Вода и жизнь на Земле

За последние годы все большее значение приобретают термальные воды. Их запасы имеются на Камчатке, Курильских островах, Сахалине, Кавказе, в Западной Сибири и других районах нашей страны.

В СССР находится самое крупное в мире подземное хранилище воды, Это — Западно-Сибирский артезианский бассейн, площадь которого достигает 3 млн. км2, что почти в 8 раз превышает площадь Балтийского моря. Расположенные над ним (в нижней части бассейна) сухие Кулундийские степи вскоре получат живительную влагу.

Ученые установили, что под сухими степями и пустынями Казахстана находятся целые озера пресной воды, общий объем которых превышает объем оз. Балхаш или Азовского моря. Глубина их залегания — от 50 до 1 тыс. м. Это настоящий подземный клад. За последние годы подземные пресные воды в Казахстане найдены на площади свыше 20 млн. га. В дальнейшем их планируют искать на небывало большой площади — 50 млн. га.

За последние пять лет открыто свыше 20 крупных месторождений пресных подземных вод в Каракумах, призванных сыграть большую роль в водоснабжении городов и поселков Туркмении. Подземные водоисточники в состоянии давать более 400 тыс. м3 пресной воды. Сейчас на базе разведанных ресурсов уже вступили в строй несколько крупных водозаборов и половина населения Туркмении пользуется пресной водой высокого качества из подземных источников.

Говоря о подземных водах, нельзя не упомянуть о ресурсах солоноватых и соленых подземных вод. К ним относятся воды с общей минерализацией от 1 до 35 г/л. Химический состав таких вод различен. Чаще всего встречаются хлоридные, сульфатные, сульфатно-хлоридные, гидрокарбонато-хлоридные и пр. В масштабе земного шара запасы солоноватых и соленых вод оцениваются до 5 млн. км3. Особенно много их в нашей стране. Как показывают исследования специалистов Института водных проблем АН СССР, «Всегингео» и др., на территории СССР имеется приблизительно 464 тыс. км3 таких вод, из них около 52 тыс. км3 — слабо солоноватые, имеющие минерализацию от 1 до 3 г/л, около 115 тыс. км3 — средние и сильно солоноватые с минерализацией от 3 до 10 г/л и 297 тыс. км3 — соленые с минерализацией от 10 до 35 г/л.

На обширных пространствах нашей страны солоноватые и соленые подземные воды распространены повсеместно. Их водоносные горизонты встречаются на различных глубинах от поверхности Земли и нередко достигают 500 и более метров.

Глубина залегания солоноватых и соленых подземных вод закономерно связана с климатическими условиями, рельефом местности, распределением поверхностных вод, геологическим строением районов.

Солоноватые и соленые подземные воды, которые залегают первыми от поверхности Земли, больше распространены в южных районах нашей страны: в артезианских бассейнах Причерноморско-Предкавказской области, на юге Молдавии и Украины, в Предкавказье, в Прикаспийском артезианском бассейне, на юге Западно-Сибирской артезианской области, в Тургайском, Сырдарьинском, Амударьинском и других артезианских бассейнах па территории Казахстана и Средней Азии. Однако известны отдельные районы Севера (в пределах Московского, Северодвинского, Тунгузского, Якутского артезианских бассейнов), где солоноватые и соленые подземные воды также залегают первыми от поверхности. Во многих районах встречается чередование пресных и минерализованных подземных вод. На больших пространствах севера и северо-востока Сибири подземные воды повышенной минерализации расположены непосредственно под толщей многолетнемерзлотных пород.

Некоторые солоноватые и соленые подземные воды обладают лечебными свойствами. Из таких месторождений лечебных минеральных вод большое значение имеют подземные воды в межгорных артезианских бассейнах: Куринский на Кавказе, Южно-Каспийский, Танизский и др. Отметим, что все они залегают первыми от поверхности земли.

Недра Белоруссии богаты запасами минеральной воды, обладающей лечебными свойствами. Здесь в древние геологические эпохи простиралось море и осадочные породы создавали необходимые условия для минерализации глубинных вод. Наибольшей концентрацией минеральных солей отличается подземная вода в Припятской впадине. Эта территория, ограниченная двумя разломами земной коры — северным и южным, на двухкилометровой глубине накопила огромное количество густого целебного раствора, содержащего в 1 л до 430 г различных солей. В северо-восточной части Белоруссии также имеются минеральные воды, но они засолены слабее: в 1 л содержится 150 г минеральных веществ. В районе поселка Видзы (Гродненская обл.) и в других местах обнаружены запасы сероводородной и радоновой воды.

В Белоруссии пробурено около 40 «целебных» скважин. Шесть из них обслуживают профсоюзные санатории, остальные предназначены для санаториев, профилакториев и пансионатов различных предприятий. Свои минеральные источники имеют базы здоровья колхоза «Рассвет» им. Орловского, Гомельского отделения Белорусской железной дороги, Могилевского производственного объединения «Химическое волокно» им. В. И. Ленина и др. В последние годы в связи с увеличением фондов на социально-культурные нужды темпы бурения «скважин здоровья» постоянно растут.

Таблица 9. Распространение ресурсов термальных вод на территории СССР (М. М. Дворов, 1978)

Район	Температура — 40—200 °C, минерализация — до 35 г/л			Температура — 50—200 °C, минерализация — до 10 г/л
	Дебит, млн. м3/сут	Дебит, млн. м3/год	Экономия топлива и тепла в год, млн. т усл. топ. / млн. Гкал	Дебит, млн. м3/сут	Дебит, млн. м3/год	Экономия топлива и тепла в год, млн. т усл. топ. / млн. Гкал
Европейская часть СССР	3,02	1 102,30	7,80 / 39,0	1,21	443	3,08 / 15,40
Кавказ и Предкавказье	1,95	711,75	5,00 / 25,00	0,78	280	1,95 / 9,80
Крым и Предкарпатье	0,57	208,05	1,50 / 7,50	0,23	90	0,62 / 3,10
Другие районы Европейской части СССР	0,50	182,50	1,30 / 6,50	0,20	73	0,51 / 2,50
Средняя Азия	1,43	521,95	3,50 / 17,50	0,55	200	1,40 / 7,00
Казахстан	1,20	438,00	3,00 / 15,00	0,48	175	1,20 / 6,00
Западная Сибирь	10,75	3 923,75	8,50 / 42,50	1,36	492	3,42 / 17,00

Таблица 9 (окончание). Распространение ресурсов термальных вод на территории СССР (М. М. Дворов, 1976)

Район	Температура — 40—200 °C, минерализация до — 35 г/л			Температура — 50—200 °C, минерализация — до 10 г/л
	Дебит, млн. м3/сут	Дебит, млн. м3/год	Экономия топлива и тепла в год, млн. т усл. топ. / млн. Гкал	Дебит, млн. м3/сут	Дебит, млн. м3/год	Экономия топлива и тепла в год, млн. т усл. топ. / млн. Гкал
Восточная Сибирь и Дальний Восток	3,35	1 222,75	8,50 / 42,50	1,36	492	3,42 / 17,00
Юг Восточной Сибири; Северо-Восток; Якутия, Магаданская область (с Чукотским Национальным Округом); Хабаровский край; о-в Сахалин	1,65	602,25	4,20 / 21,00	0,66	240	1,67 / 8,30
Камчатка и Курильские о-ва*	1,70	620,50	4,30 / 21,50	0,70	252	1,75 / 8,70
Всего:	19,75	7 208,75	50,0 / 250,00	7,90	2880	20,00 / 100,40
* В отличие от остальных районов страны Камчатка и Курильские о-ва находятся в зоне современного вулканизма, где термальные воды на ограниченных участках и небольших глубинах имеют температуры 80—200 °C и выше.

Поистине уникальны целебные ресурсы Забайкалья. Каждую минуту из глубин поднимается по скважинам свыше 20 тыс. л отличной минеральной воды. На территории Читинской области насчитывается свыше 3 тыс. минеральных источников. Только при Советской власти водные запасы этого края нашли научное применение. Специалисты дали глубоко обоснованные рекомендации для бальнеологических процедур. На забайкальских водах выросли популярные курорты Дарасун, Кука, Молоковка, Шиванда, Ямаровка и другие с нарзанными и радоновыми источниками.

Дарасун — самый популярный курорт Восточной Сибири. Его образно называют забайкальским Кисловодском. И это не случайно: местные минеральные источники по количеству содержания в них углекислоты во много раз превосходят знаменитый кисловодский нарзан. Окружающие здравницу горные массивы обильно поросли березняком вперемежку с сосной и лиственницей, луга покрыты пышным разнотравьем. Чистый воздух, обилие ягод, чарующая красота гор, аромат цветов, ценнейшие минеральные источники создают благоприятные условия для отдыха и лечения многих недугов. К живительным источникам Дарасуиа приезжают на лечение жители Урала и Сибири, Средней Азии и Казахстана, Алтая и Дальнего Востока. Значительная часть лечебной продукции отправляется за пределы курорта.

Термальные подземные воды. Прогнозные запасы термальных вод на территории СССР выражаются внушительной цифрой — 19,75 млн. м3/сут (или 231,5 м3/с).

О их региональном распределении свидетельствует табл. 9. Правда, в ней представлены ориентировочные данные. Дальнейшее изучение и разведка термальных вод могут увеличить их общий дебит в несколько раз. Многообещающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла открываются с развитием глубокого бурения на 10–15 км. На таких глубинах в некоторых районах страны (особенно вулканических) температура вод может достигнуть 350 °C и выше.

Богаты термальными водами республики Средней Азии. Однако используются они пока лишь в бальнеологии и частично для получения йода и брома. Огромное количество горячих вод обнаружено в Казахстане. Только в районе Алма-Аты выявлен большой артезианский бассейн с температурой воды от 80 до 120 °C и избыточным давлением у поверхности земли до 30–35 атм.

Больше половины всех выявленных термальных вод страны приходится на Западную Сибирь. В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке многие месторождения термальных вод расположены в районах, где тепловые ресурсы ценятся, что называется, на вес золота.

Особо следует сказать о Камчатке. Здесь нет своего угля, нефти и газа, но этот суровый край природа наделила подземным теплом. «Котельные» полуострова — многочисленные вулканы. Ученые Института вулканологии Дальневосточного научного центра АН СССР совместно с камчатскими геологами установили, что на глубине 1 км от дневной поверхности температура паро-водяной смеси достигает 200–250 °C. Запасы тепловой энергии тут могут обеспечить работу достаточно мощных геотермальных электростанций.

На Камчатке накоплен некоторый опыт использования природного тепла для получения электрической энергии. Уже более десяти лет здесь работает Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тыс. кВт, доказывая надежность и простоту тепловой схемы. Все технологические процессы на станции полностью автоматизированы. Специалисты считают, что широкое освоение геотермальных районов Камчатки позволит к 1985 г. возвести электростанции, работающие на подземном тепле и дающие 300 тыс. кВт самой дешевой электроэнергии. При этом отпадает необходимость в ежегодном завозе 1 млн. т угля.

Огурцы, помидоры и другие овощи в открытом грунте на Камчатке не произрастают, их сюда завозят. В пригороде Петропавловска-Камчатского построен тепличный комбинат площадью 6 га, отапливаемый термальными водами.

Подземные «термальные моря» используются для отопления и горячего водоснабжения в Закавказье, Грузии, Южном Казахстане. Например, в Махачкале термальные воды применяют для теплофикации еще с первых послевоенных лет. Дагестан вообще богат такими источниками. Только за последние годы в республике использовано свыше 50 млн. м3 подземной горячей воды. Благодаря этому сэкономлено большое количество топлива. Тепло недр находит все большее применение в промышленных, бытовых и сельскохозяйственных целях. Им теперь отапливаются жилые дома в Кизляре и Избербаше и целые поселки: Каякент, Терекли-Мектеб и Червленные Буруны.

Неисчерпаемый источник подземного тепла находит и другое применение — в плавательных бассейнах, для предотвращения оледенения опасных участков горных дорог, для обогрева рыбоводных водоемов и т. п. Расширение сфер использования термальных подземных вод дает возможность не только значительно сэкономить топливо, но и снизить масштабы загрязнения им окружающей среды.

Вода и жизнь

Жизнь — биологическая форма движения материи. Жизненному процессу в отличие от неживой природы присущ обмен веществ, в основе которого лежат биохимические процессы. Изучение живых организмов, в том числе человеческого тела, показывает, что в их составе не обнаружено каких-либо химических элементов, не свойственных окружающему миру. Связь организма с внешней природой осуществляется через химические вещества, которые постоянно поступают в организм и являются составными элементами живой ткани.

Многие вещества проникают в организм через пищу, обязательной составной частью которой является вода. В организме человека обнаружено около 40 элементов периодической системы Менделеева, и в первую очередь кислород, углерод, водород и азот, содержание которых наиболее значительно. До 80 % минеральных солей (кальций, магний, натрий, калий, фосфор и др.), входящих в состав всех клеток и тканей человеческого тела, поступают в организм с водой. В составе живой ткани эти элементы чаще находятся не в свободной форме, а в виде химических соединений.

Необычайно важную роль в живом организме играет вода, это простое химическое соединение водорода и кислорода. В сложном процессе обмена веществ она занимает центральное место. При обязательном участии воды протекают физические и химические реакции. Являясь хорошим растворителем, она выполняет функции «перевозчика» солей и т. п.

Мы привыкли к воде, как привыкают к самым обычным явлениям — ведь она всегда с нами: в быту, на работе, в природе. Широкая распространенность воды породила представление о ней как о весьма простом теле. В течение многих веков ее принимали за элемент. Сейчас уже никто этого не скажет.

Вода — совершенно необыкновенный минерал. Прежде всего потому, что это самое известное и вместе с тем самое загадочное вещество. О воде, знакомой человеку с колыбели, написаны бесчисленные монографии, ученые продолжают изучать ее свойства. И тем не менее трудно найти другое вещество, в котором было бы спрятано столько труднообъяснимых качеств.

Необыкновенность физико-химических свойств молекул воды основана на способности их изменять структуру водородных связей. Эти связи легче разрушаются и быстро восстанавливаются. Между молекулами воды идет интенсивное взаимодействие, в результате происходит быстрое изменение их структурной решетки. Этим отличается структура молекул воды от других веществ, например твердых кристаллических тел, у которых существует устойчивая структурная решетка. Необыкновенность свойств молекул воды — одна из важнейших основ сложных биохимических реакций, присущих процессам жизни на нашей планете. Чтобы лучше понять роль воды в жизненных процессах, познакомимся со строением и свойствами ее молекул.

Физика и химия воды

Вода состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода. Все, казалось бы, просто. Но на самом деле есть 42 сочетания этих атомов в молекуле воды, и 9 из них — устойчивы. Значит, наша обычная Н₂O состоит из смеси девяти видов воды, имеющих весьма различные химические свойства.

Эта бесцветная и безвкусная жидкость обладает совершенно уникальной способностью образовывать необыкновенно прочную поверхностную пленку. На ней может лежать стальная игла, если, конечно, ее осторожно опустить. Более того, установлено, что чем чище вода, тем сильнее растет ее поверхностное натяжение, и если бы удалось получить когда-нибудь абсолютно чистую, без всяких примесей воду, то, как полагают ученые, по озеру такой воды можно было бы не только ходить, но и кататься на коньках.

Давно известна людям сила воды. Когда мифический Геракл приступал к свершению своего седьмого по счету подвига, он призвал на помощь силы природы. Чтобы расчистить конюшню царя Авгия, он запрудил реку, и взволновавшийся поток сделал то, что было не по плечу ни одному из эллинов.

Вода заставляет жернова мельниц молоть зерно, крутит колеса пароходов, вращает роторы гидротурбин, побуждая бежать по проводам электричество. Казалось бы, исчерпаны разнообразные возможности этого «исторического» вида энергии, узнаны все его способности. И в то же время нет, не все!

Водная струя диаметром 3–4 мм, подаваемая под давлением от 300 до 500 атм, режет «черный камень» — уголь. При давлении, в 5 раз большем, — мрамор, гранит, песчаник. Срезы аккуратные, гладкие — как ножом (цифра для сравнения: в водопроводном кране вода течет под давлением в 0,5 атм).

В нашей стране созданы основы гидроэкструзии — перспективного метода обработки материалов жидкостью высокого давления.

Метод гидропрессования, у истоков которого стоял выдающийся советский физик академик Л. Верещагин, обеспечивает ювелирную точность изделий при больших скоростях технологического процесса.

Гидромеханический способ добычи угля — один из прогрессивных. В Кузбассе и Донбассе, например, действуют целые шахты гидродобычи, где операции по выемке и погрузке угля выполняет вода. Производительность таких шахт очень высока. К обычным угольным комбайнам разработаны гидронасадки — дополнение для более эффективной и облегченной добычи угля. Работают они в комплексе с основными узлами машины — резцом, выгребающим устройством, конвейером. Но главное преимущество, которое дает приспособление, — это снижение запыленности воздуха в забое.

Образование воды из соединений водорода и кислорода при возникновении электрической искры впервые было отмечено в 1783 г. английским физиком Г. Кавендишом. В последующем известны много исследований по уточнению химического состава и физических свойств воды. То, что вода состоит из водорода и кислорода, показали в 1785 г. французский физик А. Лавуазье, а в 1805 г. — немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт и французский исследователь Гей-Люссак. Они определили состав воды: два объема водорода и один — кислорода молекулярный вес 18.

К настоящему времени установлено существование воды с молекулярным весом 19, 20, 21, 22. Такие молекулы воды состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, т. е. водорода, имеющего атомный вес более 1, и кислорода — более 16. Оказалось, что в природе встречается тяжелый изотоп водорода с массой 2, который назван дейтерием (D) и еще более тяжелый изотоп, с массой 3, получивший название тритий (Т). У кислорода выявлены три изотопа с атомным весом 16, 17 и 18.

Соединение из двух атомов дейтерия и одного кислорода назвали тяжелой водой (D₂O), а соединение двух атомов трития с одним атомом кислорода — сверхтяжелой водой (Т₂O). В природных условиях 99,73 % составляет обычная вода с молекулярным составом Н₂1O16, 0,04 % — тяжелокислородная вода с составом Н₂1O17 и 0,02 % — H₂1O18. Доля тяжелой воды (D₂O) и сверхтяжелой воды (Т₂O) в природных водах чрезвычайно мала.

Тяжелая вода отличается от обычной как по физическим свойствам, так и по физиологическим воздействиям на организм. Испаряется она медленнее, чем обычная вода. Возможно, это является причиной большего содержания тяжелой воды во внутренних замкнутых водоемах южных широт.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием благодаря диссипации протонов в космическом пространстве. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом. Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда, в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

Любопытна структура внутреннего строения молекулы воды. В центре молекулы обычной воды располагается атом кислорода, а на некотором расстоянии — два атома водорода. Атомы водорода по отношению к атому кислорода находятся не по прямой линии, проведенной через центр атома кислорода, а под углом, равным 105°. Связь между атомами водорода и кислорода в молекуле воды осуществляется электронами.

Поскольку ядра атомов водорода и кислорода расположены несимметрично, молекулы воды имеют форму тетраэдра, в вершинах которого имеются четыре полюса зарядов.

Каждая молекула воды способна соединиться с четырьмя ближайшими к ней молекулами. При этом положительно заряженный полюс одной молекулы притягивает отрицательно заряженный полюс другой. Таким образом могут образоваться группировки молекул, состоящих из двух, трех и более молекул. В зависимости от температуры и давления среды, в которой находится вода, расстояния между молекулами могут увеличиваться или сокращаться. Это делает структуру воды исключительно изменчивой. Повышение температуры вызывает увеличение скорости молекул и расстояния между ними. Максимальная плотность воды достигается при температуре плюс 4 °C.

Вода, как все вещества в природе, при охлаждении от плюс 100° до плюс 4° уменьшается в объеме. При дальнейшем охлаждении воды до 0° ее объем увеличивается. Такое свойство типично только для воды. Ученые объясняют это тем, что при понижении температуры от 4° до 0° происходит перестройка ее внутренней структуры, жидкость превращается в лед, т. е. в кристалл, где молекулы образуют своеобразную решетку.

При замерзании объем воды возрастает примерно на 11 %. В связи с этим замерзание ее в замкнутом пространстве приводит к возникновению избыточного давления, достигающего, как показывают наблюдения, 2,5 тыс. кгс/см2. Этим объясняют разрушительную силу замерзающей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалывающую подчас многотонные глыбы и дробящую их в дальнейшем на мелкие осколки. С увеличением давления температура замерзания воды уменьшается. Эта зависимость для воды аномальна: у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Подобная аномалия воды очень важна. Даже без учета растворенных в ней солей вода на больших глубинах в океане не замерзает, причем при температуре минус 3 °C этого не случается даже на глубине около 4 тыс. м.

Так как максимальная плотность воды наблюдается при 4 °C, то лед оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы этого не происходило, то водоемы и водотоки промерзали бы зимой до самого дна, что было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенность воды при некоторых условиях имеет исключения. Речь идет о возможности образования донного или внутриводного льда.

Теплоемкость воды в 3,3 тыс. раз выше теплоемкости воздуха. Иными словами, нагревая 1 л воды и 1 л воздуха на 1 °C, мы в первом случае затратим в 3,3 тыс. раз больше энергии, чем во втором. Климатическое значение этой аномалии трудно переоценить. Высокая теплоемкость делает воду главным аккумулятором солнечной энергии и распределителем ее на планете. Морские течения переносят тепло, накопленное летом в морях и океанах, из южных в северные районы земного шара, прогревая на пути воздух и воду, смягчая и выравнивая климат в этих шпротах.

О существовании течений в океанах знали давно: древние греки называли океан рекой и считали, что он течет подобно реке: они могли наблюдать сильные приливы и отливы лишь за пределами своих внутренних морей. Течения переносят громадные массы воды, перераспределяя накопленное Мировым океаном солнечное тепло. Один лишь Гольфстрим по своей мощности превосходит все реки планеты, вместе взятые. Благодаря этому течению каждый квадратный сантиметр европейского побережья получает в год 4 млрд. ккал — столько тепла выделяется при сжигании 0,5 млн. т угля.

В различных районах земного шара известны и другие поверхностные течения — теплые или холодные. Их издавна хорошо изучили мореходы и рыбаки; ученые основывали на данных об их мощности и направлениях свои заключения о циркуляции воды в верхних слоях океана. Например, Гольфстрим уже многие столетия является для мореходов своеобразной рекой в океане. Хорошо зная его режим и направление, опытный кормчий ведет корабль в струе Гольфстрима, сокращая время пути к берегам Европы, и, наоборот, двигаясь в обратном направлении, предпочитает держаться в стороне.

Из физических свойств воды можно обратить внимание на следующее. Толочь воду — не такое уж бесперспективное занятие, как выяснили эстонские ученые. Правда, вместо допотопной ступы они использовали дезинтегратор — своеобразную мельницу со стремительно вращающимися роторами.

Оказалось, что в активированной таким образом воде форель, например, растет в 1,5 раза быстрее. Из 100 икринок форели обычно появляются лишь 50 мальков, а в активированной воде — 90. Повышает она и урожаи различных культур.

Однако пока нет научного объяснения этого явления. Предполагают, что молекулы воды объединяются в некие цепочки, которые с течением тысячелетий удлиняются. Вода, как бы стареет, медленнее проникает в ткани растений и животных. А вот сотни миллионов лет назад, когда на Земле бушевали смерчи и ураганы, вода была богаче энергией, моложе. Рыбы в ней лучше развивались, потому и достигали огромных размеров. Дезинтегратор, по-видимому, проделывает ту же работу — разрушает цепочки молекул.

Являясь хорошим растворителем, вода сохраняет свою инертность. Благодаря этому свойству, живые организмы получают важнейшие питательные вещества в растворах, в малоизмененном виде.

В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Абсолютно нерастворимых в воде веществ в природе нет: в ничтожных количествах этому процессу подвержены даже такие элементы, как серебро, золото, гранит, базальт и др. В естественных условиях практически невозможно представить чистую воду. Она всюду обогащена примесями различных веществ. Дождевая вода имеет примеси веществ, находящихся в атмосфере. В воздухе над морями и океанами содержатся соли, характерные для морской и океанической воды. Вода рек и озер обогащена частицами поверхностной почвы и горных пород.

По содержанию ионов природные воды делятся на пресные, минерализация которых не превышает 1 г/л; минерализованные, содержащие от 1 до 50 г/л минеральных веществ, и рассолы, в которых содержится свыше 50 г/л минералов.

Наиболее распространенные группы минерализации образуются при растворении хлоридов, сульфатов и гид рокарбонатов, находящихся в недрах Земли. По этим признакам проводится классификация вод. Наиболее чаще встречаются воды: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

В природных водах практически всегда присутствуют и микроэлементы. К ним относятся бор, бром, фтор, йод, медь, мышьяк, никель, кобальт, цинк и др. Вместе с водой микроэлементы поступают в организм человека, животных и растений. Хотя концентрации этих веществ находятся в сравнительно малых количествах, но они совершенно незаменимы. Они оказывают влияние на ход и направленность обменных процессов организма. В частности, они способны стимулировать или угнетать ферментные процессы, принимают непосредственное участие в процессах эритропоэза и гемоглобинообразования. Отмечено положительное влияние микроэлементов на рост, размножение и продолжительность жизни животных и растений.

Вода в живом организме

На долю воды приходится основная часть массы любого живого существа на Земле. У взрослого человека вода составляет больше половины массы тела. Именно у взрослого человека, потому что в разные периоды жизни содержание воды в организме изменяется. У эмбриона оно достигает 97 %; сразу после рождения общее количество воды в организме быстро уменьшается — у новорожденного ее уже только 77 %. Дальше содержание воды продолжает постепенно снижаться, пока не станет в зрелом возрасте относительно постоянным. В среднем содержание воды в организме мужчин от 18 до 50 лет составляет 61 %, женщин — 54 % от массы тела. Разница эта связана с тем, что организм взрослых женщин содержит больше жира; при отложении жира вес тела увеличивается и доля воды в нем снижается (у людей, страдающих ожирением, содержание воды может уменьшиться до 40 % от массы тела). После 50 лет организм человека начинает «усыхать»: воды в нем становится меньше.

Больше всего воды — 70 % всей воды организма — находится внутри клеток, в составе клеточной протоплазмы. Остальное — это внеклеточная вода: часть ее (около 7 %) находится внутри кровеносных сосудов и образует плазму крови, а часть (около 23 %) омывает клетки — это так называемая межтканевая жидкость.

Еще в 1858 г. знаменитый французский физиолог Клод Бернар сформулировал принцип постоянства внутренней среды организма — нечто вроде закона сохранения массы — энергии для живых существ. Этот принцип гласит: поступление в организм различных веществ должно быть равно их выделению. Ясно, что и потребление воды должно быть равным расходу. Как же человек расходует воду?

Водные потери организма учесть довольно трудно, потому что немалая часть их приходится на долю так называемых неощутимых потерь. Например, вода в виде паров содержится во выдыхаемом воздухе — это примерно 400 мл/сут. Около 600 мл/сут ее испаряется с поверхности кожи. Немного воды выделяют слезные железы (и не только тогда, когда мы плачем: выделяемая ими жидкость постоянно омывает глазное яблоко); вода теряется также с капельками слюны при разговоре, кашле и т. д. Остальные пути выделения воды легче поддаются учету: это 800—1300 мл в сутки, выделяемые с мочой, и около 200 мл — с испражнениями. Если суммировать все вышеуказанные цифры, то получается около 2–2,5 л; эта цифра, средняя, потому что расход воды может сильно колебаться в зависимости от внешних условий, индивидуальных особенностей обмена или в результате его нарушений.

В соответствии с этим и суточная потребность организма взрослого человека в воде составляет в среднем около 2,5 л. Это, впрочем, вовсе не означает, что человек должен каждый день выпивать не меньше 10 стаканов воды: основная часть потребляемой нами воды содержится в пище. Часть воды образуется также непосредственно в организме в процессе жизнедеятельности — при распаде белков, жиров и углеводов (эндогенная вода). Например, при окислении 100 г жиров возникает 107 мл воды, 100 г углеводов — 55 мл. Следовательно, наиболее выгоден (в смысле получения эндогенной воды) жир. И не случайно значительные жировые отложения наблюдаются как раз У тех животных, которые приспособились длительное время обходиться без воды извне, вырабатывая ее в своем организме. В их числе крупное животное пустыни — верблюд. Резерв жира в его горбе при полном окислении позволяет получить около 40 л эндогенной воды, что составляет суточную потребность в ней животного. Разумеется, солидный запас жира не заменяет полностью верблюду питьевой воды. Жировыми отложениями — источником эндогенной воды, кроме верблюда, обладают в пустыне курдючные породы овец. Жир накапливается в хвостах некоторых тушканчиков, под кожей желтого и малого суслика, ежей и т. д. Исключительно эндогенной водой утоляют жажду австралийские мыши.

Ни один жизненный процесс в организме человека или животного не может совершаться без воды и ни одна клетка не в состоянии обойтись без водной среды. С участием воды протекают практически все функции организма. Так, испаряясь с поверхности кожи и дыхательных органов, вода принимает участие в процессах терморегуляции.

Процесс пищеварения — важнейшая функция организма. Процесс пищеварения в желудочно-кишечном тракте протекает только в водной среде. В этом процессе вода играет роль хорошего растворителя почти всех пищевых продуктов.

Выпитая вода прежде всего всасывается сквозь стенки желудка и кишечника в кровь и с ней равномерно распределяется по всему организму, переходя из крови в межтканевую жидкость, а затем и в клетки. Такой обмен воды происходит довольно интенсивно. Находясь в состоянии соединения с водой, пищевые продукты (белки, углеводы, жиры, минеральные соли) также легко всасываются в кровь и поступают во все органы и затем ткани организма.

Переход воды из крови в межтканевую жидкость целиком подчинен физическим законам. Работа сердца создает внутри сосудов гидростатическое давление, стремящееся вытолкнуть жидкость сквозь стенку сосуда. Этому противодействует осмотическое давление, которое создают растворенные в крови вещества. Точнее говоря, главную роль здесь играет не осмотическое давление, а только та малая его часть (примерно 1/220), которую образуют белки плазмы крови — это так называемое онкотическое давление. Дело в том, что и воду, и низкомолекулярные растворенные вещества, создающие основную часть осмотического давления, стенки капилляров пропускают свободно, но для белков они практически непроницаемы. И именно онкотическое давление, создаваемое белками, удерживает воду внутри капилляра.

В начальной, артериальной части капилляра гидростатическое давление велико — оно гораздо больше онкотического. Поэтому вода вместе с растворенными в ней низкомолекулярными веществами выжимается сквозь стенки капилляра в межклеточное пространство. В конечной, венозной части капилляра гидростатическое давление значительно меньше, потому что здесь капилляр расширяется. Онкотическое же давление, образованное белками, здесь, наоборот, повышается, поскольку часть воды уже покинула капилляр и объем плазмы уменьшился, а концентрация белков в ней возросла. Теперь онкотическое давление становится больше гидростатического, и здесь вода, несущая с собой продукты жизнедеятельности клеток, поступает из межклеточного пространства обратно в сосудистое русло.

Такова общая картина обмена воды между кровью и тканями. Правда, этот механизм применим не во всех случаях; с его помощью, например, нельзя объяснить обмен жидкости в печени. Гидростатическое давление в печеночных капиллярах недостаточно для того, чтобы вызвать переход жидкости из них в межтканевое пространство. Здесь играют роль уже не столько физические законы, сколько ферментативные процессы.

Из межтканевой жидкости вода попадает в клетки. Этот процесс также определяется не только законами осмоса, но и свойствами клеточной мембраны. Такая мембрана, кроме пассивной проницаемости, зависящей от концентрации того или иного вещества по разные ее стороны, обладает еще и свойством активно переносить определенные вещества даже против градиента концентрации, т. е. из более разбавленного раствора в менее разбавленный. Другими словами, мембрана действует как «биологический насос». Регулируя таким путем осмотическое давление, клеточная мембрана управляет и процессами перехода сквозь нее воды из межклеточного пространства внутрь клетки и обратно.

Главный путь выведения воды из организма — почки; через них проходит около половины воды, покидающей тело. Почки — один из наиболее энергично работающих органов, потребление энергии на единицу веса здесь больше, чем в любом другом. Из всего поглощаемого человеком кислорода не менее 8—10 % используется именно в почках, хотя их вес составляет всего 1/200 часть веса тела. Все это свидетельствует о важности тех процессов, которые в них происходят.

В сутки через почки проходит более 1000 л крови — это значит, что каждая капля крови за сутки побывает здесь не меньше двухсот раз. Здесь кровь очищается от ненужных продуктов обмена веществ, которые она приносит из всех органов и тканей растворенными в плазме, т. е. в конечном счете опять-таки в воде.

Когда кровь проходит через начальную, артериальную часть почечного капилляра, около 20 % ее благодаря высокому гидростатическому давлению (в почечных капиллярах оно вдвое выше, чем в обычных) выходит сквозь стенку капилляра в полость почечного клубочка — это так называемая первичная моча. При этом, как и во всех остальных капилярах организма, сквозь стенку почечного капилляра проходят все растворенные в плазме вещества, кроме белков. Среди них помимо отбросов, которые необходимо удалить из организма, есть и нужные вещества, выделение которых было бы бессмысленным расточительством. Этого организм позволить себе не может, и поэтому в почечном канальце, куда первичная моча попадает из почечного клубочка, производится тщательная сортировка. Питательные вещества, различные соли, другие соединения постоянно реабсорбируются — переходят сквозь стенки канальца обратно в кровь, в примыкающий к канальцу капилляр. Ведущую роль в этом процессе реабсорбции играют сложные ферментативные реакции.

Вместе с полезными веществами покидает первичную мочу и вода. В начальном отделе почечного канальца вода реабсорбируется пассивно: она переходит в кровь вслед за активно реабсорбируемым натрием, глюкозой и другими веществами, выравнивая возникающую разницу в осмотическом давлении.

В конечном же отделе почечного канальца, когда реабсорбция полезных веществ уже в основном закончена, возвращение воды в кровь регулируется иным механизмом и зависит только от того, насколько нужна организму сама эта вода. В стенках кровеносных сосудов разбросаны нервные рецепторы, которые очень тонко реагируют на изменение содержания воды в крови. Как только воды становится меньше, чем нужно, нервные импульсы от этих рецепторов поступают в гипофиз, где начинает выделяться гормон вазопрессин. Под влиянием его вырабатывается фермент гиалуронидаза. Фермент делает проницаемым для воды стенки почечных канальцев, разрушая водонепроницаемые полимерные комплексы, входящие в их состав, — как будто открывает кран для выхода воды сквозь стенку канальца. В результате вода, теперь уже следуя законам осмоса, переходит в кровь. Чем меньше воды в организме, тем больше выделяется вазопрессина, тем больше вырабатывается гиалуронидазы, тем больше воды всосется обратно в кровь.

В конечном счете из всей первичной мочи лишь меньше 1 % выделяется почками в виде «настоящей» мочи, которая теперь уже содержит только отработанные продукты жизнедеятельности и только ненужную организму воду.

Экспериментально установлено, что для удаления отходов жизнедеятельности человеческого организма требуется ежедневно не менее 500 мл мочи. Если человек пьет много воды, она разбавляет мочу, удельный вес которой понижается. При недостаточном поступлении воды в организм, когда после восполнения потерь ее через кожу и легкие на долю почек остается меньше 500 мл, часть отработанных продуктов жизнедеятельности остается в организме и может вызвать его отравление. Именно этим опасно водное голодание.

Особенно тяжело человек переносит обезвоживание. Если потери воды не восполняются, то в результате нарушений физиологических процессов ухудшается самочувствие, падает работоспособность, а при высокой температуре воздуха нарушается терморегуляция и может наступить перегрев организма. При потере влаги, составляющей 6–8 % от веса тела, у человека повышается температура тела, краснеет кожа, ускоряется сердцебиение, учащается дыхание, переходящее в одышку, появляется мышечная слабость, головокружение, головные боли и наступает полуобморочное состояние. При потере 10 % воды могут происходить необратимые изменения в организме. Потеря воды в количестве 15–20 % при температуре воздуха выше 30° является уже смертельной, а потеря 25 % воды смертельна и при более низких температурах.

Отходы жизнедеятельности человека выделяются также с потом. В среднем поверхность человеческого тела занимает 1,5 м2.

Человек в сильную жару очень потеет. За сутки он буквально «выдает» ведро пота: был бы сух воздух.

Главная составная часть жидкости в таком ведре — обычная, ничем не примечательная вода. В ней растворены нелетучие и летучие компоненты. С нелетучими ознакомиться просто — пот соленый: около 1 % NaCl, да еще фосфаты и сульфаты. Много в поте и креатинина. А вот с летучими компонентами плохо знакомы даже специалисты, но кое-что все же известно: космобиологи пришли к выводу, что даже мало потеющий человек через кожу выделяет столько веществ, что трехкубовая замкнутая атмосфера за сутки насытится вредоносными соединениями выше предельно допустимых норм. На Земле это не беда, но в космосе форточку не откроешь.

Чтобы космонавтов не задушил собственный пот, необходимы специальные поглотители, причем разные — с потного лица или влажной ладони испаряются такие малоприятные вещества, как метанол, ацетальдегид, этанол, ацетон, изопропанол, уксусная кислота. В этой смеси преобладает уксусная кислота.

Велика роль воды в живом организме. Вода является и средой и непосредственным участником физиологических и биохимических реакций. С водой из организма выделяются различные вещества, образовавшиеся в результате обмена веществ.

Биологическое значение талой и льдоподобной воды

Ни одно вещество на Земле, кроме воды, не может находиться сразу в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном. Впрочем, и здесь еще много загадок. При нагревании лед начинает таять: движение молекул под влиянием температуры усиливается, кристаллическая решетка слабеет, связи между молекулами разрушаются, лед превращается в воду. Но оказалось, что талая вода еще долго сохраняет остатки кристаллической структуры, и скрытые от глаз микроскопические льдинки исчезают только при температуре плюс 4 °C и выше.

При нагревании талой воды от 0° до 4 °C ее объем уменьшается. С помощью инфракрасной спектроскопии удалось рассмотреть структуру талой воды: она напоминает ледяной замок с пустыми залами. При нагревании льда стены замка разрушаются — объем уменьшается.

Физики и биологи, медики и ветеринары, земледельцы и животноводы все с большим вниманием изучают свойства талой воды, во многом еще загадочные.

Ранней весной воробьи с наслаждением барахтаются в свежих лужицах. Истощенные, потерявшие было надежду ка приход весны, они очертя голову бросаются в первые лужи и расплескивают вокруг себя искрящиеся фонтаны брызг.

Жителям Севера знакома такая картина: огромные стада оленей отогнаны в места скопления талой воды. Благородные животные блаженно пасутся «по колено» в ледяной воде.

Агрономы провели интересные опыты. Засеяли два равноценных участка: один низкосортными семенами пшеницы, другой — точно такими же, но принявшими в день посева полуторачасовую «снеговую ванну». Опытные растения значительно превзошли контрольные по высоте и толщине стебля, величине колоса. С каждого гектара опытного участка сняли по 18,3 ц пшеницы, с контрольного — только 11 ц.

В последнее время установлено, что вода, связанная с клеточной протоплазмой, и вода, входящая в состав межклеточной жидкости и других образований организма, принимает структуру, напоминающую лед. Такую воду принято называть структурированной. Она замерзает при температуре минус 20 °C (в тканях живого организма существует и свободная вода, которая замерзает при 0°). Структурированная вода более важна для сохранения функции и жизнеспособности тканей человека и растений, чем свободная.

При 36 °C «пустые залы ледяных дворцов структурированной воды заполняются живыми биомолекулами — белками, нуклеиновыми кислотами. Благодаря такой плотной упаковке белок не деформируется и не погибает, вода с упорядоченной структурой участвует в синтезе живого вещества — в биоэнергетических процессах клетки».

И если такая гипотеза справедлива, то талая вода может не только повышать физические ресурсы живого организма, но и препятствовать синерезису — уменьшению содержания воды в клетках в старческом возрасте.