生物圈是什么?关于生物圈的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:50:35

生物圈(Biosphere)是指地球上所有生态系统的统合整体,是地球的一个外层圈,其范围为海平面上下垂直10公里。它包括地球上有生命存在和由生命过程变化和转变的空气、陆地、岩石圈和水。从地质学的广义角度上来看生物圈是结合所有生物以及它们之间的关系的全球性的生态系统,包括生物与岩石圈、水圈和空气的相互作用。生物圈是一个封闭且能自我调控的系统。地球目前是整个宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。

一般来说,生物圈是包含所有生态系统的封闭的、自我调节的系统。这包括人造生物圈,如生物圈2号和生物圈3号,以及其他行星或卫星上的潜在生物圈,也可以说地球上所有的生物体和赖以生存的环境,合称生物圈。

该术语的来源和使用

地球上的海滩场景,同时显示岩石圈(地面)、水圈(海洋)和大气(空气)

“生物圈”一词是由地质学家爱德华·修斯在1875年创造的,他将生物圈定义为地球表面上生命居住的地方。

虽然这个概念有一个地质起源,但它表明了查尔斯·达尔文和马修·莫里对地球科学的影响。生物圈的生态环境起源于20世纪20年代(见弗拉基米尔·弗纳德斯基),在阿瑟·坦斯利爵士于1935年引入“生态系统”一词之前(见生态学史)。沃尔纳德斯基将生态学定义为生物圈科学。这是一个跨学科的概念,用于整合天文学、地球物理学、气象学、生物地理学、进化论、地质学、地球化学、水文学以及一般来说所有生命和地球科学。

狭义定义

地球化学家将生物圈定义为生物有机体的总和(生物学家和生态学家称之为“生物量”或“生物群”)。从这个意义上说,生物圈只是地球化学模型的四个独立组成部分之一,另外三个是地圈、水圈和大气层。当这四个组成球体结合成一个系统时,它被称为生态圈。这个术语是在20世纪60年代创造的,包括地球的生物和物理组成部分。

第二次生命系统国际会议将生物圈定义为地球生物圈类似物和模型的科学和技术;即人造类地球生物圈。 其他可能包括创建人造非地球生物圈——例如,以人为中心的生物圈或天然火星生物圈——作为生物圈主体的一部分。

地球的生物圈

年龄

叠层石化石估计有3.2-3.6亿年历史

地球上生命的最早证据包括在西部格陵兰岛37亿年前的变质沉积岩中发现的生物石墨和在西澳大利亚34.8亿年前的砂岩中发现的微生物垫化石。最近,2015年,在西澳大利亚有41亿年历史的岩石中发现了“生物遗迹”。2017年,加拿大魁北克省努瓦吉图格带热液喷口沉淀物中发现了假定的微生物化石(或微体化石),这些沉淀物的历史长达42.8亿年,是地球上最古老的生命记录,表明在44亿年前海洋形成后,以及在45.4亿年前地球形成后不久,“生命几乎瞬间出现”。生物学家斯蒂芬·布莱尔·赫奇斯说:“如果地球上的生命出现得相对较快...那么它可能在宇宙中很常见。”

程度

吕佩尔的秃鹫

来自加拉帕戈斯裂谷的嗜压生物异嗜体。

从极地冰盖到赤道,地球的每一个地方都有某种生命。微生物学的最新进展表明,微生物生活在地球陆地以下的深处,在所谓的“不适宜居住区”,微生物生物量可能超过地球表面的所有动物和植物。地球生物圈的实际厚度很难测量。鸟类通常在高达1800米的高度飞行(5900英尺;1.1英里),在波多黎各海沟中鱼类可在水下8,372米(27,467英尺;5.202英里)的地方生存。

地球上还有更极端的生命例子:秃鹫在海拔11300米(37100英尺;7.0英里)处被发现;斑头雁在至少8,300米(27,200英尺;5.2英里)的高度迁移;牦牛生活在海拔高达5400米(17700英尺;海拔3.4英里);山羊可生存在3,050米(10,010英尺;1.90英里)。这些高地的食草动物依赖地衣、草和草本植物生活。

生命形式生活在地球生物圈的每一个部分,包括土壤、温泉、地下至少19公里(12英里)深的岩石、海洋最深的部分以及至少64公里(40英里)高的大气中。在某些试验条件下,观察到微生物在外层空间的真空中存活。土壤和地下细菌碳总量估计为5 × 10[17]克,即“英国的重量”。 原核微生物(包括细菌和古细菌,但不包括真核生物微生物)的质量可能高达0.8万亿吨碳(生物圈总质量估计在1到4万亿吨之间)。 在马里亚纳海沟发现嗜碱性海洋微生物的深度超过10,000米(33,000英尺;6.2英里),这是地球海洋中最深的地方。 事实上,在马里亚纳海沟最深处11,034米(36,201英尺;6.856英里)发现了单细胞生命形式。 其他研究人员报告了相关的研究,即微生物在海底以下580米(1900英尺;0.36英里),低于海底2,590米(8,500英尺;美国西北部海岸1.61英里, 以及2,400米(7,900英尺;1.5英里)的海底岩石内茁壮成长。 可培养的嗜热微生物已从5000米(16000英尺;3.1英里)进入瑞典的地壳。温度随着地壳深度的增加而增加。温度上升的速度取决于许多因素,包括地壳类型(大陆与海洋)、岩石类型、地理位置等。微生物生命可以存在的最大已知温度是122℃(252℉)(甲烷毒砂菌株116),并且“深层生物圈”中的生命极限很可能是由温度而不是由深度来决定的。2014年8月20日,科学家证实了生活在南极冰下800米(2600英尺;0.50英里)的微生物。根据一名研究人员的说法,“你可以在任何地方找到微生物——它们对环境适应性极强,无论在哪里都能生存。”

我们的生物圈被分成许多生物群落,居住着相似的动植物。在陆地上,生物群落主要由纬度分开。位于北极和南极圈内的陆地生物群落相对缺乏植物和动物,而大多数数量较多的生物群落位于赤道附近。

年变化

在陆地上,植被的规模从棕色(低植被)到深绿色(大量植被);在海洋表面,浮游植物的等级从紫色(低)到黄色(高)。这种可视化是利用包括海洋观测卫星在内的卫星以及包括美国航天局/诺阿可见红外成像辐射计套件和中分辨率成像光谱仪在内的仪器的数据创建的。

人造生物圈

实验生物球,也被称为封闭生态系统,已经被创造出来用以研究生态系统和支持地球外生命的潜力。其中包括航天器和下列地面实验室:

  • 美国亚利桑那州生物圈2号,3.15英亩(13,000平方米)。
  • 当时苏联西伯利亚克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所的生物系统1、生物系统2和生物系统3。
  • 生物圈九号(CEEF,封闭生态实验设施),日本的一项实验。
  • 巴塞罗那自治大学的微生态生命支持系统替代方案(MELiSSA)

外星生物圈

地球之外没有发现生物圈;因此,外星生物圈的存在仍然是假设的。稀土假说认为它们应该非常稀有,只保留那些由微生物生命组成的。 另一方面,鉴于行星数量众多,地球类似物可能相当多,至少在银河系是如此。在特拉普斯特-1轨道上发现的三颗行星可能包含生物圈。 鉴于对生物发生的理解有限,目前还不知道实际上这些行星中有多大比例形成了生物圈。

根据开普勒太空望远镜小组的观察,已经计算出,如果自然发生的概率高于1到1000,那么离地球最近的外星生物圈应该在100光年之内。

人造生物圈也有可能在未来被创造出来,例如在火星上。创造一个模拟地球生物圈功能的无约束系统的过程被称为地形形成。