Жизнь — это поддержание и воспроизводство характерных высокоупорядоченных структур, которое совершенствуется в ходе эволюции и осуществляется в соответствии с внутренней программой благодаря внешним источникам вещества и энергии.
Возраст Земли (и Солнечной системы) — 4,6 миллиардов лет. Солнце и планеты образовались из газопылевого облака, результата разрушения предшествовавших звезд. Ядерные превращения в прежних звездах — причина разнообразия химических элементов на Земле, делающего возможным существование жизни. Сейчас Солнце находится на середине срока своего существования. Примерно через 5 миллиардов лет оно вначале увеличится в размерах до орбиты Земли, а потом сожмется и, наконец, взорвется. Из получившегося вещества возникнут новые звезды.
БГХ-цикл фосфора значительно хуже зарегулирован, чем только что рассмотренные циклы углерода и азота, потому что у фосфора отсутствует обменный фонд в атмосфере. Фосфор — главный элемент, контролирующий продуктивность водных сообществ. Снос фосфатов с полей в водоемы приводит к их эвтрофикации (повышению «кормности» в противоположность олиготрофности — «малокормности»), что может приводить к их заболачиванию.
Сера — довольно обильный (пятнадцатый по химической распространенности) в земной коре элемент, встречающийся в различных степенях окисления. Она является необходимым компонентом белков. Потребляется сера (автотрофами и большинством гетеротрофных микроорганизмов) в окисленной форме, в виде сульфатов. В отличие от двух ранее рассмотренных элементов, сера почти не представлена в атмосфере. При разрушении органических веществ сера выделяется в восстановленной форме с выделением газа, имеющего неприятный запах, — сероводорода. Кроме сероводорода в ходе этого процесса могут образовываться и другие дурнопахнущие вещества, например, меркаптаны, которые со временем тоже превращаются в сероводород. То, что запах этих веществ кажется нам отвратительным, — следствие того, что эти газы выступают в качестве свидетельства разрушения органического вещества в бескислородных условиях.
БГХ-цикл азота сложнее углеродного. Он тоже чрезвычайно важен для живых организмов. Хотя азота в атмосфере больше, чем других элементов, его включение в состав живого вещества является намного более сложной задачей, чем фиксация углерода при фотосинтезе. Наиболее доступен для растений азот в форме аммиака и нитратов, но аммиак в больших количествах токсичен, а нитраты — нет. Формы, в которых азот используется в органических соединениях — восстановленные, поэтому ассимиляция аммиака требует меньших перестроек.Поскольку на многих почвах сельскохозяйственные растения испытывают азотное голодание, человек интенсивно производит азотные удобрения, осуществляя промышленную фиксацию атмосферного азота. Промышленная фиксация азота примерно равна природной абиогенной фиксации.
Рассмотрение характеристик БГХ-циклов нескольких важнейших элементов следует начать, естественно, с углерода. Углерод является основой органических соединений, и поэтому цикл углерода имеет особое значение для живых организмов. Важнейшей особенностью этого цикла является наличие запасов углекислого газа в атмосфере, откуда его могут черпать живые организмы. Перемещение углерода через живые организмы тесно связано с перемещением иных биогенов. Например, соотношение потоков углерода и азота через живые организмы составляет примерно 6:1 (шесть атомов углерода на один атом азота), а соотношение потоков углерода и фосфора — примерно 100:1. Естественно, эти соотношения отражают соотношения самих элементов в составе живого вещества.
Перемещение элементов в биосфере обеспечивается благодаря трем основным источникам энергии («приводным ремням» для БГХ-циклов): — энергия Солнца, преобразованная гидросферой и атмосферой в гидрологическом цикле; — энергия Солнца, накопленная в органических веществах в ходе фотосинтеза; — хтоническая энергия, т.е. материнская энергия Земли; благодаря ей перемещение тектонических плит и вулканизм обеспечивают цикл преобразования горных пород, поднимают вещество недр туда, где оно становится доступным для водной, ветровой и биологической эрозии
Земная жизнь построена на весьма сложной химической основе. Для ее существования необходимы многие химические элементы. Хотя главное соединение в составе организмов — вода, для жизнедеятельности совершенно необходимы органические вещества, состоящие из разнообразных атомов. Из элементов, являющихся важными ресурсами для биосферы, важнейшими являются так называемые биогенные элементы или биогены. К биогенам относится примерно половина из 54 встречающихся в земной коре элементов. Особенно важны макроэлементы — C, H, N, O, P, S, Ca, K и Mg, и некоторые микроэлементы — Fe, Cl, Na, Zn, V, Mo, B, Co, Cu, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn и As.
В 1972 году Джеймс Лавлок и Линн Маргулис предложили так называемую «гипотезу Геи» — представление о Земле как о сверхорганизме, который поддерживает свой гомеостаз. Как указывал позже Лавлок, они с Маргулис независимо пришли к мыслям, которые ранее высказывали и Джеймс Хаттон в XVII веке, и Владимир Вернадский в XX веке. Многие взаимосвязи, обеспечивающие функционирование Геи, еще неизвестны. В гипотезе Геи переплелись элементы научной теории и религиозного пророчества.
Вероятно, основным автором понятия «ноосфера» был Пьер Тейяр де Шарден, французский священник и ученый-эволюционист. Тейяр был членом монашеского ордена иезуитов, и поэтому высказываемые им публично идеи были ограничены дисциплиной ордена. Руководство ордена иезуитов не препятствовало палеоантропологическим исследованиям Тейяра, но было озабочено тем, чтобы он, как священник и член ордена, не высказывал взгляды, ревизующие христианство. Вследствие этого идею ноосферы, родившуюся у Тейяра, обнародовал в 1927 году его друг, философ и математик Эдуард Леруа. Как подчеркивали Тейяр и Леруа, важным источником этой идеи стали лекции по геохимии, которые В.И. Вернадский читал в 1922–1923 гг. в Париже. В дальнейшем представления о ноосфере независимо друг от друга разрабатывали и Тейяр, и Вернадский.