Для біосфери притаманний безперервний процес кругообігу речовин у трьох агрегатних станах (твердому, рідкому та газоподібному) і потоків енергії з участю в ньому живих організмів. Угруповання живих організмів тісно пов’язані з неорганічним середовищем за допомогою речовинно-енергетичних зв’язків.
В.І. Вернадський визначив структуру природного середовища, яка складається з шести типів речовини:
1) жива речовина представлена організмами різних видів;
2) біогенна речовина – продукт життєдіяльності організмів (кам’яне вугілля, торф);
3) нежива речовина – речовина, у формуванні якої живі організми не брали участі (вода, гірські породи і мінерали);
4) біокосна речовина утворилася внаслідок взаємодії живої і неживої речовини (ґрунт);
5) радіоактивна речовина (радіоактивні нукліди хімічних елементів);
6) космічна речовина (метеорити, космічний пил тощо).
Вчений визначив суттєві ознаки біосфери. Основні з них такі:
- біосфера – загальнопланетна оболонка;
- структура біосфери: нижні шари атмосфери, гідросфера, верхні шари літосфери;
- склад і будова біосфери зумовлені минулою і сучасною життєдіяльністю всіх живих організмів;
- біосфера є наслідком взаємодії живих і неживих компонентів, акумуляції і перерозподілу в ній величезної кількості енергії;
- біосфера – термодинамічно відкрита, самоорганізована, саморегульована, динамічно врівноважена, стійка система.
В.І. Вернадський відкрив основний закон біосфери: “Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час”. Протягом цього періоду живий світ морфологічно змінився, але такі зміни не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на її середній валовий склад. Справа у тому, як вважає В.І. Вернадський, що “в складі організованості біосфери відбувалися в межах живої речовини лише перегрупування хімічних елементів, а не докорінні зміни їх складу й кількості”.
На думку вченого, єдиним правильним підходом до біосфери повинен бути підхід як до цілісної глобальної екологічної системи, яка володіє певною структурою та стійкістю, властивими їй особливостями формування і розвитку. Таке поняття біосфери особливо важливе тепер, коли техногенний вплив людини на природу досяг небувалих масштабів і може викликати планетарні зміни в середовищі існування людини.
В.І. Вернадський зазначав, що можливості людини такі великі, що вона може втручатися в хід геолого-хімічних процесів Землі і навіть змінювати їх природний напрям. Людство повинне усвідомити свою силу і роль у біосфері, і тоді почнеться новий етап її розвитку. Вчений передбачав перехід біосфери в новий стан, так звану сферу розуму – ноосферу (“noos” – давньогрецька назва людського розуму), в якій людина стане основною геологічною силою. За Вернадським, зміни, перетворення в біосфері пов’язані як із свідомою, так і несвідомою діяльністю людей, а під впливом розвитку науки і техніки ноосфера розширюється швидкими темпами, охоплюючи все більшу частину природного середовища. Поступово біосфера повинна стати ноосферою, тобто центром розуму, де панують закони мудрості та гармонії.
Вперше термін “ноосфера” запропонував французький філософ Е. Ларуа, а природознавець П. Тейяр де Шарден та В.І. Вернадський наповнили його змістом. Ноосфера – це сфера гармонійної взаємодії природи і суспільства, у межах якої розумна діяльність стає головним, вирішальним фактором розвитку біосферних процесів. Це новий етап розвитку біосфери, у якому людина, свідомо використовуючи свої знання, буде підтримувати існування біосфери та сприяти її розвитку.
Концепцію біосфери В.І. Вернадський виклав у праці “Декілька слів про ноосферу” (1944 р.). Він розкрив бачення еволюційно-історичного процесу, перспективи людства як космічного феномену. Зміст його концепції – впливати на природу, змінювати біосферу слід особливо раціонально, думаючи не про сьогоднішні вигоди, а про майбутні наслідки. Обов’язковою умовою діяльності людини, за Вернадським, як і раніше, повинен залишатися сприятливий стан біосфери, адже людина, як й інші живі істоти на Землі, пристосована лише до тих природних умов, у яких вона виникла й живе. В іншому середовищі люди жити не можуть. Біосфера має бути збережена на благо людей. Саме в цьому полягає сенс ноосфери – не стихійне руйнівне втручання в природу, а науково обґрунтоване збереження на Землі умов для життя людей. В.І. Вернадський визначив кілька загальних умов, які необхідні для створення ноосфери:
- людство повинне стати єдиним в економічному та інформаційному вимірах;
- ноосфера – явище всепланетне, тому людство повинне прийти до цілковитої рівності рас, народів незалежно від кольору шкіри та інших відмінностей;
- ноосфера не буде створена, якщо не припиняться війни між народами.
Перехід до ноосфери слід вважати ідеальним варіантом, основою якого є складний процес гармонізації відносин між біосферою та господарською діяльністю людини. В період переходу біосфери до ноосфери перед людством постає завдання навчитися свідомо регулювати взаємовідносини суспільства та природи. На жаль, нині діяльність суспільства спрямована на зниження стійкості біосфери практично за всіма напрямками. Процес ноогенезу (становлення ноосфери) передбачає поступовий перехід за такими етапами:
1) людство стає єдиним цілим, науково-технічна революція охоплює всю планету;
2) здійснюється докорінна перебудова зв’язків та обміну, ноосфера стає організованим цілим, всі частини якого на різних рівнях діють узгоджено;
3) відкриття принципово нових, екологічно чистих джерел енергії;
4) досягнення соціальної рівноваги всіх людей та підвищення їх добробуту.
Очевидно, що ноосфера в просторі значною мірою перекривається біосферою, але не тотожна їй. Темпи розвитку ноосфери незрівнянно вищі від темпів зміни біосфери, хоча життя на Землі також залежить від низки космічних факторів, найголовніший з яких – випромінювання Сонця. За висловлюванням В.І. Вернадського, 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 залежно від конкретних умов даної планети. Таку цілісну й завершену систему уявлень про “космізм життя” В.І. Вернадський сформулював у своїх творах вперше в історії людства.
В.І. Вернадський передбачав неминучість ноосфери, яка є наслідком еволюції біосфери та історичного розвитку людства. Але в сучасних умовах екологічної кризи питання переходу до ноосфери утопічне. Відомий еколог Ю. Одум (1986 р.) вважає, що незважаючи на значні можливості людського розуму щодо управління природними процесами, ще рано говорити про ноосферу, оскільки людина не може передбачити всі наслідки своєї господарської діяльності, про що свідчать численні екологічні проблеми. Тому сьогодні необхідно говорити лише про початкову стадію формування ноосфери (протоноосферу), що розвивається в межах техносфери.
Однак для вирішення всіх протиріч в системі “людина – біосфера” повинна застосовуватися нова ноосферна ідеологія. Основою взаємовідносин людини з природним середовищем повинні стати нові принципи гуманізму, необхідно перейти до ноосферної економіки з обов’язковою екологізацією виробничої діяльності.
Біосфері властива асиметрія: нерівномірність в розподілі океанів, материків, гір та низовин, кліматичних умов, існування живих організмів. Фізико-хімічні параметри систем неживої (абіотичної) природи досить індивідуальні в кожній точці земної поверхні. Тому існує величезне різноманіття видів органічного світу, а кожне співтовариство організмів розвивається в певних фізико-хімічних умовах навколишнього середовища.
Кожний комплекс живих організмів називається біоценозом і являє собою високий рівень організації взаємоіснування і зв’язків між окремими організмами. Але біоценоз розвивається на неорганічному або органічному субстраті (біотопі), який характеризується своїми фізико-хімічними параметрами. Сукупність специфічного фізико-хімічного оточення (біотопа) з живими організмами (біоценозом) утворюють екосистему: екосистема → біотоп + біоценоз.
Екосистема – складний природний комплекс живих істот, що взаємодіють з неорганічним середовищем та знаходяться в матеріально-енергетичній залежності від неї. По суті екосистема – це те, що ми називаємо природою. Екосистеми являють собою основні функціональні одиниці біосфери. Біосфера складається з безлічі екосистем, що взаємодіють між собою. Тому знання про екосистеми надзвичайно важливі для аналізу усього різноманіття екологічних явищ. Вперше термін “екосистема” був запропонований до вживання у 1935 р. англійським екологом А. Тенслі.
Забезпечення безперервного кругообігу речовин в екосистемі вимагає обов’язкового запасу неорганічних речовин у сприятливій для засвоєння формі, а також трьох категорій організмів. Вважається, що екосистема складається з чотирьох елементів:
1) абіотичне середовище – комплекс неживої природи, звідки біоценоз черпає засоби для існування і куди виділяє продукти обміну (вода, мінеральні речовини, гази, неживі органічні речовини);
2) продуценти (кондуктори, виробники) – організми, що виробляють первинну біомасу (наземні зелені рослини, водорості і бактерії, що здатні до фотосинтезу);
3) консументи – споживачі первинної або вторинної продукції, тобто готових органічних речовин, які трансформують їх в нові форми. Організми, які вживають тільки їжу рослинного походження, називаються консументами першого порядку. Організми, які в основному споживають їжу тваринного походження, називаються консументами другого порядку. Консументами є тварини та безхлорофільні рослини;
4) редуценти (деструктори) – організми, які розкладають органічні рештки до мінерального стану (мікроорганізми – бактерії, гриби, найпростіші, а також організми, які живляться мертвими органічними речовинами).