Тривале, стабільне існування життя на Землі в формі біосфери розглядається сучасною наукою як процес самоорганізації у відкритій нерівноважної системі планетарного масштабу. З позицій нерівноважноїтермодинаміки біосфера - диссипативная структура, висока внутрішня впорядкованість якої носить динамічний, рухливий характер і реалізується за рахунок постійного поглинання і розсіювання енергії.
Здійснення в біосфері біогеохімічних циклів, що визначають структуру біосфери, вимагає витрат енергії. На відміну від руху хімічних елементів, розподіл енергії в біосфері є не кругообіг, а односпрямований потік. Згідно з другим початком термодинаміки в міру послідовного проходження через елементи біосфери енергія розсіюється в навколишнє середовище у вигляді тепла і не може знову використовуватися живими організмами.
Основним джерелом енергії для біотичного кругообігу є електромагнітне випромінювання Сонця у видимому діапазоні - світлове випромінювання. Ще одне джерело, незначним за вкладом в загальну енергетику біосфери, є енергія хімічних зв'язків ряду неорганічних речовин. Земля отримує від Сонця близько 5,4 ∙ 10 24 Дж на рік. Близько 40% цієї енергії відбивається від хмар назад в космос, 15% поглинається атмосферою і до поверхні Землі доходить близько 45%. Але для підтримки структури біосфери використовується не вся енергія, що досягла суші або океану, а лише та, яка поглинається молекулами хлорофілу зелених рослин і інших фотосинтезуючих організмів і перетворюється в енергію хімічних зв'язків органічних речовин. Фотосинтетики поглинають лише 1-5% загального потоку сонячної енергії.
Якщо зіставити кількість енергії, перетвореної в органічні речовини рослинами, з кількістю сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, то коефіцієнт корисної дії фотосинтезу виявляється вкрай низьким (менше 1%), інша енергія розсіюється у вигляді тепла. Тільки в рідкісних випадках, що стосуються культурних рослин з високою продуктивністю, можна підвищити ККД до 3%. Загальна кількість енергії, щорічно пов'язують фотосинтезуючими організмами океану і суші, дорівнює приблизно 1,08 ∙ 10 21 Дж, що становить лише 0,02% від загального потоку падаючої на Землю сонячної енергії. Лише цю енергію (і енергію, пов'язану в результаті хемосинтезу) можуть використовувати всі інші гетеротрофні організми для здійснення життєвих функцій, результатом яких є міграція речовини в біосфері.
Фотосинтез, хемосинтез, харчування, дихання і бродіння - основні процеси, завдяки яким потік енергії проходить через живу речовину біосфери. Перші два процеси забезпечують синтез багатих енергією органічних речовин за рахунок поглощеніясвета (фотосинтезу) і окислення неорганічних речовин (хемосинтезу). Перенесення органічної речовини і міститься в ньому енергії від одного організму до іншого здійснюється в процесі харчування. В ході дихання і бродіння органічні речовини розщеплюються, а укладена в них енергія використовується живими організмами, але в кінцевому підсумку переходить в тепло.
Таким чином, енергетичний потік через живу речовину - це процес втрати організмами енергії, накопиченої автотрофами в ході фото- і хемосинтезу. Вся вивільнена в процесі життєдіяльності в біосфері енергія випромінюється поверхнею Землі в світовий простір, головним чином, у вигляді електромагнітного випромінювання інфрачервоного діапазону.
У загальному енергетичному балансі біосфери принципово важливо, що ентропія що надходить на Землю короткохвильового світлового випромінювання менше, ніж ентропія довгохвильового теплового випромінювання, перєїзлучать нашою планетою. Вся біосфера Землі являє собою високоорганізовану систему, впорядкованість в якій підтримується за рахунок різниці ентропії поглинається і випромінюється потоку енергії.
Так як основним джерелом енергії в біосфері є Сонце, стабільність існування біосфери в першу чергу залежить від сталості його випромінювання. Потужність випромінювання Сонця досить стабільна. Однак в історії Землі відомі глобальні ритмічні зміни клімату. Однією з основних причин змін клімату вважають невеликі варіації земної орбіти і нахилу земної осі, які змінюють кількість сонячної енергії, що надходить на Землю. Цього виявляється досить для помітних наслідків в нелінійної системі "атмосфера - океан". Малі астрономічні фактори є джерелом значних періодичних перебудов в кліматі планети, а разом з цим - і в біосфері. Ці глобальні циклічні процеси мають періоди в сотні і десятки тисяч років. Механізми їх впливу на еволюцію біосфери вивчені поки слабо.
Крім астрономічних факторів, на величину потоку енергії в біосфері можуть впливати і планетарні чинники, такі, як прозорість і хімічний склад атмосфери. Так, зниження прозорості атмосфери, викликане викидами вулканічного попелу при посиленні сейсмічної активності або її запиленням і задимленням в результаті діяльності людини (промислові викиди, пожежі, ядерні вибухи), може призводити до зменшення кількості енергії, що фіксується фотосинтезуючими організмами, а значить, до зменшення потоку енергії в біосфері.
Але поряд зі стабільністю Сонця, незмінністю орбіти Землі і нахилу її осі, постійністю складу атмосфери найважливішою умовою стабільного існування біосфери є сохранностьфункціональной організації її біотичного компонента. Адже саме живі організми, пов'язані харчовими взаємодіями, забезпечують існування стабільних каналів розподілу речовини і енергії.