Mokslas ir IT

2019.04.19 19:22

Trys atomai ir šimtai mitų: kuo ypatingas vanduo ir ar tikrai jo gali pritrūkti

Tautvydas Lukaševičius, LRT.lt2019.04.19 19:22

Kol kas neatrastas joks gyvas organizmas, kuriam nereikėtų vandens. Nors vandens molekulę sudaro vos trys atomai (vienas deguonies ir du vandenilio), apie vandenį sukurta daugybė istorijų ir mitų. Pavyzdžiui, daugybė žmonių tiki, kad antrą kartą negalima naudoti to paties plastikinio buteliuko, o vandens filtrai daro stebuklus.

Kas yra vanduo? Kodėl jis toks svarbus gyvybei? Ir kokie patys keisčiausi mitai apie jį?

Be vandens neįsivaizduojama ne tik gyvybė, bet ir daugybė daiktų. Reikia 2700 litrų kiekvieniems medvilniniams marškinėliams pagaminti, o mes išgeriame vos 1 % viso kasdien sunaudojamo vandens.

Jeigu valydamiesi dantis visą laiką paliekate atsuktą kraną, išnaudojate 12 litrų vandens – tiek telpa dideliame kibire. Beveik ketvirtadalis kasdien sunaudojamo vandens nuteka kanalizacijos vamzdžiu. Vanduo tualete kiekvienuose namuose per metus nuleidžiamas vidutiniškai 5000 kartų, o 180000 litrų sunaudojama gaminant naują automobilį.

Visų trijų būsenų

Vandens molekulė yra mažesnė už anglies molekulę ir pagal dydį, esant normaliai temperatūrai, ji turėtų būti dujų pavidalo, tačiau vandens molekulės dėl vandenilinio ryšio įprastai yra skystos.

Viena vandens molekulių pusė turi teigiamą krūvį, o kita – neigiamą. Kai viena iš molekulių priartėja prie kitos, šie krūviai vienas kitą pradeda traukti – taip sukuriamas laikinas ryšys, vadinamas vandeniliniu. Būtent tokia vandens molekulių sąveika lemia daugybę neįtikėtinų vandens savybių, o kintant temperatūrai ir slėgiui vanduo gali būti net trijų fizikinių būsenų – kietas, skystas ir dujinis.

Dėl trumpalaikių ryšių vanduo išlieka skystas esant temperatūrai nuo 0 iki 100 °C. Jeigu slėgis yra didesnis arba vanduo sūresnis, užšalimo ir užvirimo temperatūros gali būti kitokios.

Vandens molekulės gali suformuoti iki 4 vandenilinių ryšių su savo kaimynais, tačiau (kai vaduo skystas) taip beveik niekuomet nenutinka, o vandeniui atvėsus iki žemesnės nei 0 °C temperatūros, molekulės išsirikiuoja ir suformuoja kristalus. Tokioje struktūroje molekulės išsidėlioja atviriau, todėl ledo tankis būna mažesnis už skysto vandens. Dėl to ledas plūduriuoja vandenyje, o ne skęsta. Jeigu ledas neplūduriuotų, ežerai šaltų nuo apačios į viršų, o per visą žiemą galiausiai taptų visiškai sukietėjusio ledo gabalais.

Taip pat vanduo yra vienas geriausių žinomų tirpiklių visatoje. Polinės molekulės gali tirpdyti kitas krūvį turinčias daleles. Esant tinkamoms sąlygomis, į tirpalą įtrauktos gali būti net ir krūvio neturinčios dalelės. Tokios vandens savybės veikia visą planetos geologiją ir biologiją, leidžia vystytis mums iki šiol žinomai gyvybės formai.

Mitai apie vandenį

Pirma, daugelis tiki, kad vanduo buteliuose yra daug kokybiškesnis nei iš krano. Pasak Kauno technologijos universiteto Cheminės technologijos fakulteto (KTU CTF) tyrėjo dr. Paulius Pavelo Danilovo, tai nebūtinai teisybė: „Parduotuvėje esantis vanduo tikrai turi atitikti geriamajam vandeniui keliamus kriterijus, todėl gamintojai jaučia atsakomybę. Tačiau lygiai taip pat vandentiekiu tiekiamas vanduo turi atitikti geriamojo vandens reikalavimus. Todėl pasakyti, kuris sveikesnis sunku. Be to, daug kas priklauso ir nuo žmogaus mitybos.“

Antra, yra manančių, jog nėra gerai antrą kartą panaudoti tą patį plastikinį vandens buteliuką. „Žinoma, kad galima naudoti. Nieko buteliukui per trumpą laiką neatsitinka. Svarbiausia, kad jis viduje būtų švarus. Todėl prieš pilant vandenį, reiktų tą buteliuką gerai išplauti“, – aiškino KTU CTF tyrėjas.

Tiesa, tyrėjas pabrėžia, kad taip elgtis ilgą laiką tikrai nepatartina: mat parduotuvėse parduodamuose vienkartiniuose vandens buteliukuose esantis vanduo dažniausiai yra specialiai dezinfekuotas, todėl viduje nėra mikroorganizmų. Tuo tarpu įsipylus vandens iš čiaupo mikroorganizmai vandenyje greitai pradeda daugintis.

Trečia, apie vandens galima rasti daugybę istorijų. Tyrėjo nuomone, prieš namuose įrengiant vandens filtrus reikėtų gerai įvertinti situaciją, nes jie ne visuomet reikalingi.

„Jeigu žmonės nepasitiki, kad jų vanduo yra saugus, vandens mėginį gali nunešti į atitinkamas laboratorijas, kurios tiria vandens sudėtį tiek mikrobiologiniu, tiek cheminiu aspektais, ir tada viskas bus aišku, – patarė P. Danilovas. – Tyrimas parodys, kokios medžiagos sudaro vandenį ir koks jų kiekis“.

Jis pasakoja, kad filtrų būna įvairių. Pavyzdžiui, vieni filtrai visiškai nudruskina vandenį, po to dar papildomai į vandenį yra pridedama tam tikrų mineralinių medžiagų; kiti filtrai šalina kietą vandenį sukeliančias medžiagas, t. y. kalcį ir magnį.

„Kartais žmonėms nepatinka, kad jų arbatinukas apsineša kalkėmis. Tos kalkės – tai kalcis ir magnis, kuris žmogui reikalingas. Todėl filtrų pagalba šios medžiagos tiesiog pašalinamos, kad virdulys būtų švarus. Bet tokiu būdu sau padaroma meškos paslauga: po to, negaudami pakankamai mineralinių medžiagų, žmonės turi gerti kalcio ir magnio papildus. Tai nežinau, ar tai yra gerai“, – teigė P. Danilovas.

Vanduo žmogaus kūne

Daugiau nei pusę mūsų kūno sudaro vanduo, todėl daugelis organizmo veiklos procesų priklauso nuo vandens savybių. O šis tirpiklis leidžia vykti svarbiems biocheminiams procesams. Vandenyje tirpsta naudingos medžiagos, kurios šitaip paruošiamos transportuoti po kūną.

Netekus vandens, mūsų kūne gana greitai kyla daug problemų. Neigiamą poveikį galima pastebėti netekus vos 2 procentų viso kūno vandens. Praradus apie 15 proc. kūno vandens, jau gresia mirtis. Kuo mažiau vandens kūne, tuo širdžiai tenka sunkiau dirbti. Didėja druskų koncentracija, o tai gali sukelti raumenų spazmus, o vandens netekimas smegenyse – galvos svaigimą ir sumišimą. Jeigu laiku nepapildomos vandens atsargos, sutrinka net keletos organų funkcijos.

Vanduo centrinėje nervų sistemoje veikia tarsi amortizatorius, saugantis galvos ir nugaros smegenis nuo sukrėtimų ir pažeidimų. Vanduo – svarbi ašarų, seilių ir gleivių dalis, todėl yra būtinas elementas norint apsaugoti organizmą nuo infekcijų ir įvairių dirgiklių. Vanduo padeda maistui judėti virškinamuoju traktu ir leidžia fermentams pasiekti jame esančias maistingas medžiagas. Nors kaulai atrodo sausi, tačiau 25 proc. jų svorio sudaro vanduo. Jis padeda perduoti maistingas medžiagas visoms viduje esančioms gyvoms ląstelėms. Vanduo padeda reguliuoti kūno temperatūrą, nes per odą pašalinama perteklinė šiluma.

Inkstams vanduo reikalingas tam, kad galėtų pašalinti tokius medžiagų apykaitos produktus, kaip šlapalas ar druskas. Vanduo kraujyje veikia kaip pernešėjas, po kūną transportuojantis leukocitus, eritrocitus, dujas bei maistingas medžiagas.

Vandens apytakos ratas

Vanduo nuolatos cirkuliuoja sistemoje, kurią veikia Saulė. Dienomis vandens paviršius yra kaitinamas – taip molekulės įgyja energijos ir gali sutraukyti vandenilinius ryšius, kurie jas išlaiko prie kaimynų, ir virsti garais. Jie kylančių srovių nešami aukštyn į atmosferą,o kuo aukščiau jie pakyla, tuo labiau jie atvėsta.

Taip garai pradeda kondensuotis ir virsta vandens lašais. Aukštai atmosferoje vyraujančios oro srovės vandens debesis nešioja po visą Žemės rutulį, todėl vandens lašai nukeliauja toli nuo savo susiformavimo vietos. Tačiau kondensuojantis vis gausesniam kiekiui garų, pamažu jie tampa per sunkūs išsilaikyti danguje. Priklausomai nuo temperatūros ir oro sąlygų, vanduo galiausiai vėl sugrįžta į žemę lietaus, sniego ar krušos pavidalu.

Vanduo iš dangaus gali nukristi tiesiai į upę ar vandenyną, tačiau kartais jam tenka įveikti ir kiek painesnį kelią. Didžioji dalis ant žemės nukritusio vandens nuteka tiesiai į artimiausią vandens telkinį. Kita dalis įsisunkia į dirvožemį, kur juo atsigaivina augalai, o likęs vanduo nuteka į povandeninius telkinius, tačiau galiausiai visas šis vanduo sugrįžta į pradinę apytakos rato padėtį.

Vanduo kosmose

Mums gyvybė ir vanduo dažnai atrodo vienas ir tas pats. Tokiai gyvybei, kokią pažįstame, reikia tirpiklio, skysto pernešėjo, kuris galėtų ištirpinti biologines molekules ir leisti joms sąveikauti. Pagal dabartinį mūsų suvokimą, to reikia, kad įvyktų gyvybę sukuriantys cheminiai procesai. Vanduo yra vienintelė žinoma molekulė, kuri gali tinkamai atlikti šią funkciją.

Vanduo nėra panašus į jokį kitą tirpiklį, kol kas atrastą visatoje. Jo cheminė struktūra lemia, kad viena molekulės pusė turi neigiamą krūvį, o kita – teigiamą. Dėl to vandens molekulės yra „lipnios“, traukiančios kitas teigiamą ar neigiamą krūvį turinčias molekules. Tarp šių yra tiek kitos vandens molekulės, tiek visai kitokios krūvį turinčios dalelės, pavyzdžiui, druskos.

Žinoma, yra ir kitų skysčių, kurie, manoma, galėtų atlikti panašią funkciją. Pavyzdžiui, metanas. Tačiau nė viena iš alternatyvų, rodos, negali prilygti vandeniui. Vanduo yra poliškas, o jo molekulės „lipnios“, todėl jis skystas jis gali išlikti net ir esant tokiai temperatūrai, kurioje kitos medžiagos virsta dujomis. O štai vanduo skystosios būsenos išlieka sąlyginai dideliame temperatūrų diapazone. Teigiama, kad ši savybė buvo itin svarbi gyvybei vystantis mūsų planetoje.

Tam, kad metanas būtų skystas, privalo vyrauti mažesnė nei -161 °C temperatūra. Saturno palydove Titane iš tiesų galimai egzistuoja skysto metano ežerai, tačiau dėl ten vyraujančios temperatūros molekulės turėtų taip mažai judėti, jog biologinės reakcijos vyktų ypač lėtai.

Manoma, kad ankstyvoji Žemė buvo karšta ir negyvenama, tačiau praėjus maždaug 400–600 milijonų metų po planetos susiformavimo viskas pradėjo keistis. Šis periodas yra vadinamas Vėlyvuoju kosminiu bombardavimu: dėl gravitacinių Jupiterio, Saturno, Neptūno ir Urano sąveikų, į Žemės paviršių nuolat krito akmenų ir ledo gabalai, atskrieję iš tolimųjų Saulės sistemos kampelių. Tokiu būdu atgabentas ledas Žemėje ištirpo ir tapo skystu vandeniu. Tiesa, nereikėtų pamiršti, kad egzistuoja ir daug kitų Žemės raidos teorijų.

Ieškodami gyvybės formų kitose Saulės sistemos vietose, mokslininkai didžiausią dėmesį kreipia į skysto vandens paieškas. Jeigu susiklostė tinkamos sąlygos, kitose Saulės sistemos planetose ar palydovuose, kuriuose yra skysto vandens, praeityje tikrai galėjo egzistuoti nežemiška gyvybė. O galbūt ji vis dar ten yra ir šiandien...