densità (massa della

sostanza in un dato volume) aumenta col diminuire della T. La densità dell’acqua aumenta al

diminuire della temperatura fino a 4°C. Al di sotto di questa temperatura, le molecole sono così

vicine che ognuna stabilisce contemporaneamente 4 legami H con altre 4 molecole; questo fa sì che

le molecole si allontanino. Perciò l’acqua, allo stato solido, occupa un volume maggiore che allo

stato liquido. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e galleggia su di essa.

SOLUBILITA’: l’acqua è un buon solvente per moltissime sostanze. L’acqua unita ad un sale o a

uno zucchero (detti soluto) forma una soluzione.

La solubilità dell’acqua aumenta all’aumentare della temperatura.

Soluzione : è il risultato della miscelazione di un solvente e di un soluto.

Soluto: sostanza disciolta in un solvente.

Solvente: sostanza in cui si scioglie un'altra sostanza, che si separa in singoli ioni e molecole.

L’ACQUA NELLE CELLULE

Le cellule possono regolare il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari, che escludono

il passaggio di certe sostanze e permettono quello di altre.

Il controllo di questi scambi dipende dalle proprietà chimico-fisico delle membrane e delle

molecole che le attraversano. Tra le molte molecole che entrano e escono dalle cellule, la più

importante è l’acqua.

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2.3 Diffusione

DIFFUSIONE (Fig.2.2): è il movimento passivo di molecole in un fluido (gas o liquido) da una

regione dove sono presenti ad una

concentrazione più alta a una regione

dove sono presenti a una

concentrazione più bassa.

La differenza di concentrazione tra

due zone è definita gradiente di

concentrazione . Dopo un certo

intervallo le molecole sono distribuite

in modo più o meno uniforme. Il

risultato finale è uno stato di

equilibrio, con la stessa

concentrazione di molecole da ambo i

lati della membrana.

CONDIZIONI PER LA

DIFFUSIONE ATTRAVERSO

MEMBRANA:

? la sostanza deve essere presente a

concentrazione più alta da un lato;

? la membrana deve essere

permeabile alla sostanza.

Fig.2.2 – Diffusione (da Longo e Longo, 1987)

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2.4 Osmosi

OSMOSI: è la migrazione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile (che lascia passare

solo l’acqua, che separa due soluzioni a diversa concentrazione; l’acqua si muove dalla soluzione

meno concentrata a quella più concentrata, fino al raggiungimento dell’equilibrio.

Fig.2.3 – Effetti osmotici su una cellula posta in una soluzione isotonica, ipertonica e ipotonica (da

Brum et al., 2000).

Fig.2.4 – Comportamento osmotico delle cellule animali e vegetali in ambiente ipotonico, isotonico

e ipertonico (da Longo e Longo, 1987).

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AMBIENTE ISOTONICO: Una cellula posta in una soluzione isotonica (una soluzione contenente

la stessa concentrazione di soluto presente nella cellula), non si gonfia e non si contrae, poiché

acquista e perde quantità uguali di acqua.

AMBIENTE IPERTONICO: Una cellula posta in una soluzione ipertonica (una soluzione

contenente una concentrazione di soluto maggiore di quella della cellula) si contrae a causa di una

perdita netta di acqua per osmosi. Nelle cellule vegetali l’uscita dell’acqua dalle cellule determina il

distaccarsi della membrana plasmatica dalla parete cellulare cioè la plasmolisi.

AMBIENTE IPOTONICO: Una cellula posta in una soluzione ipotonica (una soluzione contenente

una concentrazione di soluto minore di quella della cellula) si gonfia a causa di un acquisto di acqua

per osmosi. L’entrata dell’acqua nelle cellule vegetali crea un’elevata pressione dell’acqua sulle

pareti cellulari che viene anche chiamata pressione di turgore.

2.5 Ciclo dell’acqua

Fig.2.5 – Il ciclo dell’acqua (da Longo e Longo, 1989)

Il ciclo dell’acqua (Fig.2.5) non comporta trasformazioni chimiche della sostanza, ma solo passaggi

di stato (acqua, ghiaccio, vapore) e spostamenti tra acqua, atmosfera e terreno.

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Il calore del sole fa evaporare l’acqua dal mare, dai fiumi, dai laghi, dal suolo, dalle foglie e dai

corpi di altri organismi.

Il vapore viene trasportato in alto dalle correnti d’aria; da qui l’acqua ricade come pioggia o neve.

Per gravità, l’acqua torna al mare o, filtrata dagli strati profondi del suolo, forma stagni, laghi e

fiumi che si versano nel mare. Parte dell’acqua, filtrata dal suolo, raggiunge una zona di saturazione

(falda freatica) al di sotto della quale ci sono rocce compatte in cui l’acqua non può penetrare. Dalla

falda, l’acqua in movimento molto lento, raggiunge il mare.