基本介紹
- 中文名：生物圈
- 外文名：Biosphere
- 學科：生態環境學
- 含義：生物生活環境
簡介,詞源與套用,概念提出,組成部分,存在條件,範圍,結構,進化,能流,人與生物圈,綜述,糧食問題,環境污染,自然生態系統,生物圈二號,“奢侈的偽科學”,走出烏托邦,穩態說明,演化,
簡介
地球上所有的生物與其環境的總和就叫生物圈。
生物圈
生物圈生物圈 是所有生物鏈的一個統稱，他包含了 生物鏈和所有細微的生物和生態環境，生態系統等。
生物圈（Biosphere）是指地球上所有生態系統的統合整體，是地球的一個外層圈，其範圍大約為海平面上下垂直約10公里。它包括地球上有生命存在和由生命過程變化和轉變的空氣、陸地、岩石圈和水。從地質學的廣義角度上來看生物圈是結合所有生物以及它們之間的關係的全球性的生態系統，包括生物與岩石圈、水圈和空氣的相互作用。生物圈是一個封閉且能自我調控的系統。地球是整個宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。一般認為生物圈是從35億年前生命起源後演化而來。
詞源與套用
地質學家愛德華·蘇威斯於1875年最早使用生物圈這個詞。它本來是一個地質學的詞。它顯示了查爾斯·羅伯特·達爾文和馬修· 方丹· 莫里的理論對地球科學的影響。1920年代生物圈這個詞獲得它的生態意義。1935年生態系統這個詞被引入。弗拉基米爾·沃納德斯基將生態學定義為研究生物圈的科學。生物圈這個概念今天集合了天文學、地質物理學、氣象學、生物地理學、演化論、地質學、地質化學、水文學等多項科學，可以說它集合了所有與地球和生命有關的科學。
概念提出
生物圈的概念、要領是由奧地利地質學家休斯（E.Suess)在1875年首次提出的，是指地球上有生命活動的領域及其居住環境的整體。它包括海平面以上約10000米至生物圈的要領，是指地球上有生命活動的領域及其居住環境的整體，下11000米處，其中包括大氣圈的下層，岩石圈的上層，整個土壤圈和水圈。但絕大多數生物通常生存於地球陸地之上和海洋表面之下各約100 m厚的範圍內，如果把地球看作一個足球大小，那么生物圈就比一張紙還要薄。
組成部分
生物圈主要由生命物質、生物生成性物質和生物惰性物質三部分組成。生命物質又稱活質，是生物有機體的總和；生物生成性物質是由生命物質所組成的有機礦物質相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖質等；生物惰性物質是指大氣低層的氣體、沉積岩、粘土礦物和水。
存在條件
第二、要存在可被生物利用的大量液態水。幾乎所有的生物全都含有大量水分，沒有水就沒有生命。
第三、生物圈內要有適宜生命活動的溫度條件，在此溫度變化範圍內的物質存在氣態、液態和固態三種變化。
總之，地球上有生命存在的地方均屬生物圈。生物圈的要領是由奧地利地質學家休斯（E.Suess）在1875年首次提出的，是指地球上有生命活動的領域及其居住環境的整體。生物的生命活動促進了能量流動和物質循環，並引起生物的生命活動發生變化。生物要從環境中取得必需的能量和物質，就得適應環境，環境發生了變化，又反過來推動生物的適應性，這種反作用促進了整個生物界持續不斷的變化。
範圍
生物圈包括海平面以上約10000米至海平面以下10000米處，包括大氣圈底部（可飛翔的鳥類、昆蟲、細菌等），岩石圈的表面（是一切生物的“立足點”），水圈的全部（距離海平面150米內的水層）。生物圈為生物的生存提供了基本條件：營養物質、陽光、空氣和水、適宜的溫度和一定的生存空間。但是，大部分生物都集中在地表以上100米到水下100米的大氣圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈層的交界處，這裡是生物圈的核心。
生物圈生物圈裡繁衍著各種各樣的生命，為了獲得足夠的能量和營養物質以支持生命活動，在這些生物之間，存在著吃與被吃的關係。“大魚吃小魚，小魚吃蝦米”，這句俗語就體現了這樣一種簡單的關係。但是，要維持整個龐大的生物圈的生命活動，這么簡單的關係顯然是不行的。生物圈有自我調節的能力。生物圈是一個統一的整體。
分解者，主要指微生物，可將有機物分解為無機物。這三類生物與其所生活的無機環境一起，構成了一個生態系統：生產者從無機環境中攝取能量，合成有機物；生產者被一級消費者吞食以後，將自身的能量傳遞給一級消費者；一級消費者被捕食後，再將能量傳遞給二級、三級……最後，當有機生命死亡以後，分解者將它們再分解為無機物，把來源於環境的，再復歸於環境。這就是一個生態系統完整的物質和能量流動。只有當生態系統內生物與環境、各種生物之間長期的相互作用下，生物的種類、數量及其生產能力都達到相對穩定的狀態時，系統的能量輸入與輸出才能達到平衡；反過來，只有能量達到平衡，生物的生命活動也才能相對穩定。所以，生態系統中的任何一部分都不能被破壞，否則，就會打亂整個生態系統的秩序。請大家善待所有的動物。
結構
地球表層由大氣圈、水圈和岩石圈構成，三圈中適於生物生存的範圍就是生物圈。水圈中幾乎到處都有生物，但主要集中於表層和淺水的底層。世界大洋最深處超過11000米，這裡還能發現深海生物。限制生物在深海分布的主要因素有缺光、缺氧和隨深度而增加的壓力。大氣圈中生物主要集中於下層，即與岩石圈的交界處。鳥類能高飛數千米，花粉、昆蟲以及一些小動物可被氣流帶至高空，甚至在22000米的平流層中還發現有細菌和真菌。限制生物向高空分布的主要因素有缺氧、缺水、低溫和低氣壓。在岩石圈中，生物分布的最深記錄是生存在地下2500～3000米處石油中的石油細菌，但大多數生物生存於土壤上層幾十厘米之內。限制生物向土壤深處分布的主要因素有缺氧和缺光。由此可知,雖然生物可見於由赤道至兩極之間的廣大地區，但就厚度來講，生物圈在地球上只占據薄薄的一層。
進化
地球是生物起源和進化的理想環境。已知的生命現象都離不開液態水。地球與太陽的距離以及地球的自轉使地表溫度足以維持液態水的存在；地球的引力保證了大部分氣態分子不致逃逸到太空去。地球的磁場禁止了一部分高能射線，使地表生物免遭傷害。然而這一切只是為生命提供了存在的可能性。現今地球上生存的各種生物都是幾十億年生物進化的結果，是生物與環境長期互動作用的產物。
生物圈
生物圈當地球上剛出現生命的時候，原始大氣還富含甲烷、氨、硫化氫和水汽等含氫化合物，屬還原性。現今的大部分生物都不能在其中生存。後來出現了藍藻，它可以通過光合作用放出游離氧，使大氣含氧量逐漸增多，變為氧化性，為需氧生物的出現開闢了道路。隨著氧氣的增多，在高空出現了臭氧層，阻止住紫外線對生命的輻射傷害，於是過去只能躲在海水深處才能存活的生物便有可能發展到陸地上來。但生物初到陸地上的時候，遇到的只是岩石和風化的岩石碎屑，大部分高等植物不能賴以生存，只是在低等植物和微生物的長期作用下，才形成了肥沃的土壤。經過長期的生物進化，最後出現了廣布世界的各種植物和棲息其間的各種動物，逐步形成了生物圈。
能流
地球與太空幾乎沒有物質交換，但卻接受大量太陽輻射能，太陽能是維持一切生命活動的原動力，能量在生物圈中逐級傳送，最後以熱能形式散發到太空。地球內部也產生大量殘骸（包括煤炭等）中，但地球總體的能量收支大致平衡。到達地球外層空間（60公里高空）的太陽輻射量是恆定的,約為2卡/(厘米?分)，稱太陽常數。但平均說來只有一半（約47%）到達地面，另一半（約53%）於途中被反射或吸收掉。生物圈各部分實際接受的太陽輻射量差別很大，這是由於緯度、季節以及大氣透明度（雲層）的影響造成的。熱帶地區全年接受比較直射的陽光，因而輻射量最大。隨著緯度的增高，陽光入射角改變，通過的大氣距離也加大，單位地表接受的輻射量降低。輻射量按千蘭/年計算(1蘭=1卡/厘米)。最高值（200千蘭/年以上）出現於荒漠地區,例如在北非的撒哈拉沙漠和西亞的阿拉伯沙漠，80%以上的太陽常數能到達地面，原因除緯度低外，主要是乾燥少雲。最低值（低於100千蘭/年）出現於高緯度地區，包括高於50的大陸地區和高於40的海洋地區。太陽輻射量因季節變化而產生的差異在高緯度地區更為明顯，因為那裡的日照時間隨季節變化很大。
生物圈
生物圈太陽輻射在地球上的不均勻分布，造成了不同的氣候類型，從而影響了地球上的生物分布；它也是地面氣流（風）、水流和水汽循環的主要動因。
生物圈中的能流與物流是相伴隨的，因為太陽輻射能先通過光合作用被植物體固定下來，然後以化學能的形式沿食物鏈逐級傳遞。動物和微生物的取食活動就是傳遞能量的方式。一般說來，化學元素之進入生物體內是靠生物的主動攝取，而化學元素在自然界中的循環運動則是由氣流和水流來完成的。陸地生物生存於大氣之中，氣態營養物和廢物很容易在生物與環境間循環運動。一般可溶性物質是隨水進出生物體的。就全球來講，江河中所攜帶的可溶性物質，只能隨水流由高向低移動，最後歸入湖泊和海洋。當湖水和海水蒸發時，這些物質被留下，有的還形成沉積物。能以氣溶膠等形式回到陸地的極少。因此液態的物質循環常常是不完全的。
人與生物圈
綜述
人是生物圈中占統治地位的生物，能大規模地改變生物圈,使其為人類的需要服務。然而，人類畢竟是生物圈中的一個成員，必需依賴於生物圈提供一切生活資料。人類對生物圈的改造應有一定限度，超過限度就會破壞生物圈的動態平衡，造成嚴重後果。在地球上出現人類以後大約300萬年的時期里,人類與其周圍的生物和環境處於合理的平衡之中。人在生物圈中的地位，從對生物圈能施加的影響而言，並不明顯地超過其他動物。食物缺乏以及疾病等因素限制著人口密度。
糧食問題
大約1萬年以前，人類學會栽培植物。農業技術和貯存方法的改善，使人類生活不再局限於天天採集必需的食品，而能夠從事更多的創造性活動。隨著生產力的提高，人口逐漸增加並向城市集中，製造商品的手工業日益發展，人類活動對環境的影響和衝擊也日益增加。尤其是產業革命以後的近幾百年，開礦、挖煤、採油、伐林、墾荒、捕撈等規模迅速擴大，生物圈的面貌也發生了極大變化。這種變化不僅影響著其中的其他成員，也對人類自身產生巨大影響。20世紀60年代以來，人口的膨脹、世界資源的相對短缺和大範圍的環境污染，迫使人們從生物圈的角度考慮問題和解決問題。70年代相繼召開的一系列國際會議，如1971年聯合國創議的“人與生物圈會議”、1972年的“人類環境會議”、1974年的“世界人口會議”等，便反映了上述認識。
水圈和岩石圈
水圈和岩石圈世界人口正以大約35年翻一番的速度猛增,但地球上可耕土地卻是有限的，這必然造成全球範圍的糧食問題。濫墾、濫牧、濫伐的日益嚴重，建設用地的高速擴展，都使全球植被減少。隨之而來的後果是大範圍的水土流失，耕地質量下降甚至發生荒漠化；失去了植被調節氣候的作用，氣溫波動增大，水旱災害增多；太陽輻射被反射散失的成分增加，綠色植物固定CO、產生O的能力隨植被減少而等比地喪失。水域捕撈也已接近極限，某些魚類多次大規模減產。化石燃料是現代工業的基石之一，但它的蘊藏量畢竟是有限的。隨著使用速度的日益增長，燃料危機不斷加劇。
環境污染
環境污染現已成為世界性問題。因工業排放含硫氧化物和氮氧化物的煙霧而造成酸雨波及數百里之外；燃燒油、煤及翻耕土地排出的CO彌散於全球大氣中，有可能因向下反射地表的紅外輻射而提高氣溫；噴氣式飛行器排放的氮氧化物可能減少高空的臭氧，從而削弱對太陽紫外線的禁止作用；很多污染物隨水流擴散到遠處，造成明顯為害。現今世界癌瘤發病率的升高，可能與環境污染有關。
總之，地球的資源是有限的，經不起日益膨脹的人口任意浪費；世界上現存的生態系統面對著工業傾吐出來的大量污染物，顯得相當脆弱。自工業革命以來，都市不斷擴大，自然保護的呼聲也隨之增高。然而只有到了生態學高度發展以後，人們才對自然保護有了比較正確的認識。自然保護並不是對自然資源棄置不用，任其自生自滅，而是積極地進行合理開發。
自然生態系統
自然生態系統達到成熟階段時，其能量和物質的輸入、輸出之間往往保持相對平衡，而系統中的生物種數以及各種群的數量比例也相對穩定。這種生態平衡狀態給生態學家以很大的啟發：人類不僅要力求增進能利用的效率(生態效率)，還要維持物質循環源源不斷，這是問題的一個方面；另一方面，人類今天要處理的是“人與生物圈”系統中，人的物質要求與環境的穩定供應之間的平衡。為此，某些自然系統一定要被生產效率更高的人工系統取代，原有的生態平衡要打破,而代之以人為干預下的新型平衡。例如在人為的農業生產系統中，取得最大產量所利用的並不是系統的成熟階段，而往往是發展過程中的中間階段。人類不僅要求生物圈能長期穩定地滿足其不斷增長的物質要求，而且要求環境質量不降低。造成這樣的“人與生物圈”系統的總體平衡是人類的主要目標。
生物圈二號
1991年9月26日，建造在美國亞利桑那沙漠中的“生物圈2號”實驗室開始啟用，4名男科學家和4名女科學家將在這個密封世界中生活兩年，過一種近乎與世隔絕的自給自足的生活。這項試驗的目的是通過研究植物、動物、昆蟲、空氣、土壤、人類和一個大型空氣調節系統在這座溫室中的相互作用及影響，更好地了解地球生物圈的運作規律。
生物圈2號（Biosphere 2）是美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的一座微型人工生態循環系統，因把地球本身稱作生物圈1號而得此名，它由美國前橄欖球運動員約翰·艾倫發起，並與幾家財團聯手出資，委託空間生物圈風險投資公司承建，歷時8年，耗資1 .5億美元。生物圈2號計畫設計在密閉狀態下進行生態與環境研究，幫助人類了解地球是如何運作，並研究在仿真地球生態環境的條件下，人類是否適合生存的問題。為了儘量貼近自然環境，該圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理區間，通過一定的人工處理再利用。例如，實驗用的海水是將運進來的海水和淡水按照適當比例配製而成的。
這個實驗為什麼會失敗呢？科學家對此做出了總結：除了二氧化碳多、氧氣少、水循環失調等原因以外，生物種類關係的失調也是重要的原因。原來，設計者雖然在“生物圈II號”內模擬了多種生態系統，但引進的生物卻主要是生產者，動物、真菌和細菌的種類和數量都較少。傳粉的昆蟲死去了，有些植物就只開花不結果了。由於動物的種類和適量減少了，植物很少恐怕還有比例不對的原因，在真的生物圈中平均每人所對應的大氣、水、植物等是那么的廣闊，而二號呢？環境資源與人的比例嚴重偏小，就那點大氣、水、植物等,哪怕就是生活一個人也已嚴重不夠了，更何況是幾個人。
生物圈2號實驗室
生物圈2號實驗室二氧化碳多、氧氣少是結果而非原因，二氧化碳多、氧氣少是因為植物相對太少了，不足以將人和植物自身產生的那么多二氧化碳轉化並釋放氧氣.氧氣的消耗速度高於產生速度,而二氧化碳的產生高於消耗。
被視為反面教材的生物圈2號現狀如何？它還是“奢侈的偽科學”嗎？美國石油大王所投的巨資是否打了水漂？若干年前，在美國亞利桑那州的沙漠中再造一個“迷你地球”的實驗失敗後，耗資2億美元的“生物圈2號”一時間成為笑柄，甚至被斥之為“奢侈的偽科學”。直到今天，生物圈2號仍然被很多人看作是藐視自然的反面教材。然而，或許很少有人注意到，這些年來生物圈2號正在悄悄發生變化：它吸引了大量遊客和學生，成為一個絕佳的旅遊勝地和教育基地；尤其重要的是，它漸漸贏得了科學界的尊重，成為一個非常難得的關於全球氣候變化效應的研究中心。
生物圈2號入口
生物圈2號入口“奢侈的偽科學”
曾經有人提出過一個看似天方夜譚的構想，在我們生活的地球上再造一個“迷你地球”，探求人類在這個現代“南泥灣”之中自給自足，以及未來在月球或火星上建立生存空間的可能性。美國德克薩斯州的石油大王愛德華·巴斯為此憧憬不已。
從1984年到1991年，巴斯個人出資2億美元，在美國亞利桑那州圖森市以北的沙漠中建起了“生物圈2號”。生物圈2號占地13000平方米，仿佛一個巨大的溫室，雨林、沙漠、草原和海洋應有盡有。“生物圈1號”是我們生活的地球，顧名思義，生物圈2號就是一個“迷你地球”。
1991年9月26日，生物圈2號迎來第一批志願者，4男4女開始了為期兩年、與世隔絕的生活。儘管這些居民事先花去幾年時間接受了工程、農業等方面的良好培訓（其中一位甚至接受了牙科訓練），擁有每年耗資百萬美元的技術支持，各種各樣的災難仍然接踵而來：各種動植物大量死亡，蟑螂和螞蟻卻兒孫滿堂；更為糟糕的是，到了1993年1月，生物圈2號內的氧氣含量從21%下降到14%，不得不從外界補充氧氣，自給自足的幻想徹底破滅。
生物圈2號：接待室
生物圈2號：接待室實驗失敗了。經過短暫的休整，生物圈2號又迎來了第二批居民。5男2女住了個半月後，由於一氧化二氮（N2O）積累過多，在1994年9月17日被迫離開，實驗再度以失敗告終。打那以後，再也沒人在生物圈2號中過日子了。
一個“烏托邦”式的科研計畫宣告破產，生物圈2號遭到了一些人無情的嘲笑，有人甚至斥之為“奢侈的偽科學”。
當然，生物圈2號也使人們更加明白一個看似淺顯的道理：“目前地球仍然是人類的惟一家園。”不僅如此，它還在不經意間給人們留下了一些佳話。
生物圈2號稱得上是一個“小聯合國”，居民分別來自美國、英國、墨西哥、尼泊爾等7個國家。在這個“小聯合國”里，培育出了愛情之花。實驗結束幾個月後，兩批居民中分別有一對結成伉儷。這或許應了一句古話：患難見真情。
生物圈2號：一進門的地方
生物圈2號：一進門的地方另外，由於糧食歉收，生物圈2號的居民不得不控制飲食。結果第一批居民中的4名男性體重平均下降18%，4名女性體重平均下降10%，膽固醇的平均值由195下降到正常值125，使得這些平常為減肥而痛苦不已的人平添一份驚喜，真可謂無心插柳柳成蔭。當時的一位居民、加利福尼亞大學洛杉磯分校的羅伊·沃爾福德教授甚至繼續維持當時的食量，“因為那樣有助於健康”。
走出烏托邦
痛定思痛，巴斯決心調整生物圈2號的定位。於是，他求助於哥倫比亞大學的科學家，看看用2億美元打造出來的生物圈2號到底能做些什麼。
1996年1月，巴斯乾脆把生物圈2號交給哥倫比亞大學打理，並投入4000萬美元作為今後5年的改造和運行費用。經過一番考慮，哥倫比亞大學計畫把生物圈2號改造為一個致力於地球系統科學的研究中心，同時請來威廉·哈里斯擔任新的負責人。哈里斯曾在美國國家科學基金會工作多年，是一位管理大型科研項目的高手。
內景有道是，峰迴路轉。兩年後，人造海洋終於“濺起了一些水花”。發表在1998年2月13日美國《科學》雜誌上的一篇論文稱，隨著生物圈2號內溫室氣體二氧化碳含量的增加，人造海洋中珊瑚的生存受到了威脅。
這樣一篇論文，對外行來說或許沒什麼大不了的，對生物圈2號來說卻大概算得上一個轉折點。在全球變暖日益受到國際社會高度重視的今天，那篇論文清楚地表明：生物圈2號恰恰是研究全球變暖如何影響生態系統的一個理想平台。
2001年4月，世界著名植物學家貝瑞·奧斯蒙德接替哈里斯領銜生物圈2號。生物圈2號研究中心的林光輝博士告訴本報記者，前已有多項與全球氣候變化有關的研究項目正在生物圈2號開展，吸引了不少世界一流的科學家。
在科學研究上，恐怕沒有人能夠保證，只要有投入就一定會有回報，古今中外都不乏數以億計的投資有去無回的實例。問題在於，我們是否明白科研計畫失敗的真正原因，是否真正理解“失敗是成功之母”。生物圈2號的今昔，為我們提供了一個極好的範本。
穩態說明
作為地球上最大的生態系統，生物圈的結構和功能夠長期維持相對穩定狀態，這一現象稱為生物圈的穩態。
首先，從能量角度來看，源源不斷的太陽能是生物圈維持正常運轉的動力。太陽能轉變為生物能夠利用的化學能是通過綠色植物的光合作用實現的。這是生物圈賴以存在的能量基礎。
第二，從物質方面來看，大氣圈、水圈和岩石圈為生物的生存提供了各種必需的物質。生物圈內生產者、消費者和分解者所形成的三極結構，接通了從無機物到有機物，經過各種生物的多級利用，再分解為無機物重新循環的完整迴路(圖6-3)。生物圈可以說是一個在物質上自給自足的生態系統，這是生物圈賴以存在的物質基礎。
第三，生物圈具有多層次的自我調節能力。例如，大氣中二氧化碳含量增加時，會使植物加強光合作用，增加對二氧化碳的吸收；一種生物絕滅後，生物圈中起相同作用的其他生物就會取代它的位置；某種植食性動物數量增加時，有關植物種群和天敵種群的數量也隨之變化，從而使這種動物種群的數量得到控制。
生物圈雖然具有自我維持穩態的能力，但是，這種能力是有限度的。人類活動在許多方面對生物圈造成的影響已經超過這種限度，對生物圈的穩態構成嚴重威脅。
第二，從物質方面來看，大氣圈、水圈和岩石圈為生物的生存提供了各種必需的物質。生物圈內生產者、消費者和分解者所形成的三極結構，接通了從無機物到有機物，經過各種生物的多級利用，再分解為無機物重新循環的完整迴路(圖6-3)。生物圈可以說是一個在物質上自給自足的生態系統，這是生物圈賴以存在的物質基礎。
第三，生物圈具有多層次的自我調節能力。例如，大氣中二氧化碳含量增加時，會使植物加強光合作用，增加對二氧化碳的吸收；一種生物絕滅後，生物圈中起相同作用的其他生物就會取代它的位置；某種植食性動物數量增加時，有關植物種群和天敵種群的數量也隨之變化，從而使這種動物種群的數量得到控制。
生物圈雖然具有自我維持穩態的能力，但是，這種能力是有限度的。人類活動在許多方面對生物圈造成的影響已經超過這種限度，對生物圈的穩態構成嚴重威脅。
演化
生物圈演化是指地球生物圈在漫長地質年代所發生的變化。生物圈是地球上有生命存在的特殊圈層。它的存在是從地球上生命的產生開始。它的演化是指生物進化和生物與環境相互作用的進化，以及由此引起的生物圈狀況的進化。
生物圈進化可以用生態系統進化來描述。
①生命在地球上產生，單極生態系統出現。它是由原始異養生物和原生環境（原始海洋和原始大氣）構成的自然生態系統。
②單機生態系統演化為二級生態系統。20億年前綠色藻類產生，標誌自養生物的出現，單極生態系統演化為具有自養和異養兩種生物的生態系統。它導致地球大氣中氧的出現，氧化性大氣的形成，原生生物圈發展為次生生物圈。
③三級生態系統的出現。6億多年前多細胞動物出現，完成了二級生態系統向三級生態系統的發展，形成生產者（植物）、消費者（動物）和轉化者（微生物）的三級結構，奠定了生態系統演化的基本格局。
