Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios – жизнь и sphaira – шар) в биологию было введено Ж. Ламарком в начале XIX в. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

В геологии название «биосфера» было употреблено в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом (1831–1914). В России учение о биосфере, как научное направление, сформировалось в первой четверти XX в. (Киселев, 2000, с. 14–15). Следует заметить, что первоначально под биосферой многими учеными подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. В различной литературе иногда указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом внимание обращалось скорее на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Так, например, Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли» не придавал особого значения обратному воздействию биосферы на природные процессы и определял ее (биосферу) как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли».

Дальнейшее накопление фактов и открытий в области палеонтологии, ботаники, геологии и других науках привело к уточнению и расширению понятия биосфера. В окончательном виде это понятие было разработано В. И. Вернадским (1863–1945). В его работах это понятие стало основным. Биосферой он назвал оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. В основу учения о биосфере В. И. Вернадский ввел еще одно понятие – «живое вещество», т. е. «совокупность всех живых организмов без исключения, как единая особая область накопления свободной химической энергии в биосфере, превращения в нее световых излучений Солнца» (Вернадский, 2003, с. 56–57).

Таким образом, биосфера – это планетарная природная система, существование которой обусловлено глобальными процессами синтеза и разложения, где живое вещество играет главную роль. Суммарная жизнедеятельность организмов (живого вещества) определяет особенности биосферы и, в первую очередь, наличие круговорота энергии и вещества.

Важным для понимания биосферы было установление Пфефером (1845–1920) трех способов питания живых организмов:

1) автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

2) гетеротрофное – построение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

3) миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Из многих определений биосферы наиболее удачным (Радкевич, 1998) является следующее:

Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Она имеет несколько слоев:

тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80 % газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера — слой атмосферы, располагающийся над тропосферой до высоты 50–55 км. В нижней ее части температура относительно постоянна, но начиная с высоты 25 км она вырастает от 6 С до 1 °C. Это объясняется тем, что на данной высоте (25 км) находится озон, который сильно поглощает солнечную радиацию. В эволюционном плане озон способствовал распространению живого вещества на суше;

ионосфера – оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество».

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78 %), O2 (21 %), CO2 (0,03 %).

Гидросфера представляет собой совокупность всех вод на Земле (глубинных, почвенных, атмосферных, океанических и др.). Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На протяжении тысячелетий во всех районах и на всех глубинах океана соотношение основных химических компонентов морской воды остается постоянным. В. И. Вернадский даже предлагал принять это соотношение в качестве константы на нашей планете, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Океану присущ гомеостаз – способность сохранять постоянство своего химического облика. Здесь нельзя не заметить, что сегодня очень остро стоит вопрос: сохранится ли эта способность в современных условиях?

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2, Ca2, Cl, S, С.

Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, и другим химическим элементам, которые усваиваются живыми организмами.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, постепенно, с глубиной, переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества (Реймерс, Яблоков, 1982, с. 71). Она включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км. Глубина земной коры до 30–60 км на континенте и 5-10 км на дне океана.

В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровича. Та часть поверхности литосферы, которая преобразована за счет совместного воздействия на нее воды, воздуха и живых организмов, образует почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К.

Ведущую роль среди многих химических элементов, выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема. Этот газ прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе ее геологического развития.

Накопление фактического материала и теоретическое его осмысление привели ученых к идее, что между живыми организмами и неживой природой существует не просто формальная, а средопреобразующая взаимосвязь. Об этом свидетельствует обратное воздействие живых организмов (и их систем) на физические, химические и геологические среды их жизни. Отметим, что этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Ученые все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX–XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического (целостного) подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия живого вещества на абиотические факторы или физические условия.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Именно такую задачу впервые поставил и решал выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский.