Вода как лимитирующий фактор

Вода, ставшая неотъемлемым спутником жизнедеятельности любого организма как физиологически необходимый компонент, с экологической точки зрения служит лимитирующим фактором как на суше, так и в воде. На первый взгляд, вода представляется как широко распространенное вещество, весьма простое по составу: два атома водорода соединены с одним атомом кислорода. И это, казалось бы, несложное соединение H2O вряд ли таит в себе что-либо необыкновенно новое, а тем более загадочное. Но это, оказывается, далеко не так. В результате накопленных знаний и информации, получаемой в постоянном общении человека с водой, проясняются удивительные, а подчас и совершенно необъяснимые свойства воды. Хорошо известны дискуссии о свойствах свежеталой воды или опыты с водой, расположенной в магнитном поле.

Обыкновенная вода, представленная формулой H2O, состоит из соединения изотопов кислорода и водорода. Эти простые, но своеобразные элементы, как известно, широко распространены на нашей планете и в космосе. Водород имеет простое строение: один протон и один электрон. Атом водорода, соединившись с атомом кислорода, обретает дополнительную возможность притяжения, т.е. создания так называемых водородных связей. Кислород является одним из наиболее активных элементов в природе. Его первая оболочка содержит два электрона, а вторая всего шесть вместо восьми (т.е. для устойчивости кислороду нужно еще два протона). Кислород, взаимодействуя с другими атомами, отдающими электроны, проявляет на редкость активный характер. По системе химических элементов, созданной Д.И. Менделеевым (1834-1907), аналогом кислорода является ряд: сера (S), селен (Se), теллур (Te). Соединения этих элементов с водородом (H2S, H2Se, H2Te) называются гидратами, однако свойства воды резко отличаются от характеристик названных элементов того же ряда, температура кипения и замерзания, например, для трех приведенных гидратов прямо пропорциональна их молекулярным весам, вода же не подчиняется этой закономерности.

При изучении воды как лимитирующего фактора особый интерес представляют свойства воды и ее качественные характеристики. К основным параметрам, по которым оценивается вода, прежде всего относятся: влажность, теплота парообразования, удельная теплоемкость, температура замерзания, количество осадков, запас поверхностных вод и содержание кислорода в водах водоемов.

Влажность характеризуется содержанием водяного пара в воздухе. Максимальная влажность (точка росы) - это параметр, характеризующий максимальное количество влаги, которое может находиться в воздухе при определенной температуре. Абсолютная влажность - количество водяного пара, содержащегося в воздухе и выраженное через массу воды на единицу массы воздуха, или это фактическое количество влаги, находящейся в воздухе при определенной температуре (например, в граммах на килограмм воздуха). Количество пара, удерживаемое воздухом при насыщении, зависит от температуры и давления, поэтому введено понятие относительной влажности. Относительная влажность характеризуется отношением в процентах абсолютной влажности и давления.

В природе существует суточный ритм влажности, который вместе со светом и температурой играет существенную роль в регулировании активности жизнедеятельности организма. Взаимодействие двух важных компонентов микроклимата - температуры и влажности (как и других факторов) - зависит как от относительной, так и от абсолютной их величины.

В природе встречается водород (кроме обычного) с массой 2-дейтерий (D) и с массой 3-дейтерий (T); кислород помимо обычного с атомным весом 16, встречается в виде изотопов с атомными весами 17 и 18. Разница в изотопном составе сказывается на физических свойствах воды.

Температура, к примеру, оказывает на организмы более лимитирующее влияние, если условия влажности близки к критическим, т.е. влажность имеет экстремальные значения (очень велика или очень мала). С другой стороны, влажность играет критическую роль, если температура близка к предельным значениям.

Не менее интересна теплота парообразования воды, которая более чем в два раза превосходит теплоту парообразования веществ с наиболее высокой величиной этого параметра - выше 400103 Дж/кг. На испарение 1 кг воды расходуется 2254103 Дж, т.е. в 7 раз больше количества теплоты, необходимого для плавления льда. Это количество также идет на пользу жизнедеятельности биосферы: крайне медленное испарение воды в самые экстремально знойные годы позволяет сохранять баланс воды в гидросфере. Еще одно необычное свойство воды - ее очень высокая удельная теплоемкость. Для сравнения напомним, что удельная теплоемкость воды 4,1868 кДж/(кгК), растительных масел - 2,094; ацетона - 2,219; фенола - 2,345; метилового спирта - 2,345; глицерина - 2,428; этилового спирта - 2,847; парафина - 2,911 кДж/(кгК).

Как видим, удельная теплоемкость воды почти в два раза превышает этот параметр для любой из указанных жидкостей. Благодаря именно такой высокой удельной теплоемкости на континентах планеты, окруженной огромными водными массивами Мирового океана, не происходит резкого перепада температур ночью и днем, зимой и летом.

Теплоемкость любого вещества увеличивается с нагреванием его. Вода и в этом случае составляет исключение: с повышением температуры воды от 0 до 370С теплоемкость ее падает, а при дальнейшем нагревании от 37 до 1000С теплоемкость повышается. Удивительно и то, что теплоемкость водяного пара значительно меньше - 2,08 кДж/(кгК) и близка к теплоемкости льда - 2,06 кДж/(кгК). Рассматривая температурную зависимость удельной теплоемкости, стоит обратить внимание на интересную связь свойств воды с физиологическим процессом поддержания температуры тела в определенных границах (36,1-36,20С). Действительно, теплоемкость воды достигает максимальных значений при температуре около 370С, совпадающей с нормальной температурой тела человека, поддерживаемой его организмом путем саморегуляции для сохранения установившейся последовательности, взаимосвязанности и скорости биологических процессов, или, иными словами, для нормальной жизнедеятельности. Именно при температуре около 370С сложнейшие биохимические процессы в организме человека обеспечивают наиболее оптимальную жизнедеятельность, т.е. организм человека находится в наивыгоднейшем энергетическом состоянии.

Благодаря своим уникальным свойствам и, прежде всего, устойчивости и широкой распространенности на нашей планете, вода была принята в качестве вещества с эталонными физическими характеристиками измерения температуры, тепла и массы.

Температура замерзания воды при нормальном атмосферном давлении принята за нуль, а температура кипения - за 1000 по шкале Цельсия. За единицу измерения количества тепла принято такое его количество, которое необходимо для нагревания 1 г воды от 15 до 160С. Эту единицу количества тепла назвали калорией. Для определения массы была использована масса 1 см3 дистиллированной воды при температуре ее наибольшей плотности, названная граммом.

Распределение осадков по временам года - крайне важный лимитирующий фактор для организма. Количество осадков, как правило, зависит от характера и путей движения воздушных масс или так называемых "погодных систем". Неравномерное распределение осадков по временам года оказывает значительное влияние на жизнедеятельность растений и животных. Так, если осадки выпадают равномерно по времени года при общем их количестве 900 мм, то экстремальные ситуации не возникают; при выпадении того же количества осадков за один сезон растениям и живым организмам приходится переносить длительные периоды засухи со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.

От количества атмосферных осадков в данном регионе зависит и запас поверхностной воды. Однако в песчаных местах обильные осадки быстро просачиваются сквозь пористую почву, оставляя крайне недостаточное количество воды для нормальной жизнедеятельности растений и животных. И наоборот, иные почвы так прочно удерживают воду, не пропуская ее в подпочвенные слои, что растения не угнетаются отсутствием воды, питаясь водой, накопленной за время дождей. Вода, которая поступает в растения из почвы, почти полностью испаряется (более 95%) через листья. Это уникальное явление энергетики наземных экосистем получило название транспирации. Эффективностью транспирации принято называть отношение роста продукции к количеству транспирированной воды и выражать обычно в граммах сухого вещества на 1000 г транспирированной воды. Содержание кислорода в водах океанов колеблется в пределах 0-10 мл/л и зависит от абсорбции кислорода в атмосферу (т.е. обогащения) и выделения кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза, а также от десорбции кислорода в атмосферу (обеднения), окислительных процессов, потребления биологическим веществом. Концентрация кислорода увеличивается при понижении температуры и уменьшается с повышением температуры и содержания солей. От концентрации солей зависит температура замерзания воды, и по этому показателю легко определить температуру замерзания моря; например: при содержании солей не более 25 г/кг (Белое море) температура замерзания составит 1,350С, при 12 г/кг (Азовское море) температура замерзания - 0,60С.

Говоря об исключительных свойствах воды, таящих в себе загадки, которые природа неохотно открывает науке, следует обратить внимание на тяжелую (дейтериевую) воду. Что это за феномен - тяжелая вода? О тяжелой воде, ее качествах и особенно характере воздействия на человеческий организм и природную среду еще далеко не все известно. Обнаружение тяжелой воды современная наука относит к началу сороковых годов нашего столетия. В 1932 г. американский ученый Гарольд Юри (1893-1981 гг.), позднее лауреат Нобелевской премии (1934 г), впервые выделил тяжелый изотоп водорода - дейтерий, содержащийся в обычном водороде. Вскоре после этого ученый получил и тяжелую воду, в молекуле которой вместо атома водорода находился атом дейтерия. Открытие дейтерия подтвердило предсказание Эрнеста Резерфорда (1871-1937 гг.) о существовании тяжелого изотопа водорода. Об открытии дейтерия Г.Юри сделал сообщение в 1931году на собрании Американской ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. В дальнейшем с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов ученому удалось получить образец с высоким содержанием дейтерия. Тяжелая вода впервые получена Г. Юри и Э.Ф. Осборном в 1932 г. Полагают, что структура H2O и структура тяжелой воды D20 почти идентичны, с той лишь разницей, что D2О значительно прочнее, поскольку дейтериевая вода сильнее водородной.

Природа же продолжает хранить свою тайну в глубинах безбрежного океана. По органическим характеристикам отличить тяжелую воду от обычной оказалось непросто, ибо как тяжелая, так и обычная вода не обладают ни цветом, ни вкусом, ни запахом.

Известие о том, что в природе существует отличная от обычной тяжелая вода, которую мы так или иначе вводим в свой организм в течение всей своей жизни, озадачило многих ученых. "В эволюции химических форм в биосфере и литосфере тяжелая вода не может принимать участия. Вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного процесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, представляется весьма важным с точки зрения обмена веществ в живых организмах, в которых вода играет первостепенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду. Какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным", - писал академик Н.Д. Зелинский в 1934 г.

Как же влияет тяжелая вода на живые организмы и природу? На этот вопрос пока однозначно ответить нелегко.

Ученые выяснили, что тяжелая вода, в отличие от обыкновенной, подавляет все живое. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы гибнут при поливке такой водой. Тяжелая вода гибельно влияет на животных. А на человека? К сожалению, о тяжелой воде нам известно еще далеко не все. А что же мы все-таки знаем? Например, знаем, что в 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах дейтериевой воды обнаружено на 12-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Любопытно отметить, что дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Такие различия кажутся странными, ведь и то, и другое - осадки атмосферного происхождения. Да, источник один, а содержание тяжелой воды разное. Молодым ученым предстоит пролить свет на целый ряд вопросов, загадок и гипотез. А пока судьба тяжелой воды тесно переплелась с развитием атомной энергетики. Дейтериевая вода, как известно, используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.

Если же говорить и о физических свойствах тяжелой воды, то пока еще данных о влиянии молекул D2O на структуру воды нет; но уже известно, что молекулы D2O повышает вязкость, скрытую теплоту парообразования и скрытую теплоту плавления. Кроме того, в тяжелой воде понижаются диэлектрическая постоянная, электропроводность, растворимость солей, подвижность ионов, давление паров и некоторые другие характеристики.

Можно продолжить, что в недалеком будущем эти и другие свойства D2O, изучаемые учеными, найдут свое применение в науках о гидросфере, биосфере, литосфере, космосе, в геронтологии, в медицине и т.д.

Особо надо остановиться на грунтовых водах. Общий объем подземных вод с большой точностью установить невозможно. Ориентировочно воды, скрытые под землей, сейчас оцениваются специалистами в 23,4 млн. км3.

До недавнего времени было широко распространено мнение, что грунтовые воды - главный источник пресной воды для питьевого и бытового водоснабжения - это имеющиеся в изобилии "бесплатные" неисчерпаемые блага природы. Если большинство природных ресурсов планеты таких, как, например, нефть, уголь, цветные и драгоценные металлы и т.д. не восстанавливаются, то грунтовые воды мы склонны были считать подарком природы, данным нам навсегда. Замечательная особенность водных ресурсов - способность к возобновлению в процессе круговорота - успокаивала сознание. В научной литературе и даже некоторых учебных пособиях, изданных уже в 90-е годы, вопросу об истощении грунтовых вод не уделено внимания.

Сегодня изучение истощения и загрязнения запасов подземных вод показало ясно, что мы имеем дело в этом случае с весьма лимитирующим фактором. Именно поэтому грунтовые воды - один из самых важных для человека ресурсов - взяты под защиту закона.

Основы водного законодательства в нашей стране предусматривают использование пресной воды лишь для питьевого и бытового водоснабжения. Подземная вода образует водоносные пласты, горизонты и гидрологические бассейны, эксплуатация которых для нужд, не связанных с питьевым и бытовым потреблением, разрешается только с согласия специальных государственных органов, осуществляющих регулирование, использование и охрану водных ресурсов. К крупнейшим бассейнам в стране относятся: Московский артезианский, Днепровско-Донецкий, Западносибирский и другие.

Подземные воды, несмотря на лучшую естественную защищенность по сравнению с поверхностными водоемами, тоже подвержены загрязнению вредными веществами.

Различают два основных вида загрязнений подземных вод: микробное и химическое. Очагами микробного загрязнения могут быть поля ассенизации и фильтрации, животноводческие фермы и другие объекты, в которых осуществляется прямая фильтрация загрязненных вод. Источниками химического загрязнения чаще всего служат поверхностные воды и атмосферные осадки, загрязняемые промышленными выбросами в воздушную среду, а также на территории промышленных предприятий, загроможденных отходами производства, ядохимикатами поверхностно-активными веществами (ПАВ). Особую опасность представляют воды, смываемые с сельскохозяйственных полей и промышленных площадок, просачивающиеся через поры и трещины пластов земли и загрязняющие подземные воды продуктами химических удобрений, ядохимикатами, а также солями металлов и их окислами, кислотами, цианистыми соединениями и т.д. Не менее опасны утечки углеводородов - нефти, бензина, керосина, мазута, особенно в больших количествах, которые способны быстро просачиваться в водоносные горизонты. Однако подземная вода обычно намного чище речной и озерной, так как она хорошо защищена совокупностью гидрологических условий, предохраняющих от попадания вредных веществ в водоносные пласты. Именно это позволило во многих городах (например, Минске, Киеве, Тюмени, Витебске) почти полностью перейти на подземную питьевую воду. Около двух третей наших городов для питьевых и бытовых нужд используют воду из-под земли и еще 20% потребляют подземную воду с речной водой.

Однако в связи с заметным ростом населения и его производственной деятельностью потребность в воде значительно стала возрастать и сейчас достигла таких масштабов, что проблема нехватки пресной воды возникла практически во всех промышленно развитых странах.

В США грунтовые воды дают 25% всей пресной воды. Говоря об использовании подземных вод в США, крупный американский эколог Ю.Одум свидетельствует, что в 1975 г. около 70% грунтовых вод шло на орошение, а в последующий период, т.е. в 80-х годах, потребление воды в этих целях резко возросло: 15% идет на нужды промышленности и примерно столько же - на бытовые нужды. В основном в сельскохозяйственных районах Запада США в 1975 г. почти четверть всех водозаборов превышали приток. Приводя в пример водоносный горизонт Огаллала, снабжающий водой равнины Техаса, Канзаса, Оклахомы, Небраски и водосточной части Колорадо, ученый пишет, что производство зерна, основанное на орошении в указанных районах, составляет существенную часть экспортных товаров, поступлениями от которых США расплачиваются за ввозимую из-за рубежа нефть. Приносящая миллиарды долларов экономика этого региона, - отмечает Ю. Одум, - основана на комбинации "ископаемой " воды с горючими ископаемыми (которые необходимы, чтобы выкачивать воду). Предсказывают, что за два-три предстоящих десятилетия этот водоносный слой будет практически исчерпан. Ископаемая вода кончится раньше ископаемого топлива, но и топливо окажется без воды бесполезным. Тогда этот регион будет охвачен тяжелой экономической депрессией, и придется искать какое-то другое место для выращивания зерна - если только не окажется возможным перебросить сюда воду из речной системы Миссисипи.

Полагаем, что мимо внимания читателя не прошел факт "искусного" решения экологической проблемы, связанной с добычей нефти и других видов топлива. Связанные с вредной технологией и загрязнением биосферы (в частности, и сточных вод) разработка и производство топлива заменяются безобидным, на первый взгляд, орошением полей для производства экспортируемого зерна, за счет поступления от которых США платит за импортируемую нефть.

Но это только на первый взгляд. Решая одну экологическую проблему - не загрязнять окружающую среду производством, добычей и разработкой топлива, закупая его за рубежом, упускают другое: бесконтрольное сведение грунтовых вод приводит к другому, не менее тяжелому кризису. Не лучшим является и локальность "решения" экологической проблемы путем приобретения топлива, ведь попытка не загрязнять среду одного региона за счет щедрой оплаты производства, загрязняющего среду в другой части планеты, в глобальном, т.е. планетарном, балансе экологический дефицит отнюдь не устраняет. Биосфера постоянно разрушается. От каждой экологической катастрофы страдает все человеческое общество в целом и его потомство. Как и всегда, причина и следствие находятся в единстве. Любое явление природы и общества есть следствие той или иной причины. И если мы - люди - загрязняем среду обитания или сводим леса и воды без учета возможностей природы, самовосстановления, естественного развития всех компонентов биосферы, то в этом случае следствие - экологическая катастрофа - последует неотвратимо.

Чем больше и невежественнее причина, тем жестче и "невежественнее" следствие. И здесь напрашивается вывод, что человек всегда должен решать свои хозяйственно-экономические задачи в научно-обоснованной взаимосвязи с проблемами экологии, видеть планету как наш общий дом, как единое целое.