Najważniejsze cechy organizmów żywych:
-zdolność do metabolizmu, samo replikacji oraz samoregulacji;
-charakterystyczny skład chemiczny budujący organizmy żywe: związki węgla, azotu, tlenu i wodoru, tworzące białka, kwasy nukleinowe i wodę
Każdy organizm utrzymuje swój wysoki stan uporządkowania, dzięki stale wykonywanej pracy (ciągłej przemianie materii pobieranej z otoczenia). Celem każdego organizmu jest wytworzenie swoich kopii, według ściśle określonego mechanizmu (rozmnażanie). Błędy(mutacje) w trakcie kopiowania są przyczyną zmienności osobników, które będą różniły się szansą przetrwania i możliwością wydania potomstwa w zależności od warunków środowiskowych. Rezultatem tego jest zmiana cech strukturalnych i funkcjonalnych organizmu przez co powstają nowe formy(ewolucja na drodze doboru naturalnego ,która jest nieodłącznym atrybutem życia organicznego).
Życie można rozpatrywać jako proces obejmujący całą biosferę. Życie przejawia się przede wszystkim w procesach na powierzchni kuli ziemskiej. Dzięki promieniowaniu słonecznemu organizmy żywe otrzymują olbrzymią energię, dzięki której napędzają obieg pierwiastków i utrzymują skład atmosfery w stanie dalekim od równowagi chemicznej. Biosfera dokonuje przemiany materii w skali globalnej i ma ogromny wpływ na warunki fizykochemiczne. Współczesne organizmy żyją, dzięki stworzeniu odpowiednich warunków przez inne organizmy.
Właściwości organizmu wynikają z warunków i ograniczeń narzuconych przez fizykochemiczne właściwości i historię naszej planety: temperaturę, napromieniowanie, skład chemiczny, strumień energii słonecznej i krążenie materii.
Życie organizmu i życie biosfery są ze sobą ściśle powiązane i nie dają się oddzielić. Ekologię jako naukę zbudowano od spojrzenia na powiązania między osobnikami, a jego środowiskiem(biotopem) innymi osobnikami(populacją), zespołami populacji i całymi ekosystemami.
Ziemia ma kształt spłaszczonej kuli o promieniu równikowym 6378 km i o promieniu biegunowym wynoszącym 6357 km. W skali kosmicznej jest to niewielkie ciało niebieskie. Współcześnie uważa się, że ziemia powstała około 4,5 – 5 mld lat temu(Wszechświat prawdopodobnie w wyniku Wielkiego Wybuchu powstał około 15 mld lat temu). Co najmniej 3,5 mld lat trwa życie organiczne. Obok Ziemi, bliżej Słońca znajduje się planeta Wenus, na której wysoka temperatura przy powierzchni(475 stopni C) oraz ciśnienie około 100 razy większe od ziemskiego uniemożliwiły powstanie życia. Natomiast na planecie, która też sąsiaduje z Ziemią i znajduje się dalej od słońca (Mars) według niektórych naukowców mogło istnieć życie. Temperatura tam panująca wacha się od -90 do -30, a atmosfera składa się głównie z dwutlenku węgla i jest 100 razy rzadsza od ziemskiej. Na razie nie znaleziono śladów życia, ale wysunięto przypuszczenie, że w głębi skorupy ziemskiej mogą znajdować się bakterie chemosyntetyzujące. Kolejne planety znajdujące się dalej od Słońca, czyli Jowisz, Saturn, Uran i Neptun są ogromnymi wirującymi kulami z gazu(wodór, hel, metan), w których wnętrzu panuje ogromne ciśnienie i temperatura.
Środowisko kosmiczne
Przestrzeń międzyplanetarną przenika bardzo słabe pole magnetyczne oraz promieniowanie różnej mocy i różnego rodzaju. Oprócz promieniowanie kosmicznego o dużej mocy, ale małej gęstości cząsteczek, od Słońca rozchodzi się „ wiatr słoneczny” o znacznie mniejszej energii, lecz o większej gęstości. Aktywność Słońca zmienia się w 11-letnim cyklu, ma on wpływ na pogodę i zjonizowanie atmosfery, co daje się wykryć np. w zmianie przyrostu grubości drzew. Do Ziemi dociera także promieniowane elektromagnetyczne o szerokim spektrum (radiowe, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promienie rentgenowski i gamma). Jednak większość z nich zatrzymuje magnetosfera lub wyższe warstwy atmosfery.
Ruch obiegowy
Jeden obieg trwa około 365 dni i 6 godzin. Ziemia obiega Słońce po orbicie eliptycznej. W styczniu wypada peryhelium (Ziemia znajduje się najbliżej Słońca 147,1 mln km), a na początku lipca w aphelium (najbliżej około 152,1 mln km). Oś ziemska nachylona jest do płaszczyzny orbity pod kątem 66,5 stopnia. Dwa razy do roku promienie Słońca padają prostopadle na równik(równonoc jesienna 23 września i wiosenna 21 marca). Oś obrotu Ziemia gdzie Słońce najbardziej pochyla się w kierunku Słońca biegunami nazywamy przesileniami (letnie 22 czerwca, zimowe 22 grudnia). Te rytmiczne zmiany wywołują sezonowe zmiany w klimacie. Zmienia się długość dnia oraz kąt padania promieni słonecznych. Trzeba zwrócić uwagę, że mały kąt padanie powoduje mniejsze natężenie promieniowania, ponieważ strumień energii pokrywa większą powierzchnię. Ponadto, droga promieniowania przez atmosferę jest dłuższa.
Ruch obrotowy
Trwa 24 godziny. Powoduje następstwo dnia i nocy.
Magnetosfera Ziemi
Prądy konwekcyjne powstające w jądrze są odpowiedzialne za wytworzenie się pola magnetycznego. Jego natężenie waha się od 0,3 Oe(Ersted) na równiku do 0,7 Oe przy biegunach. Nie są to zbyt wysokie wartości jednakże tworzą one przestrzeń magnetosfery regulującą ilość docieranego promieniowania, zatrzymuje ona cząstki promieniowania słonecznego i „wiatru słonecznego docierającego na Ziemię.
Hipoteza Milnakovica
Na natężenie promieniowania ma wpływ odległość Ziemi od Słońca (wynikający z ruchów kuli ziemskiej). Milankovic sformułował hipotezę, że złożone ruchy kuli ziemskiej mogą byś przyczyną głębokich zmian klimatycznych. W aphelium Ziemia otrzymuje o 3,6% mniej, a w peryhelium 3,5% więcej energii niż wynosi średnia roczna. Jednakże wydłużanie się orbity ulega wahaniom zależną od oddziaływania innych planet. Wahania te są okresowe (cykl wynosi 92000 lat). Nachylenie płaszczyzny również się zmienia między 21 stopni 48 minut do 24 stopni 24 minuty przy czym okres wahań wynosi 40000 lat. Do tego dochodzi zjawisko precesji(zmiany kierunku osi obrotu) spowodowane tym, iż Ziemia nie jest idealną kulą, w wyniku czego oś ziemska kołysze się, zakreślając powierzchnie stożka wokół prostopadłej do płaszczyzny ekliptyki, przy czym pełny okres wynosi 26000 lat(powoduje to zmiany równonocy wiosennej i zimowej, a także odległości aphelium i peryhelium, np. obecnie peryhelium wypada w styczniu, a za 11000 lat wypadnie w lipcu). Sezonowe zmiany natężenia promieniowania są tym większe im bardziej wydłużona jest elipsa orbity.
Te wszystkie zmiany orbity opisane przez Milankovicia powodują zmiany średniej temperatury nawet o kilkanaście stopni. Zwiększenie ochłodzenia powoduje coraz większe zaleganie pokrywy śnieżnej, która odbija promieniowanie słoneczne i jeszcze bardziej powoduje zmniejszenie temperatury. Te zmiany doprowadzały to powstawania okresowych zlodowaceń.
Czynniki kosmiczne(odpowiednia odległość od Słońca, temperatura utrzymująca wodę w stanie ciekłym czy masa umożliwiająca utrzymanie atmosfery) zapewniają stabilne warunki na Ziemi. Mimo, iż są okresowe zmiany warunków to zakres tych zmian jest niewielki.
Przekrój globu ziemskiego
Jądro o promieniu 3470 km zbudowane z żelaza i niklu.
Płaszcz dolny o miąższości 2500 km złożony z krzemu, magnezu, wapnia, tlenu i glinu.
Płaszcz górny o podobnym składzie co płaszcz dolny i miąższości równej 400 km
Skorupa ziemska o grubości 40-70 km na kontynentach, a zaledwie ledwo 10 km pod oceanami.
Ruchy tektoniczne skorupy ziemskiej
Alfred Wegener stwierdził iż niegdyś wszystkie kontynenty tworzyły jedną całość, wynika to z pasujących do siebie linii brzegowych kontynentów. Udało się to udowodnić, dzięki lepszemu poznaniu dna oceanu światowego m.in. dzięki badaniom satelitarnym.
Skorupa ziemska oraz przylegająca do niej niewielka warstwa płaszcza tworzą litosferę, kruchą i sztywną, pod nią znajduje się kolejna warstwa płaszcza płynna i plastyczna – astenosfera. Płaty litosfery przypominają kry, a astenosfera wodę na której się unoszą. Według współczesnej teorii tektoniki wielkich płyt to właśnie astenosfera unosząca się ku górze, a następnie na boki powoduje rozrywanie i przemieszczanie się wielkich fragmentów litosfery, a w miejscach gdzie skorupa pęka wydobywa się upłynniona magma. Właśnie te zjawiska powodują zmiany położenia kontynentów nawet kilka centymetrów na rok.
Cyrkulacja atmosferyczna i cykl hydrologiczny.
Cykl ten obejmuje cyrkulacje atmosfery, obieg wody oraz erozję, transport, sedymentację mas skalnych, a jego motorem jest promieniowanie słoneczne.
Słońce najbardziej ogrzewa pas globu wokół równika. Rozgrzane powietrze unosi się ku górze(do górnych warstw troposfery) powodując silny prąd konwekcyjny. Gdy jest już wysoko ochładza się, skrapla(jest ono dość mocno nasycone parą wodną), powodując obfite deszcze w strefie równikowej. Tymczasem na zwrotnikach gdzie powietrze jest bardziej suche, wiatr wieje nie w kierunku południkowym, lecz z odchyleniem wschodnim lub zachodnim(wnika to z ruchu obrotowego Ziemi). Powietrze to nagrzewa się i unosi ku górze. Następnie ochładza się i opada dopiero na obszarze biegunów, jednak nie zawiera zbyt wiele pary wodnej(niewielka wilgotność, brak opadów na biegunach).
Woda na Ziemi pochodzi z odgazowania skorupy ziemskiej około 4 mld lat temu. Około 1,5 mln km3 wody znajduje się w stanie ciekłym, znaczna jej ilość jest zgromadzona w postaci lodu około 30000 km3. Na lądach znacznie więcej wody opada niż paruje(wynika to z znacznie większego parowania nad ocenami). Ta opadająca woda zanim trafi z powrotem z lądów na morza i oceany niesie ze sobą wiele rozpuszczonych związków chemicznych. Woda zwłaszcza nasycona dwutlenkiem węgla jest głównym czynnikiem powodującym wietrzenie skał. Współcześnie prawie całe parowanie wody na lądach odbywa się za pośrednictwem roślin pokrywających ich powierzchnię. Ciepło parowania wody wynosi 2,24 kJ/g, a suma wyparowanej wody wynosi około 500000 km3 czyli 5x1018 g. Wykonana praca wynosi 11,2 x 1021 J/rok. Odpowiada to mocy około 355x1012 W(dwa rzędy wielkości więcej niż cała energia zużywana przez wszystkich ludzi na Ziemi). Stanowi to 1/5 energii docierającej do Ziemi od Słońca. Zawartość wody utrzymywanej w atmosferze jest ograniczona (14 tys. km3) ulega 55-krotnej wymianie w ciągu roku(przeciętna cząsteczka w atmosferze przebywa tydzień), po dostaniu się do morza przebywa tam średni o 3650 lat. Transport materii w morzach jest powodowany także prądami morskimi(powodowane przez oddziaływania termiczne Słońca i ruchy Ziemi).
Większość energii dostarcza Słońce powodujące przemieszczanie się mas wody.
Drugim źródłem energii są reakcje jądrowe w głębi Ziemi(powoduje ruchy kontynentów, wybuchy wulkanów itp.)
Nie tylko te dwa procesy mają wpływ na krążenie materii i energii. Życie na Ziemi także zmienia dynamikę przepływu energii i obiegu materii.
Dlatego mówi się o biogeochemii, czyli o krążeniu materii w skorupie ziemskiej, hydro- i atmosferze w wyniku działania sił zarówno natury geofizycznej jak i biologicznej.