Термін "біосфера" (від грец. Bios - життя, sphaira - плівка) був запропонований австралійським вченим Е. Зюсом (1831 - 1914), який розумів під біосферою сукупність живих організмів Землі. Вчення про біосферу розроблено російським вченим, академіком В. І. Вернадським (1863 - 1945). В. І. Вернадський поширив поняття біосфери не тільки на живі організми, але і на геологічні оболонки, заселені ними.
У 1926 році вийшла його книга "Біосфера", в якій він показав, що діяльність живих організмів змінює геологічні оболонки Землі та створює біосферу.
Біосфера - відкрита система, джерелом енергії для її існування є сонячне світло. Використовуючи цю енергію, живі організми витягують з неживої природи різні хімічні елементи і втягують їх у круговорот речовин.
В. І. Вернадський, підкреслюючи роль живого речовини, писав: "Життя захоплює значну частину атомів, складових матерію земної поверхні. Під її впливом ці атоми знаходяться в безперервному інтенсивному русі. З них весь час створюються мільйони найрізноманітніших сполук. І цей процес триває без перерви десятки мільйонів років. На земній поверхні немає хімічної сили, більш постійно діючої, а тому більш могутньої за своїми кінцевим наслідків, ніж живі організми, взяті в цілому ".
Енергія сонячного світла в процесі фотосинтезу перетворюється на енергію хімічних зв'язків утвореного органічної речовини рослин, яке під час дихання частково використовується самими рослинами. Інша частина утвореної органіки є будівельним матеріалом і джерелом енергії для численних гетеротрофов. При руйнуванні неживої органіки залишки енергії губляться у вигляді теплового випромінювання. Таким чином, для існування біосфери необхідний постійний приплив енергії сонячного світла, який забезпечує всі життєві функції біосфери і в кінцевому підсумку розсіюється у вигляді тепла.
Біосфера являє собою складну систему, що включає компоненти неживої і живої природи. До неживої природи відносяться верхня частина літосфери, гідросфера, нижня частина атмосфери. Ці геологічні оболонки пов'язані кругообігом речовин і потоками енергії, які протікають в різних біогеоценозах. Біогеоценоз є елементарною структурною одиницею біосфери, а сама біосфера являє собою глобальну екологічну систему - екосфери.
Всі речовини біосфери поділяються на чотири групи:
У неживій природі біосфери (відсталу речовину біосфери) В. І. Вернадський розрізняв три геологічні оболонки: літосферу, тропосферу і гідросферу, які в результаті впливу живих організмів стали біокосні речовиною.
Літосфера, "кам'яна оболонка" Землі, являє собою верхню частину земної кори, зміненої в результаті фізичного, хімічного і біологічного впливу, частіше її називають просто грунтом. Складається з осадових порід, нижче яких знаходяться гранітний і базальтові шари. Нижня межа життя в літосфері проходить на рівні 4-7 км, нижче проникнення життя обмежена впливом високих температур, відсутністю води. Найбільш заселені поверхню Землі і верхній шар грунту.
Біомаса різних ділянок поверхні Землі залежить від кліматичних умов - температури, кількості випадає опадів. Суворі кліматичні умови тундри - низькі температури, вічна мерзлота, коротке холодне літо сформували своєрідні рослинні співтовариства з невеликою біомасою. Рослинність тундри представлена лишайниками, мохами, сланкими карликовими формами дерев, трав'янистою рослинністю, що витримує такі екстремальні умови. Біомаса тайги, потім змішаних і широколистяних лісів поступово збільшується. Зона степів змінюється субтропічній і тропічній рослинністю, де умови для життя найбільш сприятливі, біомаса максимальна.
У верхньому шарі грунту найбільш сприятливий водний, температурний, газовий режим для життєдіяльності. Рослинний покрив забезпечує органічною речовиною всіх мешканців грунту - тварин (хребетних і безхребетних), гриби і величезна кількість бактерій. Бактерії і гриби - редуценти, вони відіграють значну роль у круговороті речовин біосфери, минерализуя органічні речовини. "Великі могильники природи" - так назвав бактерії Л.Пастер.
Гідросфера "водна оболонка" утворена Світовим океаном, який займає близько 71% поверхні земної кулі, і водоймами суші - річками, озерами - близько 5%. Багато води знаходиться в підземних водах і льодовиках. У зв'язку з високою щільністю води, живі організми можуть нормально існувати не тільки на дні, а й у товщі води, і на її поверхні. Тому гідросфера заселена по всій товщині, живі організми представлені бентосом. планктоном і Нектоном.
Атмосфера поділяється на тропосферу. нижню частину атмосфери, висота якої сягає 20 км, вище знаходиться стратосфера (до 100 км), ще вище іоносфера. Заселена лише тропосфера, верхня межа життя проходить на висоті близько 20 км, куди висхідні потоки повітря заносять спори мікроорганізмів. В атмосфері, на висоті 15-35 км вільний кисень (О2) перетворюється в озон (О3), який відображає жорсткий ультрафіолет (світло з довжиною хвилі менше 290 нм), що викликає мутації в клітинах живих організмів.
Кругообіг хімічних елементів розглянемо на прикладі кругообігу найважливіших біогенних елементів - вуглецю і азоту.
Вуглець входить до складу всіх органічних речовин будь-яких живих організмів. Він витягується з атмосфери під час фотосинтезу, з вуглекислого газу і води утворюються вуглеводи, при цьому виділяється кисень. Потім вуглець в складі органічних молекул мігрує по ланцюгах харчування. При окисленні органічних речовин вуглець у формі вуглекислого газу знову повертається в атмосферу (рис. 378).
Азот входить до складу білків, це один з чотирьох елементів першої групи. Незважаючи на те, що рослини буквально купаються в азоті (азоту в атмосфері близько 80%), атмосферне азот вони не можуть використовувати. Фіксація атмосферного азоту здійснюється деякими свободноживущими бактеріями, бульбочкових бактерій і ціанобактеріями. Після їх загибелі сполуки азоту використовуються продуцентами, потім консументами. Частина азоту фіксується з атмосфери у вигляді оксидів під час грозових розрядів (рис. 379).
При розкладанні органічних речовин аммоніфіцірующіе бактерії утворюють аміак (NH3). Нитрифицирующие бактерії окислюють аміак до нітритів і нітратів. Рослини здатні засвоювати нітрати, використовуючи азот для синтезу білків. Повертають азот в атмосферу денітрифікуючі бактерії, які в процесі гниття залишків рослин і тварин перетворюють нітрати в вільний азот.