Хотя в настоящее время собраны обширные материалы, характеризующие изменения в прошлом верхних слоев литосферы, а также живых организмов, однако эти материалы очень неравномерно освещают геологическую историю Земли.
Наибольшее количество информации сохранилось для фанерозоя, т. е. для последних 570 млн. лет. Хотя материалы для гораздо более продолжительного докембрийского времени сейчас быстро возрастают, общий объем их очень невелик по сравнению с объемом данных для фанерозоя.
В отличие от состояния знаний о структуре современной биосферы, сведения об океанических водах и атмосфере в геологическом прошлом весьма ограничены. Недостаток прямых данных по этому вопросу часто восполнялся использованием результатов различных косвенных методов исследования, а иногда более или менее правдоподобными догадками.
Самое простое предположение в этом случае заключалось в утверждении, что атмосфера и гидросфера в прошлом мало отличались от их современного состояния. Это предположение, соответствующее униформисте кому подходу к изучению природных условий прошлого, в свое время могло быть оправдано отсутствием материалов для оценки изменений в состоянии океанических вод и атмосферы.
Ошибочность мнения о постоянстве физического состояния атмосферы и вод океанов была установлена еще в прошлом веке, когда выяснилось, что в плейстоцене и в более раннее время происходили значительные колебания климата, связанные с резкими изменениями температуры воздуха и океанических вод и с другими изменениями гидрометеорологического режима. В настоящее время сведения о климатических условиях прошлого значительно расширились, о чем подробнее говорится ниже.
Менее ясен вопрос об изменениях в прошлом химического состава и общей массы атмосферного воздуха н океанических вод. Имеющиеся данные позволяют предполагать, что во всяком случае для фанерозоя масса вод океанов и их химический состав изменялись сравнительно мало. В отношении атмосферного воздуха часто высказывались предположения, что на протяжении всей истории Земли происходили изменения его массы и химического состава, хотя конкретные данные об этих изменениях отсутствовали. Между тем, сведения об эволюции атмосферы крайне необходимы для понимания закономерностей развития организмов и изменений биосферы в целом. Этот вопрос подробнее обсуждается ниже.
Задача построения полной численной модели эволюции биосферы пока еще далека от разрешения. Эта задача не разрешена в общем виде даже в области теории климата, где, как отмечено выше, достигнуты значительные успехи в изучении генезиса современного климата на основе общих законов физики атмосферы. Следует, однако, отметить, что в последние годы разработан ряд упрощенных моделей изменения климата, применение которых позволило выяснить причины изменения климата для ряда интервалов времени в геологическом прошлом (в основном для фанерозоя) и в современную эпоху.
Имеются попытки построения численных моделей эволюции химического состава атмосферы, к числу которых относится работа Харта. Хотя это исследование содержит ряд упрощений, в том числе не вполне обоснованных, оно имеет важное значение как одна из первых попыток создания модели эволюции существенной компоненты биосферы.
Следует указать на одно из главных препятствий к построению общей модели биосферы — отсутствие сколько-нибудь обоснованных подходов для объяснения смен последовательных фаун и флор.
Из обширных материалов палеонтологической летописи известно, что процесс эволюции был сложным и неравномерным, причем в отдельные эпохи происходило быстрое распространение новых форм организмов, тогда как в другие эпохи многие ранее многочисленные группы вымирали.
Даже качественное объяснение неравномерности эволюции организмов связано с большими трудностями и обычно приводит к значительным разногласиям между отдельными исследователями. Сейчас отсутствует научная основа для решения такой задачи, как построение филогенетического дерева развития организмов в соответствии со шкалой абсолютного возраста методом дедукции на основании общих законов развития биосферы.
Если бы эту задачу удалось решить так, чтобы полученные выводы оказались согласующимися с эмпирическими материалами палеонтологической летописи, результаты данного исследования могли бы существенно дополнить эту летопись, восстановить ее разрывы и представить сведения об особенностях функций исчезнувших животных, которые не могут быть найдены из палеонтологических материалов. При этом был бы выяснен вопрос о причинах возникновения и смены последовательных фаун.
Для приближения к решению указанной задачи, кроме накопления эмпирического материала о природных условиях прошлого, необходимо изучение связей между изменениями окружающей среды и эволюцией организмов. Главным препятствием для выяснения этих связей является крайняя ограниченность сведений о свойствах среды, окружавшей организмы в геологическом прошлом. В связи с этим во втором разделе работы рассматривается вопрос о возможности расширения этих сведений.