Глава первая. Биосфера

 

Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы.

В. И. Вернадский, 1926

 

Небольшая книга Вернадского «Биосфера» впервые вышла в Ленинграде в 1926 г. Издана она была тиражом всего 2 тыс. экз. Казалось бы, чисто научный труд, – но им зачитывались Михаил Пришвин и Николай Заболоцкий, а Геннадий Гор писал: «Есть книги, воздействие которых на читателя ни с чем не сравнимо. Такой необыкновенной книгой оказалась для меня «Биосфера»…»

В этой книге, впоследствии неоднократно переиздававшейся на русском[8] и других языках, биосфера Земли впервые была показана как единая динамическая система, управляемая жизнью. «Развитое В. И. Вернадским представление о биосфере как о пронизанной, преобразованной и постоянно преобразуемой организмами оболочке земного шара – одно из крупнейших обобщений естествознания нашего века», – свидетельствует наш современник, академик М. С. Гиляров.

Термин «биосфера» появился в научной литературе в 1875 г. Его автором был Эдуард Зюсс (1831–1914), с которым В. И. Вернадский был знаком лично, – известный австрийский геолог, «обобщитель геологических фактов», как называл его академик В. А. Обручев. Зюсс писал: «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле (Земле. – А. Л.), а именно – органическая жизнь… На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу…»

Сконструировав новый термин, которому было суждено такое блестящее будущее, и, по существу, вводя в науку новое понятие, Э. Зюсс не дал ему никакого определения. Слово «биосфера» стало использоваться в геологической и географической литературе от случая к случаю, причем каждый понимал его по‑своему.

В научной, популярной и даже учебной литературе в качестве автора термина «биосфера» иногда указывается знаменитый французский естествоиспытатель Жан‑Батист Ламарк (1744–1829). Это неверно: он ввел термин «биология» (а не «биосфера»). При этом, опередив свое время больше чем на столетие, Ламарк вплотную подошел к понятию биосферы и к осознанию планетарной роли жизни: «Сложные минеральные вещества  всех видов, образующие внешнюю кору земного шара и встречающиеся там в виде отдельных скоплений, рудных тел, параллельных пластов и т. д. и образующие низменности, холмы, долины и горы, являются исключительно продуктами животных и растений, которые существовали на этих участках поверхности земного шара» (курсив Ламарка). Эти пророческие слова Ламарка были надолго забыты.

Вкладом принципиальной важности в разработку современного понимания биосферы явились и труды знаменитого немецкого естествоиспытателя‑энциклопедиста Александра Гумбольдта (1769–1859). Именно Гумбольдт впервые сумел взглянуть на Землю как на единое целое. Этот глобальный (как мы теперь говорим) подход Гумбольдт развил в своем фундаментальном труде «Космос», над которым работал всю свою долгую жизнь. В нем, в частности, развивалась идея о повсеместном распространении жизни («всеоживленности» Земли), ее неразрывной связи с неорганическим миром (мысль, совершенно новая для XIX в.!) и даже был употреблен термин «жизнесфера» – правда, единожды и без всяких комментариев. Вернадский высоко ценил труды Гумбольдта: «Его постановка проблемы… приближается к геохимическим концепциям нашего времени. Для него живое вещество есть неразрывная и закономерная часть поверхности планеты, неотделимая от ее химической среды»[9].

Наконец, непосредственным предшественником Вернадского и его учителем был основоположник современного генетического почвоведения Василий Васильевич Докучаев (1846–1903), который первым осознал опасность дробления науки о природе на множество частных дисциплин. По мнению Докучаева, естествознание достигло больших успехов в изучении таких объектов природы, как живые организмы, минералы, горные породы и т. д. Однако изучались в то время именно отдельные объекты, «но не их соотношения, не та генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой. А между тем именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии – лучшую и высшую прелесть естествознания».

Докучаев сконцентрировал свое внимание на почве: естественном теле, где происходит взаимодействие всех трех выделявшихся тогда «царств природы»: минералов, растений и животных. На примере почвы он всесторонне рассмотрел взаимодействие биотических и абиотических факторов в естественных телах. Поэтому, хотя термин «биосфера» в литературу ввел не Докучаев, а Зюсс, именно Докучаева считают предтечей современного учения о биосфере – естественном теле более высокого ранга, чем почва.

Творчески развив идеи своих предшественников – Ламарка, Гумбольдта, Докучаева – и использовав, по существу, «бесхозный» термин Зюсса, Вернадский создал принципиально новый подход к явлениям жизни. «Формирование интегративного подхода на уровне биосферы, как и само введение этого уровня организации живой материи, – целиком заслуга В. И. Вернадского», – пишет А. М. Гиляров.

Обыденно говоря, биосфера – это то, что нас окружает, та «природа», в которой мы живем. Вернадский в разных своих работах дал несколько определений биосферы, везде подчеркивая две ее отличительные особенности. Первая из них следующая: «Биосфера представляет оболочку жизни – область существования живого вещества»[10], вторая: «Биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и т. д.»[11].

В своих работах В. И. Вернадский подчеркивал «всюдность» жизни. В самом деле, заселенными оказываются самые невероятные, казалось бы, местообитания: термальные источники, температура воды в которых достигает точки кипения, а в некоторых случаях даже несколько превышает ее – и вечные снега Гималаев, где на высоте 8300 м обитают по крайней мере 9 видов бактерий; безводные пустыни (в славящихся своей сухостью африканских пустынях живут, например, более 500 видов насекомых) – и сверхсоленые озера, где процветают цианобактерии, архебактерии и один из видов креветок, а жгутиковые и диатомовые водоросли хоть и влачат жалкое существование, но все же существуют! Заселено организмами даже… Мертвое море – в нем обитает несколько видов архебактерий и водорослей (не следует ли это название писать в кавычках: так называемое «Мертвое море»?).

Для учителя В. И. Вернадского – В. В. Докучаева – биотический и абиотический факторы были равноправными партнерами формирования почвы. Вернадский же, перейдя на глобальный уровень, показал, что ведущим фактором, преобразующим лик Земли, является жизнь. Ее особенность заключается не только в ускорении химических реакций – некоторые реакции вне организмов вообще не происходят при нормальных температурах и давлениях. Хорошо об этом сказал Л. С. Берг: «Организмы осуществляют нечто с физической точки зрения невероятное». Так, жиры и углеводы окисляются в организме при температуре около 37°, а вне его – при температурах 400÷500°C. Синтез аммиака из молекулярного азота в промышленных условиях осуществляют при температуре 500° и давлении 300–350 атм. А микроорганизмы без особых затруднений проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении. Значит, в живых организмах должны развиваться какие‑то особые катализаторы, ускоряющие протекание химических процессов. Такие белковые катализаторы, действительно, были найдены в живых организмах и получили название «ферментов». Действуют они очень специализированно; фермент и вещество, подверженное его действию, подходят друг к другу, как ключ к замку. Для протекания химических процессов достаточно ничтожных количеств ферментов. Во всем мире не наберется и десятка килограммов нитрогеназы – удивительного фермента, используемого организмами для синтеза азотистых соединений из атмосферного азота. Академик И. П. Павлов называл ферменты «возбудителями жизни».

Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» – это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, «выход» – те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких‑либо причин ускользнули из биотического круговорота (иногда – на многие миллионы лет). Образно говоря, это выход в «геологию».

На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойствами гомеостата. 50 лет назад таких терминов еще не существовало, и Вернадский говорил в этом смысле об «организованности биосферы» (а в более ранних работах – о ее «механизме»).

Одно из наиболее характерных проявлений организованности биосферы Вернадский видел в наличии озонового экрана, находящегося за пределами биосферы и поглощающего губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Состав газовой оболочки нашей планеты полностью регулируется жизнью.

Другой пример саморегулирования представляет собой Мировой океан. Реки ежегодно вносят в океан 1,5 млн. т карбоната кальция, а солевой состав океанической воды существенно не меняется. Почему? Организмы используют эти карбонаты для построения своих скелетов, а после их отмирания карбонаты осаждаются на дно. Так путем создания «кальциевых покровов» нашей планеты стабилизируется состав океанских вод. Этот механизм действует в биосфере уже многие миллионы лет.

Таким образом, саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной кибернетической системой. Под таким названием объединяют системы, в которых один элемент (или подсистема) играет доминирующую роль в функционировании системы в целом. Этот элемент называют ведущей частью системы или ее центром. Живые организмы в биосфере и играют роль такого центра.

Согласно закону необходимого разнообразия Эшби кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для блокирования внешних и внутренних возмущений, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Земля как планета характеризуется значительным разнообразием природных условий. Это определяется ее шарообразной формой, ее движением вокруг Солнца и вокруг своей оси, что, в свою очередь, обусловливает широтное и сезонное изменение интенсивности поступления солнечной энергии; значительное разнообразие природных условий создается и расчлененным рельефом Земли. Амплитуда абсолютных отметок поверхности Земли составляет больше 19 км – от +8848 м – гора Джомолунгма (Эверест) до −11022 м – Марианская впадина в Тихом океане. Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами.

Интереснейшее обобщение (до сих пор недооцененное) о создании организмами неоднородности среды было сделано в начале нашего века русским микробиологом, профессором Михаилом Андреевичем Егуновым (1864–1937). «Всякая среда, населенная живыми организмами, есть среда биоанизотропная. Биоанизотропия есть явление общее; биоизотропии нет, – писал Егунов. – Это вытекает из того, что между средой и каждым организмом происходит непрерывный обмен веществ, и поэтому в каждый данный момент различные точки среды отличаются друг от друга по физико‑химическому составу. Диффузия никогда не может вполне выравнять эти различия, пока существует причина, производящая их».

Считают, что в современной биосфере представлено около 2 млн. видов живых организмов (а за все время существования биосферы их было не меньше миллиарда), причем каждый из этих видов, в свою очередь, включает в себя миллионы и миллиарды особей, дисперсно распределенных в пространстве. Недавно подсчитали, например, что в Приангарье на площади 0,23 км² живет 535 (!) видов беспозвоночных, каждый из которых, естественно, по‑своему взаимодействует с окружающей средой. Деятельность живых организмов и создает удивительное разнообразие окружающей нас «природы» – биосферы. Пожалуй, мы не могли до последнего времени оценить это разнообразие – нам просто не с чем было сравнивать нашу биосферу. И лишь теперь, когда мы увидели на экранах телевизоров, на страницах иллюстрированных изданий пейзажи иных планет, лишенных жизни, – лишь теперь мы можем в полной мере оценить «внутреннее разнообразие» биосферы. Оно служит своеобразной гарантией сохранения жизни на нашей планете.

Нам сейчас трудно представить себе масштабы геологических катастроф, происходивших в истории Земли. Самые страшные из известных нам землетрясений сопровождались сбросами амплитудой 4–6 м. Тектонические явления такого масштаба расцениваются как национальное бедствие – вспомним страшное перуанское землетрясение 1970 г., унесшее около 100 тыс. жизней. А в геологических отложениях известны сбросы амплитудой в несколько километров! Неисчислимые бедствия несут и вулканические извержения. Наиболее крупное из них произошло в начале этого века на Аляске. Высота утеса, образованного застывшей лавой, достигает здесь 100 метров! А при извержении на острове Кракатау в 1883 г. выпал слой пепла толщиной от 2 до 60 м.

Сколько их было в истории биосферы, геологических катастроф! Тем не менее все крупные катастрофы, когда‑либо случавшиеся в биосфере (включая оледенения), всегда носили локальный, а не глобальный характер. Правда, в последнее время на этот счет появились некоторые сомнения. Причиной этого послужило то обстоятельство, что в ряде районов земного шара (Дания, Италия, Испания, Новая Зеландия, впадины Тихого и Атлантического океанов) в пограничных отложениях между мелом и палеогеном был обнаружен тонкий (всего несколько сантиметров) прослой, резко обогащенный иридием. Поскольку иридий является одним из характерных элементов метеоритов, было высказано предположение, что прослой, обогащенный иридием, образовался за счет вещества астероида, который взорвался при столкновении с нашей планетой. С этим событием стали связывать массовые вымирания многих групп организмов (в первую очередь динозавров), характерные для данного отрезка геологической истории.

Для проверки этой гипотезы в Палеонтологическом институте АН СССР была проведена фундаментальная работа по детальному анализу смены фауны на границе мезозоя с кайнозоем. Это исследование показало, что вымирание представителей различных групп органического мира происходило достаточно постепенно и для разных групп не одновременно. Что же касается вымирания динозавров, то оно предшествовало появлению в разрезе иридиевого прослоя. Директор Палеонтологического института академик Леонид Петрович Татаринов сделал вывод, что вообще «ни в одном случае гипотеза о глобальной катастрофе как основной причине смены биоты в истории Земли не получила подтверждения на достаточно достоверном палеонтологическом материале».

А как же иридий? Ученые университета штата Мэриленд (США) недавно показали, что иридий может иметь и земное происхождение. Исследуя продукты выброса вулкана Килауэа, расположенного на одном из островов Гавайского архипелага, они обнаружили необычайно высокую концентрацию в них иридия. При этом было доказано, что иридий накапливался не в излившихся при извержении лавах, а поступал с вулканическим пеплом и газами в атмосферу, что и обеспечивало широкое его площадное рассеивание. Правда, масштабы поступления иридия при извержении Килауэа не были особенно значительными. Однако нельзя забывать, что в конце мезозоя происходили грандиозные излияния базальтов. Не исключено, что именно они привели к резкому накоплению иридия сначала в атмосфере, а затем – и к его концентрации в четко ограниченном прослое. Кстати, прослой с иридием присутствует не везде: например, в детально изученных рубежных отложениях мела и палеогена в Крыму его так и не нашли, как ни искали.

Таким образом, весь материал, накопленный геологией, показывает непрерывность развития органического мира Земли в течение всей геологической истории и правильность вывода В. И. Вернадского об отсутствии в земной коре азойных (сформировавшихся в отсутствие жизни) отложений. Внутреннее разнообразие биосферы обеспечило ее устойчивость даже по отношению к самым значительным катастрофическим потрясениям. Она – эта устойчивость – определяется исключительным разнообразием населяющих биосферу живых организмов и почти безгранично большим их количеством, взаимозаменяемостью составляющих ее экосистем, дублированием отдельных звеньев биогеохимических циклов, жизненной устойчивостью и активностью особей и т. д.

Характерной особенностью биосферы является мозаичность ее строения. Жизнь, будучи организована в планетарном масштабе, функционирует в пределах отдельных «квантов» биосферы. В 1935 г. английским ученым Артуром Дж. Тэнсли (1871–1955) они были названы экосистемами. Согласно современному определению Д. В. Панфилова, «экосистемы – это комплексы взаимосвязанных популяций разных видов живых существ и изменяемой ими абиотической среды, обладающие способностью к саморегуляции и самовозобновлению всех главных компонентов их биоты». Размеры экосистемы очень различны: «от кочки до оболочки», по шутливому выражению географа и писателя Юрия Константиновича Ефремова. Их протяженность на суше, например, варьирует от нескольких метров (песчаные дюны, микродепрессии в степях и полупустынях, небольшие блюдечки озер в тундрах) до нескольких километров (солончаки, однородные участки степей, лесов и т. д.). Экосистемой глобального масштаба является биосфера Земли. Подобно биосфере, экосистемы всех рангов биоцентричны.

В советской научной литературе иногда употребляется также термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. академиком Владимиром Николаевичем Сукачевым (1880–1967). Согласно его определению, биогеоценоз – это участок биосферы, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, микроклиматическая, гидрологическая, почвенная, геоморфологическая или геохимическая граница. Впоследствии биогеоценоз стали определять как экосистему в пределах фитоценоза, считая, что категории экосистемы и биогеоценоза совпадают на уровне растительного сообщества. По существу же, эти понятия близки и различаются главным образом в деталях. При этом понятие экосистемы является более гибким, и в дальнейшем изложении мы будем пользоваться главным образом этим термином.

Несмотря на свою относительную замкнутость, экосистемы тесно связаны между собой. Тому имеется много доказательств. Самое простое: мы круглый год потребляем кислород, а выделяется он растениями только во время вегетационного периода, который лишь в тропическом поясе продолжается круглогодично. В остальное время мы расходуем кислород, поставляемый растениями противоположного полушария. Есть и более печальные свидетельства глобальной интегрированности биосферного круговорота: в теле антарктических пингвинов найден ДДТ (который, конечно, никогда не применялся в Антарктиде), а в молоке европейских женщин радиоактивный стронций появлялся регулярно через четыре месяца после каждого испытания атомного оружия на атоллах Тихого океана.

Основными элементами, участвующими в биосферном круговороте, являются водород, кислород, углерод, азот, кальций, калий, кремний, фосфор, сера, стронций, барий, железо, марганец, цинк, молибден, медь и никель. Круговороты химических элементов, вызванные деятельностью живого вещества, получили название биогеохимических циклов. Их исследованию в настоящее время уделяется большое внимание в связи с проблемами охраны окружающей среды.

Гетерогенность строения биосферы, ее «мозаичность» определяются и наличием в ней регионов с различной биогеохимической специализацией или, как их первоначально называли, биогеохимических провинций. Это понятие было введено в 1936 г. В. И. Вернадским и А. П. Виноградовым в их совместном докладе «Геохимические провинции и заболевания» и в дальнейшем развито последним. По определению Виноградова, под биогеохимическими провинциями понимаются области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в их почвах, водах и т. п.) химических элементов (или соединений), с которыми связаны определенные биологические реакции со стороны местной флоры и фауны. Впоследствии членом‑корреспондентом ВАСХНИЛ Виктором Владиславовичем Ковальским (1899–1984) была составлена карта биогеохимического районирования СССР, первая редакция которой была опубликована в 1954 г., а последняя – в 1982 г.

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является замкнутым. Степень воспроизводства отдельных циклов достигает 90–98%. В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или метабиосфере Земли. Эти несколько процентов вещества, ускользающие из круговорота, и составляют тот «выход в геологию», о котором мы уже упоминали.

Однако «геология» стоит не только на «выходе», но и на «входе» биогеохимического круговорота. Одним из первых обратил на это внимание знаменитый немецкий геолог Иоганнес Вальтер (1860–1937), который писал: «Биосфера образует своеобразную переходную зону между атмосферой, гидросферой и литосферой. Углекислота воздуха в виде твердых ископаемых углей так же могла принимать участие в составе земной коры, как и когда‑то растворенная в воде известь…» Развивая это положение на материале современных данных, известный советский геохимик, лауреат Золотой медали им. В. И. Вернадского, член‑корреспондент АН СССР Александр Борисович Ронов пришел к выводу о значительной «открытости» биогеохимического круговорота и о необходимости постоянного поступления в него углекислоты из недр. А. Б. Ронов сформулировал следующий «геохимический принцип сохранения жизни»: «Жизнь на Земле и других планетах при прочих равных условиях возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом между их недрами и поверхностью».

Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются только вещества, в то время как для энергии можно говорить лишь о направленном потоке. Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества. Биосфера – это «фабрика макромолекул»: фотоавтотрофные организмы, поглощая солнечную энергию, путем фотосинтеза превращают низкомолекулярные, бедные энергией неорганические вещества в высокомолекулярные, богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое.

Передаваясь с одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органических остатков энергия частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов, которые академик Н. В. Белов (1891–1982) назвал «геохимическими аккумуляторами». Говоря о пронизывании внешней оболочки Земли солнечной энергией, Н. В. Белов привел пример с бриллиантом. Когда на бриллиант падает свет, одна часть его отражается от граней драгоценного камня, а другая попадает внутрь и способна вырваться наружу только после многократных отражений от внутренних граней. Такого же рода странствиям (в масштабе геологического времени) подвергается и солнечная энергия, аккумулированная живым веществом.

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.

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[14] 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 показано на рис. 1.

 

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»[15].

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.

Характерной особенностью биосферы как динамической системы является ее неравновесность, являющаяся следствием работы живого вещества и притока солнечной энергии. Еще в 1935 г. младший современник Вернадского, известный биолог Эрвин Бауэр (1890–1942), проживший последние 17 лет своей жизни в Советском Союзе, писал: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях… Мы обозначим этот принцип как принцип устойчивого неравновесия живых систем». Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционируют в сторону понижения энтропии. Сейчас его называют принципом Бауэра. Благодаря деятельности живого вещества, принцип устойчивого неравновесия действует и в биосфере в целом.

Не менее важной отличительной особенностью биосферы является ее обводненность. «Вода без жизни в биосфере неизвестна; ничтожные по весу такие ее нахождения являются редкими – временными – минералами; таковы воды, богатые свободной серной или соляной кислотой вулканов, может быть, некоторые рассолы – и только»[16]. Одновременно вода является средой, по существу, и для всех химических процессов, происходящих в биосфере. Именно поэтому химически чистая вода в биосфере представляет собой столь же большую редкость, как и вода, лишенная жизни. Вернадскому очень правилось определение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р. Дюбуа, и он неоднократно приводил его в своих произведениях. Поэтические строки о воде принадлежат и другому великому французу – Антуану де Сент‑Экзюпери: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты – сама жизнь…»

Наконец, еще одна характерная особенность биосферы – это ее неразрывная связь с космосом (в наибольшей степени – с Солнцем). Впервые ее заметили еще в прошлом веке. Так, в 1852 г. швейцарский астроном Рудольф Вольф (1816–1896) рассчитал зависимость магнетизма Земли от цикличности пятнообразования на Солнце. Однако датой рождения гелиобиологии (науки о влиянии Солнца на биологические процессы) обычно считают 1915 г., когда в Московском археологическом институте был прочитан доклад «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли». В этом докладе восемнадцатилетний Александр Леонидович Чижевский (1897–1964), впоследствии известный ученый, сформулировал идею, развитию которой посвятил всю жизнь. В наши дни она может показаться даже тривиальной – что же, собственно говоря, удивительного в том, что жизнь на Земле определяется Солнцем? Сейчас выявлен огромный диапазон явлений, подчиненных «ритму Солнца» – от вспышек массового размножения саранчи до средней успеваемости школьников. Чижевский же был первопроходцем, и ему не удалось дожить до признания своих идей…

Подведем некоторые итоги.

Биосфера вырисовывается как пронизанная и регулируемая жизнью, ею сформированная наружная оболочка Земли, развитие которой определяется главным образом постоянным притоком солнечной энергии[17]. «Основным признаком биосферы является участие во всех ее процессах живого вещества» (Вернадский). Биосфера Земли характеризуется присутствием жидкой воды и широким развитием низкотемпературных реакций, регулируемых действием ферментов. Биосфера продуцирует наружу газовую оболочку, внутрь планеты – «область былых биосфер», или метабиосферу.

Говорят, что все в жизни познается в сравнении. Нашу, земную биосферу нам сравнивать не с чем – других биосфер во Вселенной пока не обнаружено, и шансы на их существование все уменьшаются. Впрочем, недавно ученые из Главной астрономической обсерватории АН УССР Л. О. Колоколова и А. Ф. Стеклов выдвинули гипотезу о наличии на спутниках Юпитера биосферы иного типа, чем земная, – биосферы, развивающейся под слоем льда. Такой гипотетический тип биосферы украинские ученые предложили называть «эндобиосферой» (от греч. «эндон» – внутри). Отдаленным ее земным аналогом может быть экосистема антарктического моря Росса, о которой мы уже упоминали.

Установлено, что спутники Юпитера – Европа, Ганимед и Каллисто – покрыты ледяным панцирем толщиной 50–250 км, под которым, видимо, располагается водный океан глубиной 100–1000 км. В этом‑то подледном океане и предполагается развитие жизни, представленной микроскопическими существами, приспособленными к существованию при огромных давлениях. Недавние исследования, произведенные космическими аппаратами, показали, что в океане юпитерианской Европы существуют полыньи размером в десятки квадратных километров. В этом случае энергии, получаемой Европой от Солнца, как будто должно хватать на фотосинтез, если, конечно, есть кому его осуществлять. Подледные океаны подобного типа существуют также на Марсе, Титане и, возможно, Тритоне. Так что в принципе существование эндобиосфер не исключено и на этих планетах.

Но это – гипотеза, а пока наша биосфера – экзобиосфера! – остается в Солнечной системе уникальной. И мы должны ее сохранить.

Наш очерк о биосфере будет неполным, если мы хотя бы в краткой форме не остановимся на современном этапе ее развития, который В. И. Вернадский называл ноосферой (от греч. «ноо» – разум).

Конечно, как и в учении о биосфере, в ноосферной концепции В. И. Вернадский тоже имел предшественников. Одним из них был самобытный русский философ Николай Федорович Федоров (1828–1903), первый (да, по существу, и единственный) наставник К. Э. Циолковского. Тезис Н. Ф. Федорова «Природа в нас начинает не только сознавать себя, но и управлять собою»[18] по идейной сути близок к хорошо известному пониманию Ф. Энгельсом человека как позвоночного, «в котором природа приходит к осознанию самой себя»[19]. Н. Ф. Федоров ставит вопрос об управлении («регуляции») природы человеком: «И в чем же должно состоять наше, существ разумных и чувствующих, общее дело: в эксплуатации ли и утилизации природы, т. е. в ее истощении… или же в регуляции природы… Повиноваться природе для разумного существа значит управлять ею, неразумною силою, ибо природа в разумных существах приобрела себе главу и правителя»[20].

Первое употребление термина «ноосфера» (как и «биосфера») принадлежит не Вернадскому – он вообще не любил придумывать новые слова. Его ввели в 1927 г. два младших современника В. И. Вернадского, слушавшие его лекции по геохимии в Сорбонне, – философ, математик, палеонтолог и антрополог Эдуард Леруа (1870–1954) и его друг, палеонтолог и антрополог Пьер Тейяр де Шарден (1881–1955). Под ноосферой французские ученые понимали ту стадию эволюции природы, когда появился человеческий разум. Развернутое обоснование эта трактовка получила в книге П. Тейяра де Шардена «Феномен человека», впервые опубликованной в 1959 г., через 14 лет после смерти В. И. Вернадского. В ней Тейяр определял ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт, который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных – вне биосферы и над ней» (курсив мой. – А. Л.).

Иное содержание вкладывал в этот термин В. И. Вернадский. Его статья «Несколько слов о ноосфере» появилась в суровое время – в 1944 г. – и оказалась последней прижизненной публикацией ученого. По существу, она представляет собой научное завещание Вернадского. В этой статье были сформулированы представления, к которым Владимир Иванович пришел исподволь, всей логикой своего творчества: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера»[21].

Ноосфера, по Вернадскому, это биосфера, разумно управляемая человеком. В поэтической форме эту идею развил Николай Заболоцкий:

 

Два мира есть у человека:

Один, который нас творил,

Другой, который мы от века

Творим по мере наших сил.

 

Человек в ноосфере преображает окружающие его ландшафты. Принято выделять две разновидности культурных ландшафтов: агросферу и техносферу. Первая включает в себя разнообразные плантации, поля, сады, оранжереи, пастбища, рощи, парки, рыбохозяйственные угодья и т. п. Техносфера же представляет собой совокупность всей материальной культуры, как бы «встроенной» человечеством в природу. Это заводы, аэродромы, стадионы, автомагистрали, архитектурные сооружения и т. д. Однако при всем величии техники движущей силой ноосферы остается человек. И если «первобытная» биосфера является биоцентричной, то ноосфера, безусловно, по своей сути антропоцентрична.

Подчеркивая гуманистическую направленность концепции ноосферы, Вернадский писал: «Вопрос о плановой, единообразной деятельности для овладения природой и правильного распределения богатства, связанный с сознанием единства и равенства всех людей, единства ноосферы, стал на очередь дня»[22]. Оптимизация условий человеческого существования – так можно выразить основную тенденцию развития ноосферы. «Стало ясным и все больше проникает в сознание человечества, что перед ним сейчас имеется полная реальная возможность не допустить недоедания и голодания, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни, продолжить до максимума длительность человеческой жизни»[23]. В письме к своему давнему другу, профессору Б. Л. Личкову (1888–1966) В. И. Вернадский сделал характерное признание: «Я мало знаю Маркса – но думаю, что ноосфера всецело будет созвучна его основным выводам»[24].

Концепцию ноосферы В. И. Вернадский разрабатывал в последние годы своей жизни и успел опубликовать о ней только короткую статью, о которой мы уже упоминали. Более детальное рассмотрение вопроса осталось в рукописях, опубликованных много лет спустя, в 60–70‑е годы. А обсуждаться научной общественностью ноосферная концепция стала, по существу, совсем недавно – во время празднования 120‑летия со дня рождения В. И. Вернадского, в 1983 г. В эти дни в Иваново собралась первая в мире конференция, посвященная проблемам ноосферы. Она проходила под названием «Учение В. И. Вернадского о переходе биосферы в ноосферу, его философское и общенаучное значение». Концепция, созданная В. И. Вернадским более 40 лет назад, стала предметом пристального внимания ученых разных специальностей.

Знаменитый американский ботаник Фриц В. Вент, с которым мне посчастливилось встречаться на XII Международном ботаническом конгрессе в Ленинграде, как‑то подсчитал, что современное население земного шара потребляет в 1000 раз больше пищи и сырья, нежели их может дать девственная природа нашей планеты. Иными словами, человечество уже повысило продуктивность биосферы на три порядка. Но и это не предел – расчеты показывают, что она может быть увеличена еще в 7–10 раз. Теоретической основой решения этой проблемы является учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере, так созвучное со словами его любимого поэта – Федора Ивановича Тютчева:

 

Так связан, съединен от века

Союзом кровного родства

Разумный гений человека

С творящей силой естества…

 

Следует, однако, оговориться, что идеи В. И. Вернадского о ноосфере пока еще далеки от повсеместного и полного внедрения в жизнь. Известный американский эколог Дж. Э. Хатчинсон писал в 1970 г.: «Под ноосферой Вернадский понимал сферу разума, которая должна прийти на смену биосфере, сфере жизни. К сожалению, за четверть века, прошедшую после этих слов, мы могли убедиться в том, насколько неразумными были почти все изменения, внесенные человеком в биосферу. И все же предсказанный Вернадским переход – в его глубочайшем смысле – единственный выход для человечества, продолжающего укорачивать свою жизнь на миллионы лет».

Действительно, еще не так давно человечество чисто потребительски относилось к природе, пренебрежительно окрестив ее окружающей средой. Природа представлялась резервуаром неисчерпаемых возможностей, неким объектом «покорения». Но «как могу я, человек, покорять природу, если сам я есть не что иное, как ее разум, ее мысль? В нашем быту это выражение «покорение природы» существует лишь как рабочий термин, унаследованный из языка дикарей. Энгельс, Вернадский, Циолковский разъяснили нам подлинную суть этого явления», – взволнованно писал Николай Заболоцкий.

Сегодня человечество начинает осознавать, что «покорение природы» может привести лишь к катастрофе. В то же время человечеству, чтобы существовать, неизбежно приходится влиять на биосферу, перестраивать ее. Поэтому необходимо найти какой‑то компромисс между «покорением» природы и «невмешательством» в нее.

Поискам конструктивного решения современной экологической проблемы посвящена международная программа «Человек и биосфера». В ее рамках составляются научно обоснованные прогнозы изменения биосферы и разрабатываются рекомендации, направленные на обеспечение разумной хозяйственной деятельности человека, которые будут сочетать материальное благополучие людей с нормальным функционированием биосферы. Наша страна активно участвует в разработке этой программы.

Трудным путем идет человечество к осознанию своей роли в биосфере и своей ответственности за нее. Однако этот путь неизбежен, и разум должен победить. Вспомним вещие слова Вернадского: «Цивилизация культурного человечества – поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, – не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее геологически, сложившейся организованности биосферы»[25].