Овидий Н2О, жидкость без запаха, вкуса, цвета…

В 1975 г. было завершено издание пятитомного произведения под названием «Вода, всеобъемлющий трактат», которое создали виднейшие специалисты мира. Пять томов по объему значительно превышают 1000 страниц. Это было действительно всеобъемлющее произведение, в котором с позиций физики и физической химии рассматривались и делались попытки объяснить свойства самой воды, разнообразных водных растворов, в том числе растворов органики, поведение воды в дисперсных системах и в кристаллических гидратах. Наряду с большим числом ответов в пятитомнике оказалось и большое количество вопросов, на которые ответов не было или они были неоднозначны.

Тончайшая пленка, обволакивающая нашу планету, гидросфера – на редкость устойчива и по-настоящему необходима Земле, так как именно она делает Землю Землей. В чем же причина этой таинственной стойкости и абсолютной ее необходимости, что скрыто обыкновенной воде?

Если кому-то из нас задать вопрос, что такое вода, то первой реакцией будет удивление, а второй – скорее всего формула Н₂О. Потом, наверное, последует разъяснение о том, что вода – это широко распространенное вещество и к тому же крайне полезное, но в целом в нем нет ничего особенного. Действительно, что может быть проще Н₂О? Два атома водорода соединены с одним атомом кислорода. Трудно поверить в необыкновенность, а тем более таинственность такого, казалось бы, обыкновенного соединения. Но, оказывается, воде свойственны и необыкновенность, и таинственность.

Анализ обыкновенной воды показывает, что на самом деле это смесь нескольких разновидностей воды с общей формулой Н₂О, представляющих собой соединения изотопов кислорода и водорода. Кроме обычного водорода в природе встречается водород с массой 2, называемый дейтерий (D), и еще более тяжелый водород с массой 3, называемый тритий (Т). У кислорода кроме обычного с атомным весом 16, выявлены еще два более тяжелых изотопа: с атомными весами 17 и 18.

Теоретически может существовать 42 разнообразных изотопных разновидностей воды, из которых только 7 устойчивы, т.е. не радиоактивны. Однако пока обнаружены далеко не все разновидности воды. А именно смеси этих изотопных разновидностей воды и образуют реальную гидросферу. 99,73% гидросферы состоит из обычной воды с молекулярным составом Н₂О¹⁸ . Доля тяжелой воды с составом DO₂ в природных водах составляет в среднем 1/6800, или примерно 0,15 мл на 1 л. природной воды.

Разница в изотопном составе сказывается на физических свойствах воды. Так, тяжелая вода имеет плотность 1,104 г/см², кипит при 101, 43⁰С, а лед из тяжелой воды плавится при 3,813⁰С. Тяжелая вода испаряется медленнее, чем обыкновенная, и, может быть, поэтому в некоторых замкнутых водоемах происходит обогащение тяжелой водой. Эксперименты показывают, что она угнетает растения, а в больших дозах даже вызывает их гибель. В общей массе природной воды влияние изотопных разновидностей на физические свойства неощутимо или пока достаточно не выяснено.

При 0⁰С вода состоит из мономеров Н₂0 только частично, большая же ее часть при этой температуре состоит из триммеров (Н₂О)₃, в то время как при температуре 4⁰С основную массу воды составляют димеры (Н₂О)₂.

Как бы ни было велико число изотопов, казалось бы, что сложнее ее химический состав. С этой точки зрения, вода, имеющая простой состав, должна быть познана гораздо лучше любой другой жидкости более сложного состава. Однако именно в отношении воды это оказалось не так.


ВОДА САМОЕ БОЛЬШОЕ БОГАТСТВО
НА СВЕТЕ
Антуан де Сент-Экзюпери создал настоящий гимн воде в прозе: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснишь нашими чувствами. С тобой возвращаются к нам силы, с которыми мы уже простились. По твоей милости в нас вновь начинают бурлить высохшие родники нашего сердца. Ты самое большое богатство на свете…»

Эмбрион человека на 97% состоит из воды, а у новорожденных ее количество составляет 77% массы. К 50 годам человек немного «усыхает» и вода составляет только 60% от его массы. Основная часть воды – 70% - сосредоточена внутри клеток, а 30% - это внеклеточная вода, которая разделяется на две части: меньшая, порядка 7%, - это кровь и лимфа (последнее является фильтратом крови), а большая часть омывает клетки. Эту воду называют межтканевой, или интерстициальной (т.е. промежуточной). Теперь, зная свой вес и возраст, каждый может приблизительно подсчитать массу своей внутренней гидросферы и ее составляющих.

Потери воды при дыхании составляют в среднем около 4^.10² г. Потери с поверхности кожи, связанные в значительной степени с терморегуляцией, меняются, но в среднем составляют 6^.10² г. Прямые, назовем их «видимыми», потери лежат в пределах (1-1,5)^.10³ г. Все эти потери происходят в течение суток, следовательно, общие суточные потери составляют (2-2,5) ^.10^{3 г.} воды.

Потери воды приводят к жажде. Человек восполняет их как прямым потреблением воды, так и через пищу, содержащую воду. Но как же возникает жажда? Все составляющие «внутренней гидросферы» находятся между собой в равновесии. Если концентрация растворенных солей в крови, интерстициальной жидкости или внутри клеток растут, то к ним через биологические мембраны клеток поступает вода. На вывод вредных и ненужных веществ из организма теряется в основном интерстициальная вода, поэтому в ней часто возрастает концентрация солей. На перемещении воды через полупроницаемую мембрану от менее концентрированного раствора к более концентрированному основана работа осморецепторов – клеток, сигнализирующих об уменьшении воды в организме. Эти клетки – центры жажды, или центры регулирования внутренней гидросферы, - находятся в гипоталамусе вместе с центрами голода, терморегуляции и некоторыми другими. Когда вокруг осморецепторов растет содержание солей, вода из них выходит наружу и они слегка сжимаются. Этого достаточно для появления чувства жажды. Повреждение соответствующего участка гипоталамуса может вызвать постоянную жажду или, наоборот, отсутствие интереса к воде даже тогда, когда рот пересыхает от жажды.

Есть и другие сигнализаторы жажды. Они возникают и при большой потери крови, правда, при этом необходимо, чтобы потери превышали 10% от массы крови. Чувство жажды при этом возникает не сразу, а только через несколько часов. Такая задержка может быть даже полезна, так как, например, утром, когда мы встаем с постели, около 10% крови отливается к ногам, и каждый человек при подобной перемене положения испытывал бы жажду. Интересно, что космонавты в условиях невесомости, когда кровь распределена равномерно, потребляют меньше воды, чем на земле. А это означает, что какую-то часть воды мы потребляем как дань прямохождению, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Сигналы жажды поступают и в результате деятельности почек. Когда масса воды в организме уменьшается, у почек становится меньше работы, и они сигнализируют об этом, выделяя определенный гормон. Чувство утоления жажды наступает обычно сразу после наполнения желудка, но задолго до того, как вода могла бы поступить во внутреннюю гидросферу. Видимо, при наполнении желудка в центр жажды поступает какой-то сигнал, отключающий тревогу. Но в желудок вода поступает не только извне, туда попадает еще 6-7 л. жидкости: 3 л слюны, по 3 л желудочного и кишечного сока и до 0,5 л – желчи ежесуточно.

Часть воды образуется непосредственно в организме при распаде белков, жиров и углеводов – это так называемая эндогенная вода. Так, при окислении 100 г углеводов дает 55,5 г. воды. Есть животные, которые вообще потребляют только такую воду, которая образуется внутри организма. В самых сухих пустынях, где, казалось бы, не может быть ничего живого, в грунте живут жучки, которые питаются приносимыми издалека ветром остатками растений, добывая из них воду в процессе переработки органических веществ, содержащихся в этих остатках. Грызуны, питаясь зернами, не нуждаются в питье. Такое животное, как верблюд, запасает воду впрок в жировом горбе, полное окисление которого может дать до 40 л. воды.

Внутренняя гидросфера человека находится в непрестанном движении. В ней идет обмен между составляющими и интенсивное перемещение таких составляющих, как кровь и интерстициальная жидкость. Всем известна мощная работа сердца: оно ежеминутно прогоняет (4,5-5)^.10³ г крови при собственной массе всего (2,2-3)^.10² г. А за сутки этот небольшой комочек мускулов прогоняет более 1^.10⁷ г крови, что в десятки тысяч раз больше собственной массы, и примерно в 150 раз больше массы самого человека.

Огромную работу проводят почки, через которые в сутки прогоняется 1^.10⁶ г жидкости. Здесь идет очистка гидросферы человека от ненужных и вредных веществ, и отсюда вода начинает свой прямой путь наружу. В среднем за свою жизнь человек потребляет (и выделяет) 7,5^.10¹⁷ г воды, что за свою жизнь (при средней продолжительности жизни 70 лет) человечество может выпить, пропустив через внутреннюю гидросферу, половину всего годового стока рек мира.

Человек тяжело переносит обезвоживание: если теряется 6-8% влаги от веса тела, то повышается температура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость и головокружение, начинается головная боль. Потеря 10% может привести к необратимым изменениям в организме, потеря 15-20% смертельна при температуре воздуха 30⁰С, а потеря 25% массы внутренней гидросферы смертельна при 20-25⁰С. Подобным же образом, но обычно более упрощенно функционирует внутренняя гидросфера многих животных. Связь животных с морем выражается многим белкам, в том числе белкам гемоглобина. Соли регулируют многие процессы. Только в крови содержится 30 г. соли. Ежедневно человеку нужен некоторый минимум соли, без нее начинается тяжелое заболевание – уремия.

Живые организмы тысячами нитей связаны с водой. Недаром безводные районы называют пустынями, имея в виду отсутствие живого. Высшие растения вообще не могут существовать без воды. Физиологические процессы в них протекают только в условиях достаточного насыщения клеток водой. Для достижения этого растения используют самые изощренные аппараты приспособления, начиная от гигантской системы корней для выкачивания воды из почвы и кончая специальными воскообразными покровами и опущением на стеблях и листьях для снижения транспирации. Потребности в воде у растений достаточно высокие, особенно хорошо это изучено для культурных растений. Так, для производства 1 т пшеницы требуется 1,5-2 т воды, для получения 1 т хлопка – 3-4 т воды, а чтобы собрать 1 т риса, надо затратить более 5 т воды. При дефиците воды более 20% резко снижается интенсивность фотосинтеза, а при дефиците 50% и выше он прекращается.

Человек разобрался далеко не во всех биологических особенностях воды, многие нити, связывающие жизнь с водой еще ускользают от него. Например, большое число опытов свидетельствует о существенном влиянии свежей талой воды на жизнедеятельность: в этой воде весной купаются птицы, с удовольствием бродят олени и другие животные. Поливы свежей талой водой растений заметно повышают урожаи. Использование этой воды в качестве питья для кур и свиней увеличивало яйценоскость первых и плодовитость последних и т.п. Исследования свежей талой воды показали, что она какое-то время сохраняет льдистую структуру: В свежей талой воде даже при температуре 4⁰С сохраняются микроскопические кристаллики льда. Физико-химические исследования обнаружили в ней некоторые отклонения от обычной воды, в частности, она имеет другую вязкость и диэлектрическую проницаемость. Талая вода приходит в обычную среднестатистическую норму только через несколько суток.

Биологи установили, что вода, связанная с клеточной протоплазмой и входящая в состав межклеточной жидкости, принимает льдистую структуру. Это еще раз свидетельствует об огромной роли воды в поддержании жизни. Невольно возникает вопрос, а может ли быть безводная жизнь? Научная фантастика, не задумываясь, предлагает разнообразные варианты такой жизни: аммиачной, фторидной, кремниевой и даже металлической. Попробуем выяснить, к чему ближе эти «жизни» - к науке или фантастике.

Чисто химический взгляд на живое вещество – это взгляд на него как на водный раствор, так как каждый живой организм в той или иной степени действительно представляет собой водный раствор, а почти все химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе. Твердофазные реакции между кристаллическими веществами немногочисленны и идут обычно намного медленнее реакций в растворе.

Когда живые существа погибают, то грибы и микробы разлагают их до простых веществ, в частности до воды и углекислого газа. Таким путем происходит быстрый круговорот углерода, с помощью которого за 6-7 лет весь углерод атмосферы проходит через биосферу. Но часть углерода, например в виде известняковых отложений, выводится организмами в «закрома» литосферы, откуда углерод снова включается в круговорот жизни через геологический круговорот воды и вулканические выбросы.

Есть еще один сильный довод, подтверждающий неразрывность воды и жизни. Советский биолог Л.А. Зенкевич, посвятивший свою жизнь изучению океана, отмечал, что все типы животных существовали уже в докембрии, т.е. все типы животных сформировались в гидросфере. После выхода жизни на сушу в фанерозое не сформировалось ни одного нового типа животных. Все представители одного типа животных имеют единый план строения. Типы отражают основные ветви филогенетического древа животных. Всех животных относят к 16 типам, хотя, по мнению разных ученых, существует от 13 до 33 типов. Половина всех типов существует и в гидросфере, и на суше, но нет таких, которые встречались бы только на суше.

Родство «душ» у воды и живой материи видно на разных масштабных уровнях. Это элементное сходство, которое показывает, что подавляющая масса живого вещества – это, по сути дела, вода, а остальная часть – элементы, в той или иной форме участвующие в круговороте воды. Это молекулярный уровень, который свидетельствует о том, что обусловленные на этом уровне свойства воды могут обеспечивать жизнь и именно только такие свойства, которые присущи жидкой воде.

Геологическая история показывает, что жизнь вплоть до фанерозоя была привязана к гидросфере и только сравнительно недавно вышла на сушу. Но и сейчас жизнь тоже всегда привязана к воде и создает самые причудливые варианты добычи необходимой воды, иногда в исключительно сложных условиях, буквально из «ничего». Наконец, круговорот воды обеспечивает непрерывное обращение необходимых для существования жизни веществ. Невольно возникает вопрос: не была ли водная среда колыбелью жизни?

Сейчас в самой развитой стране мира – США - на душу населения потребляется в сутки около 700 л воды, тогда как в некоторых развивающихся странах – не более 30 л, т.е. в 200 раз меньше. Человек каменного века потреблял, менее 10 л воды в сутки. Зато римляне в период расцвета Римского государства потребляли до 700 л воды на человека в сутки, т.е. намного больше, чем сейчас потребляют в ряде развивающихся стран, и больше, чем потребляли жители Рима в средние века. А в период правления императора Траяна (98-117 гг.) когда население Рима достигало 1 млн. человек, на каждого жителя приходилось до 1000 л воды в сутки (заметим, что в 1968 г. – только 475 л). Поэтому в литрах воды можно оценивать расцвет и упадок цивилизаций, стран и городов.

Степи и лесостепи – это зоны неустойчивого увлажнения. Засухи вызывали голод, поэтому шел стихийный поиск стабилизации урожаев. Пример подавала сама вода – в период разливов она затопляла поля, а сухие русла становились водоносными, принося плодородный ил. Поэтому ирригация и гидротехническое строительство стали еще одним важным изобретением человека, а создание системы ирригации потребовало объединения людей, организации системы управления. Деятельность древних государств и их правителей проходила часто именно в этом направлении. Это был первый скачок на пути к увеличению потребления воды.

Первый водопровод в Риме был построен в 313 г.до н.э. В самом начале нашей эры 9 водопроводов давали 700 л в сутки, а в конце XIX в. идеальным считался расход 12,5 ведра на человек в сутки. Средний же расход воды на человека принимался равным 5,5 – 6,75 ведра в сутки, т.е. примерно 40-50 л. Большие достижения римлян в строительстве гидротехнических сооружений стали возможными благодаря изобретению ими бетона, в котором вода играет существенную роль, а также свинцовых и керамических водопроводных труб.

Вместе с появлением практических задач и попыток их решения возникла наука о воде – гидрология, возраст которой, по мнению американского гидролога Раймонда Нейса, насчитывает 5000 лет. Вначале это был просто накопленный опыт ирригационных работ. Но как раз 5000 лет назад египтяне начали ежегодно фиксировать высоту паводка на Ниле, отмечая ее на скалах, стенах сооружений, ступенях береговых лестниц. Затем они стали создавать специальные колодцы, прямо связанные с рекой: в центре их ставились колонны с делениями, по которым и определялась высота поводка. По высоте паводка оценивался будущий урожай, а на основе оценки урожая можно было установить размер налога. Сам же паводок, по мнению древних египтян, имел очень «простое» происхождение – божественное. Фараон выезжал в определенное время в лодке на реку и бросал в воду папирус с возгласом: «Да будет паводок»! И он приходил.

В Китае приблизительно 3000 лет назад стали использовать дождемеры, а позднее они появились и в Индии. Такое ранее использование дождемеров в этих странах и полное их отсутствие в Египте объясняются разными природными условиями. В Китае и Индии люди видели прямую связь дождей и изменений в жизни реки, в Египте такой очевидной связи не было, так же как ее не было видно жителям Междуречья, - ведь реки Нил, Тигр и Евфрат разливались в результате осадков, выпадавших далеко в верховьях этих рек. В Древней Греции тоже не видели прямой связи между дождями и стоком рек, так как в этой стране широко распространен карст, который камуфлировал эту связь.

Исследования океана и водных объектов на суше и под землей позволили сделать оценки составляющих гидросферы нашей планеты и получить уникальный материал, который сыграл большую роль в пересмотре концепций эволюции Земли.

Ещё в 1853 г. в Бельгии состоялась первая Международная встреча гидрографов. Ими двигало стремление понять взаимосвязь океана и погоды, а сейчас эта проблема еще теснее соединила океанологов и метеорологов. Еще Э.Галлей сумел подсчитать испарение с поверхности Средиземного моря и указал на важное значение испарения и транспирации с поверхности суши: благодаря этим процессам не все выпавшие осадки стекают в море. А на рубеже XVIII - XIX вв. Джон Дальтон показал, что испарение с поверхности земли должно быть меньше, чем сумма осадков, иначе бы реки исчезли. Он также попытался рассчитать водный баланс для Англии и Уэльса.

Великая транспортная артерия – Мировой океан - остается еще во многом не познанной и опасной, чреватой катастрофами частью гидросферы. Об этом свидетельствуют весьма частые кораблекрушения, несмотря на использование при строительстве судов самых последних достижений науки и техники, создание спутниковых навигационных систем и развитие служб спасения на морях. За последние 2000 лет в океанской пучине гибло ежегодно в среднем 500 судов. Всего за указанный период их погибло около 1 миллиона. Значит, на каждые 360 км² поверхности моря приходится одно погибшее судно. Ежегодно над океаном проносится от 80 до 100 тропических ураганов (тайфунов), уносящих в среднем до 20 тыс. жизней. От бурь и волнения ежегодно погибает не менее десятка крупных и множество мелких судов. Так, в 1974 г. в открытом море сигнал SOS поступал почти от 2500 японских прогулочных и небольших рыболовных судов. Писатель Джозеф Конрад очень метко оценил океан: «Океану (не будем этого замалчивать) великодушие чуждо. Никакие проявления человеческой доблести – бесстрашие, отвага, стойкость, верность – его не трогают. Он пребывает в безответственном сознании своего могущества. Он бесстыдно жесток, как деспот, испорченный лестью».

Если у древних гидрологов и гидротехников были только некоторые практические знания и интуиция, то сейчас гидрологическая наука и практика опираются на обширную наблюдательную сеть метеорологических станций, глубоко разработанную теорию круговорота воды и модели режима и динамики воды в разнообразных водных объектах. В сеть наблюдений включаются системы, основаны на новейшей технологии: электронике, компьютерной технике, телекоммуникациях. Примером могут служить искусственные спутники Земли. Они используются в двух направлениях. В одном случае установленные на них разнообразные приборы могут собирать обширную информацию: определять увлажненную и сухую поверхность, тип растительного покрова и фазы его вегетации, распространение снежного покрова, зоны затопления, сильного волнения, места зарождения и траектории движения тропических ураганов, температуру поверхности океана, озера, реки и многое другое. При этом информация получается сразу для обширной территории и для самых удаленных и малоисследованных уголков нашей планеты. В другом случае спутники могут быть использованы с целью для «опрашивания» наземной автоматической сети станций наблюдений, накопления и передачи этой информации в центре ее обработки, хранения и выдачи.

Огромный объем гидрологической информации используется в первую очередь для разработки прогнозов и предупреждений об опасных стихийных явлениях на суше и море: наводнениях, засухах, заторах, льда селях, ледовых условиях на морях, волнениях, цунами, тропических ураганах, подтоплениях, сходах, лавин, подвижках ледников, путях движения айсбергов и т.п. Прогнозы дают не только с целью предотвращения ущерба и несчастных случаев. Прогнозы явлений и состояний в гидросфере используют для планирования экономических задач. Например, в Канаде на реке Пис-Ривер в районе Портэйдж построена крупная гидроэлектростанция. Повышение точности прогноза притока воды во время весеннего половодья только на 1% позволяет ежегодно получать здесь дополнительно 1 млн. .долл. прибыли при регулировании стока через турбины с учетом прогноза. Хороший прогноз весенне-летнего стока в наших среднеазиатских республиках дает возможность надежно регулировать сроки поливов, экономить воду и оценивать возможный урожай, что в конечном итоге влияет на объемы закупок хлопка за рубежом.

Природа постоянно напоминает человеку о том, что недооценка подвижной и активной водной стихии чревата тяжелыми последствиями. Средства массовой информации регулярно сообщают о буйстве водной стихии: наводнение в Бразилии, тропический циклон над Японией, метели над Сахалином, снежные обвалы и наводнения на Кавказе… Если ткнуть пальцем в любую точку на карте, то уверенно можно сказать, что здесь когда-то в прошлом и когда-то в будущем обязательно было и будет какое-нибудь необычное явление, связанное со стихией воды. Подвижность водной среды, участие воды в виде пара в движении атмосферы, передача ей части тепловой энергии, процессы в земной коре и множество других воздействий на гидросферу, также взаимодействие составляющих гидросферы делают явления и процессы в гидросфере крайне изменчивыми для каждой точки земной поверхности. Причем они происходят с большим размахом колебаний и разной частотой проявления. Поэтому в гидрологических расчетах широко используются статистические методы, особенно при расчетах сооружений, которые строятся «на века»: крупные плотины, портовые сооружения, большие каналы и т.п.

Одним из древнейших способов защиты от воды, ее регулирования и использования был способ замедления движения воды путем строительства плотин и создания водохранилищ. Человек за тысячи и сотни лет проделал гигантскую работу по созданию искусственных водоемов и строительству плотин.(табл.)