Água: Projetada para a vida (6 de 7)
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| Deus "projetando a água" (Imagem gerada por IA em Google Whisk) |
24 de junho de 2013
A água é provavelmente a molécula mais estudada da história — mas continuamos a descobrir mais evidências de que ela foi projetada para sustentar a vida. Na parte 6 desta série, os escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville examinam as propriedades extraordinárias da água, que ajudam a manter as células unidas, a regar as plantas e a bombear o sangue.
Nesta série, exploramos as propriedades incríveis da água e seu papel na sustentação da vida. Em segmentos anteriores, relatamos que:
Hoje, examinaremos as capacidades exóticas restantes da água.
Tensão Superficial
De todos os líquidos comuns, a água possui uma das maiores tensões superficiais. [1] A tensão superficial refere-se à capacidade da superfície de um líquido de resistir a uma força externa. Uma tensão superficial suficientemente forte, às vezes, permite que objetos mais densos — que normalmente afundariam — repousem sobre a superfície intacta do líquido. Um inseto aquático pode literalmente andar e correr na superfície da água (Figura 1) porque a tensão superficial da água é mais forte do que a gravidade que o puxa para baixo. A tensão superficial resulta da coesão (atração entre moléculas semelhantes) que, no caso da água, se deve principalmente às suas fortes ligações de hidrogênio (ver parte 2).
“A água é a substância mais extraordinária! Praticamente todas as suas propriedades são anômalas, o que permitiu que a vida a utilizasse como material de construção para suas máquinas. A vida é água dançando ao som dos sólidos.” Albert Szent-Györgyi
Nesta série, exploramos as propriedades incríveis da água e seu papel na sustentação da vida. Em segmentos anteriores, relatamos que:
- A água é o "solvente universal" (parte 1). A vida requer que a água seja capaz de servir como um meio no qual os processos celulares possam ocorrer.
- A água tem altos pontos de fusão e ebulição (parte 2). Essas características permitem que a água permaneça líquida à temperatura ambiente.
- A água se expande ao congelar (parte 3). Portanto, o gelo flutua na água, isolando e protegendo lagos, rios e oceanos do congelamento.
- A água possui propriedades térmicas extraordinárias (partes 4 e 5). Essas características desempenham papéis essenciais na manutenção de um clima global estável, na proteção das células contra danos causados pelo calor e no estabelecimento do ciclo da água.
Hoje, examinaremos as capacidades exóticas restantes da água.
Tensão Superficial
De todos os líquidos comuns, a água possui uma das maiores tensões superficiais. [1] A tensão superficial refere-se à capacidade da superfície de um líquido de resistir a uma força externa. Uma tensão superficial suficientemente forte, às vezes, permite que objetos mais densos — que normalmente afundariam — repousem sobre a superfície intacta do líquido. Um inseto aquático pode literalmente andar e correr na superfície da água (Figura 1) porque a tensão superficial da água é mais forte do que a gravidade que o puxa para baixo. A tensão superficial resulta da coesão (atração entre moléculas semelhantes) que, no caso da água, se deve principalmente às suas fortes ligações de hidrogênio (ver parte 2).
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| Figura 1: Aranhas-d'água descansando na superfície da água. (Imagem de Reasons to Believe) |
A tensão superficial também é a força motriz por trás da adsorção, na qual certas substâncias dissolvidas aderem a uma superfície em vez de flutuar livremente no solvente. Isso ocorre com substâncias que reduzem a tensão superficial do solvente, tornando-o energeticamente mais favorável à permanência na superfície do solvente. Por exemplo, a maioria das proteínas e biomoléculas semelhantes podem reduzir a tensão superficial, o que faz com que se agreguem e, por fim, se incorporem às membranas celulares. Esse fenômeno é crucial para a formação de membranas celulares organizadas. [2]
Ação Capilar
A alta tensão superficial da água, combinada com as fortes interações (conhecidas como adesão) entre a água e a maioria das superfícies (como vidro, madeira, pedra e metal), leva à capilaridade. Outro fenômeno crítico, a capilaridade, significa que um líquido é aspirado para espaços estreitos sem a ajuda de uma força externa. Isso pode até mesmo resultar em um líquido sendo aspirado espontaneamente para cima — contra a gravidade. O efeito de absorção produzido pela capilaridade pode ser observado quando colocamos a ponta de um pedaço de papel na água — a água é aspirada lentamente para cima entre as fibras do papel.
Para plantas terrestres, a ação capilar eficiente é essencial. Por exemplo, a ação capilar puxa a água para onde as raízes das plantas podem alcançá-la. No solo, a água pode subir até 1,21 a 1,52 m devido à ação capilar; enquanto se a água fosse como a maioria dos líquidos, ela subiria apenas 0,61 ou 0,91 m. [3] Plantas vasculares, incluindo árvores, [4] dependem da ação capilar para puxar a água das raízes até os galhos e folhas. Isso é crítico para o transporte de nutrientes vitais através das plantas e para a reposição da água perdida pela transpiração (evaporação das folhas). A ação capilar eficiente da água torna esse processo fácil; caso contrário, as plantas provavelmente precisariam de alguma forma de sistema circulatório para bombear a seiva para cima. Tal requisito seria biologicamente "caro" e complicado. Em outras palavras, sem a ação capilar da água, plantas vasculares altas quase certamente seriam impossíveis. [5]
A forte capilaridade também atrai água para os poros e fissuras das rochas, dissolvendo assim os sais e minerais presentes (veja a parte 1 para mais informações sobre a forte capacidade de solvatação da água). A água consegue então extrair esses minerais e redistribuí-los, tornando-os disponíveis para a nutrição de plantas e animais. Se a água congelar dentro dessas fissuras, sua expansão fará com que a rocha se quebre ainda mais (veja a parte 3), contribuindo assim para a erosão, que é crucial para a formação do solo.
Viscosidade
A viscosidade, a medida da resistência de uma substância ao fluxo, varia drasticamente de um líquido para outro; e a água tem uma das menores viscosidades de todos os líquidos. [6] Por exemplo, a viscosidade do alcatrão é aproximadamente 30 milhões de vezes maior que a da água. [7] Substâncias com altas viscosidades, como mel ou melaço (cada um cerca de 10.000 vezes mais viscoso que a água), vazam muito lentamente.
A viscosidade da água está precisamente na faixa necessária para a vida. Se sua viscosidade fosse muito alta (como a do melaço), impediria a circulação sanguínea. Mesmo uma viscosidade ligeiramente maior aumentaria significativamente a quantidade de energia necessária para bombear o sangue. Problemas semelhantes ocorreriam dentro das células, pois uma viscosidade mais alta dificultaria o movimento das grandes moléculas biológicas e organelas necessárias para os processos celulares. Uma viscosidade mais alta também cria mais resistência para a vida aquática lutar enquanto nada, consumindo, portanto, mais energia.
Uma viscosidade modesta ajuda a célula a manter sua forma, protegendo-a contra forças de cisalhamento. Se a viscosidade já baixa da água fosse menor, choques e tensões externas causariam maiores perturbações à célula. [8] Portanto, para que um líquido sirva como um meio eficaz para as células, sua viscosidade deve ser a ideal — nem muito alta nem muito baixa. A viscosidade da água se encaixa perfeitamente.
Viscosidade do Gelo
Acontece que a viscosidade do gelo sólido também deve estar dentro de uma faixa crítica. [9] Como está, a neve e o gelo perto dos polos se acumulam em geleiras maleáveis o suficiente para fluir para baixo ao longo do tempo. Essas geleiras desempenharam um papel fundamental na escavação de vales e na trituração de rochas em pó (o que libera minerais vitais no meio ambiente). Se a viscosidade do gelo fosse muito baixa, então o gelo fluiria facilmente sobre a terra em vez de transformá-la. Se a viscosidade do gelo fosse muito alta, a água se acumularia nos polos como gelo — privando o mundo da tão necessária água líquida. Mesmo um aumento modesto na viscosidade do gelo aumentaria o tamanho da geleira (as geleiras atualmente retêm cerca de 1,7% da água da Terra), reduzindo assim a quantidade de água líquida do planeta. Os níveis de chuva cairiam e a temperatura global mudaria mais rapidamente (veja a parte 4). Felizmente para a vida na Terra, a viscosidade do gelo é ajustada para atender às necessidades do planeta e de seus habitantes.
Difusão
A difusão é o outro lado da viscosidade; ela representa a rapidez com que as moléculas se espalham em um solvente. Imagine colocar uma gota de tinta preta em um copo d'água. Inicialmente, a gota de tinta começaria em um ponto, depois se espalharia gradualmente até se distribuir uniformemente por toda a água. A taxa de difusão de uma substância é inversamente proporcional à sua viscosidade; o que significa que a água tem uma taxa de difusão notavelmente alta.
A difusão é particularmente crítica nas células. [10] Por exemplo, normalmente em apenas um centésimo de segundo, a difusão espalha oxigênio por todo o interior da célula, tornando-o disponível para os processos celulares. O mesmo processo torna eficiente a importação de nutrientes vitais pela célula e a eliminação de resíduos. Isso significa que a vida unicelular simples pode existir apenas por difusão, sem a necessidade de um sistema circulatório.
Uma discussão completa sobre os aspectos mais precisos da taxa de difusão da água pode ser encontrada em Nature's Destiny (O destino da natureza), de Michael Denton. [11] Resumiremos duas de suas observações aqui. Primeiro, sem a alta taxa de difusão da água, os capilares dos animais seriam incapazes de transportar oxigênio e nutrientes para as células de forma eficaz. Segundo, o sangue (água contendo hemácias e outros componentes) é um fluido não newtoniano, o que significa que sua viscosidade diminui com a pressão. Portanto, quando o coração bate mais rápido, a viscosidade do sangue cai, facilitando o bombeamento cardíaco. [12] Esse comportamento é fundamental para um sistema circulatório eficiente em mamíferos.
Design Mecânico Quântico da Água
A água é provavelmente a molécula mais estudada da história — mas continuamos a descobrir mais evidências de que ela foi projetada para sustentar a vida. Essa estrutura se estende até mesmo ao nível quântico, como demonstrado por uma descoberta recente.
Os cientistas sabem, há muito tempo, que o princípio da incerteza de Heisenberg da mecânica quântica desestabilizaria as moléculas de água, tornando a distância entre as moléculas individuais mais variável. Isso aumentaria a distância das ligações de hidrogênio e reduziria significativamente a força dessa interação. Tal evento reduziria drasticamente ou eliminaria praticamente todas as propriedades excepcionais da água e tornaria a vida impossível no universo.
No entanto, o contrabalanço por outro efeito quântico evita esse resultado negativo. Ao aplicar o princípio da incerteza às ligações oxigênio-hidrogênio da água e ao ângulo entre os três átomos, a interação dipolar é fortalecida e compensa com segurança a perda nas ligações de hidrogênio. [13] Embora os teóricos tenham previsto essa solução, só recentemente medições experimentais a confirmaram. [14] Comentando sobre essa importante descoberta, Lisa Grossman relata: “As propriedades vitais da água existem no fio da navalha. Acontece que a vida como a conhecemos depende de um equilíbrio fortuito, mas incrivelmente delicado, de forças quânticas.” [15] Ela ainda conclui que: “Estamos acostumados à ideia de que as constantes físicas do cosmos são finamente ajustadas para a vida. Agora parece que as forças quânticas da água podem ser adicionadas a essa lista 'perfeita'.”
Conclusão
Seriam necessários volumes e volumes para fazer justiça ao tema das propriedades únicas da água. No final, só podemos concluir que Szent-Györgyi disse tudo corretamente quando declarou que "a vida é água dançando ao som dos sólidos".
Para concluir esta série, discutiremos a incrível abundância de água líquida na Terra e sua ausência em outros lugares.
Ação Capilar
A alta tensão superficial da água, combinada com as fortes interações (conhecidas como adesão) entre a água e a maioria das superfícies (como vidro, madeira, pedra e metal), leva à capilaridade. Outro fenômeno crítico, a capilaridade, significa que um líquido é aspirado para espaços estreitos sem a ajuda de uma força externa. Isso pode até mesmo resultar em um líquido sendo aspirado espontaneamente para cima — contra a gravidade. O efeito de absorção produzido pela capilaridade pode ser observado quando colocamos a ponta de um pedaço de papel na água — a água é aspirada lentamente para cima entre as fibras do papel.
Para plantas terrestres, a ação capilar eficiente é essencial. Por exemplo, a ação capilar puxa a água para onde as raízes das plantas podem alcançá-la. No solo, a água pode subir até 1,21 a 1,52 m devido à ação capilar; enquanto se a água fosse como a maioria dos líquidos, ela subiria apenas 0,61 ou 0,91 m. [3] Plantas vasculares, incluindo árvores, [4] dependem da ação capilar para puxar a água das raízes até os galhos e folhas. Isso é crítico para o transporte de nutrientes vitais através das plantas e para a reposição da água perdida pela transpiração (evaporação das folhas). A ação capilar eficiente da água torna esse processo fácil; caso contrário, as plantas provavelmente precisariam de alguma forma de sistema circulatório para bombear a seiva para cima. Tal requisito seria biologicamente "caro" e complicado. Em outras palavras, sem a ação capilar da água, plantas vasculares altas quase certamente seriam impossíveis. [5]
A forte capilaridade também atrai água para os poros e fissuras das rochas, dissolvendo assim os sais e minerais presentes (veja a parte 1 para mais informações sobre a forte capacidade de solvatação da água). A água consegue então extrair esses minerais e redistribuí-los, tornando-os disponíveis para a nutrição de plantas e animais. Se a água congelar dentro dessas fissuras, sua expansão fará com que a rocha se quebre ainda mais (veja a parte 3), contribuindo assim para a erosão, que é crucial para a formação do solo.
Viscosidade
A viscosidade, a medida da resistência de uma substância ao fluxo, varia drasticamente de um líquido para outro; e a água tem uma das menores viscosidades de todos os líquidos. [6] Por exemplo, a viscosidade do alcatrão é aproximadamente 30 milhões de vezes maior que a da água. [7] Substâncias com altas viscosidades, como mel ou melaço (cada um cerca de 10.000 vezes mais viscoso que a água), vazam muito lentamente.
A viscosidade da água está precisamente na faixa necessária para a vida. Se sua viscosidade fosse muito alta (como a do melaço), impediria a circulação sanguínea. Mesmo uma viscosidade ligeiramente maior aumentaria significativamente a quantidade de energia necessária para bombear o sangue. Problemas semelhantes ocorreriam dentro das células, pois uma viscosidade mais alta dificultaria o movimento das grandes moléculas biológicas e organelas necessárias para os processos celulares. Uma viscosidade mais alta também cria mais resistência para a vida aquática lutar enquanto nada, consumindo, portanto, mais energia.
Uma viscosidade modesta ajuda a célula a manter sua forma, protegendo-a contra forças de cisalhamento. Se a viscosidade já baixa da água fosse menor, choques e tensões externas causariam maiores perturbações à célula. [8] Portanto, para que um líquido sirva como um meio eficaz para as células, sua viscosidade deve ser a ideal — nem muito alta nem muito baixa. A viscosidade da água se encaixa perfeitamente.
Viscosidade do Gelo
Acontece que a viscosidade do gelo sólido também deve estar dentro de uma faixa crítica. [9] Como está, a neve e o gelo perto dos polos se acumulam em geleiras maleáveis o suficiente para fluir para baixo ao longo do tempo. Essas geleiras desempenharam um papel fundamental na escavação de vales e na trituração de rochas em pó (o que libera minerais vitais no meio ambiente). Se a viscosidade do gelo fosse muito baixa, então o gelo fluiria facilmente sobre a terra em vez de transformá-la. Se a viscosidade do gelo fosse muito alta, a água se acumularia nos polos como gelo — privando o mundo da tão necessária água líquida. Mesmo um aumento modesto na viscosidade do gelo aumentaria o tamanho da geleira (as geleiras atualmente retêm cerca de 1,7% da água da Terra), reduzindo assim a quantidade de água líquida do planeta. Os níveis de chuva cairiam e a temperatura global mudaria mais rapidamente (veja a parte 4). Felizmente para a vida na Terra, a viscosidade do gelo é ajustada para atender às necessidades do planeta e de seus habitantes.
Difusão
A difusão é o outro lado da viscosidade; ela representa a rapidez com que as moléculas se espalham em um solvente. Imagine colocar uma gota de tinta preta em um copo d'água. Inicialmente, a gota de tinta começaria em um ponto, depois se espalharia gradualmente até se distribuir uniformemente por toda a água. A taxa de difusão de uma substância é inversamente proporcional à sua viscosidade; o que significa que a água tem uma taxa de difusão notavelmente alta.
A difusão é particularmente crítica nas células. [10] Por exemplo, normalmente em apenas um centésimo de segundo, a difusão espalha oxigênio por todo o interior da célula, tornando-o disponível para os processos celulares. O mesmo processo torna eficiente a importação de nutrientes vitais pela célula e a eliminação de resíduos. Isso significa que a vida unicelular simples pode existir apenas por difusão, sem a necessidade de um sistema circulatório.
Uma discussão completa sobre os aspectos mais precisos da taxa de difusão da água pode ser encontrada em Nature's Destiny (O destino da natureza), de Michael Denton. [11] Resumiremos duas de suas observações aqui. Primeiro, sem a alta taxa de difusão da água, os capilares dos animais seriam incapazes de transportar oxigênio e nutrientes para as células de forma eficaz. Segundo, o sangue (água contendo hemácias e outros componentes) é um fluido não newtoniano, o que significa que sua viscosidade diminui com a pressão. Portanto, quando o coração bate mais rápido, a viscosidade do sangue cai, facilitando o bombeamento cardíaco. [12] Esse comportamento é fundamental para um sistema circulatório eficiente em mamíferos.
Design Mecânico Quântico da Água
A água é provavelmente a molécula mais estudada da história — mas continuamos a descobrir mais evidências de que ela foi projetada para sustentar a vida. Essa estrutura se estende até mesmo ao nível quântico, como demonstrado por uma descoberta recente.
Os cientistas sabem, há muito tempo, que o princípio da incerteza de Heisenberg da mecânica quântica desestabilizaria as moléculas de água, tornando a distância entre as moléculas individuais mais variável. Isso aumentaria a distância das ligações de hidrogênio e reduziria significativamente a força dessa interação. Tal evento reduziria drasticamente ou eliminaria praticamente todas as propriedades excepcionais da água e tornaria a vida impossível no universo.
No entanto, o contrabalanço por outro efeito quântico evita esse resultado negativo. Ao aplicar o princípio da incerteza às ligações oxigênio-hidrogênio da água e ao ângulo entre os três átomos, a interação dipolar é fortalecida e compensa com segurança a perda nas ligações de hidrogênio. [13] Embora os teóricos tenham previsto essa solução, só recentemente medições experimentais a confirmaram. [14] Comentando sobre essa importante descoberta, Lisa Grossman relata: “As propriedades vitais da água existem no fio da navalha. Acontece que a vida como a conhecemos depende de um equilíbrio fortuito, mas incrivelmente delicado, de forças quânticas.” [15] Ela ainda conclui que: “Estamos acostumados à ideia de que as constantes físicas do cosmos são finamente ajustadas para a vida. Agora parece que as forças quânticas da água podem ser adicionadas a essa lista 'perfeita'.”
Conclusão
Seriam necessários volumes e volumes para fazer justiça ao tema das propriedades únicas da água. No final, só podemos concluir que Szent-Györgyi disse tudo corretamente quando declarou que "a vida é água dançando ao som dos sólidos".
Para concluir esta série, discutiremos a incrível abundância de água líquida na Terra e sua ausência em outros lugares.
Dr. John Millam
O Dr. John Millam recebeu seu doutorado em química teórica pela Rice University, em 1997, e atualmente atua como programador na Semichem em Kansas City.
Ken Klos
O Sr. Ken Klos recebeu seu mestrado em estudos ambientais pela Universidade da Flórida em 1971 e trabalhou como engenheiro ambiental/civil para o estado da Flórida.
Dr. Iain D. Sommerville
O Dr. Iain D. Sommerville recebeu seu doutorado pela Universidade de Strathclyde, Glasgow, Escócia, em 1966, e atualmente atua como professor emérito de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Toronto.
O Dr. John Millam recebeu seu doutorado em química teórica pela Rice University, em 1997, e atualmente atua como programador na Semichem em Kansas City.
Ken Klos
O Sr. Ken Klos recebeu seu mestrado em estudos ambientais pela Universidade da Flórida em 1971 e trabalhou como engenheiro ambiental/civil para o estado da Flórida.
Dr. Iain D. Sommerville
O Dr. Iain D. Sommerville recebeu seu doutorado pela Universidade de Strathclyde, Glasgow, Escócia, em 1966, e atualmente atua como professor emérito de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Toronto.
Notas de Fim
- O mercúrio líquido é o único líquido comum com maior tensão superficial. Lawrence Joseph Henderson, The Fitness of the Environment (Nova York: MacMillan, 1913), 126.
- Ibidem, 128–30.
- Ibidem, 127.
- Em contraste, plantas não vasculares (como musgos, hepáticas e algas) não utilizam a capilaridade, pois absorvem água diretamente para dentro de suas células ou de uma célula para outra por osmose. Consequentemente, essas plantas estão limitadas a áreas onde a água é abundante; mas as plantas vasculares podem prosperar em uma variedade muito maior de habitats.
- Michael J. Denton, Nature's Destiny (Nova York: The Free Press, 1998), 30–31.
- A viscosidade do éter é 4 vezes menor que a da água e a do hidrogênio líquido é 100 vezes menor. Ibid., 32.
- As viscosidades específicas fornecidas aqui são para substâncias a 20 °C (68 °F) e foram retiradas do The Physics Hypertextbook, “Viscosity”, acessado em 14 de abril de 2013, https://physics.info/viscosity.
- Denton, Nature's Destiny, 32–33.
- Ibidem, 38.
- Ibidem, 33.
- Ibidem, 32–38.
- Ibidem, 37.
- Jeff Zweerink, “A vida depende das propriedades quânticas concorrentes da água”, New Reasons to Believe 5 (março de 2013), https://www.reasons.org/articles/life-hinges-on-waters-competing-quantum-properties. {Publicado traduzido aqui no blog sob o título A vida depende das propriedades quânticas concorrentes da água.}
- Anita Zeidler et al., “Oxygen as a Site Specific Probe of the Structure of Water and Oxide Materials”, Physics Review Letters 107 (setembro de 2011): 145501.
- Lisa Grossman, “Water's Quantum Weirdness Makes Life Possible”, New Scientist, n.º 2835 (22 de outubro de 2011), https://www.newscientist.com/article/mg21228354.900-waters-quantum-weirdness-makes-life-possible.html; Fazale Rana fornece um excelente resumo deste artigo e suas implicações para o design no podcast Science News Flash*.
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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 6 (of 7) (RTB)
* N. do R. T.: Este link já não funciona mais.
Etiquetas:
propriedades físico-químicas da água - Argumento do Relojoeiro
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