Почему рыбы не замерзают в воде зимой?

Почему рыбы не замерзают зимой? Посмотрите на воду перед собой. Зимой она замерзает сверху, а не со дна. Если бы промерзала полностью — жизнь в пресных водоёмах была бы невозможна.

У большинства жидкостей плотность растёт при охлаждении вплоть до замерзания: холодное тонет, тёплое всплывает. Вода ведёт себя иначе. Максимальная плотность у неё при +4 °C, а не у точки замерзания. При дальнейшем охлаждении вода становится легче и остаётся на поверхности. Там она и замерзает. Лёд тоже легче воды — поэтому плавает.

Лёд работает как теплоизолятор: у самого льда вода около 0 °C, а у дна всю зиму держится около +4 °C. В этом слое и зимуют рыбы, раки, личинки насекомых.

Что сделать. Опустите термометр-зонд на разную глубину. Летом увидите перепад в термоклине (2–3 °C на 1–2 метра), зимой подо льдом — около +4 °C у дна.

Одна причина — несколько странностей. Плавающий лёд — не единственная особенность воды. У неё необычно высокая теплоёмкость: водоём прогревается медленнее воздуха и дольше остывает осенью. Поверхностное натяжение держит водомерку. Температура кипения — 100 °C, а у похожего по строению сероводорода H₂S — около −60 °C.

1. водородные связи: одна причина всех странностей воды
2. жидкость: молекулы тесно, связи рвутся и возникают
3. лёд: решётка с пустотами — объём на 9 % больше
4. 4-я связь ⟂ рисунку; кружок поверх O — водород к нам

Все эти особенности объясняются одним свойством молекулы. Атом кислорода сильнее притягивает электроны, чем атомы водорода, поэтому у молекулы воды один конец слегка отрицательный, другой — слегка положительный. Соседние молекулы сцепляются этими полюсами. Такую связь называют водородной.

• Лёд легче воды. При замерзании каждая молекула держит четырёх соседей на фиксированном расстоянии и под определёнными углами. Получается рыхлая решётка с пустотами — объём льда больше объёма той же воды примерно на 9%.
• Много энергии уходит на нагрев. Чтобы молекулы двигались быстрее, нужно сначала растягивать и рвать водородные связи. Поэтому водоём медленно прогревается и медленно остывает — он сглаживает перепады температуры вокруг.
• Поверхность держит водомерку. Молекулы в толще окружены соседями со всех сторон, а на поверхности — только снизу и с боков. Недостающие связи стягивают поверхность, как натянутую плёнку.

Молекулярное объяснение подтвердилось к 1930-м годам, когда удалось измерить углы между связями во льду рентгеновскими методами. Рыхлая гексагональная решётка видна напрямую.

Что делает сама рыба. Вода даёт убежище, но зимовка — ещё и работа самой рыбы. Она холоднокровна: температура тела равна температуре воды, и с холодом обмен веществ замедляется — сердце бьётся реже, дыхание тише, движения экономнее; это зимнее оцепенение. Карп, лещ, карась уходят в глубокие ямы, собираются стаями, перестают питаться и покрываются слоем слизи; щука, судак и окунь остаются активны и охотятся подо льдом. Замёрзнуть тканям мешает и состав крови: соли, белки и сахара сдвигают её точку замерзания ниже нуля. Обратная сторона ледяной крыши — кислород: лёд отрезает воду от воздуха, запас растворённого кислорода расходуется на дыхание и гниение, и в мелких заиленных прудах к концу зимы случаются заморы — рыба гибнет от удушья; в глубоких проточных водоёмах кислорода хватает до весны.

Почему именно +4 °C. Максимум плотности — результат двух встречных процессов. При охлаждении от +20 °C молекулы движутся медленнее и упаковываются плотнее (обычное тепловое сжатие). Одновременно в жидкой воде растёт доля молекул, связанных в рыхлые льдоподобные группы, — это начинается задолго до замерзания. До +4 °C сжатие преобладает, после +4 °C — разрыхление. На этой границе плотность максимальна.

Антифриз в крови. Морская вода замерзает при −1,9 °C, а кровь обычной рыбы — около −0,7 °C: в Антарктике рыба должна была бы превратиться в лёд. Нототениевые и белокровные рыбы Южного океана живут при −1,9 °C благодаря гликопротеинам-антифризам: эти молекулы садятся на зарождающийся кристалл льда и не дают ему расти, сдвигая точку замерзания крови ниже температуры воды. Открыл их в 1969 году Артур Девриз, ловя рыбу в проруби на станции Мак-Мёрдо; позже такие же белки нашли у арктической трески, у насекомых и у озимых злаков — эволюция изобрела антифриз не один раз¹.

Та же связь — в других местах. Две цепи ДНК удерживаются вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Белки сворачиваются в рабочую форму за счёт тех же связей внутри молекулы. Сок поднимается по стволу дерева на десятки метров благодаря сцеплению молекул воды друг с другом и со стенками сосудов.

Термоклин летом. Опустите зонд на разную глубину в июле-августе. На глубине 1,5–2 м часто виден резкий перепад: за полметра температура падает на 3–5 °C. Это термоклин — граница между прогретой солнцем поверхностью и холодной придонной водой. Выше живут окунь, плотва, уклейка; ниже — налим, ёрш, раки. Осенью граница размывается, и вся толща снова перемешивается.

Где модель перестаёт работать. Простое «дипольное» объяснение даёт интуицию, но не всё. Точная структура жидкой воды обсуждается до сих пор: есть гипотезы о сосуществовании двух локальных форм (более и менее плотной), о постоянно перестраивающейся сетке связей, о поведении переохлаждённой воды ниже −40 °C. «Обычная вода» остаётся одним из самых сложных веществ для моделирования.