Лекция 2. Вода как среда обитания и приспособление гидробионтов к водному образу жизни.

1. Химический состав воды.
2. Физические свойства воды.
3. Физико-химические свойства грунтов.

Водная среда (гидросфера) занимает 70,8% поверхности Земного шара. Объем гидросферы составляет ≈1,38 млрд. км3 (1/780 объема планеты – 1375·106 км³), 0,025% (0,25·10–3) массы Земли. Из них 98% приходится на моря и океаны и лишь 0,46% на пресные водоемы (озера, реки, болота), остальное – на подземные воды, лед и снег арктических и антарктических областей.

Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане. Несмотря на кажущееся достаточное количество воды, на планете, пресной воды, необходимой для жизни человеку и многим другим организмам, ее катастрофически не хватает. Загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод.

1. Химический состав воды.

Атомы водорода и кислорода имеют несколько природных изотопов. Например, у водорода их три: обычный водород (протий), тяжёлый водород (дейтерий) и сверхтяжёлый радиоактивный водород (тритий).

В природе наиболее распространена вода, состоящая из обычных изотопов кислорода и водорода (99,73%). Тяжёлая вода (оксид дейтерия) внешне выглядит, как обычная. Тяжёлая вода используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов. Сверхтяжёлую воду применяют в термоядерных реакциях. Основную массу природной воды образуют молекулы ¹Н₂¹⁶О.

Большинство необычных свойств воды определяется строением её молекулы, физической природой составляющих её атомов и компоновкой самих молекул. Молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого расположены ядра атома водорода, а в вершине – ядро атома кислорода. Поэтому молекула воды характеризуется значительной полярностью: отрицательный и положительный заряды в ней разнесены.

Количественный показатель содержания растворённых в воде веществ называется общей минерализацией и выражается величиной мг/л или г/л. Содержание растворённых веществ в воде морей и океанов выражают также в относительных единицах, как правило, в промилле (‰), то есть г/кг, и называют солёностью (иногда – минерализацией). Если в одном литре природной воды содержится до 1 г (1000 мг) растворённых веществ, её считают пресной, от 1 до 25 г – солоноватой, от 25 до 50 г – солёной (или морской солёности) и выше 50 г – высокосолёной (или рассолом).

Важнейшее свойство природной воды заключается в том, что она является «буфером» в отношении кислотности. Свойство буферности кислотности – это способность воды сохранять более или менее неизменным содержание ионов водорода (Н⁺), т.е. сохранять значение рН при попадании в неё определенного количества кислоты или основания, которые нейтрализуются растворёнными в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами. С концентрацией гидрокарбонат-ионов напрямую связана устойчивость состава природной воды к кислотным дождям.

В водных растворах подавляющее большинство солей существуют в виде ионов. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат HCO₃^–, хлорид Cl^– и сульфат SO₄^2-) и четыре катиона (кальций Ca²⁺, магний Mg²⁺, натрий Na⁺ и калий K⁺) – их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния – горький; гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90% всех растворённых веществ. В ряде случаев к главным компонентам можно отнести также калий, бром, стронций и др.

1. Физические свойства воды.

В природе в естественных условиях вода может существовать в трех основных агрегатных состояниях: твердое состояние – лед, снег; жидкое – вода; газообразное – пар. Это обеспечивает нашей планете жизненно важный процесс – гидрологический цикл или круговорот воды в природе, который состоит, если кратко, из осадков, испарения и конденсации. Круговорот воды в природе обеспечивает ее присутствие практически во всех уголках нашей планеты, а вода, как известно, источник жизни.

Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое называются фазовым переходом и определяются следующим образом:

· Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;

· Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;

· Кристаллизация — переход жидкости в лед;

· Плавление – переход льда в жидкость;

· Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;

· Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па.

Необходимо отметить такой, важный для человека факт – при понижении атмосферного давления температура кипения падает. Это необходимо учитывать, например, в условиях высокогорья. Отметим также еще одно явление, которое полезно знать человеку в повседневной жизни – объем воды в твердом состоянии больше чем в жидком. Этот факт иллюстрирует общеизвестный пример – бутылка с водой оставленная на морозе будет разорвана, образовавшимся в ней льдом.

Очевидно, что в разных своих агрегатных состояниях Вода обладает разными базовыми физическими свойствами такими как – текучесть, твердость, летучесть.

При 0 °С каждая молекула жидкой воды совершает 10¹¹–10¹² движений в секунду, каждая молекула льда – 10⁵–10⁶. Вода расширяется при замерзании, так что образовавшийся лед занимает объем, больший, чем исходная жидкая вода. Это объясняется тем, что молекулы жидкой воды двигаются свободнее и поэтому могут располагаться компактнее. Именно поэтому лед плавает на поверхности воды, в отличие от большинства других веществ для которых характерна большая плотность твердой фазы по сравнению с жидкой. Если бы и вода вела себя таким же образом, то лед погружался бы на дно водоема, а не защищал бы жидкую воду от дальнейшего охлаждения и кристаллизации. В результате наша планета была бы покрыта сплошной ледяной коркой и жизнь была бы невозможна.

Плотность воды возрастает с ростом температуры от 0°С до 3,98 °С. По превышении температуры 4°С движения молекул воды становятся интенсивнее и плотность воды начинает снижаться.

Удельная теплоемкость воды также аномально высока. Для того чтобы поднять температуру 1 г воды на 1°С, мы должны затратить 4,186 кДж тепла. Для сравнения можно указать, что для такого же разогрева льда нам потребуется 2,04 кДж, а воздуха –

1,00 кДж.

Высокая теплоемкость превращает водоемы в аккумуляторы тепловой энергии, влияющие на климат. Скорость изменения плотности воды с температурой при высоких температурах возрастает. Это неизбежно воздействует на процессы перемешивания воды – чем выше температура воды, тем больше энергии требуется на ее перемешивание.

Важными параметрами являются поверхностное натяжение и вязкость. Сила поверхностного натяжения воды достаточно велика и составляет 7,3х10^-3 Н·м^-1. Поверхностное натяжение уменьшается с ростом температуры, в присутствии поверхностно-активных веществ, включая гуминовые вещества и продукты выделения водорослей.

Вязкость воды также уменьшается с температурой. Чем выше вязкость жидкости, тем легче организмам «парить» в такой жидкости, чем ниже вязкость – тем легче осуществлять активное плавание.

Вода чрезвычайно плохо сжимаема, характеризуется низким коэффициентом теплового расширения.

Чем же можно объяснить аномальные свойства воды? В настоящее время их объясняют молекулярной структурой воды, наличием водородных связей и поведением воды как «жидкокристаллического» тела.

По сравнению с воздухом вода менее прозрачна и попадающий в нее свет довольно быстро поглощается и рассеивается.

В природных водах, содержащих большое количество различных взвешенных частиц, коэффициент поглощения всех лучей заметно выше. Спектральный состав света, вследствие разницы поглощения лучей разной длины волны по мере прохождения его сквозь толщу воды резко меняется. Очень быстро в нем исчезают инфракрасные лучи (длиннее 820 нм), затем красные (680 нм) и оранжевые (620 нм). Наиболее глубоко проходят зеленые (520 нм) и особенно синие (460 нм). Изменение6 спектрального состава света существенно влияет на условия фотосинтеза и отражается на поведении гидробионтов.

Параллельно поглощению света в толще происходит его рассеивание. Взвешенные в воде частицы преимущественно рассеивают длинноволновые лучи.

Цвет воды, как и ее прозрачность, зависит от избирательности поглощения и рассеивания различных лучей, определяясь отношением светового потока, выходящего из воды, к падающему на ее поверхность. От цвета воды следует отличать цвет поверхности водоемов, который в отличие от первого зависит от погодных условий и угла зрения.

Чистая вода рассеивает преимущественно коротковолновые лучи и потому в соответствии со спектральным составом выходящего из нее светового потока кажется синей. С увеличением в воде количества взвешенных частиц, включая мелкие организмы, возрастает рассеивание длинноволновых лучей, и ее цвет приобретает желтоватый или коричневый оттенок. Таким образом, по цвету воды можно судить о ее чистоте и количестве находящихся в ней твердых частиц и микроорганизмов.

2. Физико-химические свойства грунтов.

Из отдельных физико-химических свойств грунтов наибольшее экологическое значение для донного населения имеют размеры частиц, плотность их прилегания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и темп аккумуляции за счет оседания взвешенного материала.

Физические свойства грунтов характеризуются их механическим, или гранулометрическим составом.

Мелкозернистые грунты называют мягкими. К ним относятся глины (пелиты), илы (селиты, алевриты) и песок, имеющие размер зерен соответственно менее 0,01, 0,01-0,1 и 0,1- 1,0 мм. Жесткие грунты представлены гравием (0,1-1 см), галькой (1-10 см), валунами (10-100 см) и глыбами (более 1 м).

Среди организмов приуроченных к определенным субстратам различают литофилов, обитающих на камнях, псаммофилов, живущих на песке, аргиллофилов, селящихся на глине, и пелофилов, жизнь которых связана с илистыми грунтами.

С переходом от каменистых грунтов к песчаным и илистым численность донных животных обычно увеличивается, а их средняя масса снижается в результате мельчания представителей.

Гидробионты активно выбирают грунты, наиболее соответствующие их потребностям. Аттрактивность («привлекательность») грунтов определяется не только их гранулометрическим составом. Мелкозернистые грунты, особенно илистые, имеют различную степень уплотнения и в верхних слоях лежат более рыхло, чем в нижних. По мере уплотнения грунтов внедрение в них становится более затруднительным, и организмы закапываются на меньшую глубину. С другой стороны, слишком мягкие, полужидкие грунты, становятся недостаточно опорными и поэтому неблагоприятны для донных организмов.

Донные отложения тесно взаимодействуют с водой. Из грунта в воду непрерывно поступают различные соли, газы, твердые компоненты, обратно несутся в донные отложения различные минеральные и органические вещества из толщи воды. Процессы взаимодействия между ложем водоема и его водной массой имеют большое значение для жизни гидробионтов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Физико-химические условия существования гидробионтов

2. Аномальные свойства воды

3. Растворенные и взвешенные в воде вещества

4. Газы, содержащиеся в воде

5. Физико-химические свойства грунта.