Вода как среда обитания

ВОДА КАК СРЕДА ОБИТАНИЯ

“Жизнь –  одушевленная вода” ( Р. Дюбуа)

“Вода…Нельзя  сказать, что ты

необходима  для жизни: ты – сама жизнь…”

(Антуан де  Сент-Экзюпери)

Важнейшей на нашей планете, как мы уже говорили, и является вода. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву.

Вода как среда обитания – очень простое и очень  сложное вещество, далекое от идеала, иначе была бы невозможна жизнь на Земле. Уже много веков ученые изучают химическое соединение с формулой Н2О из интереса к веществу, без которого нельзя представить себе жизнь на Земле. Но чем больше ученые узнают об этой жидкости, тем уникальнее она представляется, тем больше она поражает аналитиков своим нетипичным поведением.

Какие необычные свойства лишают ее идеальности? Собранные воедино, они  убеждают, что вода – образец  аномальности, которая имеет экологическую  значимость как на планетарном, так  и на организменном уровне.

Плотность, вязкость, давление.

Хорошо известно, что все тела при нагревании расширяются, а при  охлаждении сжимаются. Вода же при охлаждении от 4 до 0^оС (фазовый переход на границе осень-зима) начинает расширяться, т.е. максимальная плотность воды достигается при Т 4^оС: для дистиллированной воды плотность равна 1г/см3 при 4^оС, плотность природных вод, содержащих растворенные соли, может быть больше и достигать 1.35г/см3. При охлаждении объем воды резко увеличивается (почти на 10%), а плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды и будет оставаться на поверхности водной системы. Лед и покрывающий его снег, благодаря малой теплопроводности, являются хорошей защитой жизни в водоемах в зимний период времени. Редкие вещества обладают подобным свойством.

 Если бы лед был тяжелее воды, то водоемы зимой промерзали бы до дна, что привело бы к вымиранию гидробионтов. Другое обстоятельство – могли бы исчезнуть и сами водоемы – т.е. жидкая гидросфера, т.к. ледяные толщи не смогли бы растаять за летний период времени.

Вязкость характеризует внутреннее трение в данном веществе, т.е. силу, препятствующую отрыву молекулярных или ионных компонентов друг от друга. От величины вязкости зависит скорость массопереноса: диффузия, интенсивность биохимических процессов, осмотическое давление, электропроводность и т.д. Вязкость определяет особенности среды обитания: сопротивление при перемещении тел в жидкости, скорость падения взвешенных частиц, коэффициент фильтрации и т.д.

Прежде всего, очень мала абсолютная величина вязкости чистой воды – 1.787 сантипуаз (сП) = 0.01 дина/см при 0^оС и 1 атм.). Многие растворенные вещества изменяют вязкость воды, что связано с различным типом гидратации ионов. Относительная вязкость воды возрастает при растворении ряда солей. В морской воде преобладает NaCl, вязкость при возрастании солености увеличивается незначительно. Аномально нf4отосинтеза время существования молекул хлорофилла в возбужденном состоянии измеряется пикосекундами (10^-12с), это соизмеримо с частотой колебания молекул воды.

Другим аномальным свойством воды является резкое снижение вязкости воды с ростом Т. При повышении Т от 0^оС до 25^оС, что характерно для фазового перехода воды на границе зима-весна, вязкость снижается вдвое, а до 100^оС – в 6 раз. (Для сравнения – у др. веществ – на п.10%). Это имеет большое значение для природных процессов: при этом также резко возрастает скорость седиментации частиц (это один из механизмов самоочищения водных систем); эти м же объясняется и высокая мутность весенних талых вод.

Так же аномальна и зависимость вязкости от Р: если у всех веществ вязкость при росте Р увеличивается за счет сжатия, то для воды наблюдается обратный эффект: на глубинах порядка 5000м вязкость снижается на 6%. Это обстоятельство должно увеличивать коэффициенты фильтрации подземных вод.

Плотность и вязкость воды – это факторы, определяющие условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах.

Давление возрастает с глубиной в среднем примерно на 1 атм на каждые 10 м. В связи с резким градиентом давления в водоемах гидробионты  в целом более эврибатны по сравнению с сухопутными организмами. Некоторые виды переносят давление до нескольких сотен атмосфер, например, голотурия Elpidia, черви Priapulus, некоторые пресноводные обитатели – туфельки, сувойки, жуки-плавунцы и др. (до 650 атм). Однако многие обитатели морей относительно стенобатны и приурочены к определенным глубинам.

Плотность воды обеспечивает возможность  опираться на нее, что особенно важно  для бесскелетных форм. Опорность  среды служит условием парения в  воде. Взвешенные, парящие в воде организмы объединяются  особую экологическую группу гидробионтов – планктон. Повышение плавучести и препятствие оседанию на дно обеспечивается рядом сходных адаптационных механизмов:

-общее увеличение поверхности  тела за счет уменьшения размеров, сплющенности, удлинения, развития многочисленных выростов и щетинок, что увеличивает трение о воду;

- уменьшение плотности тела  за счет редукции скелета, накопления  в теле жиров, пузырьков газа  и т.д. (накопление запасных веществ  в теле одноклеточных диатомовых водорослей не в виде тяжелого крахмала,  а в виде капель жира, наличие воздухоносных камер ряда медуз, планктонных брюхоногих моллюсков и т.д.);

- некоторые планктонные водоросли способны снижать вязкость воды. (от 5 до 17%). Это приводит к ускорению процесса диффузии к организму при дефиците биогенных элементов, т.е. к повышению скорости их поступления. Это один из механизмов выживания, до конца не ясен.

Плотность и вязкость сильно влияют на возможность активного плавания животных. Животные, способные преодолевать силу течения и способные к быстрому перемещению, объединены в экологическую группу гидробионтов – нектон (рыбы, кальмары, дельфины). Известно, что скорость движения некоторых морских животных превышает мощность их двигательного аппарата (напр., мечь-рыба развивает скорость до 120 км/час). Здесь действуют дополнительные факторы – возможно, выделение веществ, снижающих вязкость воды на границе воды с поверхностью тела. [Можно отметить, что в настоящее время синтезированы некоторые полимерные вещества, добавки ничтожных количеств которых дают резкое снижение вязкости воды, они используются для увеличения скорости течения воды по трубопроводам, для подачи к бортам кораблей – растет скорость (до 30%) и снижается расход горючего(до 20%).]

Осмотическое давление (ОД)

Явление ОД связано с существованием полупроницаемых перегородок (мембран), которые пропускают отдельные молекулы воды, но препятствуют прохождению  гидратированных ионов. Если подобная перегородка помещена между растворами с различной концентрацией, то из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией растворенного вещества будет переходить больше молекул воды, чем в обратном направлении. Возникает явление перетекания воды, продолжающееся до выравнивания концентраций и уравновешивания возникающим гидростатическим давлением, которое называется осмотическим и определяется уравнением:

Р = DС.RT

Осмотическое явление широко распространено в природе, особенно в биологических  системах. Отчасти благодаря ОД, функционирует уникальный насос, перекачивающий воду от корней дерева к листьям и побегам на высоту до 150м (эвкалипт и т.д.). Особенно важно поддержание водного баланса в теле гидробионтов, для которых в отличие от наземных организмов, существенно поддержание определенного количества воды в теле при ее избытке в среде обитания. Излишнее количество воды в клетках приводит к изменению в них ОД и нарушению важнейших жизненных функций. Клетки, попавшие в менее концентрированные растворы, разбухают и лопаются – это явление называется лизис. У некоторых организмов (синезеленые перед отмиранием, проходные рыбы при нересте) в клетке вырабатывается автолизирующий фермент, ведущий к быстрому разложению отмирающего организма, что способствует ускорению поступления в воду биогенов, органических веществ, кот. Используются молодыми особями  и которые необходимы для развития икры и личинок.

Гидробионты подразделяются на гомойосмотичные (эвригалинные) и пойкилосмотичные (стеногалинные). Первые сохраняют постоянным ОД в теле независимо от содержания солей в воде, имеют непроницаемые для воды покровы – млекопитающие, рыбы, высшие раки, водные насекомые, личинки. Вторые – для них ОД тела зависит от солености среды обитания. При возрастании солености возникает дефицит воды. Поэтому основной способ поддержать водный баланс для них – избегать местообитания с неподходящей соленостью. Напр., при опреснении морей после дождя морские рачки, радиолярии опускаются на глубину до 100 м. Др. средством пережить повышение солености является переход в неактивное состояние – солевой анабиоз.

Теплоемкость. Теплота испарения.Теплота плавления

Когда тепло переходит в систему, ее Т повышается:

dG = CdT.

Коэффициент пропорциональности С  наз-ся теплоемкостью системы (это  количество тепла, необходимого для  повышения Т 1 моля (мольная) или 1г (удельная теплоемкость) тела на 1^о.).

Теплоемкость  воды в 3-30 раз больше, чем у др. в-в, кроме водорода и аммиака.

Температурный режим водоемов более  устойчив, чем на суше. Это связано  с физическими свойствами воды: благодаря аномально высокой теплоемкости воды получение или отдача значительного количества тепла не вызывает  слишком резких изменений Т.

Теплота испарения 

Вода имеет аномально высокую  по сравнению с другими жидкостями скрытую теплоту испарения: чтобы выпарить 1 г воды при Т=100С, необходимо затратить более пятисот калорий (1 кал = 4.18 Дж). Поэтому большая часть солнечной энергии расходуется на испарение воды, препятствуя ее перегреву. На испарение расходуется значительная часть солнечной энергии: в водной среде эта величина составляет 1/2, на континенте - около 1/4.

След отметить, что в водной среде  испарение не имеет прямого влияния  на функционирование водных экосистем, а связано с ней лишь через Т-условия.

В наземных экосистемах процесс испарения транспирационной воды играет огромную роль в функционировании фитоценозов. Целое научное направление - водный режим растений.

Теплота плавления 

Теплота плавления  воды аномально  высока (6.012 кДж/моль) - она максимальна  среди других жидких и твердых тел (за исключением аммиака и водорода). Благодаря этому, сглаживаются (т.е. растягиваются во времени) сезонные переходы (весну и осень можно рассматривать как фазовый переход воды).

Испарение воды с поверхности водоемов (с расходом 2263,8 Дж/г тепла), препятствует перегреву нижних слоев, а образование льда (с выделением теплоты плавления 333,48 Дж/г) замедляет их охлаждение. Амплитуда годовых колебаний Т в верхних слоях океана не выше 10-15^оС, в континентальных водоемах - 30-35^оС.

О температурной стратификации водоемов мы говорили, в водоемах существует довольно значительное разнообразие Т-х условий.

В связи с более устойчивым Т-режимом  воды среди гидробионтов в значительно большей мере, чем среди населения суши, распространена стенотермность. Эвритермные виды встречаются в основном в мелких континентальных водоемах и на литорали морей высоких и умеренных широт, где значительные суточные и сезонные колебания Т.

Т.о., можно говорить о смягчающем действии водоемов на перепады Т-р на планете. С высокой теплоемкостью  воды связывают и большой перенос тепла водными течениями, и нагревание атмосферы. Благодаря аномальному изменению теплоемкости с Т-рой гидросфера сглаживает колебания Т на планете: перепад Т от экватора до полюса составляет всего порядка 30^о.

Это медленное нагревание и охлаждение воды имеет значение и для Т-режима почв, что очень важно для экологии растений (напр., как растения переносят мороз, ранний рост или запаздывание)

Поверхностное натяжение 

Поверхностное натяжение - та работа, кот надо затратить на обратимое образование единицы новой поверхности раздела без изменения Т.

Для воды оно мах(за искл Hg).

Максимальное поверхностное натяжение воды способствует повышению интенсивности процессов теплопередачи на границе раздела жидкая вода - воздух: уже при слабом ветре на поверхности воды появляются волны, рябь, что повышает эффективную площадь границы раздела фаз вода – атм. воздух.

Это определяет также способность  воды высоко (до 10-12 м от уровня грунтовых вод) подниматься по тончайшим капиллярам: капиллярные силы позволяют растению перекачивать и впитывать тысячи тонн влаги (транспирационная вода). Соки растений, ток крови в кровеносных сосудах - все это примеры капиллярных явлений.

Вода в капиллярах находится в новом четвертом состоянии:  водяной пар в капиллярной трубочке не замерзает при охлаждении даже при - 30С, капиллярная вода становится вязкой, как вазелин, и тяжелой - ее плотность выше плотности обычной воды в 1.5 раза; при -70С в капиллярах образуется не лед, а некое стекловидное вещество.

Свойства воды в четвертом состоянии  помогают объяснить необыкновенную морозостойкость ранних цветов - животворные  соки, не замерзая, поднимаются по капиллярам почвы, а затем - растений.

Талая вода обладает способностью интенсифицировать биологические процессы: повышается всхожесть семян, наблюдается бурный рост микроорганизмов у кромки таящих льдов в полярных областях, ускоряется привес животных организмов при введении в рацион кормления талой воды. Таких примеров много.

Предполагается, что биологическая активность талой воды обусловлена структурным сходством со структурой воды, которая находится в живом организме - клеточная вода. Усвоение талой воды, как предполагают, требует меньших затрат энергии, поэтому благоприятно для организмов.

Есть объективные показатели особого состояния талой воды, например, установлено, что сразу после оттаивания вода обладает меньшей диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость

Она аномально высока, что объясняет  ее необычную способность растворять вещества с ионной и полярной структурой. Поэтому в природных водах можно встретить почти всю периодическую систему элементов. (К счастью, некоторые вещества растворяются в незначительной степени).

Водные растворы

Все типы взаимодействия между ионами и молекулами воды можно объединить понятием “гидратация”. Растворенные ионы взаимодействуют с молекулами воды, которые образую вокруг ионов сложно построенную атмосферу: здесь выделяют две зоны, которые связаны динамическим равновесием - это зоны первичной (более прочной, чаще ковалентно связанной ) гидратации и “вторичной” гидратации.

По Самойлову, количественной характеристикой  гидратации является время (t) пребывания молекул воды в окрестности иона, т.е. время обмена ее с удаленными молекулами. Причем это время сопоставляется со временем (t_о) самодиффузии воды:

1. Отношение t/t_о. >1 (Положительная гидратация). Ионы при этом имеют отрицательный объем, они упрочняют структуру молекул воды, т.к. вокруг них постоянно заполнены одна или несколько полостей. К таким ионам относятся: Fe3, Al3,Fe2,Mg2,Li1,CO32-, Ca2+, Na+,SO42-.
2. Отношение t/t_о. <1 (Отрицательная гидратация).Обмен молекул идет быстрее, чем в чистой воде, поэтому такие ионы разупорядочивают структуру воды. Ее молекулы из координационной сферы быстрее мигрируют во внешнюю среду. K+, Rb+,Cs+,Cl-, Br-, I-.

Уменьшение объема раствора при  растворении упрочняющих структуру  ионов  - электрострикция. Этот эффект проявляется в виде заметного  снижения уровня водоемов при образовании  рассолов электролитов типа Na2SO4, MgSO4.

Эти факторы должны учитываться  при составлении водных балансов минеральных озер.

Говоря об особых свойствах водных растворов, следует остановиться также  и на Тзам воды и водных растворов.

Температура замерзания - это Т, при  которой Р пара над твердой фазой и жидкой одинаково. Тзам зависит от концентарции растворенного вещества и природы растворителя.

ÑТ= КС

К - криоскопическая константа, зависящая  от природы растворителя, для чистой воды она самая низкая +1.86.

При растворении солей в воде Тпл снижается по кривым (рис). Точка пересечения называется эвтектической и соответствует определенным значениям Т и С.

Для системы вода-соль эта точка  называется криогидратной.

Такие эвтектические и криогидратные  системы широко распространены в  природе:

Все изверженные горные породы - это эвтектические системы

При замерзании природных  вод образуется криогидрат сложного состава - хлориды, сульфаты и карбонаты, кот имеют различные Т-ры криогидратных точек. Из-за этого различия при образовании льда карбонаты и сульфаты, как правило, находятсяся в тв.фазе, а хлориды заполняют внутриледные пустоты и постепенно стекают в нижние слои незамерзшей воды. Лед при этом обессоливается. Этот процесс часто называют старением льда.

Т.о., при образовании льда значительная часть солей поступает в раствор, минерализация его возрастает. Так вымораживают соль при ее добыче.

При наступлении зимы в клетках холоднокровных организмов (лягушек, напр.) начинает накапливаться пероксид водорода. Система вода-Н2О2 образует криогидратную смесь с Т замерзания -50С и ниже. Подобные криогидраты предохраняют клетку от образования в ней льда и повреждения при замораживании. Это один из механизмов выживания холоднокровных организмов.

[Исcледование тв.фазы воды продолжается во многих лабораториях мира и очень интенсивно. Эти исследования приносят неожиданные открытия. Напр., установлена сверхплотная (2.3 г/см3) модификация льда (при Т -173С и Р=10-5атм). Этот лед может играть огромную роль в физике комет и низкотемпературных планет.]

Чем же можно объяснить аномальные свойства самой главной обеспечивающей жизнь на Земле жидкости?

1. Прежде всего, необычны водообразующие  компоненты:

Водород - единственный в своем роде элемент, устроенный очень просто - один электрон и один протон, он является родоначальником всего многообразия элементов в Солнечной системе. Он восстановитель.

Кислород - один из наиболее активных элементов в природе - он атакует все атомы, способные отдавать электроны, т.е. главный окислитель на Земле.

2. Простота молекулы воды кажущаяся. Химическая природа воды сложна и не до конца выявлена. Многие аномальные свойства воды обусловлены водородными связями. Энергия водородной связи недостаточно велика, чтобы не зависеть от Т и Р. Но больше тепловой энергии. Поэтому роль этих связей м.б. определяющей для ориентации и подвижности молекул относительно друг друга в растворах и молекулярных кристаллах.

По данным современных физических исследований, каждая молекула воды имеет  в среднем 4.4 ближайших соседа с  размытым тетраэдрическим расположением  молекул. Этому факту может соответствовать много разных структур.

Существующие на сегодня модели воды делятся на 3 класса:

1. Однородные континуальные
2. Двухструктурные кластерные
3. Двухструктурные специфические

Однородные континуальные  модели (Попл, 1951): все участки воды гомогенны и представляют один континуум, при плавлении льда Н-связи не рвутся, а лишь растягиваются и изгибаются. Эта модель не объясняет всю совокупность аномальных свойств воды.

Двухструктурные кластерные модели (Фрэнк, Вин, 1957): при изменении Т одна структура воды заменяется другой. Энергия Н-связей не аддитивна, поэтому происходит кооперирование молекул воды в рои и кластеры. При тепловом движении кластеры образуются и распадаются (“мерцают”), они содержат от 12 до 150 молекул и живут от 10^-10 до 10^-11с. Находятся в равновесии со свободными молекулами воды.

Эта модель удовлетворительно описывает многие свойства воды, в т.ч. термодинамические.

Двухструктурные специфические модели (Самойлов, 1946, 1957): пространственно однородная двухструктурная модель. При плавлении льда его каркас не разрушается полностью, а лишь слегка искажается тепловым движением молекул. Некоторые свободные молекулы поступают в полости структуры, сохраняя часть Н-связей в своем окружении и ослабляют прочность каркаса. С ростом Т и Р число полостных молекул увеличиваетсяю.

Объясняет многие свойства воды и применима к водным растворам.

Необыкновенная легкость льда связана  с тем, что водородные связи сплетают молекулы воды в кристалле в объемные сети, причем между частицами остается много места, куда с повышением давления устремляются…. При таянии регулярная сеть частично разрывается, промежутки соединяются. Поэтому, превращаясь в жидкость, вода становится плотнее.