НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЖИВИХ ІСТОТ

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема 4 Неогранічні речовини живих організмів

§ 16. НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЖИВИХ ІСТОТ

Терміни та поняття: хімічне забруднення навколишнього середовища, якість води, граничнодопустима концентрація (ГДк), екологічні хвороби, ксенобіотики, акумулювання, кислотні дощі, квотування викидів.

Що таке хімічне забруднення природного середовища.

У навколишньому середовищі, крім необхідних для організмів не органічних речовин, трапляються

різноманітні отруйні або чужорідні живим істотам речовини, які зазвичай знаходяться в такий мізерній концентрації, що не здатні заподіяти шкоди живому. Однак в наш час, коли забруднення довкілля стало нормою, а отруйних і чужорідних живим істотам сполук з кожним роком в природі накопичується все більше, ця проблема стає більш ніж актуальною. Зараз хімічне забруднення природного середовища набуває характеру глобальної загрози існуванню людства.

Яким чином отруйні речовини потрапляють усередину

клітини? Рослини поглинають воду і розчинені в ній необхідні мінеральні солі з грунту. Разом з ними в клітину потрапляють речовини, які є для рослин, в кращому випадку, баластом, а в гіршому, включаючись в обмін речовин, – отрутою, яка з часом їх просто вбиває.

Хімічні елементи у формі нерозчинних у воді речовин можуть накопичуватися навіть у рослин, як це сталося з радіоактивним Йодом та Цезієм після аварії на Чорнобильській АЕС. Так само відбувається з Плюмбумом, який надходить в атмосферу з вихлопних труб автомобілів біля автомагістралей. І навіть якщо ці речовини не такі вже і згубні для рослин, то вони є небезпечними для споживанням іншими організмами.

Людина, як і будь-яка інша тварина, значну частину води і необхідні мінеральні речовини отримує разом з їжею – від тих самих рослин або інших тварин. А вода, якої бракує, і дефіцитні мінеральні солі в її організм надходять безпосередньо з довкілля. Тому якщо середовище забруднене, то разом з їжею та водою до організму неминуче потраплять непотрібні й токсичні речовини, які у міру накопичення здатні заподіяти все більшої шкоди. До того ж отруйні речовини можна отримати і пасивно, вдихаючи їх пари, і навіть просто через шкіру. Звідси стає зрозумілим, наскільки важливо для людини жити в незабрудненому природному середовищі, дихати чистим повітрям, пити джерельну воду і споживати екологічно чисту їжу.

Що таке якість води і гранично допустима концентрація. Очевидно, що для сучасної людини, особливо тієї, яка живе в забрудненому промисловими й автомобільними викидами мегаполісі, першочергового значення набуває якість середовища існування, зокрема якість води – фізичні і хімічні властивості, що визначають її придатність для використання як питної. Моніторинг більш ніж 50 параметрів, який постійно проводиться в Україні, показав, що за якістю водопровідної води наша країна посідає 85 місце у світі, це підтверджує й офіційна статистика Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ). Через вживання не дуже якісної води в Україні ризикує захворіти чверть населення, а кожен десятий вже страждає від серцево-судинних, шлункових, печінкових хвороб. Така ситуація не є специфікою лише України. За даними ВООЗ дефіцит якісної питної води – типова проблема біль шості країн.

При оцінці якості води, їжі або чистоти повітря використовується такий показник, як гранично допустима концентрація (ГДК), під якою розуміється така концентрація окремих елементів у довкіллі (їжі, воді, повітрі, одязі, іграшках, предметах гігієни, косметиці та ін.), яка не викличе захворювання або змін нормального функціонування людського організму впродовж усього його життя, а також у наступних поколінь. Наприклад, у нашій країні на вміст йонів важких металів у грунті встановлені такі ГДК: Плюмбум – 20 мг/кг, Меркурій – 2 мг/кг, Купрум – 3 мг/кг, Арсен – 2 мг/кг, Кобальт – 5 мг/кг.

Цей підхід, який був заснований на середніх значеннях забруднень і затверджений як санітарно-гігієнічна норма ще в 70-х роках минулого століття, зараз переглядається. Річ у тім, що показник ГДК не враховує індивідуальних особливостей організму. Це означає: те, що для однієї людини трохи гірше за норму, для іншої – хвороба, а може навіть і смерть. Крім того, шкідливі ефекти від впливу багатьох токсичних речовин визначаються за застарілими методиками. За їх допомогою не можна врахувати всього різноманіття впливу речовин, і вони не можуть відповісти на питання про вплив різноманітних речовин на здоров’я майбутнього потомства.

Є й такі хвороби – екологічні. Особливу групу захворювань, які назвали екологічними хворобами (не плутати з ендемічними), відкрили останнім часом. Викликаються вони чужорідними для організмів речовинами – ксенобіотика-ми (від грец. ксенос – чужий і біос – життя), серед яких особливо негативний вплив мають йони важких металів (Кадмій, Плюмбум, Меркурій та ін.) і деякі бінарні сполуки неметалів (сульфур(IV) оксид (SO2 і нітроген(IV) оксид NО2).

Металічна ртуть та її пари, які належать до розряду надзвичайно токсичних хімічних речовин, є одними з найпоширеніших “металевих” забруднювачів довкілля. Особливо небезпечними є викиди у воду, оскільки в результаті діяльності мікроорганізмів, що населяють дно, відбувається утворення розчинної у воді дуже токсичної сполуки, яка викликає хворобу Мінамата. (Зауважте! Якщо у вас вдома розбився ртутний термометр, слід ретельно зібрати на листок паперу всі кульки ртуті, а щілини й нерівності підлоги засипати порошком сірки. Сірка легко вступає в хімічну реакцію зі ртуттю, утворюючи нешкідливу сполуку HgS.)

Кадмій, його сполуки і пари також належать до гостро токсичних речовин, які легко всмоктуються в кров, вражають центральну нервову систему, печінку і нирки, порушують обмін речовин. Хронічне отруєння невеликими дозами (хвороба ітай-ітай) призводить до анемії і руйнування кісток. Симптоми гострого отруєння солями Кадмію супроводжуються раптовою блювотою і судомами.

Плюмбум і його сполуки теж дуже токсичні. Потрапляючи до організму людини, вони акумулюються (від латин. аккумуляціо – накопичення) в кістках, викликаючи їх руйнацію, а атоми цього елементу можуть накопичуватися в ниркових канальцях, спричинюючи порушення функції виділення. Сполуки Плюмбуму широко використовують у виробництві барвників, фарб, отрутохімікатів, скляних виробів, а також як добавки до бензину для підвищення октанового числа, а тому отруєння цим елементом трапляються найчастіше. Через те що автомобільні викиди містять сполуки Плюмбуму, зараз вони просто вкрили всю земну поверхню, навіть дісталися Антарктиди, де ніколи не було автомобілів.

Мабуть найвідомішим в нашій країні спалахом екологічної хвороби став наприкінці 80-х рр. ХХ ст. випадок у м. Чернівцях, коли у зовні здорових дітей 2-3-річного віку почало раптово випадати волосся і за одну ніч вони просто облисіли. Причину цієї хвороби, яка має назву інтоксикаційна аплеція, встановили швидко – отруєння солями Талію – дуже небезпечного ксенобіотика. Проте до цього часу нез’ясовано, звідки цей хімічний елемент взявся в такій кількості. Слід сказати, що по всьому світу, і в Україні зокрема, досить часто трапляються спалахи невідомих медицині захворювань, викликаних дією на організм різного роду неприродних речовин.

Що таке кислотні дощі. Потужними забруднювачами довкілля є різноманітні оксиди Сульфуру і Нітрогену, які виділяються в атмосферу головним чином при спалюванні вугілля. Речовини небезпечні не лише тим, що можуть викликати алергії й астму, але і кислотними дощами. Вступаючи в реакцію з водою атмосфери (часто під впливом сонячного випромінювання), оксиди Сульфуру перетворюються на розчини кислот – сульфітної (SO2 + H2O = H2SO3), сульфатної (SO3 + H2O = H2SO4), а оксиди Нітрогену – нітритної та нітратної (2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2) кислот. Потім, разом зі снігом або дощем, вони випадають на землю. Кислотні дощі гублять ліси і сільськогосподарські культури, знищують життя у водоймах, підвищуючи їх кислотність до такого рівня, що в них гинуть рослини і тварини.

Квотування викидів, або напівзахід. Таким чином, у процесі виробництва і для отримання енергії в повітря і воду викидається величезна кількість відпрацьованих речовин (сажа, фосфор, чадний газ, оксиди Нітрогену і Сульфуру, різні сполуки металічних елементів тощо), маса яких лише за рік на Землі становить мільйони тонн. З більшою частиною цих сполук живі істоти ніколи не стикалися, а тому вони не можуть їх утилізувати – використати для своєї потреби. Тоді як їх накопичення неминуче призводить до поступового руйнування природного середовища і є згубним для всього живого. Оскільки сучасна цивілізація не може обходитися без виробництва все нових автомобілів, літаків, танкерів, будівництва заводів, житлових мікрорайонів і просто котеджів, а перехід на екологічно безпечне отримання речовини й енергії до цього часу – не більше як проект майбутнього, то виникає необхідність квотування відходів виробництва, обмеження їх вільного викиду. Для цього кожній країні надається квота, відповідно до якої вона зможе забруднювати середовище на певну кількість тонн викидів на рік. Але і ця ідея, яка, звичайно, є лише напівзаходом, не знаходить реальної підтримки в урядах найбільш розвинених країн, оскільки в цьому разі має відбутися різке падіння виробництва.

Наявність чужорідних неорганічних речовин, або підвищена концентрація деяких навіть природних для організму сполук у навколишньому середовищі призводить до їх надмірного накопичення в клітинах і органах. Це неминуче викликає порушення життєдіяльності або призводить до захворювань, які отримали назву екологічних.

Для зменшення наслідків хімічного забруднення впроваджуються різноманітні профілактичні засоби, які б обмежували розповсюдження і застосування ксенобіотиків і стримували викиди різноманітних хімічних речовин у довкілля, розроблено нормативи їх граничнодопустимої концентрації.

Аномальні властивості води

Найпростіша, найпоширеніша і водночас найбільш загадкова, дивна речовина на світі – вода. Змінна щільність, висока теплоємність і величезний поверхневий натяг води, її здатність до “пам’яті” й структурованості – все це аномальні властивості такої, здалося б, простої речовини, як Н2О.

Найцікавіше те, що життя існує завдяки аномальним властивостям води, які тривалий час не вдавалося пояснити з погляду законів фізики і хімії. Це пов’язано з тим, що між молекулами води існують водневі зв’язки. Тому в рідкому стані вода не просто мішанина молекул, а складна й динамічно мінлива мережа з водних кластерів. Кожний окремий кластер живе невеликий час, однак саме поведінка кластерів впливає на структуру і властивості води.

Вода має аномальні значення температури замерзання й кипіння, у порівнянні з іншими бінарними сполуками водню. Якщо порівняти температури плавлення близьких до води сполук: H2S, H2Te, H2Se, то треба припустити, що температура плавлення Н2О має бути між -90 і -120 °С. Однак в дійсності вона становить 0 °С. Аналогічно й температура кипіння: для H2S дорівнює -60,8 °С, для H2Se -41,5 °C, H2Te -18 °С. Зважаючи на це, вода мала б закипати не менш ніж при +70 °С, а вона кипить при +100 °С. Виходячи з того, що температура плавлення й кипіння води – аномальні властивості, можна зробити висновок, що в умовах нашої планети рідкий і твердий стани води також аномальні. Нормальним має бути лише газуватий стан.

Вам уже відомо, що тіла при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються. Як це не парадоксально, але вода поводиться інакше. При охолодженні від +100 °С до -4 °С вода стискується, збільшуючи свою щільність. При температурі +4 °С має найбільшу щільність. Але при подальшому охолодженні до 0 °С вона починає розширюватися, а її щільність зменшується! При 0 °С (температурі замерзання води) вода переходить у твердий агрегатний стан. Момент переходу супроводжується різким збільшенням об’єму (приблизно на 10 %) і відповідним зменшенням щільності. Свідченням цього явища те, що лід плаває на поверхні води. Усі інші речовини (за винятком Вісмуту і Галію) тонуть у рідинах, що утворювалися при їхньому плавленні. Феноменальна змінна щільність води дозволяє рибі жити у водоймах, що замерзають: коли температура падає нижче -4 °С, більш холодна вода, як менш щільна, залишається на поверхні й замерзає, а під льодом зберігається плюсова температура.

Вода має аномально високу теплоємність у рідкому стані. Теплоємність води у два рази більша від теплоємності пари, а теплоємність пари дорівнює теплоємності… льоду. Теплоємність – це кількість тепла, необхідного для підвищення температури на 1 °С. При нагріванні від 0 °С до +35 °С теплоємність її не збільшується, а падає. При подальшому нагріванні від +35 °С до +100 °С знову починає рости. Температура тіла живих організмів збігається з найбільш низькими значеннями теплоємності води.

Переохолодження – здатність води охолоджуватися до температур, нижчих від температури її замерзання, залишаючись рідиною. Таку властивість має дуже чиста вода, вільна від різних домішок, які могли б послужити центрами кристалізації при її замерзанні.

Залежність температури замерзання води від тиску теж зовсім аномальна. З підвищенням тиску температура замерзання знижується; зниження становить приблизно 1 °С на кожні 130 атмосфер. В інших речовин, навпаки, з ростом тиску температура замерзання підвищується.

Вода має високий поверхневий натяг (лише ртуть має більший показник).

Вода має високу здатність до змочування – завдяки цьому можливе явище капілярності, тобто здатності рідини змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах.

Дивні властивості здобуває вода в нанотрубках, діаметр яких близький до 1 – 10-9 м: різко збільшується її в’язкість і вода набуває здатності не замерзати при температурах, близьких до абсолютного нуля. Молекули води в нанотрубках при температурі -23 °С і тиску в 40 тис. атмосфер самостійно вибудовуються в спіральні “драбинки”, у тому числі в подвійні спіралі, які дуже нагадують спіральну структуру ДНК.

Поверхня води має негативний електричний потенціал, обумовлений нагромадженням гідроксильних іонів ОН-. Позитивно заряджені йони гідроксонія H3O+ притягаються до негативно зарядженої поверхні води, формуючи подвійний електричний шар.

Гаряча вода замерзає швидше холодної – це парадоксальне явище називається ефектом Мемба. На сьогодні наука ще не дала йому пояснення.

При -120 °С з водою починають відбуватися дивні речі: вона стає тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 °С перетворюється в “скляну” воду – тверду речовину, у якій відсутня кристалічна структура.

Ще одна гіпотетична властивість води викликає жваві дискусії в науковому світі – це “пам’ять” води. Одні вчені визнають її реальність, а інші висміюють цю ідею як псевдонаукову. Одним із підтверджень наявності у воді пам’яті є такий дослід: якщо до однієї частини розчину кислоти додати десять частин чистої води, а потім з отриманого розчину знову відібрати одну частину й розбавити десятьма частинами води, потім знову й знову повторювати такі дії, доки в отриманому розчині, згідно з усіма законами математики, фізики й хімії, не залишиться жодної молекули від вихідної кислоти, – отримана вода буде все одно поводитись як слабкий розчин кислоти.




НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЖИВИХ ІСТОТ