Создателем современного учения о биосфере был замечательный русский ученый В.И.Вернадский. Вернадский развил представление о биосфере, т.е. о тех слоях твердой оболочки Земли (литосферы), жидкой (гидросферы) и газообразной (атмосферы), которые находятся под непрерывным воздействием всей совокупности организмов, населяющих нашу планету.
Биосферой часто называют ту часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Биосфера – это специфическим образом организованное единство всего живого и минеральных элементов. Взаимодействие между ними проявляется в биогенной миграции атомов, осуществляющийся за счет энергии солнечного излучения. Происходящий в биосфере круговорот веществ, энергии и особей осуществляется при участии всех населяющих ее организмов. Все живые существа являются частями одного покрова Земли.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой или, геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический, который развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биологический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.
Биологический круговорот имеет ряд циклов. Наиболее существенными из них являются циклы, связанные с кислородом, углеродом, азотом, фосфором, серой и водородом. Они непрерывно циркулируют в живом веществе и окружающей среде. При этом часть из них исключается из биологического круговорота и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан. В связи с изменением углеродного цикла в земной коре стали преобладать окислительные процессы, что обусловило образование в ней скопление угля, нефти, битумных веществ, торфа, нефтеносных сланцев, сапропеля.
Наиболее важным и самым общим результатом биогенного преобразования скальных пород в почву явилось появление гумусового слоя, покрывшего поверхность суши. Независимо от своей мощности этот слой является наиболее активной частью почвенного покрова.
Биосфера Земли появилась в самые поздние геологические эпохи, одновременно с возникновением органической жизни, Как общепланетарная оболочка биосфера эволюционировала вместе с изменением форм, структуры и организации жизни. Вслед за появлением организмов происходило увеличение числа их видов. В дальнейшем имело место усложнение их организации и увеличение размеров, одновременно – приспособление организмов к окружающей среде. Образовались сложные трофические (пищевые) и хорологические (пространственные) взаимосвязи организмов и средой их обитания. Современная структура биосферы характеризуется строгой организованностью, биологическим равновесием численности и взаимной адаптированностью составляющих ее организмов.
Элементарной первичной структурной единицей биосферы является экосистема (биогеоценоз). Экосистему можно определить как совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Основным источником энергии в биогеоценозах Земли служит Солнце. Поток солнечной энергии, проходя через систему биогеоценоза, начинается с поглощения хлорофиллом зеленых клеток растений квантов видимого света. На Земле энергия солнечного излучения включается в биологический круговорот только через фотосинтез, осуществляемый хлорофиллоносными организмами зелеными и пурпурными бактериями, сине-зелеными водорослями, фитопланктоном и высшими растениями.
Современная энергетика биогеоценозов (экосистемы) биосферы основана на фотосинтетическом восстановлении СО2, в процессе которого образуются органические вещества и молекулярный кислород.
Количество солнечной энергии, поступающей в экосистемы, ничтожно по сравнению с общим энергетическим бюджетом Земли. Всего около 0,1% энергии, получаемой от Солнца, связывается в процессе фотосинтеза. Однако за счет этой энергии может синтезироваться несколько тыс, гр. сухого органического вещества на 1 м2 в год. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется в процессе дыхания самих растений. Часть же ее переносится через посредство ряда организмов по пищевым или трофическим цепям экосистемы. В экосистемах организмы, пища которых извлекается из растений через посредство тех же ступеней, принадлежит к одному и тому же трофическому уровню. Следовательно, растения занимают первичный уровень и называются продуцентами; животные-фитофаги, питающиеся растениями, размещаются на втором уровне и носят название консументов, или редуцентов. Поедающие фитофагов хищники относятся к третьему уровню. Пищевые цепи бывают различной длины и могут состоять из 3-4-х и более звеньев. Трофическая классификация основывается на функционировании, а не на видовом составе животных и растений.
Начиная со звена продуцентов, можно наметить два основных пути использования энергии. Во-первых, она может использоваться травоядными животными (фитофагами), поедающими непосредственно ткани растений; во-вторых, ее могут потреблять сапрофаги в виде уже отмерших тканей (например, при разложении лесной подстилки). В соответствии с этим существует два вида пищевых цепей: цепи выедания и цепи разложения. Энергия может запасаться на длительной время в цепях обоих видов, но соотношение ее потоков, поступающих в эти цепи для разных экосистем, неодинаково. В наземных экосистемах в цепи выедания (к фитофагам) поступает только очень небольшая часть (не более 10%) энергии, связанной растениями, основная же часть (90%) используется в пищевых цепях разложения. В водных экосистемах положение несколько иное: в цепи выедания может поступать до 50% энергии, фиксированной фитопланктоном. Цепи выедания и разложения тесно переплетаются между собой.