4. Гидрографические факторы. Свойства воды

Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле. В водной среде зародилась жизнь. Обитатели суши и поныне зависимы от воды. Для многих видов животных и растений вода продолжает оставаться средой обитания. Она является основной средой в клетке, где осуществляются реакции обмена. Живые организмы на 3/4 состоят из воды. Относительное содержание воды в тканях колеблется от 50–80 %, а у ряда видов и значительно выше (например, у медуз до 90 %).

Вода обладает целым рядом специфических особенностей, обусловливающих строение и жизнедеятельность живых организмов. Прежде всего, вода является единственным веществом на Земле, которое одновременно встречается в больших количествах в жидком, твердом и газообразном состоянии.

Многие физические свойства воды обнаруживают существенные аномалии. Большинство веществ при плавлении расширяются, а вода, наоборот, сжимается. При замерзании этой жидкости объем льда увеличивается (начиная с 3,98 градусов, плотность воды при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании — скачкообразно падает). Эти объемные изменения воды — один из могучих экологических факторов, который формирует облик поверхности Земли, разрушая горы до материнских пород (первичного материала для образования почвы).

Большое значение для сохранения и поддержания жизнедеятельности водных организмов имеет свойство воды — при 4 градусах у нее наибольшая плотность, в результате чего лед образуется только на поверхности водоемов, сохраняя придонный слой воды от замерзания.

Водородные связи молекулы воды примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей. Поэтому для плавления, нагревания и испарения воды необходимо гораздо больше энергии, чем в случае других жидкостей, что и объясняет наличие таких аномалий в физических свойствах воды (высокие значения теплоты плавления и испарения, удельной теплоемкости).

Высокая скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г) обеспечивает постепенное замерзание рек, озер, морей, а также таяние снега, льда, ледников. Благодаря этому свойству воды на нашей планете сезонные (температурные) переходы происходят плавно.

Обладая наивысшей среди жидкостей удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью, вода является идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия организмов. Высокая теплоемкость делает воду главным аккумулятором и распределителем солнечной и термической энергии ее на планете.

Сравнительно с другими жидкостями у воды высокая скрытая теплота испарения (2263,8 Дж/г при 100°). Замедленное испарение воды спасает открытые водоемы от чрезмерной убыли ее в жаркую погоду.

Биологически значимым свойством воды является высокое поверхностное натяжение, с которым связаны значительные силы сцепления ее молекул (капиллярности) и прилипания. Благодаря этому осуществляется передвижение воды и ее растворов по стеблю растений, адсорбционные процессы в корневых системах, системах пищеварения и дыхания. Поверхностная пленка воды используется многими организмами для передвижения (водомерки, вертячки, тропические ящерицы-василиски), прикрепления и перемещения (многие моллюски, личинки комаров).

Вода обладает полной прозрачностью, что имеет значение для большинства жизненно важных процессов — фотосинтеза, фотопериодизма, ориентации в пространстве и т.п.

В обычных условиях вода достаточно устойчивое соединение. Распад молекул воды (термическая диссоциация) становится заметным лишь выше 1500 градусов. Разложение воды происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциации) или радиоактивного излучения (радиолиза). При распаде воды, кроме водорода и кислорода, образуется также перекись водорода и ряд свободных радикалов. Таким образом, вода является источником газообразного кислорода, кроме того — донором ионов водорода, используемых в фотосинтетических реакциях.

Как жидкость, вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способностью, обусловленной полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи. Вода в природных условиях всегда содержит растворенные соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от окружающих условий.

Из растворенных газов в природных водах присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко углеводороды и сероводород. Сероводород образует значительные скопления на отдельных участках океана. Известно, например, что Черное море с глубин 150–200 м является сероводородным до самого дна. Сероводородные пятна обнаружены и в других районах Мирового океана. Сероводородные участки похожи на своеобразные модели бескислородного первичного океана с популяциями, живущими без свободного кислорода.

Концентрация органических веществ невелика. В реках — около 20 мг/л, в подземных водах — еще меньше, в океанах — около 4 мг/л. Исключение составляют болотные воды и воды нефтяных месторождений, а также загрязненные бытовыми и промышленными стоками, где их количество намного больше. Состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает продукты жизнедеятельности живых организмов, которые населяют воды, а также соединения, образующиеся при распаде их остатков.

По степени солености естественные водоемы условно подразделяются на пресные, солоноватые и соленые. При концентрации солей до 1 г/л вода считается пресной, до 25 г/л — солоноватой, более 25 г/л — соленой. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки, в которых в среднем концентрация солей составляет около 10–20 мг/л, затем пресные озера и реки (5–1000 мг/л). Соленость океана колеблется около 35 г/л. Моря имеют меньшую минерализацию (например, Каспийское — 11–13 г/л). Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/л, а в засушливых условиях — до 100 г/л. Максимальные концентрации солей наблюдаются в засушливых озерах (до 300 г/л) и глубокозалегающих подземных водах (до 600 г/л).

В пресных водах обычно преобладают ионы НСО₃^–, Са₂⁺ , Mg₂^+. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO₄^–, С1^–, Na⁺, K^+. В высокоминерализованных водах преобладают ионы Na⁺ и С1^–. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, но почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.

Химический состав крови человека по содержанию хлора, натрия, кислорода, кальция, калия очень близок к химическому составу морской воды, где первоначально развивалась жизнь. Вероятно, в этом и проявляется то положительное влияние морской воды на организм человека, которое достигается при их взаимодействии через обмен веществ сквозь кожу, потовые железы, поры, которые при определенных условиях работают не только на выделение, но и на поглощение.