Для иллюстрации различий превращений энергии и вещества в биосфере известные советские исследователи и популяризаторы науки — безвременно скончавшийся Петр Петрович Второв (1939—1979) и Николай Николаевич Дроздов, которого мы часто видим на экранах телевизоров в качестве ведущего передачи «В мире животных», — использовали наглядный образ — водяную мельницу. Колесо ее вертится и вертится, оставаясь на месте, и символизирует запас вещества в биосфере. Однако для того, чтобы колесо вертелось, нужен постоянный приток воды. Подобно этому, поток солнечной энергии, поступающий из космоса, крутит «колесо жизни» на нашей планете.
Насколько же быстро крутится это колесо? Во времена Вернадского это не было известно, однако сейчас на такой вопрос уже можно ответить.
Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, в то время как фитомасса океана — каждый день! Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмосфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа — за 6,3 года. Эти цифры показывают, что геохимический эффект деятельности живого вещества в биосфере проявляется не только в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражен даже в пределах времени исторического (тысячи лет и менее).
Наряду с этим некоторые другие вещества, участвующие в биогеохимическом круговороте, имеют значительно меньшие скорости миграции. Так, время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды Мирового океана, исчисляется 5—6 млн. лет (выше мы говорили о круговороте воды без ее химического разложения). Миллионолетиями измеряется также продолжительность общепланетарных циклов углерода, азота и фосфора.
В 1926 г. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы; он вернулся к нему в специальной статье в 1937 г.[12] В то время, однако, трудно было дать на него определенный ответ. Непросто это сделать и сейчас.
Н. Б. Вассоевич обратил внимание на важную особенность строения биосферы, которую ранее подчеркивал Вернадский: на существование в биосфере «поля устойчивости жизни» и «поля существования жизни». В первом случае (в «поле устойчивости») существуют «условия, которые выдерживает жизнь, не прекращая своих функций, т. е. те, при которых организм хотя и страдает, но выживает», а во втором (в «поле существования») — «условия, при которых организм может давать потомство, т. е. увеличивать живую массу — увеличивать действенную энергию планеты… Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни»[13].
Рассмотрим, какие из реально существующих на Земле физико-химических условий ограничивают развитие жизни, а значит, и определяют границы биосферы.
Во-первых, это достаточное количество углекислого газа и кислорода. Установлено, что на Гималаях зона распространения зеленой растительности ограничена высотой 6200 м, где парциальное давление углекислого газа вдвое ниже, чем на поверхности моря. Однако и выше жизнь окончательно не замирает — там встречаются некоторые виды пауков и насекомых. Питаются они пыльцой и другими органическими остатками, заносимыми ветром.
Во-вторых, это достаточное количество воды (причем обязательно — в жидкой фазе!), которое могло бы обеспечить нормальный ход процессов жизнедеятельности. На поверхности Земли участки, где жизнь была бы ограничена этим фактором, встречаются чрезвычайно редко.
В-третьих, благоприятный термический режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов). Чемпионами по выживанию являются прокариоты (речь о них впереди). Некоторые их виды живут на снегу, другие — в горячих источниках при температуре выше 100°.
В-четвертых, это наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания — фактор, в значительной мере ограничивающий развитие жизни на больших площадях в океанах, но крайне редко сводящий ее к нулю.
В-пятых, сверхсоленость водной среды, превышающая концентрацию солей в морской воде примерно в 10 раз. Искусственные садки, где производится выпаривание рассолов, стерильны. Лишены жизни и подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.
Указанные выше факторы ограничивают развитие жизни лишь на очень небольших территориях земного шара. В качестве примеров известный американский эколог Роберт Э. Риклефс приводит следующие участки: склоны горы Мак-Кинли на Аляске, где из-за круглогодично сохраняющихся минусовых температур вода существует только в твердой фазе, и заповедник Уайт-Сандс (штат Нью-Мексико, США), где чистые гипсовые пески, дающие название заповеднику (по-английски оно обозначает «Белые пески»), совершенно лишены элементов минерального питания. Впрочем, их безжизненность является проблематичной и уж во всяком случае эфемерной. Так, другие участки, которые Р. Э. Риклефс считает безжизненными, — Долина Смерти (штат Калифорния, США) и вулканический остров Суртсей, образовавшийся в 1963 г. вблизи Исландии, — уже заселены прокариотами.
Но, может быть, безжизненными являются океанские пучины?
До середины XIX в. господствовало твердое убеждение, что в океане на значительной глубине жизнь отсутствует. «Нуль животной жизни» проводили на глубине 540 м. Нижележащие слои водной толщи считали безжизненными и называли азойными (от греч. отрицания «а» и «зоон» — животное). В ходе последующих исследований, однако, «нуль животной жизни» приходилось опускать все ниже и ниже, пока в 40—50‑е годы нашего века результаты экспедиций на судах «Витязь» (СССР) и «Галатея» (Дания) окончательно не доказали, что океан заселен до максимальных своих глубин. Правда, живыми глубоководные организмы никто не видел — до того момента, когда 23 января 1960 г. батискаф «Триест» не коснулся дна Марианской впадины. В точке погружения глубина океана достигала 10 919 м; температура воды за бортом составляла 2,4°C, а давление — приблизительно 1100 атм.
Репортаж ведет один из участников погружения Жак Пикар: «Дно было совершенно ровным, если не считать нескольких комочков. Но — самое главное — за миг до соприкосновения с дном в световой круг вплыла рыба… В одну секунду, вместившую годы труда и подготовки, мы разрешили проблему, десятки лет мучившую океанографов… Мы добыли доказательства того, что ни давление, ни тьма, ни холод, вместе взятые, не в силах остановить жизнь». Миф о «нуле животной жизни» окончательно канул в Лету. А наиболее обычными обитателями максимальных глубин океана оказались все же не рыбы, а голотурии — своеобразные, довольно примитивные беспозвоночные. По описанию Джералда Даррелла, это — «самые противные среди всех обитателей моря». Их называют «морскими огурцами», хотя некоторые из них скорее напоминают тыквы или раздувшиеся сосиски, покрытые толстой бородавчатой кожей бурого цвета. Наверно, можно согласиться с Дарреллом, что они не первые красавцы на нашей планете, но ведь и жизнь в вечном мраке при давлении больше 1000 атм тоже далеко не мед…
А как обстоят дела в полярных морях? Обитаема ли их водная толща, изолированная от внешнего мира толстым панцирем льда? Исследования, проведенные в 1937 г. одним из членов папанинской четверки — Петром Петровичем Ширшовым (1905—1953), впоследствии академиком, — показали, что воды Северного Ледовитого океана заселены и в самых высоких широтах. А 40 лет спустя на другом конце Земли — в прибрежных водах Антарктиды, покрытых вечными льдами, — американскими учеными было сделано еще одно поразительное открытие.
Исследования проходили в море Росса, толщина льда на котором достигала 420 м. Морские воды, как оказалось, там были изолированы ледяным панцирем от солнечного света и прямого воздействия атмосферы по крайней мере в течение 120 тыс. лет. Естественно было предположить, что при таких условиях жизнь в море невозможна. Но, как сказал Козьма Прутков, «глядя на мир, нельзя не удивляться» — ледяная темница оказалась обитаемой! Телевизионные камеры и другие инструменты исследования, спущенные в прорубь, обнаружили в водной толще довольно разнообразное сообщество организмов, состоявшее из диатомовых водорослей, фораминифер, ракообразных и бактерий. Среди них были встречены и совершенно необычные, ранее не известные науке виды.