Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.
У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий.
♦ У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350°С існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через високий тиск і велику концентрацію солей).
♦ В експериментах американського дослідника Р. Камерона синьо-зелені водорості протягом кількох місяців не втрачали життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським.
♦ Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості ґрунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів).
♦ Деякі види, наприклад ті ж таки синьо-зелені водорості, не гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів після його здійснення.
♦ Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкритого Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів забула на Місяці телекамеру. Коли через півроку її повернули на Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети. [10]
За В. І. Вернадським, верхня межа біосфери знаходиться на висоті 15-22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена глибиною 11 км і глибиною проникнення у надра Землі організмів і води у рідкому стані (2-3 км).
Нижня межа в рамках літосфери обумовлена тепловим бар’єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери – 40 км.
В. І. Вернадський розглядав біосферу як царину життя, яка включає поряд з організмами і середовище їх існування. Горизонти біосфери, які найбільш інтенсивно заселені живими організмами, називають "плівкою життя" або плетобіосферою. [4]
Отже, біосфера (за В.І. Вернадський) — оболонка Землі, що включає як область розповсюдження живої речовини, так і саму цю речовину. Тут під живою речовиною розуміється сукупність всіх організмів, що населяють Землю. Поняття біосфери дещо умовне, оскільки крім природних місць існування органічного життя створюються і штучні (космічні кораблі, підводні човни) "острівці життя". Органічне життя зосереджене в трьох неживих географічних оболонках — геосферах Землі (літосфера, гідросфера і атмосфера). До біосфери належать і людське співтовариство з його виробництвом.
Ще з часів Ж. Б. Ламарка було відомо, що процеси, які відбуваються в геосферах Землі, мають значний вплив на структуру і властивості живої речовини біосфери. Але і сама жива речовина, як показав В.І. Вернадський, істотно перетворює геосфери. Причому з появою людства на Землі ця перетворювальна дія багатократно зросла і, за деякими оцінками, нині досягла критичного рівня.
Загальна сукупність живих організмів, виражена в масі на одиницю площі (суші, акваторії, дна водоймища) або об'єму (води, ґрунту, опадів), прийнято називати біомасою. Отже, поняття "жива речовина" біосфери еквівалентно біомасі всієї Землі. За сучасними оцінками, суха маса живої речовини біосфери становить всього 2—3 трлн т, у тисячу разів менше за масу тропосфери, в десять мільйонів разів — маси земної кори і в мільярд разів — маси Землі. Саме її дуже малі розміри тривалий час заважали геологам зрозуміти виняткову роль життя на Землі в геологічних процесах, на що і звернув увагу В.І. Вернадський.
Розподіл маси живої речовини (біомаси) в біосфері украй нерівномірний. У живій речовині абсолютно переважає фітомаса; набагато менша роль зоомаси і мікроорганізмів. Загальна вага живої речовини на Землі оцінюється в трильйон тонн. Переважна частина фітомаси зосереджена на материках, де вона розподілена вкрай нерівномірно: її багато в тропічних лісах (650 т/га), в тайзі (300 т/га), менше в чорноземних степах (10 т/га), мало в пустелях (2,5 т/га). Велика частина живої речовини представлена лісами (82 % ).
В океані переважають зоомаса і мікробіомаса — 30 млрд. т; фітомаса становить лише 1,1 млрд. т. За кількістю живої речовини океан близький до пустель (3 т/га), але в ньому спостерігаються зони різкого згущування життя — в Саргасовому морі, на мілинах шельфу, у коралових рифах і т. ін. Щорічна продукція живої речовини на Землі — 230 млрд. т, з них на материках — 170 млрд., в океані — 60 млрд. т. На материках щорічна середня продукція біомаси — 11,5 т/га, в океані — 1,7 т/га. Сумарна біомаса суші становить 97 % всієї біомаси Землі. На океан припадає лише 3 % біомаси Землі, але інтенсивність життєвих циклів в океані значно вища, ніж на суші. Незважаючи на дивно малу величину біомаси, яка щорічно виробляється на Землі, накопичена за мільйони років в осадових товщах земної кори похована органічна речовина привела до утворення таких корисних копалини, як кам'яне вугілля, нафта, газ, фосфорити та ін.
Фотосинтез і кругообіг речовин — основні чинники існування біосфери. Фотосинтез є єдиним на Землі процесом, в якому зеленими рослинами з бідних енергією неорганічних речовин (вуглекислого газу, води, мінеральних солей) за допомогою сонячної енергії у величезних масштабах утворюються складні, багаті енергією органічні сполуки. Ці сполуки, здатні до різноманітних хімічних перетворень, — основа життя всіх інших організмів біосфери. Всі види живих істот, що мешкають на Землі, використовують урешті-решт одну форму енергії хімічних зв'язків. Будь-який прояв життя на нашій планеті пов'язаний з утворенням і споживанням цієї біохімічної енергії.
Джерело енергії для фотосинтезу (сонячна радіація) і головний інструмент фотосинтезу (живий організм) перетворюють вуглекислий газ, воду і мінеральні солі на біохімічну енергію. Організми, що фотосинтезують та використовують сонячну енергію для утворення органічних речовин з неорганічних сполук і вуглекислого газу називають автотрофами (такими, що самохарчуються). Вони перетворюють енергію сонячного світла в біохімічну енергію, запасаючи її у вигляді енергії хімічних зв'язків у складних органічних молекулах. Інші організми біосфери (більшість бактерій, гриби, тварини), яким потрібні для зростання і розвитку готові органічні сполуки, — гетеротрофи, тобто ті, що харчуються іншими організмами.
Окрім фотосинтезу, іншим найважливішим для існування життя процесом у біосфері є кругообіг речовин, що відбувається завдяки наявності в біосфері автотрофів, які створюють органічні речовини з неорганічних, і гетеротрофів, які використовують ці органічні речовини і знову перетворюють їх на неорганічні сполуки, поповнюючи запас останніх у біосфері. Отже, фотосинтез і кругообіг речовин — це два основні чинники існування біосфери Землі.
1.2 Вчення Вернадського про біосферу
Одним з видатних натуралістів, що присвятив себе вивченню процесів, що протікають у біосфері, був академік В. І. Вернадський. Він став основоположником наукового напрямку, названого ним біогеохімією, яка лягла в основу сучасного вчення про біосферу.
До появи робіт В. І. Вернадського роль живих організмів на Землі представлялася вченим дуже скромною. Дійсно, здавалося б, яке може бути порівняння наслідків їхньої життєдіяльності з міццю внутрішніх сил планети, що здіймають найвищі гори, розділяючи океанські безодні, що переміщають цілі континенти.
В. І. Вернадський довів, що, який би слабкий не був кожен організм окремо, всі вони, разом узяті, протягом тривалого відрізка часу виступають як потужний геологічний фактор, що грає істотну роль у житті нашої планети. Геологічна діяльність живих організмів проявляється як наслідок наступних їхніх особливостей: вони найтіснішим образом пов'язані з навколишнім середовищем і взаємодіють із ним в процесі обміну речовиною й енергією; обмін речовин організмів із середовищем здійснюється в процесі біологічного кругообігу; сумарний ефект результатів діяльності організмів проявляється протягом дуже тривалих (у сотні мільйонів років) відрізків часу. Таким чином, пріоритет у розробці теоретичних основ навчання про біосферу належить вітчизняним ученим.
За визначеннями учених, вік Землі дорівнює приблизно 5 млрд. років. Найбільш древні сліди живих організмів знайдені в Південній Африці (Східний Трансвааль), у товщі гірських порід, вік яких дорівнює 3,2 млрд. років. Ці організми нагадували сучасних ниткоподібних бактерій. Учені навіть дали їм назва - еобактеріум ізолятум. Таким чином, можна вважати, що біосфера Землі виникла біля трьох мільярдів років тому.
Наземні організми з'явилися близько 400 млн. років тому. Це були перші примітивні рослини. З появою на суші живих організмів і виникненням рослин починається найважливіший етап в історії розвитку біосфери. Із цього періоду почалося їхнє швидке поширення по планеті, і в цей час Землю населяє величезна кількість різноманітних рослинних і тваринних організмів.
В XIX столітті в Росії поступово складалося уявлення про єдність людини й природи, про ті проблеми, з якими неминуче зіштовхнеться людство при неприборканому прагненні цілком підкорити собі природу. Взагалі ідея цільного знання, заснованого на органічній повноті життя, належить російської філософії. Вона лягла в основу напрямку громадського життя, що одержало назву "російський космізм". Саме тоді в науковому середовищі заблищали імена психолога й фізіолога І. М. Сєченова, хіміка Д. І. Менделєєва, ґрунтознавця В. В. Докучаєва, основоположника космонавтики К. Е. Ціолковського. До плеяди цих видатних учених належить і В. І. Вернадський.