VII.!. Вода как вещество, ресурс и условие жизни

Все воды Земли едины. Они, наряду с атмосферой и литосферой, объединяются в самостоятельную сферу - гидросферу, которая характеризуется отличительными особенностями. Только она выступает как самостоятельная среда жизни (наряду с наземно-воздушной, почвенной, организменной) и в то же время пронизывает другие сферы (атмосферу, литосферу) и среды жизни.

Вода - непременное условие и фактор жизни, и именно на нее воздействует человек в невиданных масштабах.

Цель данной главы - познакомиться с водой как уникальным веществом и ресурсом, а также с проблемами, которые все чаще определяются терминами «водный дефицит», «водный голод», «истощение и загрязнение водных ресурсов» и им подобными. Существенное внимание при этом уделяется причинам, экологическим следствиям и возможным путям решения экологических проблем.

Роль воды для природных процессов и жизни людей настолько масштабна, разнообразна и специфична, что попытки ее определить вызывают нередко определенный эмоциональный настрой, заставляя отступить от простого перечисления свойств и характеристик.

Сохранилось одно из древнегреческих изречений, согласно которому «Самое лучшее (в природе - Н. В.) - это вода: лучше, чем Олимпийские игры, лучше, чем золото».

Свойства воды. В. И. Вернадскому принадлежит высказывание: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Картина видимой природы определяется водой. Нет природного тела, которое мопю бы сравниться с ней по влиянию на ход самых основных, самых грандиозных геологических процессов». Подобную роль В. И. Вернадский отводил только живым организмам.

Назовем основные уникальные свойства воды, обусловливающие ее влияние на важнейшие процессы в биосфере. К таким свойствам относятся:

- неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как

185

бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой - твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа;

- присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавании (переходе в жидкое состояние);

- максимальная плотность при температуре +4°С и связанные с этим весьма важные свойства для природных и биологических процессов, например исключение глубокого промерзания водоемов;

- высокая способность поглощать тепло (теплоемкость) и значительная теплопроводность;

- способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но н прн отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу - из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название - сублимация;

- поглощение тепла при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании;

- способность в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах;

- универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках.

Эти и другие свойства воды оказывают колоссальное влияние на биосферные процессы, живые существа и среду их обитания.

Так, большая подвижность, высокая теплоемкость и способность легко переходить из одного состояния в другое являются основным условием переноса колоссальных масс тепла на большие расстояния, например, с теплыми океаническими течениями, регулирования теплового режима планеты.

Вода и жизнь. Вода - практически единственный источник пополнения кислородом атмосферы в процессе ее разложения при фотосинтетических процессах. Она же условие миграции химичес

186

ких элементов и соединений, геологического (большого) и биологического (малого) круговоротов веществ. Антуан Сент-Экаюпери выразил свое отношение к воде с позиций ее необходимости для жизни в следующих словах: «Вода, у Тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, Тебя невозможно описать, Тобою можно наслаждаться, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что Ты необходима для жизни, Ты сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами. С Тобою возвращаются к нам силы, с которыми мы уже простились. По Твоей милости в нас начинают бурлить восходящие родники сердца».

Вода, без которой невозможна жизнь, сама, чтобы быть водой, в нашем понимании, требует жизни. В. И. Вернадский часто употреблял выражение «одушевленная вода», подчеркивая этим ее единство с жизнью. По этой же причине, наравне с почвой, вода В. И. Вернадским отнесена к биокосным телам.

Немецкий эколог X. Хефлинг (1990) отмечает, что «безжизненная вода смертельна для всех». Поэт Леонид Мартынов со свойственным ему поэтическим даром выразил неестественность безжизненной воды:

Вода благоволила литься! Она блистала столь чиста, Что - ни напиться, ни умыться. И это было неспроста.

Ей не хватало ивы, тала И горечи цветущих лоз, Ей водорослей не хватало И рыбы жирной от стрекоз.

Ей не хватало быть волнистой, Ей не хватало течь везде. Ей жизни не хватало - чистой Дистиллированной воде!

/

Жизнь, по современным представлениям, зародилась в воде. На первых этапах живые организмы были очень слабо отделены от воды. Они находились как бы в полурастворенном состоянии. В дальнейшем организмы все в большей мере переходили на автономный водный баланс. Появилисъструкгуры, обеспечивающие годдержштеопределапюгоуров-ня обводненности и качественного состава воды в теле оргш гизмов.

187

До настоящего времени сохранились организмы(водороели и др.), количество воды в теле которых зависит от степени обводненности среды (пойкилогидрические), но большинство их относится к гомойогидрическим. Хотя к какой бы группе ни относились организмы, тело их более чем на 50% состоит из воды, а яо многих пойкилогидрических содержание ее достигает 90% и более. Чем совершеннее организм, тем стабильнее его обводненность.

Доля воды в теле человека близка к 60%, но в отдельных органах и тканях она варьирует от 1 до 96% (табл. 17).

Потеря гомойогидрическими организмами 10-12% воды равносильна их гибели. В то же время пойкилощдрические организмы способны терять ее до 90%.

Многие биологически важные свойства воды остаются сла-боизученными. Еще сложнее обстоит дело с объяснением этих свойств. Известно, например, что вода, лишенная кислорода, гибельна для живых организмов. В то же время кратковременное использование бескислородной воды заметно повышает жизненную силу и урожай растений. Приводятся данные, что вода, освобожденная от значительной части кислорода нагреванием, обеспечивала заметную прибавку урожая при замачивании в ней семян перед высевом.

Переходя в связанное состояние, вода резко меняет свое отношение к низким температурам. Она замерзает только при -15-20°С.

Таблица 17

Содержание воды в теле человека Вещества, ткани Процент воды от веса тела или тканей Организм в целом 60 В том числе в тканях: жировых 20 костных 25 печени 70 мышечных 75 крови 79 мозга 85 лимфы 95 188

Это важнейший путь сохранения обводненности растений зимой при одновременном сохранении их от вымерзания. *?•.•<•. ,

Высокая тегоюемкость испособность поглощатьтепло при испарении делают воду незаменимым охлаждающим агентом в биологических (транспирация растений, потов;-щеление животных) и технических системах. Она - важнейший гарант защиты планеты от перегрева, альтернатива глобальному термодинамическому кризису, в то же время основной агент локальных тепловых загрязнений среды.

О роли воды в жизни природных экосистем можно судить по во-доемкости образующейся в них продукции. Она может быть охарактеризована через транспирационные коэффициенты, под которыми понимается количество единиц воды, расходуемое на получение равновеликой единицы органической массы.

Из таблицы 18 видно, что эти коэффициенты в лесных фитоценозах в условиях Подмосковья (данные автора) колеблются от 366 (по транс-пирационному расходу) до649единиц (по суммарному испарению).

Таблица 18

Годовой баланс атмосферных осадков в елово-лиственном лесу в условиях Московской области Элементы водного

баланса Расход воды 1 га/год 1 дерево/год, л 1 дерево/день, л т воды

на |т сухого веса продукции (коэф. транс-пирацн-онный) м3 % от осадков Транспирация 2560 44 2850 48 366 Испарение с увлажнен- 1980 34 2200 37 283 ного полога растений и поверхности почвы і Транспирация и испа- 4540 78 50501 85 649 рение в сумме (суммар- ное испарение) Остаток осадков, рас- 1290 22 ходуемых на сток 189

В таблице представлены результаты 8-летних наблюдений. Возраст леса - 60 лет, производительность высокая {1 класс бонитета). Среднегодовая сумма осадков - 583мм(5830 м3/га).

Еще более высокими значениями выражаются коэффициенты, если их определять по отношению не к обшей гфодукции, а к той ее доли, которая интересует человека и учитывается как урожай (зерно, волокно, корнеплоды и т п.). Так, получение каждой тонны зеря и пшеницы требует2500 т воды, риса-4560т, хлопка -10000т, а говядины -30000т.

Вода является важнейшим не только биологическим, но и социальным фактором для жизни человека. Для удовлетворения чисто биологических потребностей человеку достаточно 2-5 литров воды в сутки. На первых порах человек таким количеством и довольствовался. С момента перехода на хозяйственную деятельность требовалось все больше воды. Появилась необходимость организации водного хозяйства, например, при поливном земледелии.

Определяющим фактором первых поселений человека и очагами зарождения цивилизации являлась вода. Чаще всего это были поймы рек. Неразрывность жизни и воды подчеркивается крылатыми выражениями: «Вода - это жизнь», «Где вода - там и жизнь», «Где жизнь - там и вода» и др.

Имеются сведения, что многие древние культуры гибли по причине неумения организовать водное хозяйство, обращаться с водой. Вода из блага для человека легко превращается в разрушительную силу, если ею пользоваться неразумно. Ярким примером могут быть кризисы поливного земледелия, сопровождающиеся засолением почв, их эрозией и потерей плодородия.

Вода является неотъемлемым элементом и условием практически всех технологических процессов. Для нее характерны исключительно высокие темпы роста использования. Об этом, в частности, свидетельствует водоемкость производств, под которой, как и для биологической продукции (см.выше), понимается количество воды, расходуемое на получение единицы продукции, измеренное в одних и тех же единицах. Так, для выплавки 1 т стали требуется 30 т воды, для спирта эта величина равна - 300, для целлюлозы - 500, для синтетических волокон - 5000 и т. п.

В мире в настоящее время расходуется в среднем 1500-2000 л воды на человека в сутки (сравните с биологическими потребностями, равными 2-5 л/сутки). Из них около 100-150 л воды расходуется на коммунально-бытовые нужды. Основное количество воды расхо

190

дуется на промышленные и сельскохозяйственные цели. Ежесуточный расход юлы на каждого жителя России составляет около 5000 л (сравните со среднемировым, равным 1500-2000л/сутки). Из них на питьевые и коммунально-бытовые нужды расходуется от нескольких литров до сотен литров на человека. В Москве, например, на коммунально-питьевые нужды расходуется 300-400 л воды в сутки.

В бывшем СССР (1980 г.) расход воды по отраслям хозяйства составлял:

- сельское хозяйство - 53%;

- коммунально-бытовые нужды - 7%;

- промышленность - 34%;

- испарение с водохранилищ - 8%.

В настоящее время структура водопотребления заметно изменилась, и прежде всего за счет уменьшения использования в сельском хозяйстве (основные поливные земли оказались в странах СНГ).

Растет цена на воду. Кларк (США) отмечает, что за последние 50 лет цены на нефть возросли в 10 раз, на воду для бытовых нужд - примерно в 100 раз, на питьевую воду - в 1000 раз. Обычным стала продажа питьевой воды в бутылках. Природно-чистая вода становится важнейшим источником национального достояния.

Еще в 1974 г. М. Г. Сойфер писал: «Нынешние неистовые поиски воды, этого необходимейшего ресурса, затмили и золотую лихорадку, и нефтяную истерию, и урановый бум. И как это не парадоксально, это дело оказывается неотложным не для пустынных районов, а для густонаселенных высокоиндустриальных и высокоразвитых земледельческих областей, где непрерывно возрастает спрос на воду, а ее становится все меньше. Водная проблема выходит из рамок отдельных стран, приобретая международный характер».

Высказывается мнение, что вода становится ресурсом, который ограничивает развитие многих производств. Так, Б. Скиннер (1989) в работе «Хватит ли человечеству земных ресурсов?» приводит высказывание видного ученого А. М. Пайпера (1965) о том, что «... чистая вода... вскоре положит верхний предел экономическому развитию некоторой части населения... Благоразумие требует, чтобы государства научились управлять запасами воды с должным пониманием проблемы и максимальной эффективностью. Время, которое отпущено на такое обучение, чрезвычайно мало».

Уже сейчас вода становится источником международных конфликтов. Например, идут споры из-за вод р. Колумбии между США и Ка-

191

надой, не прекращаются споры по проблеме использования вод Дуная, питающих несколько государств. Арабские страны не приемлют проект Израиля по выкачиванию подземных вод из-под их территорий. Число таких конфликтов и споров будет только увеличиваться.