В 1926 році Вернадський опублікував у Санкт-Петербурзі книгу за назвою "Біосфера", що ознаменувала народження нової науки про природу, про взаємозв'язок з нею людини. У цій роботі біосфера вперше показана як єдина динамічна система, населена й керована життям, живою речовиною планети. "Біосфера - організована, певна оболонка земної кори, сполучена з життям". У роботах по біосфері вчений показав, що взаємодія живої речовини з речовиною косною є частина великого механізму земної кори, завдяки якому відбуваються різноманітні геохімічні й біогенні процеси, міграції атомів, здійснюється їхня участь у геологічних і біологічних циклах.
В. І. Вернадський уперше показав, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети цілком перебуває під впливом життя й визначається живими організмами, з діяльністю яких пов'язаний великий планетарний процес – міграція хімічних елементів у біосфері. Еволюція видів, відзначав учений, що приводить до створення форм життя, стійка в біосфер і повинна йти в напрямку збільшення біогенної міграції атомів.
Біосфера являє собою надскладну планетарну оболонку життя, населену організмами, що становлять у сукупності живу речовину. Це найбільша (глобальна) екосистема Землі - область системної взаємодії живої й косної речовини на планеті.
Сукупна діяльність живих організмів у біосфері проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу.
Біосфера по вертикалі розділяється на дві чітко відособлені області: верхню, освітлену світлом, - фотобіосферу (у якій відбувається фотосинтез), і нижню, "темну", - меланобіосферу (у якій фотосинтез неможливий). На суші границя між ними проходить по поверхні Землі.
Біосфера охоплює нижню частину атмосфери до висоти озонового екрана (20-25 км), верхню частину літосфери (кора вивітрювання) і всю гідросферу до глибинних шарів океану. В. І. Вернадський відзначав, що "межі біосфери обумовлені, насамперед, полем існування життя". На розвиток життя, а, отже, і на границі біосфери впливають багато факторів і насамперед наявність кисню, вуглекислого газу, води в рідкій фазі. Обмежують область поширення життя й занадто високі або низькі температури. Елементи мінерального харчування також впливають на розвиток життя. До обмежуючого фактора можна віднести й над солоне середовище (перевищення концентрації солей у морській воді приблизно в 10 разів). Позбавлені життя підземні води з концентрацією солей понад 270 г/л.
У планетарній біосфері виділяють континентальну й океанічну біосфери, які відрізняються геологічними, географічними, біологічними, фізичними й іншими умовами. Нижня межа поширення живого обмежується дном океану (глибина близько 11 км) або ізотермою в 100C0 у літосфері (за даними надглибокого буріння на Кольському півострові ця цифра становить близько 6 км). Фактично життя в літосфері простежується до глибини 3-4 км. Таким чином, вертикальна потужність океанічної біосфери становить 17 км, сухопутної до 12 км. Нагору, в атмосферу, біосфера простирається не вище озонового екрана, що становить 22-24 км. Отже, межа протяжності біосфери на Землі виражається цифрою 33-35км, хоча теоретично вона може бути більш ширшою.
На основі робіт В. І. Вернадського й інших дослідників, які зробили великий внесок у вивчення біосфери планети, пропонується розрізняти три основні її форми:
· форми біологічної систематики, що включають популяції, види, роди, сімейства й ін., прийняті в ботаніці й зоології;
· біогеографічні форми - території, що характеризують географічне поширення й розподіл рослин і тварин, специфіку флори й фауни. Це біогеографічні зони, області й т. д. Окремо виділяються ботаніко-географічні й зоогеографічні території, що дають уявлення про склад і характер флори й фауни;
· екологічні форми, відомі за назвою екосистем (біогеоценозів), екотопів, біотопів й ін. Нагадаємо, що біотоп - це ділянка з однорідними екологічними умовами, зайнятий певними біоценозами, екотоп - це місце перебування співтовариства. На відміну від біотопу, поняття "екотоп" включає зовнішні стосовно співтовариства фактори середовища. Це сукупність абіотичних умов неорганічного середовища даної ділянки, що представляє собою місцеперебування конкретного співтовариства. Екологічні форми визначають специфіку вивчення біосфери в екологічних аспектах.
Речовинний склад біосфери також різноманітний. В. І. Вернадський включає в нього сім глибоко різнорідних, але геологічно не випадкових частин:
- жива речовина;
- біогенна речовина - народжуване й перетворене живими організмами (горючі копалини, вапняки й т.д.);
- косна речовина, утворена без участі живих організмів (тверде, рідке й газоподібне);
- біокосна речовина – косна речовина, перетворена живими організмами (вода, ґрунт, кора вивітрювання, мули);
- речовина радіоактивного розпаду (елементи й ізотопи уранового, торієвого й актиноуранового ряду);
- розсіяні атоми земної речовини й космічних випромінювань;
- речовина космічного походження у формі метеоритів, космічного пилу й ін.
У будові й морфології біосфери винятково важливе значення для розвитку живої речовини мають наступні її елементи (зверху вниз):
- шар живої речовини, так звана "плівка життя";
- педосфера, або ґрунтовий покрив;
- ландшафтно-екологічні системи - функціональні системи, що включають живі організми й середовище їхнього перебування;
- кора вивітрювання, тобто зона руйнування й перетворення гірських порід, їхніх мінерально-геохімічних змін у верхній частині земної кори під впливом різних факторів;
- давня біосфера (палеобіосфера) - комплекс гірських порід, рельєфу й інших ландшафтних компонентів, що залягають нижче сучасної біосфери й похованих під її новітніми утвореннями. Це гірські породи, рудні й нерудні мінерали, хімічні елементи, широко використовувані в промисловості;
- численні мінерали верхньої частини земної кори й біосфери: глини, вапняки, боксити й т.д.;
- природні води осадової оболонки;
- мільйони органічних й органо-мінеральних з'єднань: вугілля, графіт, гумусові речовини, нафта, природні гази;
- мінеральні ресурси біосфери й земної кори, розповсюджені у формі вільних елементів: міді, срібла, золота, вісмуту, платини й т.д. Всі вони - головне джерело сировини для металургії, хімічної промисловості й багатьох інших галузей. Їхній видобуток і використання в економіці ростуть рік у рік.
Зі сказаного випливає, що біосфера є результатом складного механізму геологічного й біологічного розвитку косної й біогенної речовини. З одного боку, це середовище життя, а з іншого боку - результат життєдіяльності. Головна специфіка сучасної біосфери - це чітко спрямовані потоки енергії й біогенний (пов'язаний з діяльністю живих істот) круговорот речовин.
Розробляючи вчення про біосферу, В. І. Вернадський прийшов до висновку, що головним трансформатором космічної енергії є зелена речовина рослин. Тільки вони здатні поглинати енергію сонячного випромінювання й синтезувати первинні органічні сполуки . Для пояснення великої сумарної енергії біосфери вчений зробив розрахунки, які дійсно показали величезне значення фотосинтезуючих рослин у створенні загальної органічної маси. Учений підрахував, що поверхня Землі становить менше однієї десятитисячної поверхні Сонця. Загальна ж площа трансформаційного апарата зелених рослин залежно від пори року становить уже від 0,86 до 4,2% площі поверхні Сонця. Різниця колосальна. Цей зелений енергетичний потенціал і лежить в основі збереження й підтримки всього живого на нашій планеті.
В. І. Вернадський так само, як і Ламарк 140 років тому спробував дати головні вичерпні ознаки кожного царства живого. І чим більше він вникав у проблему, тим більше ясно ставало, що вимальовується новий розріз світу. В. І. Вернадський склав таблицю з 16-ти пунктів, де розглянув відмінність живого й неживого у фізичному, хімічному й термодинамічному змісті.
Аналіз таблиці показував, що в природі немає ніяких переходів від неживого до живого: вони настільки суперечливі, що живе ні при яких умовах не може походити від неживого. Організм і косну матерію розділяє непрохідна стіна. Принцип італійського натураліста й лікаря Франческо Реді говорить, що живе походить тільки від живого, між живою й неживою речовиною проходить різка границя, хоча і є постійна взаємодія, - одержав своє підтвердження .
1.3 Гіпотези виникнення біосфери та етапи її еволюції
Біосфера має довгу історію, тісно пов'язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.
- Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин.
Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд років тому).
Близько 6 млрд років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску початися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери — планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утворюючи первинну планетарну кору.
Первинна кора нашої планети — Землі — утворилася приблизно 4,6 млрд років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжарена лава, а разом із нею — гази. Утримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.