Наш геніальний співвітчизник – перший президент Академії Наук України Володимир Іванович Вернадський був у числі перших, хто сприймав Землю як єдиний живий організм, в якому, на перший погляд, зовсім різні процеси у трьох зовнішніх сферах Землі – літосфері, гідросфері і атмосфері – тісно пов’язані між собою.
В.І.Вернадський також один з перших усвідомив величезний перетворюючий вплив живих організмів на усі три зовнішні оболонки Землі в планетарному масштабі, тісну взаємодію і взаємозалежність усіх форм життя. Це дало йому поштовх до створення всеохоплюючої теорії біосфери, тобто тієї частини зовнішніх оболонок нашої планети, яка безпосередньо пов’язана з існування життя на Землі. Вернадський В.І. (1934) дав таке визначення біосфери: “біосфера являє собою оболонку життя – область існування живої речовини”.
Вернадський особливо виділяє перетворюючий вплив на Землю однієї з форм життя – людини через її розумну діяльність і передбачає швидке зростання глибини і масштабів цього впливу. Природні об’єкти, які вже зазнали впливу людської діяльності він відносить до “ноосфери” тобто до “сфери розуму” і передбачає, що ноосфера буде швидко розширюватись, охоплюючи все більшу частину Землі – від глибоких її надр до найвищих шарів атмосфери.
В золотий фонд світової науки увійшла робота В.І.Вернадського “Декілька слів про ноосферу”, яка з’явилася у 1944 році. Тут у концентрованому вигляді викладено його бачення еволюційно-історичного процесу, перспектив майбуття людства як космічного феномена. Головна ідея: під впливом розвитку науки і пізнання біосфера має стати ноосферою, тобто цариною розуму, де панують закони мудрості і гармонії.
Він писав: “людство, взяте в цілому, стає могутньою геологічною силою. Й перед ним, перед його думкою та працею, постає питання про перебудову біосфери в інтересах вільно мислячого людства як єдиного цілого”.
В.І.Вернадський вважав, що ноосфера – це такий стан біосфери, в якому повинні проявитися розум і спрямована ним праця людини, як нова, небувала на планеті геологічна сила.
Життя на Землі безпосередньо залежить також від низки космічних факторів, найголовнішим (але далеко не єдиним) з яких завжди вважалось випромінювання Сонця. Усвідомлення перетворюючого впливу життя на одне з космічних тіл – планету Землю і безпосередній зв’язок земного життя з космічними факторами дозволили В.І. Вернадському висловити свою всесвітньо відому тезу: життя на Землі – явище космічне. На його думку, зародки життя заносяться з космосу на всі планети, які виникають у Всесвіті, а далі за сприятливих умов різні форми життя можуть еволюціонувати, урізноманітнюватись і вдосконалюватись – залежно від конкретних умов даної планети, посилаючи в свою чергу зародки життя у космос на усі інші планети Всесвіту.
Зародки теорії біосфери і усвідомлення взаємозв’язку багатьох процесів у зовнішніх оболонках Землі були вже в роботах попередників. Але таку цілісну й завершену систему уявлень про “комізм життя” В.І. Вернадський сформулював у своїх творах уперше в історії людства.
Все живе в біосфері утворює живу речовину. Живі організми відіграють дуже важливу роль у геологічних процесах, які формують обличчя Землі. Хімічний склад сучасних атмосфери та гідросфери зумовлений життєдіяльністю організмів. Велике значення мають організми також для формування літосфери – більшість порід, і не лише осадових, а й таких, як граніти, так чи інакше пов’язані своїм походженням з біосферою.
Мінеральна інертна речовина переробляється життям, перетворюється на нову якість. Живі організми не лише пристосовуються до умов зовнішнього середовища, а й активно їх змінюють. Таким чином, жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле.
Суть вчення В.І. Вернадського полягає в тому, що вища форма розвитку матері на Землі – життя – усереднює інші планетарні процеси.
“Можна без перебільшення твердити, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети, біосфери, цілком перебуває під впливом життя, тобто визначається живими організмами. Незаперечно енергія, що надає біосфері її звичайного вигляду, має космічне походження. Її випромінює Сонце у формі променистої енергії. Але саме живі організми, тобто совокупність життя, перетворюють цю космічну променисту енергію у земну, хімічну і створюють нескінченну різноманітність нашого світу. Це живі організми, які своїм диханням, своїм живленням, своїм метаболізмом, своєю смертю і своїм розмноженням, постійним використання своєї речовини, а головне – триваючою сотні мільйонів років безперервною міною поколінь, своїм походженням і розмноженням породжують одне з найграндіозніших планетарних явищ, що не існують ніде, крім біосфери”.
Одним з проявів біологічної активності організмів є швидкість їх розмноження. Одноклітинна водорость діатомея теоретично здатна за всім днів утворити масу живої матерії, що дорівнює земній, протягом наступного дня подвоїти її.
Згідно з сучасними оцінками, суха маса живої речовини на Землі становить 2 –3 трильйони тон. Це порівняно з основними сферами землі дуже мала величина. Жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема, дуже швидким кругообігом речовин. Вся жива речовина біосфери оновлюється в середньому за вісім років. Життєдіяльність тріани, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між організмами та середовищем, внаслідок чого всі хімічні елементи земної кори, атмосфери ц гідросфери багаторазово входили до складу тих чи інших організмів.
Живі організми відіграють величезну роль в акумуляції сонячної енергії. Наприклад, поклади кам’янистого вугілля – це не що інше, як сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох. Так само можна визначити й природу багатьох мінералів, зокрема вуглекислого кальцію, який утворює величезні маси вапняків і майже на 100% має біогенне походження. Важливу роль живі організми відіграють у накопичені багатьох металів, таких, як залізо, мідь, марганець. Велике значення для біосфери й господарської діяльності людини має кругообіг азоту, сірки, фосфору та інших елементів.
Жива речовина значно прискорила й змінила кругообіги у біосфері різних речовин - води, кисню, азоту, вуглекислого газу тощо.
Утворення живої речовини та її розклад – це дві сторони єдиного процесу, який називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя – це кругообіг елементів між організмами і середовищем.
Причина кругообігу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів. Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементі у процесах які протікають у біосфері. В зв’язку з цим, біосферу визначають як область землі, де протікають три основних процеси: кругообіг вуглецю, азоту, сірки, в яких беруть участь п’ять елементі (Н, О, С, N, S), що рухаються через атмосферу, гідросферу, літосферу.
Кругообіг вуглецю. У біосфері вуглецю понад 12000 мілрд. т. Це пояснюється тим, що сполуки вуглецю безперервно виникають, змінюються і розкладаються. Кругообіг вуглецю відбувається фактично між живою речовиною та двоокисом вуглецю. У процесі фотосинтезу, здійснюваного рослинами, двоокисом вуглецю вуглекислий газ і вода з допомогою енергії сонячного світла перетворюються на різні органічні сполуки.
Повний цикл обміну атмосферного вуглецю здійснюється за 300 років. Але частина вуглецю вилучається у вигляді торфу, нафти, вугілля, вапняку, мармору, викопних відкладів і осадових порід.
Кругообіг кисню. Щорічно лісові масиви виробляють 55 млрд. т кисню. Він використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері і гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину то на воду, то на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери (2,8х10-1,2х10) за кожні 2 тисячі років проходить через живу речовину біосфери. За час свого існування людство безповоротно втратило близько 273 млрд. т кисню. У наш час щорічно на спалення вугілля, нафтопродуктів і газу витрачається 13х10 т кисню. Інтенсивність цього процесу збільшується щороку на, %).
Кругообіг азоту, фосфору, сірки. Діяльність людини прискорює кругообіг цих елементів. Головна причина прискорення – використання фосфору в добривах, що призводить до еутрифікації – над удобрення. При еутрифікації відбувається бурхливе розмноження водоростей – “цвітіння” води. Це призводить до зменшення кількості розчиненого у воді кисню. Продукти обміну водоростей знижують рибу та інші організми. Сформовані екосистеми при цьому руйнуються. Індустрія і двигуни внутрішнього згорання викидають в атмосферу щорічно багато нітратів і сульфатів. Потрапляючи на землю разом з дощами, вони засвоюються рослинами.
Кругообіг води. Вода покриває ¾ поверхні Землі. За одну хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується 1 млрд. т води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у грунт. Грунтові води повертаються на поверхню землі через коріння рослин, джерела, насоси тощо. Швидкість циркуляції води дуже велика: вода океанів поновлюється за 2 млн. Років, ґрунтова вод а- за рік, річкова – за 12 діб, пара в атмосфер – за 10 діб. Двигуном кругообігу є енергія Сонця. Щорічно для створення первинної продукції біосфери використовують при фотосинтезі 1% води, що потрапляє у вигляді опадів. Людина тільки для побутових і промислових потреб використовує 20 мм опадів – 2,5% загальної їх кількості за рік. Безповоротний щорічний водозабір тепер становить 5,5 куб. м. Щорічно він збільшується на 4-5%.
Живі організми постійно споживають енергію. Джерело енергії – Сонце. Живий світ Землі, її біосфера, складаються з організмів трьох основних типів. Потік енергії у біосфері має один напрямок: від Сонця через рослин (автотрофи) до тварин (гетеротрофи), або від продуцентів до консументів. Автотрофи – це організми, які створюють органічні речовини з неорганічних у процесі фотосинтезу (використовуючи сонячну енергію. До автотрофів відносяться зелені вищі рослини, лишайники, водорості і бактерії, що мають фото синтезуючі пігменти. В екології автотрофи називають також продуцентами. Продуценти – це організми, що створюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу та мінеральних солей. До цього типу належить рослини, яких на Землі є близько 350000 видів. Продуценти утворюють складні сполук, в який у хімічних зв’язках зосереджена енергія, що вивільняється при розкладанні їх у процесі травлення у тварин та інших гетеротрофів.