О. Татков - Избранные вопросы экологии. Информационно-методический сборник

Уникальны в своём роде и тепловые свойства воды:

1. Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37 оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36—38 оС. (Внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные – авт.).

2. Вода – обладает самой высокой теплоемкостью из всех известных веществ. Чтобы нагреть определенное ее количество на 1 0 необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, – по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Это обуславливает исключительную, в отличие от других веществ, способность воды аккумулировать тепло. Благодаря этому свойству волы Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15°С. В противном случае климатические, и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы.

Знаменитое Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана тёплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили меняет климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане – слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате течение устремляется через океан от Индонезии к Перу и температура воды у побережья Перу поднимается на 3—5°С. Затянувшееся с 1990 по 1995 г. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с 1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы – наводнения там, где их никогда не бывало и засуха во влажных областях.

Исключительная теплоёмкость воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии. Температура других теплокровных млекопитающих (32—39 оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

3. Вода – обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед – растопить.

В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса – вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью, благодаря чему солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие – наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок, что позволяет большинству живых организмов оптимальным образом существовать (адаптироваться) в условиях благоприятной среды.

В качестве первичного эшелона, определяющего адекватность адаптации или приспособленность любых живых организмов к постоянно меняющимся факторам внешней среды, выступает количество в организме воды, абсолютное содержание и соотношение в ней макро и микроэлементов. Живая клетка это идеальная система обратных связей, но любая клетка это еще и вода и состояние этой воды решает в конечном итоге все.

Внутриклеточную среду обычно рассматривают как водный раствор, тогда как она представляет собой гель, испытывающий фазовые переходы. Вода служит дисперсионным средством (диспергатором) органических коллоидов и индифферентной средой для транспорта строительных и энергетических веществ к клетке и эвакуации продуктов обмена к органам выделения. Эти процессы связаны с константным (в узких пределах) содержанием воды и солей в организме. В обычных условиях вода в организме никогда не бывает в свободной форме, а всегда связана осмотическими, онкотическими и мицеллярными силами.

Можно смело утверждать, что «человек существует благодаря наполняющей его воде». В организме человека с массой тела 65 кг содержится от 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л – в составе внеклеточных жидкостей организма. Из 25 л внутриклеточных жидкостей около 95% находится в свободном состоянии, а 5% – иммобилизовано за счет связи с биологическими макромолекулами. Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. До сих пор актуален афоризм известного биолога Г. Н. Шангина-Березовского: «Каждый из нас всего лишь пятьдесят литров воды, вставшей на ноги».

Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3-месячного плода содержится 95% воды, 5-месячного – 86%, новорожденного ребенка – 70%, взрослого человека – от 65 до 55%. Поддержанием постоянного объема жидкости, состава и концентрации электролитов в организме занимается сложная система, в которой участвуют почки, надпочечники, гипофиз и легкие.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% – на неорганические.

Молекула воды – диполь. Это значит, что геометрические центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают – одна часть молекулы «поположительнее», а другая «поотрицательнее». Поэтому вода – дипольная жидкость. Но это только в первом приближении. Во втором приближении вода – система из четырех зарядов – квадруполь.

Уместно здесь вспомнить гипотезу Ю. А. Колясникова о том, что «структурная память воды „унаследована“ от главной строительной единицы земной тверди – кремнийкислородного тетраэдра, как наиболее энергетически выгодную». Ведь, в сущности, весь кислород земной воды и атмосферы в прошлом был силикатным. Можно считать общепризнанным факт, что вода имеет внутреннюю структуру. Как принято считать, структурообразующими свойствами обладают водородные связи (мостики). Колясников делает вывод о том, что вода – это тетрамер Н 8О 4, в котором четыре молекулы соединены в компактный тетраэдр двенадцатью «сильными» водородными связями. Эти тетрамеры в воде (жидкость в пару) объединяются в полимеры такими же, но «слабыми» связями т.к. для этого соединения у них остается только четыре связи.