1.4 – Propriétés intéressantes de l’eau pour la vie

Image en en-tête : Une molécule d’eau polaire : avec une charge partielle positive et négative. Source : ESA.

Nous pouvons penser que l’eau est très banale, mais il s’agit en fait d’une petite molécule miraculeuse dotée de propriétés très extraordinaires qui constituent un environnement idéal pour les cellules vivantes. Dans ce chapitre, nous examinons quelles sont les propriétés les plus essentielles de l’eau et pourquoi elles sont si importantes à la fois pour les cellules vivantes et pour la viabilité de notre planète.

L’eau comme solvant

L’eau ou_H2Oest une molécule polaire. C’est-à-dire que cette molécule ne porte pas une charge égale des deux côtés. La molécule est asymétrique : les atomes d’hydrogène sont le long d’un côté, et la paire d’électrons libres de l’oxygène pointe vers l’autre côté. L’oxygène a tendance à attirer les électrons de la molécule plus vers lui. Par conséquent, le côté hydrogène porte moins de charge négative. Après tout, les électrons portent une charge négative et, dans une molécule d’eau, ils sont plus nombreux du côté de l’oxygène. Tu peux aussi dire que le côté oxygène porte une charge négative partielle ^δ-, et que le côté hydrogène porte une charge positive partielle ^δ+.

Maintenant, si une autre molécule ou un autre atome chargé négativement (c’est-à-dire un ion) est jeté dans l’eau, les molécules d’eau qui l’entourent vont commencer à diriger leur côté hydrogène (charge partielle positive) vers cet ion. Elles vont commencer à former un manteau d’eau autour de cet ion, pour ainsi dire. Ce manteau est très stable. C’est pourquoi l’ion se dissout bien dans l’eau. L’exemple classique est le sel de table ou NaCl (chlorure de sodium). Dans l’eau, ce sel se divise spontanément en deux ions : ^Na+ et ^Cl-. Les deux ions sont alors rapidement entourés de coquilles d’eau, comme le montre le dessin ci-dessus.

D’autres sels, sucres, etc. se dissolvent également facilement dans l’eau de la même manière. Et il en va de même pour les grandes biomolécules – les protéines, par exemple – lorsqu’elles portent de nombreuses charges ioniques ou charges partielles à l’extérieur. En d’autres termes, les molécules polaires se dissolvent facilement dans l’eau. Une cellule vivante est essentiellement un sac d’eau dans lequel se déroulent toutes sortes de réactions chimiques. En règle générale, il y a de l’eau à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Celle-ci contrôle alors toutes les réactions chimiques à l’intérieur de la cellule et à la frontière avec le monde extérieur, la membrane cellulaire. L’eau est le solvant idéal en tant que petite molécule polaire. De plus, les réactions biochimiques font grand usage des ions que l’eau elle-même peut former : ^H+ et ^OH-. La concentration d’ions ^H+ libres (= acidité) est donc également un régulateur très important qui détermine si certaines réactions se déroulent ou non.

Hydrophile ou hydrophobe (qui aime l’eau ou qui la repousse)

Cependant, il existe aussi des molécules non polaires, comme la graisse et l’huile. Il s’agit donc de molécules dans lesquelles les charges électriques sont réparties uniformément. Elles n’ont donc pas de charges partielles sur leurs côtés. La molécule d’eau non polaire ne peut pas former une coquille stable autour d’elle. Dans ce cas, il est plus stable pour les molécules non polaires de s’asseoir l’une contre l’autre. C’est pourquoi elles sont très peu solubles dans l’eau. C’est pourquoi les taches d’huile peuvent exister sur l’eau ou que la graisse ne s’enlève pas facilement avec de l’eau pure. On appelle ces substances hydrophobes: elles n’aiment pas l’eau. Certaines grosses graisses ou protéines ont un côté hydrophile et un côté hydrophobe. Dans l’eau, ces molécules commencent à se coller les unes aux autres avec leur côté hydrophobe, tandis que tous les côtés hydrophiles pointent vers l’extérieur. Elles peuvent ainsi former spontanément des sphères ou des cellules microscopiques(micelles) sans avoir besoin d’énergie.

Membranes

Comme le savon, il existe aussi des biomolécules qui ont des têtes polaires et des queues apolaires : les phospholipides, par exemple. Dans les phospholipides, les queues sont formées par des acides gras hydrophobes (hydrophobes). Ces molécules s’organisent donc spontanément en micelles ou en doubles couches encore plus grandes dans l’eau. Ces doubles couches sont des membranes. Toutes les cellules vivantes sur Terre utilisent des membranes de phospholipides comme limites extérieures de leur corps cellulaire. C’est incroyablement pratique. La plupart des molécules ne peuvent pas traverser facilement la membrane. C’est pourquoi la membrane est dite semi-perméable : elle n’est perméable qu’à quelques petites molécules. Cela donne à la cellule vivante beaucoup de contrôle sur ce qui entre et ce qui sort. Pour réguler tout cela très finement, on fabrique alors des protéines qui dépassent de la membrane, régulant l’entrée et la sortie de substances spécifiques comme un véritable contrôle aux frontières.

Les liaisons hydrogène rendent cette substance unique

Lorsque de nombreuses molécules d’eau se trouvent les unes à côté des autres, les côtés chargés positivement de l’hydrogène commencent à s’aligner avec les côtés chargés négativement de l’oxygène. Ainsi, toutes les molécules d’eau s’accrochent ensemble, pour ainsi dire, par le biais de ce que l’on appelle les« liaisons hydrogène« . L’eau est très douée pour cela ! D’autres substances peuvent également établir des liaisons hydrogène, mais avec l’eau, en raison de la forme de la molécule_H2O, la molécule entière est complètement entourée de ponts. Par conséquent, une goutte d’eau s’accroche bien et peut reposer comme une boule sur la table. Nous appelons cette propriété la grande tension superficielle. Elle a de nombreuses conséquences intéressantes pour la vie sur Terre.

Qu’en est-il des effets capillaires , par exemple. Si de l’eau pénètre dans un tube vertical très fin, tu verras que l’eau remonte d’elle-même. Cela est dû à la forte tension superficielle. Les plantes l’utilisent naturellement pour transporter l’eau du sol vers leurs feuilles. Il y a aussi l’effet que les gouttes de pluie restent sur tout. Par exemple, sur les feuilles des arbres dans la forêt tropicale ou dans les pores du sol ou des rochers. Sans cette grande tension de surface, ces gouttes s’écouleraient. Bien sûr, cela permet à un biotope de ne pas se dessécher rapidement. Et la prochaine fois que tu verras un scribouillard ou un insecte à bâton marcher sur l’eau : sache que c’est possible grâce à la forte tension superficielle.

Un autre effet est lié à l’évaporation. En raison des liaisons hydrogène, une très grande quantité d’énergie est nécessaire pour que les molécules d’eau s’échappent du liquide vers l’air situé au-dessus. Cette énergie d’évaporation élevée empêche une déshydratation trop rapide, mais peut aussi, par exemple, refroidir activement un corps lorsqu’il fait trop chaud. Si nos glandes sudoripares mouillent notre peau, l’évaporation de cette sueur va extraire beaucoup d’énergie thermique de notre peau, et nous nous refroidissons bien.