БИОСФЕРА

Границы биосферы. Поля устойчивости жизни и поля существования жизни. Мегабиосфера

В 1926 г. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы ; он вернулся к нему в специальной статье в 1937 г. 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».

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.

Итак, вся поверхность суши (за исключением очень ограниченных участков) и океанские пучины соответствуют «полю существования» жизни в понимании В. И. Вернадского и, следовательно, относятся к биосфере. Что же касается верхних слоев атмосферы, то здесь распространен только так называемый «аэропланктон» – бактерии, дрожжевые грибки, споры плесневых грибов, мхов и лишайников, а также вирусы, водоросли, цисты простейших и т. д. Жизнеспособные микроорганизмы найдены на высоте до 77 км. Большинство микроорганизмов, однако, гибнет на меньшей высоте в первые минуты или даже секунды после того, как попадает (не по своей воле!) в воздушную стихию. Для остающихся в живых микроорганизмов воздушная среда также не является благоприятной, и они впадают в состояние анабиоза. Поэтому вся атмосфера в целом не отвечает определению экосистемы – здесь нет ни саморегуляции системы, ни самовозобновления организмов. Это то «поле устойчивости жизни», о котором писал В. И. Вернадский, – зона, примыкающая к биосфере сверху. Американский ученый Дж. Э. Хатчинсон назвал ее парабиосферой (от греч. «пара» – у, возле, при).

Где же проходят реальные границы биосферы?

Конкретизируя определение В. И. Вернадского, к биосфере можно отнести те зоны Земли, где существуют аборигенные сообщества живых организмов. Удовлетворяют ли этому условию приземные слои атмосферы? Видимо, да – ведь здесь стабильно обитают насекомые и птицы. Среди насекомых есть активные хищники, которые живут охотой в воздухе, а на землю опускаются только от случая к случаю и на ночлег. В свою очередь, среди птиц много насекомоядных, охотящихся за своей добычей налету. Пример тому – стрижи, которым длинные крылья затрудняют взлет. Это обстоятельство заставляет их большую часть жизни проводить в беспосадочном полете. В воздухе они не только кормятся, но и пьют, купаются, играют свадьбы…

Значит, зону обитания насекомых и птиц следует причислять к биосфере, а верхнюю ее границу проводить по рекордным их залетам (пока рекордсменом является безвременно погибший белоголовый сип, столкнувшийся с самолетом на высоте 12,5 км). Выше располагается парабиосфера.

Сложнее обстоит дело с нижней границей. Владимир Иванович предполагал, что вся осадочная оболочка Земли заселена бактериями. Более поздние работы, однако, не подтвердили это предположение. Оказалось, что распределение микроорганизмов в подземных водах – а, значит, и нижняя граница биосферы в пределах континентов – определяется температурой вод, режимом их циркуляции и концентрацией в них минеральных солей. Живые бактерии выявляются в подземных водах с температурой до 100°, хотя наиболее активная их жизнедеятельность ограничена «только» 80°. Предельная концентрация минеральных солей уже указывалась: 270 г/л. При глубоком бурении в Поволжье и Западной Сибири активная и разнообразная по составу анаэробная микрофлора была найдена на глубине 1–3 км, а иногда и глубже. В то же время, если минерализация вод превышает указанный предел или если залежь «запечатана», бактерии отсутствуют и на меньших глубинах. Такие лишенные жизни (или «азойные») зоны были обнаружены в Ангаро‑Ленском бассейне уже на глубине около 500 м, а в Волго‑Камском – на глубине около 1200 м.

Что же касается донных осадков Мирового океана и внутриконтинентальных водоемов, то здесь нижняя граница распространения живых организмов определяется содержанием в среде кислорода. Показано, например, что в зоне сероводородного заражения Черного моря осадки оказываются стерильными уже на глубине 5 см от поверхности дна. В Тихом и Индийском океанах микрофлора обитает в донных осадках до глубины 10–12 м, а в Каспийском море – не менее чем на 114 м ниже поверхности морского дна. Существует предположение (правда, пока не доказанное), что заселенным может оказаться 200–250‑метровый слой донных осадков.

Мощность биосферы  по вертикали, таким образом, составляет в океане всю толщу океанских вод и значительно варьирующую по толщине донную пленку жизни, а на континентах – тонкий наземный и мощный подземный слой. Вся дневная поверхность нашей планеты относится к зоне биосферы. Единственные (да и то сомнительные) исключения составляют те немногие случаи, о которых мы упоминали выше.

Распределение живых организмов в биосфере

Рис. 1. Распределение живых организмов в биосфере (по Кадару, 1965): 1  – обитатели пещер; 2  – микроорганизмы подземных местообитаний; еще ниже – донная пленка жизни

Таковы, по современным взглядам, границы биосферы Земли. Однако Вернадский главную книгу своей жизни назвал: «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения ». Владимир Иванович не определил, что он понимает под «окружением» биосферы. В значительной мере это было сделано Николаем Брониславовичем Вассоевичем.

Развивая идеи В. И. Вернадского, Н. Б. Вассоевич предлагал выделять «мегабиосферу » (от греч. «мега» – великий) – многослойную оболочку Земли, сформированную в результате деятельности живого вещества. Верхней ее границей является предел распространения биогенной атмосферы, нижней – земные оболочки, не затронутые влиянием жизни. Мегабиосфера включает в себя:

а) анобиосферу – верхнюю часть атмосферы Земли выше границы распространения форм жизни в состоянии анабиоза;

б) парабиосферу;

в) биосферу;

г) метабиосферу , соответствующую «области былых биосфер» Вернадского.

«Область былых биосфер» В. И. Вернадский понимал как оболочку Земли, когда‑либо подвергавшуюся воздействию жизни. Владимир Иванович писал, что земная кора «захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда‑то были на поверхности Земли биосферами. Это биосфера, стратисфера, метаморфическая (верхняя и нижняя) оболочка, гранитная оболочка. Происхождение их всех из биосферы становится нам ясным только теперь. Это – былые биосферы».

Таким образом, благодаря постоянному притоку солнечной энергии, интенсивной работе приемника этой энергии – живого вещества – и неполной замкнутости биогеохимического круговорота биосфера непрерывно создает вокруг себя концентрические планетарные оболочки: снаружи парабиосферу и анобиосферу, внутри метабиосферу.