Биосфера (греч. bios жизнь, sphaira шар) - сфера жизни. Ввёл это понятие немецкий учёный, профессор Лейпцигского университета Ф.Ратцель (1845-1904) в книге "Органический мир и его происхождение" (1869). В этой книге органическое население Земли в целом он рассматривал как живой покров планеты, а её поверхность называл "пространством жизни" - der Lebensraum. Это слово в современном немецком языке понимается как синоним биосферы.

Сам же термин биосфера создал австрийский геолог Э.Зюсс в книге "Лик Земли" (1875). Э.Зюсс писал о биосфере как особой оболочке Земли, охваченной жизнью, наравне с атмосферой, гидросферой, литосферой.

Особое значение для популяризации географического представления о биосфере имели сочинения Г. Вагнера (1840-1923). Г. Вагнер - профессор Гёттингенского университета, автор широко известного "Учебника географии", который выдержал 10 изданий. Биосферу он понимал как пространство, населённое живыми существами, хотя другие географы того времени понимали биосферу как совокупность организмов.

Термином биосфера его современники-биологи не пользовались. Первым, кто стал пользоваться этим термином в русской литературе (1892, 1900 гг.) был Э.Ю. Петри. Э. Петри - антрополог по научной специализации. Окончил Санкт-Петербургскую Медико-хирургическую Академию, занимал кафедру географии и антропологии в Санкт-Петербурге с 1884 г.

Преемник Э.Ю. Петри П.И. Броунов в своём учебнике по физической географии ввёл понятие наружная оболочка Земли. По мнению Броунова наружная оболочка Земли является ареной органической жизни и состоит из лито-, гидро-, атмо- и биосферы, которые проникают одна в другую и своим взаимодействием обусловливают все явления на Земле. Задача физической географии, по мнению П.И. Броунова, как раз и заключается в изучении этих взаимодействий.

В.В. Докучаев (1846-1903), известный русский географ и почвовед, обратил внимание на сложные и многообразные соотношения живой и мертвой природы: между растительным, животным и минеральным царствами. Ученики В.В. Докучаева развили и углубили эти представления. Н.М. Сибирцев объяснил значение биологических процессов в почвообразовании; А.Н. Краснов связывал распределение организмов с распределением физических сил и общим строем нашей планеты в настоящем и прошлом; Г.Н. Высоцкий изучал влияние леса на гидрогеологический режим. В.И. Вернадский главной специальностью избрал минералогию. От минералогии он перешёл к исследованию истории химических элементов и заложил основы геохимии. Его ученик А.Е. Ферсман в 1912 г. прочитал первый курс геохимии и стал главой отечественной геохимии. Сам же В.И.Вернадский сосредоточил своё внимание на роли живых организмов в геохимических процессах. Так возникла отрасль геохимии - биогеохимия.

Вернадский (1863-1945) создал учение о биосфере. Свои идеи он чётко сформулировал в знаменитом труде "Биосфера" (1926). Для этого он с 20-х гг. проводил специальные исследования природных газов, вод, химического состава почвы, живого вещества и земной коры. Результаты этих исследований изложены в многочисленных докладах, выступлениях, публикациях. Завершающий труд "Химическое строение биосферы Земли и её окружение" вышло в свет в 1965 г. уже после кончины учёного. В многочисленных публикациях В.И. Вернадского центральное место занимает учение о биосфере. Оно получило распространение только с 60-х годов. Сейчас слово "биосфера" не сходит со страниц газет, журналов и многочисленных книг.

По В.И. Вернадскому, биосфера - образование космическое, планетарное (сравните с географической оболочкой) - "на нашей планете в биосфере существует не жизнь, от окружения независимая, а живое вещество, то есть совокупность живых организмов, теснейшим образом связанная с окружающей её средой биосферы". Живым веществом В.И. Вернадский называл: а) совокупность живых организмов, выраженную б) в весе, в химическом составе, в) в мерах энергии и г) в характере пространства.

Таким образом, В.И.Вернадский обосновал учение о биосфере, о геологической деятельности живого вещества.

Биосфера - сложная природная система. Она состоит из:

живого вещества;

биогенного вещества;

косного вещества;

биокосного вещества;

радиоактивных элементов;

вещества космического происхождения.

Живое вещество - это бесчисленного множество живых организмов.

Биогенное вещество - это вещество, созданное и переработанное жизнью (каменные угли, известняки, битумы).

Косное вещество - это вещество в образовании которого жизнь не участвует (горные породы, газы).

Биокосное вещество - это вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами (природная вода, кора выветривания, тропосфера).

Радиоактивные элементы имеют сложный изотопный состав, идущий из глубины, дисперсно рассеянный, создающий и меняющий энергетику биосферы.

Главные свойства биосферы, на которые обращал внимание В.И. Вернадский:

- наличие в ней жизни;

- наличие энергии живого вещества.

По способу питания он разделяет живое вещество на две различные группы:

автотрофные организмы - это организмы, независимые в своём питании от других организмов и использующие неорганические вещества;

гетеротрофные организмы - это организмы, использующие органические вещества, созданные другими организмами.

Автотрофные в свою очередь, разделены на две подгруппы:

Формы жизни чрезвычайно разнообразны. Известно до 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных. Главная масса живого вещества сосредоточена в охваченной солнечным светом части планеты. При этом сгущения жизни тем выше, чем ярче её освещение. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение убивает все формы жизни. Поражает не только разнообразие форм жизни, но и "всюдность жизни", распространение её на всевозможные пределы планеты. Каждый организм имеет свои пределы жизни.

Верхний предел жизни можно провести в стратосфере, на уровне озонового экрана, поглощающего космическое коротковолновое излучение. Фактически организмы распространяются ниже его границы. До 5 км, в редких случаях до 10 км, с потоками воздуха, с пылью могут подниматься в атмосферу споры и микроорганизмы. На 7 км в высоту из птиц поднимается кондор. В горах на 8-километровой высоте наблюдались тли, на 6-километровой высоте встречались бабочки, цветковые растения - на высоте 6,5 км.

Нижняя граница жизни определяется температурными условиями (100╟C - температура кипения воды) Глубже 3 км от земной поверхности живые существа не могут существовать в современном виде. В океане жизнь возможна на всю глубину. В почвах граница жизни определяется глубиной проникновения свободного кислорода - несколько глубже 10 м (на болотах только 30 см).

Если принять эти границы распространения живого по В.И. Вернадскому, то тогда границы биосферы близки к границам географической оболочки. Некоторые ученые (С.В. Калесник, К.К. Марков, Ин.П. Герасимов) отождествляют эти понятия. Но Д.Л. Арманд считает, что географическая оболочка предшествует жизни, поскольку биосфера короче во времени и пространстве географической оболочки. В пространстве они могут совпадать, и тогда, очевидно, биосферу следует рассматривать как особую стадию в развитии географической оболочки.

Живое представляет неразрывное целое, закономерно связанное между собой и с окружающей средой.

Из таблицы следует:

1) все без исключения геохимические функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами;

2) нет организма, который мог бы один исполнить все геохимические функции;

3) в ходе геологического времени происходила смена разных организмов, замещавших друг друга в исполнении каждой функции, то есть функции организмов сохраняются, меняются лишь формы жизни;

4) лишь со времени выступления в биосфере цивилизованного человечества один организм оказался способным одновременно вызывать разнообразные химические процессы, но он достигает этого разумом и техникой, а не физиологической работой организма. Это замечание о ноосфере отвечает широким воззрением, необходимым для исследований, без которых человечество на Земле существовать не может.

В.И. Вернадский утверждал, что "на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом".

Внутренняя энергия (сила), производимая жизнью, проявляется в переносе химических элементов и в создании из них новых тел.

Геохимическая энергия жизни выражается в движении живых организмов путём размножения, идущего в биосфере непрерывно, с удивительной математической правильностью. В результате живое вещество растекается по всей земной поверхности, включая гидросферу и тропосферу. Возникает "всюдность" жизни, как он выражался. В.И. Вернадский вычислил время, необходимое разным организмам для захвата поверхности планеты.

По В.И. Вернадскому, это время составляет "скорость передачи жизни" - возможную скорость размножения организмов:

холерной бактерии - 1,25 суток,

диатомеи (зелёного планктона) - 1,83 сут.,

комара - 203 сут.,

домашней мухи - 366 сут.,

трески - 4 года,

клевера (цветковых растений) - 11 лет,

крысы и домашней свиньи - 8 лет,

дикой свиньи - около 56 лет,

слона - около 1000 лет.

Из сопоставления видно, что более мелкие организмы размножаются быстрее крупных; домашние животные размножаются быстрее диких.

Необходимая для жизни и нормального размножения площадь тоже различна для каждого организма. Так, для трески на поверхности водоёма она равна её размерам. Слону нужно до 30 км², пчеле - 200 м², злаковому растению - 26 см².

Если судить по приведённым цифрам, то травам, как и деревьям, нужна небольшая площадь. Но травы и деревья поднимаются в воздушную среду, где используют площадь, равную площади листовой поверхности. Так, на 1 га, занятом растениями, площадь их листьев может достигать 80 га, а суммарная площадь хлорофилловых зёрен, то есть активно работающая поверхность, будет в сотни раз больше. Площадь хлорофилловых зёрен всех земных растений равна приблизительно площади Юпитера.

Удельная поверхность - отношение поверхности тела к объёму. Чем меньше объём тела, тем больше его удельная поверхность. При радиусе шара в 1 мкм его удельная поверхность рана 3, то есть на каждый кубический микрон объёма приходится 3 мкм² поверхности. Если объём шаров увеличить в 10, 100 и 1000 раз, то удельная поверхность уменьшится во столько же раз. Отсюда следует, что чем больше дисперсность и меньше объём, тем интенсивнее геохимическое воздействие организмов.

Накопление энергии и передача её живым веществом при размножении приводит к её растеканию. Размножение организмов, как говорил В.И. Вернадский, создаёт "давление жизни" или "напор жизни". Напор жизни ограничивает возможности размножения организмов. Между последними возникает борьба за площадь, за питание, за необходимый для дыхания свободный кислород. В органическом мире идёт борьба за жизненные ресурсы, борьба за существование.

Энергия живого вещества, кроме исключительной активности и повсеместности действия, характеризуется качественным своеобразием. В природе нет процессов, которые хотя бы в какой-то степени могли заменить биогенные.

Борьба за существование обусловливает естественный отбор, видообразование и, в целом, развитие органического мира Земли. Она имеет огромные географические последствия. Если в биосфере в бесчисленном количестве непрерывно появляются новые бактерии, споры, семена, икринки, новые особи растений и животных, а условия, необходимые для развития количественно ограничены, - в использование вводятся всё новые ресурсы, и они многократно перерабатываются организмами различных уровней развития. В результате природа Земли, испытывая непрерывное и мощное воздействие организмов, превратилась в особую материальную систему, где органическое и неорганическое тесно связано. Все вышедшие из живого процесса биогенные атомы попадают в неживую (косную) природу и играют решающую роль в её развитии.

Географическим следствием борьбы за природные ресурсы существования является и распространение жизни на все доступные для неё участки. Распространение организмов происходит не путём перемещения особей, которое всегда ограничено небольшим пространством, а распространением ареалов, благодаря активности размножения и вызванной им борьбе за место существования. Жизнь многоярусна. Жизнь в благоприятных условиях велика. В 1 л океанской воды, где обитает планктон, находятся до 500 тыс. организмов. 1 см³ морского ила обнаруживает 160 млн. бактерий, а в 1 г чернозёма их до 2 млрд.

Избирательный характер биогенной миграции

Процессы биогенной миграции имеют избирательный характер, то есть они создают органическую массу, отличающуюся по своему химическому составу от исходного химизма среды. А.И. Перельман указал, что биогенная миграция не может быть полностью объяснена законами физики и химии. В результате биогенной миграции в организме накапливаются элементы с различными свойствами, например, N, Ca, S, K. Напротив, элементы, близкие в химическом отношении, например, Na и K совместно не накапливаются. Следовательно, хотя происходит химический процесс перегруппировки атомов, он протекает по особым, биологическим законам. Это биологический процесс.

В морских солях преобладает Cl и Na, а высушенное живое вещество рыб состоит, главным образом, из N и P, которых в 2,8 млн. раз больше, чем в морской воде.

Масса живого вещества мала, но его энергетическое значение огромно. Живые массы образуют места сильнейшей миграции атомов в биосфере. Своеобразие биологического синтеза, создающего вещество иного состава, чем состав среды, окружающей организм, представляет собой устойчивое во времени явление. В течение геологического времени своеобразие биологического синтеза усиливалось. Эволюция органического мира приводит к концентрации растениями и животными всё более ограниченного числа элементов. Организмы становятся всё более отличными от среды.

Биологическая миграция атомов осуществляется не отдельными организмами, а всей их совокупностью. Относительно устойчивые сообщества растений и животных и других организмов, населяющих более или менее однородные участки поверхности, называют биоценозами (греч. bios жизнь, coinos общий).

В биоценозах все его компоненты взаимосвязаны цепями питания (пищевыми цепями). Биоценозы очень сложны. В них много параллельных и переплетающихся цепей питания; число видов в биоценоз может достигать сотен и даже тысяч.

В биоценозах доминируют растения (продуценты), - производители органического вещества; обязательно присутствуют растительноядные (консументы) и микроорганизмы (редуценты), разрушители органических остатков.

Растения в тесной взаимосвязи между собой и окружающей средой образуют растительные сообщества - фитоценозы (фитон греч. растение). Совокупность фитоценозов, характерную для отдельных её участков, называют растительностью.

Благодаря своей неподвижности, растения образуют постоянную основу биоценоза. Животные, напротив, могут и не иметь постоянной связи с фитоценозом, совершая суточные и сезонные миграции. Поэтому сообщества, образуемые животными, - зооценозы, принципиально отличны от растительных сообществ, да и их границы можно провести только условно, по границам фитоценозов. Среди многих видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценоз, выделяют преобладающие виды. Виды преобладающих растений образуют аспект.

Последний может быть постоянным или зависеть от фаз развития (смена аспекта весной, летом и осенью). Преобладающие виды животных, которые более или менее постоянно обитают в биоценозе, образуют ядро биоценоза.

Биоценозы стремятся к устойчивости, хотя полностью устойчивость никогда достигнута быть не может, поскольку организмы, взаимодействуя между собой и со средой, меняют условия существования. В новых условиях биоценоз теряет устойчивость и заменяется другим (озеро зарастает и превращается в болото). Поэтому резких границ биоценозы обычно не имеют. В своём распространении они подчиняются закону широтной зональности и высотной поясности. Есть участки земной поверхности, где биоценозы не наблюдаются (снег, лёд, молодые осыпи, лавовые покровы). Поэтому совокупность биоценозов - биоценотический покров, или биострома не превосходит мощности 70-80 м. Верхняя его граница лежит несколько выше растений, нижняя - несколько ниже почвы. Биострома - плёнка жизни, по В.И. Вернадскому.

Биоценозы можно оценивать через биологическую продуктивность и биомассу.

Биоценоз (комплекс растений, животных и микроорганизмов) и биотоп (участок поверхности с более или менее однородными условиями среды) вместе образуют биогеоценоз.

Биологическая продуктивность - скорость образования биомассы, её ежегодный прирост, абсолютный и относительный, зависит от соотношения количества образовавшегося и разложившегося за единицу времени живого вещества.

Биомасса - общее количество живого вещества выражается в весовых единицах (ц/га) и энергоёмкости (кал.). Прирост биомассы свидетельствует о накоплении энергии в биоценозе.

Биогеоценоз (греч. bios жизнь, geo земля, coinos общий). Границы биогеоценозов определяются границами фитоценозов. Биогеоценоз - это элементарная, наименьшая часть биосферы. Через территорию, занятую биогеоценозом, не проходит ни одна граница. Сам биогеоценоз означает границу в пространстве.

Понятие биогеоценоз в ландшафтоведении отождествляют с понятиями фация и экосистема. Но экосистема употребляется также как общее понятие для обозначения совокупности организмов и среди любого объёма (озеро, океан, биосфера в целом).