Біосфера — це жива оболонка Землі, сфера, населена живими організмами; її ще називають екосистемою вищого порядку. У своєму сучасному вигляді вона сформувалася за мільярди років у процесі еволюції. Саме в біосфері проявляється діяльність живих організмів і людства. Біосфера займає всю поверхню Земної кулі. До неї входить верхня частина літосфери (від грец. літос — камінь і сфера), уся гідросфера й нижня частина атмосфери — тропосфера (від грец. тропе — зміна). Межі біосфери визначають умови, придатні для життя. Верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетових променів; нижня, у літосфері — високою температурою (понад 100 °С). У крайніх межах атмосфери трапляються лише найбільш прості організми — бактерії. Спеціальні дослідження показали, що спори бактерій і деяких грибів заносяться на висоту 20 км, анаеробні бактерії разом з водою родовищ нафти знаходять на глибині понад 3 км.

Жива речовина. Найбільша концентрація живої маси в біосфері трапляється в зонах зіткнення різних геологічних шарів: літосфери й атмосфери, гідросфери й атмосфери, гідросфери й літосфери. Причому на поверхні суходолу й океану створюються найбільш сприятливі для життя умови: оптимальна температура, висока вологість, насиченість Оксигеном та іншими хімічними елементами.

Невипадково саме тут спостерігають найбільшу концентрацію живої речовини. Так називають усю сукупність тіл живих організмів, що містяться в біосфері. Масу живої речовини оцінюють десятками трильйонів тонн, що порівняно з масою земної кори становить не більше однієї мільйонної частки.

Незважаючи на свій скромний внесок у загальну масу Землі, жива речовина, за словами В. І. Вернадського, є однією «із найбільш могутніх геохімінних сил нашої планети», тому що багато змін земної кори обумовлені саме діяльністю цієї речовини. Вона має величезну вільну енергію, яку в кількісному відношенні можна порівняти з потоками гарячої лави, яка стікає по схилах вулканів.

Володимир Вернадський (1863-1945)

Основу живої речовини становлять особливі органічні сполуки, серед яких — білки, ферменти й нуклеїнові кислоти.

Розподіл живої речовини по земній поверхні. Жива речовина розподілена в межах біосфери дуже нерівномірно, її маса від полюсів до екватора збільшується, збільшується й число біологічних видів.

У тундрі, де в основному ростуть мохи й лишайники, рослин не більше 500 видів, у хвойних, широколистяних лісах і степу їх число доходить до 2 тис., у субтропіках — їх уже більше 3 тис. Найбільша біомаса й різноманітність рослин у вологих тропічних лісах (іл. 56.1). Тут число видів сягає 8 тис. Очевидно, що й число видів і біомаса тварин, що живляться рослинами та одне одним, теж буде збільшуватися від полюсів до екватора пропорційно до маси й числа видів рослин.

Так само розподілена жива речовина й у Світовому океані. Ближче до екватора на незначних глибинах, особливо на коралових рифах, спостерігають найвищу продуктивність і тут же зосереджена найвища різноманітність морських організмів.

Біогеохімічні цикли. Як відомо, у клітинах організму відбувається обмін речовин: одні хімічні сполуки розпадаються, інші, навпаки, утворюються, і все це супроводжується виділенням та поглинанням енергії. Так само і в біосфері речовини й хімічні сполуки перетворюються одна на іншу: процеси синтезу чергуються з розпадом, причому цей процес відбувається у формі замкнених циклів і супроводжується перетвореннями енергії. Ці колообіги речовин або окремих атомів є основою біосфери і мають назву біогеохімічні (від грец. біос — життя, геос — Земля і хімія) цикли.

Принципова схема кругообігу речовини має такий вигляд (іл. 56.2). Зелені рослини, поглинаючи світлову енергію Сонця, з неорганічних речовин (вода, вуглекислий газ, мінеральні солі) синтезують органічні речовини — первинну продукцію, що слугує їжею для тварин, грибів, бактерій. Тварини перетворюють первинну продукцію на вторинну. Далі сапротрофні (від греч. сстрос — гнилий і трофос — їжа) бактерії, тварини й гриби, що живляться органічною речовиною померлих істот, руйнують первинну рослинну й вторинну тваринну продукцію знову до простих неорганічних сполук, коло замикається.

Іл. 56.1. Вологі тропічні ліси — найбільш продуктивні екосистеми

Іл. 56.2. Принципова схема кругообігу речовини та енергії у біосфері

Кругообіг води. Вода — це наймасовіша і водночас одна із найбільш динамічних сполук, адже вона перебуває у постійному русі — переходить з одного фізичного стану в інший. її кругообіг надзвичайно важливий для живого (іл. 1.9).

Вода, випаровуючись із поверхні Світового океану, прісноводних водойм, ґрунту й рослин, спочатку накопичується в атмосфері, а потім випадає у вигляді опадів.

Власне це і є найпростіша схема кругообігу води. У результаті кількість води на Землі залишається постійною, а змінюються її властивості (із солоної вона стає прісною) і фізичний стан, який може бути газоподібним, рідким і твердим. У Світовий океан випадає 80 % опадів. Однак цінність для живого насамперед мають 20 % води, що припадають на суходіл, адже саме прісна вода підтримує основну масу живої речовини на планеті. Частина води, що випала на суходолі, збираючись струмочками, річечками й ріками, згодом потрапляє у Світовий океан. Водночас інша частина поповнює запаси ґрунтових вод. Із ґрунту воду беруть рослини, а потім випаровують її завдяки процесам транспірації.

Біогенна міграція атомів хімічних елементів — ще одна особливість хімічних процесів, що відбуваються в біосфері. Разом з колообігом речовини відбувається міграція хімічних елементів у біосфері, їх переміщення від одного виду організмів до іншого. Завдяки цьому механізму в біосфері підтримується постійна кількість хімічних елементів і найпростіших хімічних сполук — вони нікуди не зникають і нізвідки не беруться. У кругообігу речовин у біосфері беруть участь ті самі хімічні елементи, що входять до складу живих організмів.

Розглянемо міграцію атомів у біосфері на прикладі двох хімічних елементів, які масово трапляються в живих організмах: Оксигену й Карбону.

Вільний Оксиген земної атмосфери є продуктом процесу фотосинтезу зелених рослин, і його загальна кількість в атмосфері відображає баланс між продукуванням Оксигену рослинами й різноманітними процесами окиснення, у тому числі й диханням живих організмів.

Кисень — найбільш активний серед газів, які постійно містяться в атмосфері, тому обмін Оксигену середовища проживання з клітинами організмів відбувається дуже швидко. Вважають, що зараз настав такий час, коли вільний Оксиген в атмосфері є збалансованим, тобто кількість Оксигену, що виділяють рослини дорівнює кількості Оксигену, що поглинається під час окиснення.

Іл. 56.3. Кругообіг Карбону в біосфері

Найбільш рухливою формою Карбону в біосфері є вуглекислий газ (CO2). Його постійним джерелом слугує окиснення органічних сполук у результаті пожеж, спалювання палива й головне — дихання живих організмів.

З атмосфери СO2 поглинають рослини (іл. 56.3). Це відбувається в процесі фотосинтезу. Органічні речовини, що при цьому синтезуються, згодом окиснюються до вуглекислого газу (СO2) й води в процесі дихання, або згодом розкладаються бактеріями до найпростіших неорганічних сполук, у тому числі й CO2. Якщо в біосфері відбувається накопичення значної кількості органічних сполук, то вони залягають у літосфері у вигляді торфу, вугілля, сланців, нафти, газу, осадових порід. Цей процес відбувався сотні мільйонів років тому, коли значна частина детриту не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася під різними мінеральними осадами. Перебуваючи мільйони років глибоко під землею, детрит під впливом високих температур і тиску перетворився на нафту, природний газ і вугілля (у який саме вид палива — залежало від низки обставин).

Біосфера й перетворення енергії. Біосфера — це відкрита система, у яку ззовні постійно вливається потік сонячної енергії, частина якої витрачається на створення й підтримку живої речовини, а частина — втрачається. Це співвідношення енергії, що надійшла, і тієї, що була втрачена, називають енергетичним балансом Землі. Розрахунки показують, що 42 % енергії Сонця відбивається Землею в космічний простір, а 58 % поглинається атмосферою й ґрунтом. Із цієї кількості Землею випромінюється більше 20 %, а 10 % витрачається на випаровування води з поверхні Світового океану.

Сонячна енергія, що потрапляє на Землю, акумулюється (від лат. аккумуляціо — нагромадження) зеленими рослинами у вигляді потенційної енергії хімічних зв'язків і надходить із синтезованою ними органічною речовиною в інші організми, де вона витрачається, переходячи в кінетичну, або накопичується у вигляді потенційної. Колосальна потужність сонячної енергії, що потрапляє на Землю, можна уявити на основі таких цифр. Рослини Земної кулі утворюють за рік близько 100 млрд т органічних речовин. При цьому вони поглинають близько 1,7 • 108 т вуглекислого газу, виділяють близько 11,5 • 107 т кисню й випаровують 1,6 • 1013 т води.

Біосфера — жива оболонка Землі; вона є глобальною екологічною системою, частини якої так само залежать одна від одної, як компоненти одного біогеоценозу. Ключовим поняттям у вченні про біосферу є поняття живої речовини — сукупності усіх організмів, що живуть на планеті Земля.