Аналізуючи біогеохімічні цикли, В.І.Вернадський виявив концентраційну функцію живої речовини. За рахунок реалізації цієї функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього середовища хімічні елементи. Якщо наша планета в цілому сформована зі сполук із заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню в першу чергу, то за рахунок вибіркового поглинання та концентраційної функції склад біомаси зовсім інший. Вона утворена з вуглецю, водню при порівняно малій участі інших елементів (мал. 3.).

Хімічні елементи, що беруть переважну участь у побудові живої речовини та необхідні для його синтезу, отримали назву біогенних. Концентраційна функція тварин та рослин по-різному реалізується щодо різних їхніх видів. Принцип циклічності в перетвореннях та переміщенні речовин в біосфері є основоположним.

Збереження циклічності-це умова існування біосфери.

Введення в біосферу однонаправлених процесів, які здійснює людина при конструюванні техносфери та агросфери, виявляється для біосфери згубним та найбільш небезпечним.

Для біосфери характерна висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин у них складають не більш 3 - 5%. Однак, всі біогеохімічні цикли дають деяку кількість "відходів". Такі природні відходи для біосфери не шкідливі. Вони є накопиченням у певній мірі інертних речовин, що акумулюються в атмосфері або тих, що надходять у літосферу у вигляді осадкових порід. Більш того, відходи окремих біогеохімічних циклів є умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біогенне походження має весь кисень атмосфери, що виникає як "відход" фотосинтетичного процесу. За рахунок відходів біогеохімічного циклу вуглецю в земній корі накопичилися великі запаси вуглецевміщуючих геологічних покладів: кам'яного вугілля, нафти, вапняків. Загальна кількість їх сягає 10¹⁶ - 10¹⁷ тонн.

Біогеохімічні цикли еволюціонують разом з еволюцією біосфери. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення вже існуючих. Так, накопичення в атмосфері вільного кисню створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання. Процеси хімічного біогенного окислення стали складовою частиною біогеохімічних циклів.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: вуглецю, води, азоту та фосфору. Ці цикли в найбільшій мірі зазнали • трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливою задачею екології.

2.1 Біогеохімічний цикл вуглецю

Біогеохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (мал. 3.). Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням. Обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40 - 50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється й торф. У цих двох формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.

Мал. 3. Біогеохімічний цикл вуглецю.

Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз антропогенне надходження вуглекислого газу в атмосферу зросло більше природного на 6—10%. Це пов'язано, головним чином, з вирубкою лісів та заміною їх менш продуктивними агроценозами. Певний внесок робить і промисловість та всі виробництва, які пов'язані зі спалюванням палива.

2.2 Біогеохімічний цикл азоту

Це один із найбільш швидких кругообігів речовин (мал. 4.). Реалізується він в основному за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Arolobacler, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які вміщують зв'язаний азот, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрофікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100 - 170 мг/м² в рік до 1 - 20 гр/м² на рік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в рік.

В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв'язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміака, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив у біогеохімічний цикл азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4x10⁷ тонн азоту в рік.

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак в сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють ґрунтові води та водойми.

Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.

Мал. 4. Біогеохімічний цикл азоту

2.3 Біогеохімічний цикл фосфору

Цей цикл має найбільш простий характер (мал. 5.). Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні утворюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми -редуценти. Втрати фосфору з біогеохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і робляться недоступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.

Мал. 7.7. Біогеохімічний цикл фосфору

3. Антропогенний вплив на природні цикли основних біогенних елементів

Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність процесів спалювання палива, в т.ч. і для потреб сільськогосподарського виробництва, призводить до надходження до атмосфери близько 20 млрд. тонн вуглекислого газу та 700 млн. тонн інших газів і твердих часток. Самі вирубки лісу призводили тільки на території СРСР до винесення з екосистем лісу до 1,2 - 5 тисяч тонн фосфору, 6-20 тисяч тонн азоту та 1,2-6 тисяч тонн кремнію. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім, або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Ці процеси, по суті, ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів.

4. Стабільність біосфери. Ноосфера, управління біосферою

Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом'якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури. Але всі ці якості біосфери не можуть протистояти нерозумним діям людини і різко падають при антропогенних впливах. Так, посухи порівняно безпечні для природних екосистем, але вони наносять відчутні збитки агроекосистемам.

Зберегти грунтово-кліматичні умови великих регіонів планети та забезпечити їх стійкість можна тільки при наявності в цих регіонах • досить великих за площами природних біомів.

Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт - це зовсім особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стоку до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.

Ґрунти в різних біомах та різних природних зонах досить сильно відрізняються між собою. У помірних широтах властивості ґрунтів такі, що гумус добре утримує катіони та аніони біогенних елементів, їх вивільнення йде поступово і це забезпечує збереження родючості ґрунту на довгий час, а також створення біологічної продукції. На противагу цьому, в тропіках, завдяки високій температурі та вологості, мінералізація йде досить швидко. Вилужування ґрунтів та вимивання з них іонів мінеральних речовин проходять досить активно. Тому агроекосистеми тропічних широт порівняно з екосистемами помірних зон більш вразливі та швидше деградують. Цей процес тут часто завершується запустелюванням та виключенням територій із сільськогосподарського використання.

Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовин з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Наприклад, у дерново-підзолистому грунті об'єм можливих нових включень органічної речовини складає 300 кг/га, в чорноземах -160 кг/га. Чимало речовин, що надходять до ґрунту, можуть утримуватися в ньому за рахунок адсорбції та інших фізико-хімічних процесів. Ємність ґрунтів за рахунок такого типу поглинання сягає 225 кг/га на рік.

Екологічне нормування повинне базуватися на аналізі властивостей екосистеми, найважливішою з яких є стійкість до зовнішнього впливу. Вплив великомасштабних змін навколишнього середовища на живі організми, безумовно, відбивається на стійкості екологічних систем, до яких входять ці організми.

Слід мати на увазі, що екологічні системи, так само як і окремі види організмів, були об'єктом тривалого еволюційного процесу, у ході якого менш стійкі системи зникали і зберігалися тільки ті екологічні системи, стійкість яких стосовно коливань зовнішніх чинників була досить високою.

Загалом стійкість біологічних систем можна охарактеризувати як внутрішньо притаманну біосистемі здатність підтримувати на визначеному рівні протягом тривалого часу свої основні параметри та відновлювати їх після порушень. Кількісно оцінити стійкість досить складно, але вченими були відзначені деякі закономірності в здатності екосистем підтримувати свій рівноважний стан: Стійкість угруповання тим вища, чим більший час воно може існувати, не зазнаючи значних змін. Більш стійкі угруповання повинні мати більшу різноманітність життєвих форм і екологічних ніш.

У результаті впливу екологічних чинників успіх живих організмів у боротьбі за існування визначається значною мірою їхнім пристосуванням до умов, які сприяють підтриманню стійкості екологічних систем. У зв'язку з цим природний добір має тенденцію до збереження організмів, еволюція яких підвищує стійкість екологічних систем.

Думка про роль людства, яке перетворює біосферу на базі наукових знань на благо кожної людини, не залишала В. І. Вернадського весь останній період його життя.

Ноосфера (від грецьк. пооз -розум) - це сфера взаємодії суспільства й природи, у межах якої розумна діяльність є головним, визначальним чинником розвитку.

У понятті ноосфери підкреслюється необхідність доцільної взаємодії людства та природи. На думку В. І. Вернадського, відношення суспільства до природи обумовлене не тільки науково-технічними досягненнями, а й соціальними чинниками.

Поняття «ноосфера» вперше вжив у 20-і роки XX ст. французький палеонтолог і філософ Тейяр де Шарден. У його розумінні ноосфера -ідеальна, духовна («мисляча») оболонка Землі, що виникла з появою і розвитком людської свідомості. В. І. Вернадський вважав, що головна сила перетворення біосфери в ноосферу в інтересах людства - це поєднання розуму з ідеалами демократії.