地球・生命にとって最も重要な要素【水】

「水五訓」
一、自ら活動して他を動かしむるは水なり
一、障害に遭って激しくその勢力を百倍にして得るは水なり
一、常に己れの進路を求めてやまざるは水なり
一、自ら潔うして他の汚濁（おだく）を洗い、清濁（せいだく）併せ容れるは水なり
一、洋々として大海を満たし、発しては雲となり雨と変じ、凍って玲瓏（れいろう）たる氷雪と化す　しかもその性失わざるは水なり

　人間は、数日食物を摂取できなくても生存を維持できますが、水の摂取が断たれれば生きてはいられません。人は成人で１日に180リットルほどの水を体内で使用しています。お風呂一杯分に相当する量です。それほどの大量な水を飲む必要はなく、体内で使用する大部分の水は、腎臓によって不純物をろ過して再利用されます。毎日飲むことや食事を通じて摂取する水の量は2.5リットルが目安とされています。

　水は人間の体内で様々な働きをしています。生命維持のために主な役割としては以下の４つがあげられます。一つの生命体として存在していますが、体外から空気や食物を取り入れて、体内の水を通じて身体の隅々まで行き渡らせます。代謝にて生成された老廃物は水に溶け込んで持ち出され、尿や便としてまとめて体外へ排出されます。

① 血液の主成分として酸素や栄養素を体内にくまなく運搬する。
② 老廃物を溶かし込み尿として体外へ排出する。
③ 体温を調節する。
④ 体液（細胞内液、細胞外液）の主要構成要素として細胞を機能させる。

　地球上では、大気の循環に従って雨として水が空から降ってきます。地上の生命は雨の恵みを受けて、生きるために必須な水を蓄えることができます。雨水が集まって、川となって滔々と流れ、地表に留まらずに地下に浸透します。湧き水として現れ、地下水として保水されます。地下水として汲みあげられる水は、地層によって異なりますが、数百年から数千年前に地表から地下へ浸透されてろ過された水です。

　人間の命よりも長い時を過ごした貴重な水が、ミネラルウォーターとして手軽に購入できることは驚くべきことなのかもしれません。しかしながら、地下へ浸透する水の量以上に地下水を使用すると地盤沈下を起こしてします。海洋における水の流れも、北大西洋北部や南極周辺海域で冷やされて重くなった水が沈み込み、海洋深層水となって世界を循環しています。一周するのに三千数百年をかけて移動している深層水を汲み上げて活用されています。

　水の惑星である地球には多くの水が存在していますが、塩水が97.5％で、淡水は2.5％しかありません。その淡水の中でも約70％は氷河や雪、氷の形で閉じ込められています。したがって、飲料水、農業用水、工業用水などで直接使用できる水は１％もありません。日本は水資源が豊富な国の一つであり、上水道の普及率も高く、水道の蛇口をひねれば飲料水が手に入ります。考えてみれば生きるのに恵まれた環境です。

　世界に視点を広げてみれば反対に水不足に苦しむ国々もあります。水を求めて離れた水源まで水汲みの重労働を虐げられたり、高額を支払って水を購入しなければならないこともあります。農業では、灌漑設備を整えて、散布用の水が必要になります。酪農・畜産においても、動物を飼育するために大量の水資源を使用します。工業では水は様々な用途で使用される資源であることは言うまでもありません。農作物、畜産物そして工業製品を輸入するということは、現地の貴重な水資源を消費していることにもなります。

　そう考えてみると、日本は技術力が高いだけではなく、環境が清潔で綺麗な水を入手できるため、高度で高品質な工業製品を製造できる能力があるのかもしれません。古（いにしえ）から日本酒を醸造できたのも、清く澄んだ水が湧き出ていたからです。

　水の再利用を図るためにも、水処理技術が重要になってきています。水と混ざっている不純物を取り除くため、ろ過によって固体物を分離します。水の利点でもありますが、様々なものを溶かしています。不純物を除去するため、酸化・還元反応が用いられます。酸化(oxidazation)とは、言葉の通りに酸素によって起こる物質の反応のことです。その可逆反応が還元(reduction, deoxidization)です。酸化によって、有機物を二酸化炭素(CO2:Carbon Dioxide)と水(H2O)に分解します。

　太陽系で一番多い元素は水素(H:Hydrogen)、次はヘリウム(He:Helium)であり、水素とヘリウムで元素の質量の99％を占めています。３番目に多いのが酸素(O:Oxygen)です。ただし、太陽系において太陽の占める部分が巨大すぎて、ほぼ太陽の組成比となります。地球の組成について、大気、陸、海に分けてまとめてみました。

　地球の大気を容積比で表すと、窒素(N:Nitrogen)が78％、酸素(O)が21％、アルゴン(Ar:Argon)が0.9％となります。水蒸気(Water Vapor)は場所と時間によって大きく変動して最大4％です。地球温暖化の原因となっている二酸化炭素(CO2)は上昇しており、18世紀の0.03％からまもなく0.04％に達する勢いです。

　地球の地殻は質量比で、酸素(O)が46％、ケイ素(Si:Silicon)が27％を占めます。そして、アルミニウム(Al:Aluminium)、鉄(Fe:Iron ラテン語"Ferrum")、カルシウム(Ca:Calcium)、ナトリウム(Na:Sodium, Natrium)、カリウム(K:Potassium)、マグネシウム(Mg:Magnesium)、チタン(Ti:Titanium)が含まれ、これまでの元素で99％を構成します。次が水素(H:Hydrogen)となりますが、軽いこともあって構成比0.14％です。炭素(C:Carbon)は0.03％に過ぎません。

　海水の成分は、水(H2O) 96.6％、塩分 3.4％から構成されます。この塩分として、塩化ナトリウム(NaCl:Sodium Chloride) 77.9％、塩化マグネシウム(MgCl2:Magnesium Chloride) 9.6％、硫酸マグネシウム(MgSO4:Magnesium Sulfate) 6.1％などが挙げられます。

　水分子(H2O)を構成できる水素(H)と酸素(O)は宇宙では多いことになりますが、地球では海に大部分（97.5％）が含まれています。宇宙で水がありふれた物質であるため、地球以外にも水の惑星が存在する可能性は十分にあります。

　水分子の奇妙な振る舞いによって、生命が育まれたこともあって興味深いです。水分子を構成する酸素原子が２つの水素原子の電子をかなり強く引きつけ、酸素原子はマイナスに、水素原子はプラスに帯電した状態になっています。そのことが水分子同士の結合を更に強くしています。この強い分子間力が働いているため、摂氏０度から１００度の広範囲において、水が液体の状態を維持できます。

　私たちの身の回りで常温で液体となる物質は、水はもとより、油として食用油、石油やガソリン、そしてアルコールくらいです。金属では水銀(Hg:Mercury)が唯一の物質です。したがって、一般的に温度と圧力の狭い範囲において液体の状態になります。温度が低ければ固体となり（凝固）、温度が高くなると分子の活動が活発となって分子間力を振り切り、気体となります（蒸発）。

　水が凝固して氷に変わり、水が蒸発して水蒸気に変わる場合にも、奇妙な特性があります。氷を作るために水を冷やして熱を奪っていくと、水温が０度になって氷ができ始めるが０度から温度は下がりません。全て氷になってから０度以下に低下し始めます。見方を変えると、水から氷に転移すると潜んでいた熱を放出することになり、潜熱と呼ばれています。水の比熱（物質１グラムの温度を摂氏１度挙げるのに要する熱量）は１カロリーであるが、１グラムの水が凝固して放出する潜熱は約８０カロリーとなり、思っているよりも大きいです。氷や雪がなかなか融けない原因もこの潜熱の大きさにあります。

　水から水蒸気に転移する場合にも潜熱があり、１グラムの水を蒸発するには約５３０カロリーの熱が必要です。１グラムの零度の水を１００度に沸騰させるのに必要な熱量は１００カロリーであり、それを蒸発させるには更に５倍の熱量が必要ということになります。水蒸気には大量な熱を潜んでいることになります。この潜熱が台風による破壊的な力を生み出すとも捉えることができます。

　化石燃料を燃やして二酸化炭素が増加して温暖化が進めば、北極・南極に閉じ込められていた氷河が溶けて、そして海水が蒸発して水蒸気になります。水蒸気も温室効果をもたらす温暖化ガスであり、小さな変化（二酸化炭素の濃度上昇）でも負のスパイラルに落ち込んで、ますます地球上の気温が上がり、水蒸気が増えて歯止めが効かないほど温度が上がります。最終的には地球上で生命は住めなくなります。

　もう一つ水の奇妙な特性として、氷が水に浮きます。グラスに氷水を入れて見慣れたことで、氷点下となった池や湖の水は表面だけが凍っています。水は４度で密度が最大となるからです（ただし、塩水は塩分が濃くなるほど密度が最大になる水温は低下します）。コップの中の対流実験を思い出してみると、冷たい水（重い水）が下層に溜まりますが、氷になると上層へ上がってきます。一般的に他の物質では固体のほうが重くなります。

　地球史において地球上が全て氷で覆われたことが２度あったことがわかっています。スノーボールアース(Snowball Earth) すなわち雪玉地球事件です。地球の表面が氷となっているため、太陽からの熱や光を宇宙へ跳ね返して地球の地表は温まらずに、凍てついた冷厳な銀世界が広がっていました。ますます地球は冷え切って生命も途絶えて、死する地球となるところでした。

　地球の中心では、高温を維持したマントル(Mantle)が存在し、火山活動も活発でした。海の上層は凍ってしまいましたが、地球が持つ熱によって海底には液体の水が取り残されました。そのために生命は生き抜いたとの説が有力となっています。生命を守ったのは氷が水に浮く特性があったからです。

　水の惑星は、生命に満ちた惑星になることもできますが、温まりすぎて水蒸気が多くなると高温で生命が生きられない星に、冷えすぎて氷に覆われれば生命が凍える星に変移してしまいます。現在の地球は、天の采配があったのか、生命に適した狭い領域に留まっています。両脇は崖であり、転げ落ちたら奈落の底に突き進んでしまいます。