第一章

地球、水与生命
水是日常生活中最常见的物质，地球上大多数物质都是以水的形式存在，所以，将地球称作“水球”更合适。那么，地球上的水从何而来、水又如何养育生命、水资源很丰富吗？这些都是等待我们去揭开的谜团。
 
  我们的“水球”
 美丽的地球
地球这个名字来源于对大地形状的认识，最早可以追溯到古希腊学者亚里士多德从球体哲学的“完美性”和数学的“均衡性”，提出了“地球”这个名称和概念。
地球是太阳系从内到外的第三颗行星，也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。住在地球上的人类常常因为壮丽唯美的地球景观，而称呼地球为世界。
地球是上百万种生物的家园，包括我们人类。地球是目前人类所知道的宇宙中唯一存在生命的天体。地球诞生于大约45.4亿年前，而生命诞生于地球诞生后的10亿年内。从那以后，地球的生物圈改变了大气层和其他环境，使得需要氧气的生物得以诞生，也使得臭氧层形成。臭氧层与地球的磁场一起阻挡了来自宇宙的有害射线，保护了陆地上的生物。地球的物理特性和它的地质历史和轨道，使得地球上的生命能周期性地延续。根据科学家推算，地球预计将在今后15亿年内持续拥有生命，直到太阳不断增加的亮度灭绝地球上的生物圈。
 地球上的水
地球的表面被分成几个坚硬的部分，或者叫板块。它们以地质年代为周期，在地球表面移动。地球表面大约71%是海洋，剩下的部分被分成大陆和岛屿。
我们居住的这个星球，当初叫它“地球”，其实，叫它“水球”才更加形象。
为什么这么说呢？
因为在太阳系八大行星中，惟有地球水性特殊：它不仅有水，而且同时有气态水、固态水和液态水，其水量之大、水域之广，更是其他行星远不能相比的。
除了地球，太阳系其他七大行星，有的离太阳太近；有的离太阳太远。离得太近的，像水星，日照表面温度高达400～500℃；离得太远的，像海王星，即使太阳当顶，表面温度也在-200℃以下。至于说到介乎二者之间的其他行星，像称作地球姊妹星的火星，它在承接太阳能辐射方面，较之地球，数量既少，能量又小，即使有水，也和其他六大行星一样，不是气态水，就是固态水，根本不存在或不能长时间保存液态水。
至于地球的卫星月球，科学研究表明，月球上还是有水的痕迹的。但是，这些水过于稀少，且处于固态，对于生命而言，几乎没有任何意义。
地球位置适中，离太阳不近不远（距太阳约1.5亿千米），虽然承接的太阳能只占太阳辐射能总量的22亿分之一，可对地球来说，还是相当可观的。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤燃烧所释放出的热量。这些热量刚好把地球表面加热到一个使液态水得以长期保存的温度。再加上地球还有着非同一般的内部条件，如，有足够的引力，能抓住空间的大气；自行昼夜更替，使温度保持均衡等。于是就在地球表面形成了一个无与伦比的水圈，塑造出一个气、液、固三态并存的奇特环境。
可以说，地球之所以有别于宇宙中其他所有的行星，就在于它的水，因此，称呼我们的地球为“水球”也就不为过了。
 
地球上为什么会有水
 彗星送水说
水，带来了地球上的生命。水来源于地底深处，还是冰块彗星浇洒在地球上，到目前为止还是一个未解之谜。不过，科学家们经过长期不懈的努力，已经发现了一些端倪。
研究人员推测，彗星可能曾经给地球“送”过水。
宇宙物理学家认为，大约在39亿年前，水只会存在于太阳系中较“寒冷”的地区，例如，火星和木星轨道之间有一个小行星带，这些小行星中部分光临过地球的彗星可能是地球的“送水人”。
地球“年轻”时温度很高，水和其他不稳定物质都将蒸发。地球形成800万年后，这些含有大量冰的彗星撞向地球，给地球捎来了生命赖以生存的水。
彗星主要由冰和尘埃组成，研究人员戏称为“脏雪球”。在太阳系构建之初，这些“脏雪球”围绕太阳系轨道运行，受附近任何微小引力的影响都可能偏离轨道，撞向其他星体。
德国马克斯·普朗克太阳系研究所科学家、领导研究小组的保罗·哈托说：“按照这个理论，我们计算认为，地球上不到10％的水来自彗星。”
实验证明，在数十亿年前，在离木星不远处形成的一颗被叫作“利内亚尔”的彗星，含有的水和地球上海洋里的水成分是一样的。天文学家们认为，在太阳系刚形成时，可能有不少类似于“利内亚尔”的彗星从“木星区域”落到地球上。美国航空航天局专家约翰·玛玛说：“它们落到地球上时，像是雪球，而不是像小行星撞击地球。因此，这种撞击是软撞击，受到破坏的只是大气层的上层，而且撞击时释放出来的有机分子没有受到损害。”
 地下产生说
与此同时，地质学家在人们最意想不到的地表之下1000多千米的地层深处找到了水。在温度达1000℃以上、并且饱受高压的矿物岩层里，可能蕴藏着相当于世界所有大洋中水量之5倍的水。而且这项发现还很可能有助于弄清地球的形成和发育。
科学家们估计，在地表之下650～2900千米的深处，是被人类称为地幔的地方，在地幔中富含着高热、高压的物质，在这些物质中，可能包含有达到其自身质量20％的水。已有的行星理论，推测了在其形成之初所出现的早期蒸发物质的数量，如水和二氧化碳的数量，而现在的发现则预示着地球初始阶段混合物质的数量，可能已经超出了早先的预料。水能使下部地幔矿物质的熔点降低，并且增加它们的黏性。
千百万年来，地幔像一只盛有热汤的锅子一样，处于剧烈的搅拌与动荡之中，这使得地幔的构造层带不断运动，并且使地幔的化学成分混合。黏性更大的地幔会搅拌与动荡得更快。在下部地幔中由矿物质形成水，可能也会影响地幔的构造层带，使之不容易下沉到地层更深的地方。当构造层带下沉、加热和受挤压时，它们释放的水可能会软化围绕的地幔，以及松缓它们的下沉通道。在稍高一点的地幔中，即在大约地表之下400至650千米之间深度的区域叫作转换带，因为它位于上部和下部地幔之间，在这里就可能存有相当于几个大洋的水。
科学家们还发现，在下部地幔的矿物质中，可能保留有大约其上部岩石重量1/10的水，但因为下部地幔的体积比转换带的体积大得多，所以它具有相当多数量的水。该项发现有助于推进解决有关在地幔之中锁存有多少水的争论。
总之，关于地球上的水的来源问题，一直是科学上一个争论不休的话题，相信在不久的将来，科学家们就可以找到令人信服的答案了。
 
水是生命之源
我们常说“水是生命之源”、“没有水就没有生命”，这样说是有充分的科学依据的。可以毫不夸张地说，每一滴水都是生命体。
 人为什么需要水
科学家发现，遗传基因（DNA）和氢氧化合物的水（H2O）有很密切的关系。DNA由两根锁链构成，呈螺旋状，是靠氢的结合才形成的。
矿物元素在自然水中的比例同人体的构成比例基本吻合。人和地球中水的组成都为70％。据统计，人血液中的水比例为83%；肌肉中的水为76%；肺和心脏中的水为80%；大脑中的水为75%，即使是看似坚固的骨头中，水的含量也高达22%。
人的血液中矿物质组成及比例又与海水相似。英国科学家测量了人体血液中60多种化学元素含量，与水中元素、地壳元素的分布，发现三者的丰度曲线有惊人的重合性。
在人体血液组织中，现已发现有100多种化学元素，与地壳中的化学元素有明显的相关性，即二者之间存在着元素含量分布规律相对的一致性。
人的机体通过化学元素与环境进行物质交换。化学元素把人和环境紧密相联，通过人体的调节、利用、解毒、代谢机能，使人体组织成分与环境取得相对平衡。这种联系和平衡的客观规律，主要归功于水的作用。
俗话说“人可三日无餐，不可一日无水”。这个说法虽然不够精确，但却反映了水在生命中是十分重要的。科学家们的研究显示，人在没有食物，但有水的情况下，可以坚持2周，甚至更长的时间；但是在没有水的情况下，只要3天，生命就会终止。
总之，水的质量决定生命的质量；水，决定人的寿命；水，甚至影响到遗传基因。
 人类对水的认识
人类通过自己的长期实践，对水早已有了深刻认识。早在公元前600年，古希腊哲学家米列斯基就提出了水是“万物之始”的科学论断。中国古代的“五行”学说也把水看作是构成万物的一大元素。
在漫长的历史长河中，人们对生命中水的认识不断深化。到20世纪70年代，著名美国生物物理学家圣乔治进而把水称颂为“生命的中心，生命的母亲，生命的模板”。就其含义来说，米列斯基对水的理解，与2000多年以后圣乔治依据大量科学实验事实所做的结论有着惊人的相似。对生命和水的关系的探索，在科学发展上占有非常重要的地位。
 
水决定着生物多样性
我们常常会发现这样一种现象：水的多少，直接决定着那个地区生物的种类和数量。水多的地方，生物的种类必然丰富；反之，水源匮乏的地方，只有少量极其耐旱的动植物生存。可以这样说，水就是生物生存的大舞台。
 生物的进化与水
生物的进化经历了非常漫长的历史时期。在哺乳动物之前有鸟类和爬行动物，再往前有两栖动物和鱼类；在这些脊椎动物之前，还有软体动物和腔肠动物；若再往前，就是藻类、菌类。
地质学和古生物学告诉我们，在野外自然界看到的山体，都由不同的岩石所组成。地质学家早就根据不同岩层的叠压关系，判别它们孰新孰老，并给它们起了地质年代的名称。各种地层中有各不相同的古生物化石。现代科学又能根据岩石中放射性元素（比如碳14和铀）的衰变程度测定出岩石的年龄。
于是，什么年代有什么样的生物，这样一张生物进化表，就很清楚地展现到我们面前。美国电影《侏罗纪公园》，使很多人都知道了在地质年代的“侏罗纪”（距今2.03～1.35亿年间）。那时，地球上是恐龙的世界。在由古生物研究奠定的生物进化表里，我们知道人类的祖先“直立人”出现于新生代的第四纪时期，距今约170万年。
现今发现的能用肉眼看见的最古老的古生物化石有叠层石和古线虫。它们最早出现于地质时代的元古宙，距今分别约25～24亿年和10～8亿年。地球上最古老的岩石地层已经有40亿年以上的历史，它们属于地质年代中的太古宙。在距今约38亿年的地层中发现了菌藻类化石。我们从生物进化追溯生命的起源，地球上最原始的生命是菌藻类。
菌藻类生活在什么样的环境中呢？经过多少亿年来的沧桑变化，太古宙和元古宙时期形成的岩石，到现在都已经受了高压高温等变化，而成为“变质岩”，有些还能分辨出它们的原岩（母岩）属于“沉积岩”。它们是在海洋的水下环境中沉积形成的岩石。因此，它们为地质学提供了足够的证据。科学家现在相信，生命最初起源于水中，很可能就在原始海洋沿岸上某个隐蔽的潮汐水洼里。
 水是生命生存的基础
生命的起源完全依赖地球上广阔的海洋水世界，那里是形成砂岩、砾岩和石灰岩等水下沉积环境的液态水世界。现代生物在冰冻的环境下，绝大多数不是被冻死，就是被“冬眠”式地冷冻保存。但是在靠近海底火山之类的温热环境中，至今生活着蛤、贝和深海蠕虫等生物。可以说，水、温度、营养和空气中的氧气是大多数生物生存的基本条件。而水几乎是所有生物生存的必要条件。因为水是有机物质碳化合物的良好溶剂，而碳化合物是生命的化学组成材料。
作为最高等动物的人类，是绝对离不开水的。人可以“绝食”几天不死，但如果“绝水”，那么生命就会很快结束。因为人体质量的约65％由含盐0.9％的水组成。如果没有（缺少）水，那么血液循环和营养代谢都不可能维持，生命也将不能存在了。
 为什么说“生物多样性”离不开水
当今世界上有个热门课题叫“生物多样性”，还有许多根据这个课题而建立的组织和研究机构。因为，世界上的生物种类有加速灭绝的趋势，尤其是高等的珍稀动物，比如，中国长江里的白鳍豚，还有作为世界野生动物基金会标志的中国大熊猫。生物为什么会灭绝或濒临灭绝呢？因为它们的原始生存环境遭到了人类活动的侵袭。白鳍豚想回游到长江上游金沙江段产卵，但葛洲坝发电大坝挡住了它们的游路；前些年四川大旱，竹子发黄、开花，给大熊猫的取食带来了威胁。总之，保持生物多样性少不了水的作用。
我们说水是生命的源泉，有两重意义：一是水孕育了原始的生命，二是水维持着现在世界的生灵万物。
 
   水和“水资源”
 地球上的水总量
地球上的水很多很多，据估计水的总体积约为13.8亿立方千米。如果将这些水平均分布于地球表面，相当于地球整个表面覆盖着一层平均深度为2650米的水。但是十分可惜，这些水98％是咸水，主要分布在海洋中。淡水只占地球水总量的2％，约有3000万立方千米，而这2％的淡水也不能全为人类所应用，因为它的88％被冻在两极的冰帽和冰川里，只有剩下的12％，即河流、湖泊和能开采的浅层地下水才可为人类应用，其中绝大多数又为地下水，如果不能开采就不能应用；可直接应用的河流、湖泊中的水，只占淡水总量的0.04％。
 水资源的概念
水，特别是淡水资源，对人类生存、社会发展、环境美化、生态平衡等多方面起着重要的作用。我们必须对水有正确的认识，把握水的规律，使水持续有效地为人类服务。
水的最大特性是不可替代性。世界上有的物质匮乏可以找到替代品，例如当煤炭、石油、天然气这些不可再生能源越用越少时，人类开发了超常规的高效能源——核能，许多发达国家建起了原子能发电站。另外，还可以积极发展可再生能源来替补，包括利用水力发电，还开发了太阳能、风能、地热能等新能源。
然而，由两个氢原子和一个氧原子组成的简单分子形，如此平易，又到处可见的水，却无可替代。存在于地球的水圈、生物圈、大气圈和部分岩石圈的水，直接参与生物机体内的生理作用，保持生物体的水分平衡，维持着生物的生命。水也直接参与工农业生产的过程，有的作为工业产品的一部分（如食品、化工）；有的参与洗涤和冷却等工业流程（如纺织、轻工、钢铁），农作物的生长过程更需要水的保证。
水还是人类文明生活中不可缺少的一个组成部分，除了饮水、膳食和洗浴，还需要洗涤食品和衣物、清洁房间和冲洗厕所。虽然冷却水和冲厕所用水可以不需要高质量的饮用水，但仍然需要“水”（如中水或海水）。所以，水的独有特性是不可替代的。
 缺水的人类
人类一直以为，地球上的水如此之丰富，随手可得，那真是“取之不尽，用之不竭”。然而，随着全球人口的增长，这一概念越来越不被世人所认同了。
世界上的淡水资源分布相当不均匀。在热带的亚马孙雨林，年降雨量为1500~2500毫米，位居亚马孙河中下游的巴西，其河川年径流量居世界第一位。但在非洲内陆的撒哈拉沙漠和一些中东国家，一年只有几十毫米的降雨量。在科威特，大面积为荒漠和沙漠，一年几十毫米的降雨还不足以湿润浅表土层，想钻井取地下水没有希望，然而钻出来的却是高产的石油。虽然世界上的油价比水价高得多，但是石油不能当水喝。科威特人只能以油换水，除了尽量收集那一点儿雨水，沿海的城市靠海水淡化（成本高昂），另外靠购买淡水进行消费，所以科威特一直是“水比油贵”的地方。
专家断言，在20世纪人类争夺的资源是石油，一些大国为争夺石油而发动战争，而21世纪争夺的资源则是水。随着人口增长，水资源将严重不足，为水之争必将愈演愈烈。地球上的淡水资源总量大体上是一个恒量。1960年时，全球人口30亿，至1999年，全球人口达到了60亿，等于全球人均的水资源量削减了一半。据预测，到2050年，全球人口将达到90亿。到那时，全球人均的水资源量则只有1960年时的三分之一。
问题还可能更加严重，我们可以有人均水资源量这个概念，但是世界上的水不可能做这样的大平均、大调配。由于水资源天然分布不均匀，世界上大约有一半的地区属于缺水区，而生活在缺水区的人口约占世界总人口的70%。在缺水区中，还有近一半的地域属于严重缺水区。在人口增长速度最快的一些国家，现在就属于缺水和严重缺水的地区，例如非洲的北非、中东和南非的一些国家和地区。
 水，未来的战略资源
人口增长不只涉及人们生活用水量的增加，人口增长需要相应的社会发展，无论工业的冶金、电力、化工、煤炭、交通、造纸、纺织、酿酒、食品等行业，冷却、空调、洗涤等过程，以及某些产品本身（饮料、人造冰、添加剂等），都需要大量的水。要解决增加人口的吃饭问题，还要求增加农业的灌溉以求增产。所以从发展的角度来看，人类越来越需要更多的水。
以人口增长较慢的美国为例，1970年全国城市生活用水量为370亿立方米，到1985年增加到了700亿立方米。而相应两个时期的全国总用水量，则由1970年的5230亿立方米增加到了1985年的12200亿立方米。也就是说，全国用水总量的增长比城市生活用水量的增长速度更快。
随着人类文明的发展，水，这一看似平常的东西，已经越来越成为生死攸关的战略资源。在21世纪，谁掌握了水资源，谁就占据了战略制高点，在发展的道路上抢得先机；而忽视这一真理的后果，就会受到来自水的惩罚。
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大气中稳定存在的少量二氧化碳，通过温室效应对维持地表气温有极其深远的重要性。温室效应使平均表面气温提高了35℃（从冻人的-21℃升到了适人的14℃）；没有它，海洋将会结冰，而生命也将不复存在。
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人类很早就开始对水产生了认识，东西方古代朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素，水是中国古代“五行”之一，西方古代的“四元素”说中也有水。
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古代亚述国王在其首都四周种满珍稀植物。为了灌溉这些植物，他修了一条长长的运河，用来从附近的水源处引水灌溉这些植物。
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