Энергетическая активность живых тел с их ярко выраженной асимметричностью структуры на молекулярном уровне настолько велика, что в орбиту живой материи вовлекаются непрерывно нарастающие массы вещества, и практически весь химизм биосферы оказывается функцией деятельности организмов. Неравномерное распределение энергии приводит к очень важным для развития биосферы последствиям: создается значительная разность потенциалов между элементами и частями биосферы и особенно между неживой и живой природой, чем обеспечивается преимущественный ток атомов от первой ко второй. Отсюда тенденция возрастания массы живого вещества и накопления энергетически богатого биогенного вещества в земной коре.
Геохимическая неоднородность — это неравномерность распределения атомов различных химических элементов в земной коре. Причины неравномерности распределения химических элементов в биосфере различны: здесь, и геологические условия возникновения земной поверхности, и особенности структуры самих атомов и т.д. Однако с момента возникновения жизни деятельность организмов стала решающим фактором неравномерности перераспределения химических элементов по периферии нашей планеты благодаря способности организмов концентрировать строго определенные элементы в составе своего тела соответственно видовым особенностям. Одной из основных задач биогеохимии является изучение роли живого вещества в миграции атомов по земной поверхности.
Зональная неоднородность поверхности Земли впервые четко была определена В.В.Докучаевым, хотя предвосхищавшие это положение идеи высказывались еще А. Тумбольдтом. Неравномерное по широтным зонам расселение органических форм и отложение продуктов их жизнедеятельности отражает диссимметрию неорганических условий существования жизни и составляет одну из закономерностей биосферы.
Таким образом, неоднородность — важнейшая черта биосферы. Биосфера — это единственная на нашей планете область, где полностью представлены во взаимодействии все известные формы движения материи: микрофизическая, химическая, физическая, биологическая, социальная.
Неоднородность частей и элементов биосферы обусловливает их неразрывное взаимодействие в рамках целого и исключительную степень зависимости частей друг от друга. Эта зависимость обеспечивается обменными процессами, связывающими все части в единое целое в рамках некоторого цикла. Каждая из частей в обменном цикле играет весьма важную роль, и с выпадением любой части нарушилась бы вся система.
Обменный цикл, ответственный за объединение частей целого, принято называть интегративным фактором. Таким фактором, обеспечивающим взаимодействие неорганических частей будущей биосферы до возникновения жизни, являлся абиогенный геологический круговорот вещества и энергии. С появлением жизни наряду с абиогенным круговоротом вещества и энергии складывается биологический круговорот. Поскольку масса живого вещества увеличивается, биологический круговорот имеет тенденцию к постепенному расширению сферы своего действия, вовлекая все большее количество вещества и энергии за счет элементов геологического круговорота. Функциональное переключение природных круговоротов на развитие живого вещества планеты способствовало более четкой их направленности, а также нарастанию их интенсивности и организованности соответственно развитию взаимосвязи цепей питания в биоценозах, составляющих биосферу.
Сама биосфера как качественно особое образование возникла тогда, когда сложился достаточно развитый биологический круговорот вещества и энергии. По мнению А.П.Виноградова, это произошло не менее 2*109 лет назад.
В ходе естественного отбора у организмов архейской биосферы, по-видимому, довольно скоро появилась способность к фотосинтезу, что обеспечило возможность нового скачка в развитии живой материи. С этих пор количество свободного кислорода в атмосфере стало быстро возрастать за счет высвобождения его из воды деятельностью автотрофов.
В результате восстановительная среда все больше заменялась на окислительную, в условиях которой становилось невозможным химическое образование углеродных соединений, а могло происходить лишь их разрушение. По-видимому, этот этап замены восстановительной среды на окислительную можно считать периодом перехода пробиосферы в биосферу с наличием присущих ей частей.
Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части как почвенный покров. С возникновением почвы достаточно развитого профиля биосфера становится целостно завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.
Рассмотрим характер взаимосвязи частей биосферы и их обусловленность в процессе развития.
Во всякой целостной системе выделяют следующие аспекты взаимодействия частей: координация, корреляция, субординация. Если понятие координации раскрывает характер взаимосвязи между частями целого, а понятие корреляции — характер изменения самих частей в ходе их взаимодействия, то понятие субординации раскрывает порядок взаимосвязи между частями целого. Все эти типы отношений мы находим и между частями биосферы. Зависимость частей системы складывается по мере их формирования и имеет исторический характер.
Биосферу можно представить как систему взаимосвязанных между собой биогеоценозов. Каждый из них относительно замкнут в себе, но в то же время связан обменными вихрями атомов с другими ценозами. Биосфера в целом и составляющие ее биогеоценозы представляют собой авторегуляционные системы. Это такие системы, которые обладают способностью самовосстановления нарушенного равновесия обменных процессов, причем в направлении, благоприятном для дальнейшего существования системы, т.е. имеют место отрицательные и положительные обратные связи. Поскольку биосфера относится к системам, аккумулирующим вещество и энергию, то ее авторегуляция обеспечивает прогрессивное саморазвитие с повышением организованности частей и возрастанием степени целостности. Воздействие человеческого общества пока сильно нарушает этот естественный процесс.
Основой авторегуляции биогеоценозов и взаимосвязи между ними является жизнедеятельность популяций различных видов растений и животных. Между организмами устанавливаются взаимообусловленные цепи питания и размножения, регулирующие их численность и соотношение особей внутри видов и между ними.
Регулятивная роль организмов в поддержании целостности биогеоценозов обеспечивается высокой реактивностью живых систем. Организм активно приспосабливается к изменяющейся среде, биотической и абиотической. Это приспособление достигается как изменением поведения организма, так и изменением его внутреннего строения. В обоих случаях изменения, происходящие в органическом мире, по закону обратной связи отражаются в изменениях окружающей среды, и так до бесконечности. Взаимосвязь изменений играет огромную роль в развитии биосистем, и учет этого фактора выступает как важный методологический принцип в теории эволюции.
Какие бы изменения ни происходили в системе биоценоза, они увязываются в общий целостный обменный цикл посредством взаимодействия, в первую очередь организмов. В процессе жизнедеятельности складывается устойчивая система взаимосвязей в сообществах. Эта система имеет определенную самостоятельность, замкнутость по отношению к окружающей среде, выступает до некоторой степени как обособленная, что очень важно учитывать людям в хозяйственной деятельности. Под замкнутостью биоценоза подразумевают его большую или меньшую способность противостоять внедрению в его состав новых видов, причем одни биоценозы являются более замкнутыми, другие — менее замкнутыми.
Новый вид может внедряться в уже существующий биоценоз в том случае, если для него найдется экологическая ниша. Ясно, что такая возможность скорее представится в неразвитом биоценозе со слабой видовой насыщенностью. Чем богаче биоценоз, тем выше его целостность и больше устойчивость. Это обусловливается тем, что в богатом биоценозе с высокой видовой насыщенностью складывается гораздо большее многообразие связей и возрастает вероятность компенсирующего воздействия частей целого друг на друга. Видовая насыщенность культурных земель сведена человеком до минимума (как правило, один вид), что делает культуры на них крайне уязвимыми для вредителей.
Каждый вид и каждая особь в природе имеют определенную экологическую амплитуду, в пределах которой могут совершаться приспособительные изменения соответственно вариациям среды без изменения качественного состояния организма. Эта экологическая пластичность резко возрастает в биоценозе с большим многообразием видов, так как новые аспекты связей с другими видами организмов раскрывают и новые возможности каждого из них.