Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. По Дж. Хатчинсону (1972) она обладает также следующими тремя особенностями:
- во-первых, в ней содержится почти вся жидкая вода;
- во-вторых, на нее падает мощный поток энергии солнечных лучей;
- в третьих, в биосфере находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной.
В связи с этим для биосферы характерен непрерывный круговорот веществ и энергии, в котором активнейшую роль играют организмы.
Круговорот веществ – это многократное участие веществ (абиогенных и биогенных) в явлениях в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Происходящий в биосфере круговорот веществ, энергии и особей осуществляется при участии всех населяющих ее организмов. Все живые существа являются частями одного целого, гигантской совокупности живых существ, живого покрова Земли.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ:
- большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы;
- малый, или биологический, который развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.
Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биологический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает влияние на облик биосферы. Этот круговорот для жизни биосферы главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь, умирая, живое вещество поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части:
1) резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами.
2) обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.
В зависимости от расположения резервного фонда в биосфере можно выделить:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан), (круговороты углерода, кислорода, азота);
2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.)
Круговороты газообразных веществ более современны, так как обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции.
Круговороты осадочного цикла менее совершенны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различных воздействий. Возвратиться в круговорот могут лишь в результате геологических процессов. Однако извлечь нужные организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.
Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.
Таблица 7 - Время полного оборота веществ на Земле
| Вещество | Время полного оборота, годы |
| Углерод через углекислый газ атмосферы (через фотосинтез) | |
| Кислород атмосферы (через фотосинтез) | |
| Вода океана (через испарение) | 106 |
| Азот атмосферы (путем окисления электрическими разрядами, фотохимическим методом и биологической функцией) | 108 |
| Средняя скорость обновления живого вещества в биосфере на суше в океане | 33 дня |
До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два круговорота. С появлением человека возник антропогенный круговорот – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие:
- биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма;
- техническую, связанную с хозяйственной деятельностью (техногенный круговорот).
В отличие от геологического и биологического, антропогенный круговорот не замкнут. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.