Wnikliwa obserwacja środowiska naturalnego pozwala nam dostrzec, że ważne dla jego funkcjonowania procesy, przynajmniej w pewnym stopniu, związane są z wymianą energii pomiędzy jego składnikami materialnymi a ich otoczeniem. Parowanie wody oraz to, że pada deszcz lub śnieg, że materia może mieć postać ciała stałego, cieczy lub gazu, że świat wokół nas jest taki kolorowy, że metal może przewodzić prąd a kamień nie, czy chcemy czy też nie, związane są nierozerwalnie z przepływem energii. Wiemy, że energia może przybierać różne formy, w zależności od tego, co jest jej źródłem: proces czysto fizyczny, chemiczny czy też cykl przemian biologicznych. Ale czy w związku z tym możemy tak po prostu mówić o topnieniu lodu w promieniach słońca czy tworzeniu mgły w chłodny jesienny poranek tylko w ujęciu typowo „fizycznych” cech tych procesów (topnienie, skraplanie) bez oglądania się na udział innych czynników? Przecież to, co obserwujemy na niebie i na ziemi to w istocie zespół zjawisk, o których nie możemy jednoznacznie powiedzieć, że są to zjawiska wyłącznie fizyczne – ich „fizyczność” związana jest z budową materii, której podstawę stanowią atomy, połączone ze sobą według ściśle określonych reguł. I tu wkraczamy już w obszar innej dziedziny, chemii, gdyż o właściwościach materii w zasadniczym stopniu decydują wiązania chemiczne pomiędzy tworzącymi ją atomami. Z kolei uporządkowanie atomów w jakiejś substancji określa nie tylko jej cechy typowo chemiczne (np. reaktywność), ale również fizyczne (np. magnetyzm czy barwę) oraz aktywność biologiczną. Zatem nawet pozornie proste zjawiska, jak np. topnienie lodu, często mają bardziej skomplikowaną naturę, niżby się to mogło wydawać. Wynika to stąd, że w przyrodzie, która nas otacza taki ścisły podział na obszary fizyki, chemii czy biologii w przypadku wielu pospolitych zjawisk naturalnych nie ma większego znaczenia, gdyż właśnie tutaj dziedziny te wzajemnie się przenikają i uzupełniają. Dlatego też dla podkreślenia tych zależności używamy takich pojęć jak właściwości „fizykochemiczne”, „biochemiczne” czy „biofizyczne”. Proponowane doświadczenia ilustrują wspomniane wyżej wzajemne powiązania pomiędzy fizyką, chemią i biologią w procesach, z którymi stykamy się na co dzień, nie zastanawiając się nad ich istotą i często bardzo złożonym mechanizmem. Czy ktokolwiek, wsypując sól do zupy w celu poprawienia jej smaku zastanawia się nad tym, że w danej chwili kryształy soli rozpuszczając się w rosole pochłaniają ciepło i w konsekwencji NaCl pod wpływem wody w tejże zupie ulega dysocjacji na jony Na+ i Cl−, które z kolei ulegają hydratacji i pewnie też „reagują” z innymi składnikami zupy itd. Jak widać, mamy tutaj naraz i fizykę, i chemię, i biologię, a wszystko to razem służy... poprawieniu smaku naszej zupy! Część eksperymentalna dotyczy ważnych zagadnień z pogranicza fizyki, chemii i biologii, nawiązujących do relacji pomiędzy budową materii a jej właściwościami, z podkreśleniem znaczenia praktycznego omawianego przykładu. Przedstawiono sposób badania wybranych zjawisk (procesów) i analizy wyników badań oraz możliwości ich wykorzystania do określonych celów. Poznanie istoty tych zjawisk powinno stanowić ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia otaczającego nas świata.
BIOFIZYKA
1. Zjawiska transportu w przyrodzie.
Fizyka podpowiada, że wszędzie tam gdzie pojawia się ruch musi zadziałać niezrównoważona siła (zasady dynamiki Newtona 1687 r. ). Pełny opis zależności i wzajemnych relacji, pomiędzy siłami i ciałami, na które działają siły, podał ponad 300 lat temu genialny uczony Isaac Newton. Spróbujmy zatem, na zjawiska transportu w przyrodzie spojrzeć oczami I. Newtona.
Woda to podstawowa substancja warunkująca życie. Dlaczego tak się dzieje, że bez wody na Ziemi nie ma życia? Jest kilka istotnych powodów.
Po pierwsze, woda to świetny rozpuszczalnik, wiele substancji występujących w środowisku dobrze rozpuszcza się w wodzie. Umożliwia to ich transportowanie w wodnych arteriach przesyłowych roślin, gleby i zwierząt. Natomiast siły napędzające wodę mogą być różne.
Po drugie, woda posiada pewną unikalną właściwość fizyczną. Jej gęstość jest największa w temperaturze 4°C, co powoduje, że zbiorniki wodne zamarzają od góry, chroniąc żywe organizmy zgromadzone na dnie.
Po trzecie, woda posiada wspaniałe właściwości magazynowania energii. Chroni to klimat na Ziemi przed gwałtownymi zmianami temperatur. Oceany ziemskie stanowią potężny zbiornik energii cieplnej – stabilizator klimatyczny. Bez jego działania wahania temperatur pomiędzy latem i zimą byłyby ogromne, zagrażające życiu.
2. Zwilżanie gleby - włoskowatość.
Jedną z ciekawych i ważnych właściwości wody jest jej umiejętność do zwilżania niektórych materiałów. Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane przez przyrodę do transportowania rozpuszczonych w niej substancji. Kropla deszczu, która upadnie na glebę jest natychmiast rozprowadzana po jej objętości. Jak uczy I. Newton muszą działać na cząsteczki wody niezrównoważone siły, ponieważ pojawił się ruch. Te siły to siły przylegania i siły spójności. Pomiędzy nimi rozgrywa się mecz o zwycięstwo. Jeżeli wygrywają siły przylegania to woda wędruje, jeżeli siły spójności to woda cofa się tworząc optymalną energetycznie formę – w skrajnym przypadku kulę. Jeżeli siły się zrównoważą ruch zamiera.
Siły spójności to przyciąganie zachodzące pomiędzy cząsteczkami cieczy. To właśnie one powodują, że na granicy ośrodków, powietrze–woda powstaje błona rozdzielająca te dwa środowiska. Zjawisko to nazywa się napięciem powierzchniowym. Dzieje się tak dlatego, ponieważ siły działające na cząsteczki wody znajdujące się na powierzchni wytwarzają strukturę przypominającą membranę napiętą jak błona na bębnie. Siły działające na cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy zerują się.
Woda w kontakcie z obcym ciałem (np. powierzchnią naczynia) w zależności od relacji pomiędzy siłami spójności a siłami przylegania może wytworzyć menisk wklęsły lub wypukły. Menisk wklęsły powstanie, jeżeli siły przylegania są większe od sił spójności, menisk wypukły powstaje w przypadku odwrotnym. Na rysunku poniżej przedstawiono zachowanie się dwóch różnych cieczy w cienkiej szklanej rurce (kapilarze). Strzałki pokazują kierunek i zwrot siły wypadkowej, w wyniku jej działania np. słupek wody może powędrować do góry, natomiast słupek rtęci zostanie wepchnięty w dół
3. Wiatr.
Innym czynnikiem ogromnie ważnym, wpływającym na transport w przyrodzie, jest ruch powietrza. Wiatr dla fizyka to przemieszczające się w określonym kierunku cząsteczki powietrza. Wywołują go oczywiście jakieś siły, np. różnica ciśnień. Zjawisko wiatru wykorzystują na przykład rośliny do transportowania nasion. Przyroda wykazuje wielką pomysłowość w ich konstrukcji. Mogą być delikatne jak np. nasiona dmuchawca lub przypominające śmigło samolotu nasiona klonu. W jednym i drugim przypadku cel jest ten sam – rozmieścić je na maksymalnie dużym obszarze. Cząsteczki powietrza uderzając w nasiona przemieszczają je zgodnie z zasadami fizyki. Im większa siła (silniejszy wiatr), tym dalszy zasięg.
4. Osmoza.
Różnica stężeń soli rozpuszczonych w wodzie również stanowi źródło siły napędzającej transport. Jeżeli dwa roztwory (np. soli kuchennej lub cukru) o różnym stężeniu, rozdzielimy błoną półprzepuszczalną, zaobserwujemy zjawisko polegające na takim ruchu cząsteczek, aby doszło do wyrównania stężeń. Zadaniem błony półprzepuszczalnej jest zatrzymywanie obiektów o zbyt dużych rozmiarach – spełnia funkcję sita. Ponieważ cząsteczki soli i cukru są zbyt duże, aby przejść przez sito, jedynym sposobem na wyrównanie stężeń w obu zbiornikach jest przepływ znacznie mniejszych cząsteczek wody. Zjawisko to nazywamy osmozą, jest ono podstawowym narzędziem przyrody do transportowania wody na znaczne wysokości w roślinach (biolodzy nazywają je parciem korzeniowym). Niektóre drzewa są naprawdę wysokie (sekwoja 115 m) a woda z rozpuszczonymi w niej solami mineralnymi musi dotrzeć na sam szczyt. Mechanizm transportujący wodę w sekwojach wytwarza ciśnienie ponad 10 atmosfer = 9800 hPa. Słup wody o wysokości 10 m wywiera ciśnienie u podstawy 1 atm. Dla przykładu ciśnienie wody w sieci miejskiej wynosi około 3 atmosfer.
Grudzień 2024
