Со-временем они придумали акведуки Вавилона, первый городской водопровод древнего Рима, дамбы, арыки, каналы, и, как вид, смогли практически безгранично расширить свой ареал।
В современной городской жизни мы редко задумываемся о зничительной роли воды до первого сбоя в водопроводе।
Ученые осознали первоопределяющую роль водной субстанции для всех форм жиэни давно. Ничто живое не может ни возникнуть, ни поддерживать свое существование без воды, ни в какой форме. И это верно не только для земных условий.
Миллиарды потраченны на космические аппараты, находящиеся на Марсе или в пути на другие планеты и их луны, которые имеют главную задачу, обнаружить воду и, как следствие, возможные следы былой или наличной жизни, хотя бы на микроскопическом уровне. Вода, во-первых, жизнь во-вторых. Есть вода, может быть жизнь, нет воды жизнь в принципе невозможна. Никакая и ни в какой форме.
Почему? Главным качеством воды является ее уникальная и универсальная растворяющая способность, которая обусловлена формой и устройством молекулы воды.
Расположением водородных атомов на кислороде, их легкими подвижными связями, способными, как маленькие магниты окружать,
растаскивать и соединять атомы более крупных молекул, меняя их формму, качество и содержание исходного и конечного вещества. Но уникальность свойств воды, как мы увидим далее, на этом не кончаются.
Возможно в других условиях не менее универсальным растворителем был бы аммиак, но предположение это очень условно, пока никаких следов и форм безводной жизни не обнаружено и, даже не предсказано. Зато следы воды, сразу предполагают возможности, пусть самой примитивной, но жизни.
Нам крупно повезло, Земля покрыта океаном, окружена атмосферой, твердые поверхности пронизаны и покрыты сетью речных потоков, чашами озер, внутренними и внешними морями. Полярные области и высокие горы закрыты огромными ледовыми полями, ледниками километровой толщины. Приполярные зоны запаяны в вечную мерзлоту с огромными хранилищами переохлажденных минеральных растворов в полостях, а в глубинных разломах. В океанских подводных хребтах, так называемые, черные и белые «курильщики», извергают постоянные потоки крепчайших «раскаленных» водных рассолов с температурой более 400 градусов по Цельсию.
На Земле случаются планетарные потепления и потопы, ледниковые периоды. Сменяя друг друга они сметают одни формы жизни и порождают другие. По плану ли создателя, естественным ли развитием, а может по закону Мерфи жизнь на нашей планете либо залетела в океан, либо зародилась там и постепенно вышла на сушу.
Откуда же сама вода появилась на нашей планете. Никто не может сказать наверняка. Версии разняться. По одной из них это могли быть бомбардировки нашей пропланеты ледяными кометами, до тех пор, пока атмосфера отсутствовала и не могла препятствовать падению космических тел. По другой вода могла возникнуть во внутренних земных процессах, идущих в раскаленных массах и выдающих воду при остывании через трещины и разломы в земной коре. Общий объем воды на планете довольно стабильный, что также порождает вопросы о характере ее планетарного баланса. Вполне вероятно разные процессы имели место.
Много ли у нас (у землян) воды или мало? Вопрос конечно риторический. Ведь мы ее не заказывали.
Много, если взглянуть со стороны, то вода покрывает 2/3 земной поверхности и смотрится, как голубой объект из космического высока. Отсюда и клище придуманное нами же про Планету Океан!
Посмотрим иначе..Представьте себе модель Земли (глобус) диаметром в 1 (один) метр.
Теперь спросите себя и любого из окружающих, каким вы представляете океанский слой воды на этой модели. В моем случае почти каждый, кто рискнул своим мнением, назвал 1-2 см, дюйм, полдюйма. Реальная картинка - Мировой Океан в этом масштабе оказался пленкой в среднем около трети миллиметра, при том, что реальная средняя глубина океана 4 километра, а в Марианской впадине утонет Эверест, над вершиной, которого будет еще дополнительная темная 2-х километровая водная толща .
Та самая Марианская впадина, глубиной более 11 км, покоренная 40 лет назад замечательным Ж. Пикаром на батискафе «Триест», оказалась жалкой царапиной в 1 мм, которую пальцем едва ощутишь на воображаемом шаре в пол человеческого роста. Тело нашей планеты покрыто влагой не более чем слой испарины на нашей же руке. Однако ж эта «испарина» породила динозавров и похоронила мамонтов, снесла прибрежья континентов, и поглотила Атлантиду, а супертанкеры длинной в полкилометра лежат на ней не больее пылинки на вашем столе.
Прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха (школный учебник по природоведению).
Как получилось, что эта прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха, явилась ключевой материей обусловившей зарождение и развитие всего живого на Земле. обусловила образование и развитие нашей цивилизации, а та, в свою рчередь, все в большей степени становитсяя зависимой от этой мистическойой субстанции.
Из школьной программы мы знаем, что вода, простой физический материал, в обычных земных условиях, выглядит жидкостью без цвета, вкуса и запаха. Химическое строение ее также представлено простым cтроением молекулы - соединением атомов двух легких элементов водорода и кислорода. Около 200 лет назад вода казалась ученным еще более простым и единым химическим элементом. Впервые элементарную формулу открыли А. Гумбольт и Жозеф Луи Гей-Люсакв 1805 году . В дальнейшем, более 100 лет (до 1933 года), люди ничего не знали ни о тяжелой, сверхтяжелой, ни о легкой воде и других изотопных вариантоах естественной и искусственной воды, которых сейчас насчитывается более 130 с довольно различными физическими, химическими и биологическими свойствами.
В данном случае оказалось, что простота строения не обещает простоты поведения। Если посмотреть на модель молекулы воды то мы обнаружим, что каждый атом водорода ковалентно связан с кислородом парой общих электронов. У кислорода также имеется две пары дополнительных электронов не вовлеченных в связи. Таким образом кислород окружают 4 пары электронов, две из которых включены в ковалентные связи с водородом, а две неразделенные пары находятся на обратной стороне атома кислорода. Кислород является при этом «электронегативным» атомом или атомом «любящим» электроны в сравнении с позитивным водородом. В итоге мы видим перед собой микромагнитики, которые непрерывно лепяться друг к другу, но связи подвижны, они разрываются и обрываются постоянно, создавая и разрывая конгломераты молекул
По определению вода является гидридом кислорода. Кислород, согласно периодической таблице химических элементов, входит в кислородную подгруппу, которую также составляет сера, селен, телур. Температуры кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы определяются их молекулярным весом. У самого тяжелого гидрида телура они отрицательны и при окружающей среде с температурой выше нуля градусов по Цельсию это соединение газообразно. По-мере перехода к более легким гидридам селура и серы критические температуры еще более снижаются. При такой закономерности можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при минус 70 градусов по Цельсию и замерзать при минус 90 соответсвенно, и как самый легкий гидрид она была бы самым летучим материалом из подгруппы. В этом случае, в земных условиях, вода никогда не могла бы существовать в виде льда и жидкости, только в газообразном состоянии. В реальной же жизни мы все знаем, что на уровне моря вода кипит при плюс 100 градусах и замерзает при 0 по Цельсию.
Эта аномалия воды впервые была объяснена объемным строением ее молекулы, которое описал Нильс Бор. Согласно его учению молекула имеет несимметричную тетрадрическую форму со смещенными полюсами
Из-за неравномерного распределения электронной плотности вода является «полярной» молекулой, которая имеет негативный заряд со стороны кислорода (сигма минус), и, частично, позитивной со стороны водородных атомов (сигма +). По сути каждая молекула воды является, как уже было упомянуто, микромагнитиком (диполем) с высоким дипольным моментом 1.87 под действием силы которых межатомные и межмолекулярные силы на поверхности тел погруженных в воду ослабевают в 80 раз. Это самый высокий показатель из всех известных соединений и, который-то и делает воду самым универсальным растворителем в природе. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны все твердые тела, жидкости и газы. Даже стекло, признанный своей химической стойкостью материал, уступает воде – выпивая несколько стаканов воды в день, мы съедаем в течение нашей жизни 0.1 г стекла . Практически молекулы Н20 в абсолютном виде , вне всяких надмолекулярных группировок и «сообществ», находяться только в состоянии пара. Максимально чистую воду можно также создать в лабораторных условиях, путем комбинированных методов фильтрации, или синтезируя ее из чистого кислорода и водорода. В реальной же жизни она всегда является раствором, с тем или иным, содержанием растворенных веществ.
Электростатическое притяжение между полярными частями молекул воды приводит к образованию водородных связей, показанных на иллюстрации. Способность ионов и других молекул растворяться в воде обусловлены во многом этой полярностью. См. иллюстрацию показывающую структуру хлорида натрия кристаллического и растворенного в воде. .
Связанность воды в надмолекулярные комплексы является также причиной аномально высокой теплоты парообразования, высокой энергоемкости плавления льда - чтобы расплавить 1 г льда, необходимо столько же энергии, сколько уйдет на нагрев одного же грамма воды от 0 до 80 градусов Цельсия.
Сила поверхностного натяжения, капиллярный эффект, оптимальная теплоемкость воды при температуре 37 градусов Цельсия, эффект переохлажденной воды, сильные различия в качестве чистой воды и воды содержащей различные растворенные и взвешенные включения – лишь небольшой перечень характеристик воды определяющих ее исключительную роль в процессах зарождения, формирования и поддержания жизни во всех ее известных формах на Земле, а также на иных небесных телах, где это возможно. Все эти качества воды определяется уникальной формой молекулы, расположением и существованием водородных надмолекулярных связей.
Мы знаем, что любой расплав материалов и веществ оказывается легче, чем тот же объем соответсвующего вещества в твердом состоянии и, следовательно погружается («тонет») в своем расплаве, в то вермя, вода как лед имеет положительную плавучесть в жидкой форме воды. Объясняется это тем, что водородные связи в твердом теле воды удерживают молекулы на большем расстояние, чем в жидкости, где самих, таких связей на одну меньше для каждой молекулы.
Все уникальные свойства воды, такие, как высокая теплоотдача при испарении, сильное поверхностное натяжение, капиллярность и гидрофобный эффект очень зависимы от состояния воды и наличия в ней включений. Например струя абсолютно чистой воды теоретически во много раз крепче стали, по поверхностной пленке такой воды можно было бы кататься на коньках, а переохлажденная, она долгое время может оставаться жидкой, пока в нее не попадет инородное тело. В рассказе Михаила Пришвина кристально чистое отстоявшееся озеро оставалось незамерзшим в течении нескольких безветренных морозных дней, пока в него не вступила копытом лошадь ... озеро мгновенно покрылось льдом по всей его поверхности. В этом же свойстве воды возможно кроется секрет гибели мамонтов. Огромные животные исчезли одновременно по всему ареалу своего обитания. Найденные вмерзшие тела древних колоссов стояли вертикально с полными желудками непереваренной пищи. Это, практически свидетельствует о мгновенной смерти, вполне вероятно от невиданного снегопада, который возник, например, при попадании, метеорита в огромные скопления переохлажденных облаков.
Гидрофобный эффект, или уникальные соединения содержащие углерод и водород (неполярные соединения) являются еще одним качеством воды вызванной водородными связями. Он особенно важен в формировании клеточных мембран. Для лучшего описания этого эффекта можно было бы сказать, что вода «сжимает» или склеивает неполярные молекулы вместе и если удалить воду из пространства между клеточных мембран, наше тело рассыпалось бы в труху на отдельные клетки, что, впрочем и происходит со всеми растениями, животными организмами, когда "душа улетает" и тлен постепенно охватывает бренное тело.
Без капиллярного эффекта, самымы крупными живыми формами были бы одноклеточные организмы. Забудьте про секвойи, калифорнийские сосны и красное дерево. Ни одна травинка-былинка не вытянулась бы над землей, не поддались бы создателю ни жабры, ни легкие. Чем тоньше каппиляр, тем выше подъемная сила воды и ее растворов. Это свойство позволяет растениям самим тянуться и поднимать воду из глубинных подпочвенных слоев, и напротив сохранять и дренировать воду под рыхлой почвой, не давая плодородной земле иссохнуть. В животном организме каппиляры достигают все жизненно важные органы и их микроскопические части для снабжения свежим кислородом, питанием и выносом продуктов распада в более крупные сосуды.
Чтобы не утомить читателя я заканчиваю вводную главу более менее популярного повествования о сакраментальной материи, которая без пристального взгляда может показаться одним из самых скучных предметов разговора, особенно если вас не мучает жажда или, напротив, слово вода приносит в воображении граненный стакан после похмелья.
Эти знания почерпнуты из разнообразной литературы, где помимо школьных и университетских учебников, энциклопедий и периодических научных и популярных изданий. Для себя я особенно выделил бы книгу Леонида Ковльского с соавторами «Вода знакомая и загадочная», 1982 год, которая добавила к моим 30-летним познаниям о воде огромный, доступный и исчерпывающий материал, который не попадался ни в одной иной отдельно взятой публикации.
В дальнейщем будут изложены более подробно современные данные и взгляды специфически на биологическую роль воды.
(продолжение следует)
Сиетл, сентябрь 2003.
