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.