Аномальные свойства воды

РОЛЬ ВОДЫ В БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССАХ

Вода — самое распространенное вещество на Земле, из­начально существовавшее на нашей планете.

Молекулы воды, состоящие из двух атомов водорода и одного атома кислорода, образуют исключительно устойчи­вое химическое соединение, которое может существовать в самых разных условиях — в космосе, на поверхности Земли и в ее мантии. Атомы водорода и кислорода существуют в виде нескольких нуклидов. Стабильных нуклидов водорода два — обычный водород ¹Н, или протий, и тяжелый водород ²Н, или дейтерий (их соотношение в природе 6700:1). Стабильных нуклидов кислорода три — ^1бО, ¹⁷О и ¹⁸О (их соотношение в природе - 99,759 % ; 0,037 % ; 0,204 %). Обычная природная вода, содержащая нуклиды ¹Н и ^1бО, составляет 99,73 % гидросферы Земли.

Вода — одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред, образовавшихся в результате эволюции Земли. Она составная часть биосферы, обладает целым ря­дом аномальных свойств, определяемых структурой ее молекул и влияющих на протекающие в экосистемах физико-хи­мические и биологические процессы.

Аномальные свойства воды

Как известно, свойства простых и сложных веществ на­ходятся в зависимости от их относительной молекулярной массы. С этой точки зрения вода должна быть подобна химическим соединениям водорода с другими элементами VI группы периодической систе­мы химических элементов Д. И. Менделеева: серой (H₂S), селеном (H₂Se) и теллуром (Н₂Те), т. е. кипеть при -70 °С и замерзать при -90 °С (пунктир на рисунке).

Если бы вода обладала такими свойства­ми, то на Земле она могла бы существовать только в виде пара. Однако вода, в отличие от приведенных веществ, имеет очень высо­кие температуры замерзания (0 °С) и кипе­ния (100 °С). Это позволяет ей существовать на нашей планете во всех агрегатных состоя­ниях (водяной пар атмосферы, Мировой океан, ледники), что имеет большое значение для геологических, климатических и биологических процессов на Земле.

В отличие от большинства веществ, плот­ность которых с понижением температуры увеличивается, вода имеет наибольшую плот­ность при 4 °С (р = 1000 кг/м³), выше и ниже этой температуры она меньше. Плотность воды при 0 °С равна 999,968 кг/м³, тогда как плотность льда при этой температуре — 916,8 кг/м³. Поэтому при замерзании водо­емов лед не опускается на дно, а глубокие водоемы вообще не промерзают до дна, за счет чего в них сохраняется жизнь.

Вода обладает уникальными тепловыми характеристиками во всех ее агрегатных состояниях — очень высокими теплотой плавления льда, теплотой испарения и теп­лоемкостью. Из всех природных твердых и жидких веществ вода обладает наибольшей теплоемкостью: удельная теплоемкость воды при нормальных условиях составляет 4,19 кДжДкг • град). Это делает воду, при том ее количестве, которое имеется на Земле, планетарным аккумулятором тепла, а с уче­том круговорота воды, охватывающего все подразделения биосферы, и планетарным переносчиком тепла.

Вода — мощный тепловой стабилизатор, обеспечивающий устойчивый климат на пла­нете в течение тысячелетий. Парниковый эффект, обусловленный присутствием в ат­мосфере водяного пара и углекислого газа, обеспечивает среднегодовую температуру у поверхности Земли порядка 15 °С, при этом на долю водяного пара приходится 60 % те­плового излучения, отражаемого земной поверхностью. Уменьшение содержания во­дяного пара в атмосфере наполовину вызва­ло бы понижение температуры у поверхно­сти Земли до катастрофического значения -5 °С. К счастью, в отличие от углекислого газа, содержание которого в атмосфере за счет антропогенных выбросов возрастает (происходит усиление парникового эффек­та), содержание водяного пара в атмосфере, обусловленное глобальным геобиохимиче­ским круговоротом воды в биосфере, доста­точно стабильно.

Вода — среда жизни

В ходе эволюции вода создала окружаю­щую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (Мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она ста­ла тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внеш­них условиях зародилась жизнь на Земле.

Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимиче­ские реакции в клетках животных и расти­тельных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70-80 %, т. е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество — это водный раствор, и почти все процессы, обеспечиваю­щие его жизнедеятельность, сводятся к хими­ческим реакциям в водном растворе.

По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л — жидкая составляющая — плазма) и обеспечи­вает возможность обмена веществ в организ­ме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, — транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен по­лучать около 2,5 л воды в сутки (непосредст­венно и с пищей). В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество — почти четвертую часть годового стока всех рек мира. Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело перено­сит потерю 5 % воды, а обезвоживание на 15-25 % приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.

Как известно, кислород атмосферы, иг­рающий исключительно важную роль в функ­ционировании всех аэробных живых орга­низмов, в том числе и человека, — биогенно­го происхождения. Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосфе­ру фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза — важнейшего биохими­ческого процесса на нашей планете. С помо­щью масс-спектрометрии и с использовани­ем изотопной разновидности воды Н₂¹⁸О было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода:

nCO₂ + nH₂¹⁸O ® [CH₂O]_n + n¹⁸O₂­

Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:

nCO₂ + 2nH₂¹⁸O ® [CH₂O]_n + n¹⁸O₂­

откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.

Одновременно с образованием первич­ных гидросферы и атмосферы на Земле за­родился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продол­жается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды — глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный ис­точник — составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», — считал В. И. Вернадский.

Круговорот воды в природе — это непре­рывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидро­сферы. Примерно за 3000 лет вся современ­ная масса гидросферы испаряется, т. е. ин­тенсивность возобновления воды достаточ­но велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, про­пускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода — это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит рас­тениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации — испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, — писал В. И. Вернадский, — и в жидкой, и в газооб­разной, и в твердой форме находится в не­прерывном движении, переполнена действен­ной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее... Картина видимой приро­ды определяется водой...»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ПЛАНЕТЫ

Велика роль воды в истории человече­ской цивилизации. Вся практическая (хозяй­ственная) деятельность человека с самой глу бокой древности связана с использованием воды. Вода — ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.

Вода — один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде все­го электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнер­гии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепло­вых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогене­раторы.