ПрПонятие о биосфере в биологию ввел Ламарк (1744-1829) в начале XIX века, а в науки о Земле – геолог Э. Зюсс из Австрии в 1875 г. Учение о биосфере заложено в трудах выдающегося ученого из России - академик В.И. Вернадский. Он первым рассмотрел деятельность живых организмов на Земле с геологических и геохимических позиций, установил исторически закономерные изменения в составе атмосферы, гидросферы и литосферы под влиянием жизнедеятельности организмов и выявил тесную взаимосвязь эволюции этих геосфер и биосферы. Биосферу он определил как область, или оболочку планеты, в которой эволюционно, во взаимосвязи с другими компонентами среды, развивается жизнь и накапливается живое вещество. Биосфера охватывает внешние оболочки Земли, нижнюю часть атмосферы (тропосферу) до высоты 20 км, гидросферу и верхнюю часть литосферы до глубины 2-3 км /104/.

В.И. Вернадский определил живое вещество как совокупность живых организмов, существовавших в определенный отрезок времени и являющихся важным геологическим фактором. Живое вещество имеет элементарный химический состав, массу и энергию. Трансформируя солнечную энергию, оно вовлекает неорганическую (косную) материю в непрерывный круговорот. В истории биосферы Земли исключительную роль сыграли водоросли и другие растения. Используя энергию солнца, потребляя углекислоту из воздуха и усваивая жидкие и твердые фазы вещества, они создавали органическое вещество, которое служило основой для развития всего живого на Земле. При этом они продуцировали кислород атмосферы и гидросферы, изменяя во времени состав этих геосфер. Наконец, они активно участвовали в формировании верхней части литосферы, железных руд, толщ и рифов известняков, залежей каменного и бурого угля, нефти, торфа и других полезных ископаемых и пород.

Планете Земля около 5 млрд лет. Считается, что на начальном этапе ее истории - 1,5-2 млрд лет - жизнь на Земле отсутствовала, но создавались условия для образования первых живых организмов. Из аминокислот, синтезированных в абиотических процессах с участием солнечных ультрафиолетовых лучей, возникли первые мельчайшие автотрофные и гетеротрофные живые организмы. Атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и состояла из азота, аммиака, окиси углерода, водяных паров, ядовитых хлора и сероводорода. Жизнедеятельность организмов обусловила образование в атмосфере свободного кислорода, который под влиянием ультрафиолетовых лучей обеспечил формирование озонового экрана. Он стал защищать эволюционно развивающиеся живые организмы. Жизнь на Земле в связи с этим экраном получила дальнейшее развитие. Из-за недостатка пищи эволюционировали дрожжеподобные анаэробные организмы, появились виды, способные к фотосинтезу. 600 млн лет назад содержание кислорода в атмосфере составляло 3 % от современного уровня. Возникли многоклеточные организмы, а потом произошел эволюционный взрыв, в море образовались губки, черви, кораллы, моллюски, морские макрофиты и пр. 350-400 млн лет назад живые организмы вышли из морей на сушу. Эволюция привела к развитию современных растений и крупных животных. К концу палеозойской эры (220 млн лет назад) в атмосфере повысилось количество углекислого газа, изменился климат, произошла смена растительного и животного мира, сформировались залежи горючих полезных ископаемых. Биомасса Земли достигла современного уровня - 1012 -1013 т, или 10-15 части земной массы (6·1027). Производство живого вещества на Земле составило 38·1010 т/год /104/.

Эволюция биосферы неоднократно сопровождалась скачкообразным (революционным) развитием живого вещества. В кайнозойскую эру голосеменные растения сменились современными покрытосеменными, цветковыми, а холоднокровные пресмыкающиеся были вытеснены теплокровными животными, млекопитающими. Эволюционный процесс привел к появлению человека - наиболее высокоорганизованного биологического вида. Начался третий этап развития планеты.

Чарльз Дарвин (1859) в основном своём труде «Происхождение видов путём естественного отбора» вскрыл основные факторы эволюции органического мира.

Важнейший постулат, вытекающий из его трудов, гласит, что виды организмов эволюционируют под влиянием изменений физико-географических условий природной среды. В.И. Вернадский – создатель учения о биосфере (1926) – сформулировал второй важнейший постулат о том, что совокупность живых организмов (живое вещество) взаимодействует со средой своего обитания, образуя целостную динамическую систему. Эта система образует активную оболочку планеты, в которой живое вещество в процессе своей эволюции вызывает эволюционные преобразования природной среды планетарного масштаба. Эволюция видов органического мира вызывает эволюцию атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы т.е. экотопа биосферы, называемого нами экотопосферой.

Каждое растение, животное, микроорганизм в составе биосферы рассматривается как особь. Особи одного вида составляют популяцию (стая волков, осинник). Организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих в одних и тех же условиях среды и характеризующихся определенными отношениями между собой, образует биоценоз (био – жизнь, ценоз – общий). Термин предложен немецким зоологом Мебиусом в 1877 г. Как уже отмечено выше, В.Н. Сукачев в 1940 г. ввёл понятие «биогеоценоз», обозначающее элемент биосферы – совокупность биоценоза и его местообитания. Пространство, или место обитания биоценоза называют биотопом. А. Тенсли ещё в 1935 г. для обозначения соответствующего элемента биосферы предложил использовать термин «экосистема». Биогеоценоз можно рассматривать в качестве экосистемы определенного ранга, в пределах которой существуют: особь, популяция, биоценоз (животный мир) и микро биоценоз (микроорганизмы) /28/.

Виды растений, деревьев, преобладающие в данном биоценозе, называют доминирующими, или доминантными; по ним называют и биоценозы - ковыльно-типчаковая степь, хвойный лес и т.д. Виды животных, организмов, создающие необходимые условия для жизни доминантов, а через них и для жизни других видов биоценоза, называют эдификаторами. Биоценоз пограничных зон (леса и степи, например) обычно более продуктивен, чем биоценоз каждой зоны в отдельности. Все живые организмы в пределах биогеоценоза взаимодействуют благодаря биологическому круговороту, или «биологическому производству» веществ, не имеющему отходов.

«Производство» биосферы - это тот идеал, к которому должен стремиться человек со своим производством. Зеленые растения в процессе своей жизнедеятельности развиваются, поглощая солнечную энергию, минеральные элементы и влагу почв, а также углекислый газ из атмосферы. При фотосинтезе в зеленом листе создаются сложные органические соединения. При отмирании растений органическое вещество используется в пищу другими живыми организмами: микробами, насекомыми и животными. Сложные органические соединения (углеводы, крахмал, целлюлоза и др.) подвергаются минерализации и вновь превращаются в минеральные соли, кислоты и окислы. Минеральные вещества поступают в почву и усваиваются растениями. Поэтому, несмотря на количественную ограниченность, биологически важных веществ в литосфере (углерода - 0,1 % водорода - 0,15 %, азота - 0,01 %, фосфора - 0,08 %, серы - 0,09%, по А.П.Виноградову, 1950), жизнедеятельность организмов в биосфере обеспечена /163/.

В зависимости от способа питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Первые способны создавать органические вещества из неорганических. Вторые используют в пищу органическое вещество живых растений и остатки отмерших растений и животных.

По участию в круговороте веществ выделяется три разновидности организмов: продуценты (производители), консументы (потребители) и редуценты (восстановители). Продуценты - это автотрофные организмы. Консументы - гетеротрофные организмы, питающиеся автотрофными; подразделяются на консументы первого, второго и более высокого порядка.

Пищей консументов второго порядка служат консументы первого, пищей консументов третьего порядка - консументы второго порядка и т.д., обычно до пяти звеньев (трофических уровней). Редуценты (восстановители) - бактерии, грибы, микроорганизмы (сапрофиты), питающиеся мертвым органическим веществом. Они и минерализуют органическое вещество, разлагая его на воду, углекислоту, простейшие соли, доступные для использования автотрофными растениями в процессе фотосинтеза новых органических веществ.

Благодаря круговороту органическое вещество переходит с одного трофического уровня на другой, частично теряясь на каждом уровне и формируя залежи полезных ископаемых (торфа, угля, нефти, горючих сланцев и др.). Общая же биомасса планеты не накапливается, она частично разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материала.

Для биологического круговорота веществ характерна цикличность, или замкнутость, которая проявляется через способность живых организмов производить себе подобных. При биологическом круговороте веществ происходит уничтожение отходов в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, насекомых и животных, питающихся отжившим органическим веществом. В биологическом круговороте веществ рационально используются природные ресурсы: в круговороте веществ участвует 21 биогенный элемент, содержание каждого из них в биосфере постоянно; благодаря круговороту элементы могут использоваться в режиме замкнутого цикла /141, 14/.

В процессе круговорота осуществляется эволюция живой природы и окружающей среды. В атмосфере появляется кислород, его содержание увеличивается до 21 %; в верхних слоях тропосферы и в стратосфере формируется озоновый экран; углекислота из воздуха и воды переходит в толщи карбонатных, хемогенных и биогенных пород. Под влиянием человека формируются агробиогеоценозы (агроценозы): сельскохозяйственные поля, защитные лесополосы и лесопосадки, пастбища, водохранилища, каналы, осушенные болота. Агроценозы отличаются от биоценозов не принципиально, они характеризуются незначительным количеством видов и большой численностью живых организмов. В зоне влияния промышленных предприятий формируются принципиально новые экосистемы - технобиогеоценозы.

Количественная оценка всех биогеоценозов выполняется при помощи показателя биологической продуктивности -биомассы (в граммах углерода или сухого органического вещества), получаемой с 1 м2 (для водоемов с 1 м3) в единицу времени (обычно за год). Для оценки роли популяций в круговороте веществ надо знать их биомассу, относительную скорость прироста и время полного возобновления /28, 141, 14/.

В агроценозах с монокультурами и технобиогеоценозах в зонах влияния промышленных предприятий наблюдается искусственное обеднение видового состава, массовое размножение вредителей, снижение общей продуктивности биоценозов, рост мутагенности среды, деградация основных элементов биогеоценозов. Агроценозы отличаются от биоценозов тем, что не обладают способностью к саморегулированию и их устойчивость определяется интенсивностью и частотой техногенного воздействия.