生物圈（地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)）

簡介

生物圈

生物圈 是所有生物鏈的一個統(tǒng)稱，它包含了 生物鏈和所有細微的生物和生態(tài)環(huán)境，生態(tài)系統(tǒng)等。

生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，也是最大的生命系統(tǒng)。

生物圈（Biosphere）是指地球上所有生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)合整體，是地球的一個外層圈，其范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、巖石圈和水。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系的全球性的生態(tài)系統(tǒng)，包括生物與巖石圈、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(tǒng)。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35億年前生命起源后演化而來。^[1]

詞源與應用

地質學家愛德華·蘇威斯于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(tài)意義。1935年生態(tài)系統(tǒng)這個詞被引入。弗拉基米爾·沃納德斯基將生態(tài)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。

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(huán)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(huán)境的整體，下11000米處，其中包括大氣圈的下層，巖石圈的上層，整個土壤圈和水圈。但絕大多數(shù)生物通常生存于地球陸地之上和海洋表面之下各約100 m厚的范圍內(nèi)，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。^[2]

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、沉積巖、粘土礦物和水。

由此可見，生物圈是一個復雜的、全球性的開放系統(tǒng)，是一個生命物質與非生命物質的自我調節(jié)系統(tǒng)。它的形成是生物界與水圈、大氣圈及巖石圈（土圈）長期相互作用的結果，生物圈存在的基本條件是：

第一、必須獲得來自太陽的充足光能。因一切生命活動都需要能量，而其基本來源是太陽能，綠色植物吸收太陽能合成有機物而進入生物循環(huán)。

第二、要存在可被生物利用的大量液態(tài)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(nèi)要有適宜生命活動的溫度條件，在此溫度變化范圍內(nèi)的物質存在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種變化。

第四，提供生命物質所需的各種營養(yǎng)元素，包括O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe、S(氧氣、二氧化碳、氮、碳元素、鉀元素、鈣元素、鐵元素、硫元素)等，它們是生命物質的組成或中介。

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(huán)境的整體。生物的生命活動促進了能量流動和物質循環(huán)，并引起生物的生命活動發(fā)生變化。生物要從環(huán)境中取得必需的能量和物質，就得適應環(huán)境，環(huán)境發(fā)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(xù)不斷的變化。

范圍

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），巖石圈的表面（是一切生物的“立足點”），水圈的全部（距離海平面150米內(nèi)的水層）。生物圈為生物的生存提供了基本條件：營養(yǎng)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、巖石圈、土壤圈等圈層的交界處，這里是生物圈的核心。

生物圈

生物圈中的各種生物，按其在物質和能量流動中的作用，可分為：生產(chǎn)者，主要是綠色植物，它能通過光合作用將無機物合成為有機物。

消費者，主要指動物（人當然也包括在內(nèi)）。有的動物直接以植物為生，叫做一級消費者，比如羚羊；有的動物則以植食動物為生，叫做二級消費者；還有的捕食小型肉食動物，被稱做三級消費者。至于人，則是雜食動物。

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(huán)境一起，構成了一個生態(tài)系統(tǒng)：生產(chǎn)者從無機環(huán)境中攝取能量，合成有機物；生產(chǎn)者被一級消費者吞食以后，將自身的能量傳遞給一級消費者；一級消費者被捕食后，再將能量傳遞給二級、三級……最后，當有機生命死亡以后，分解者將它們再分解為無機物，把來源于環(huán)境的，再復歸于環(huán)境。這就是一個生態(tài)系統(tǒng)完整的物質和能量流動。只有當生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物與環(huán)境、各種生物之間長期的相互作用下，生物的種類、數(shù)量及其生產(chǎn)能力都達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，系統(tǒng)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(wěn)定。所以，生態(tài)系統(tǒng)中的任何一部分都不能被破壞，否則，就會打亂整個生態(tài)系統(tǒng)的秩序。請大家善待所有的動物。

生態(tài)系統(tǒng)的類型：森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、淡水生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)等。

生物圈是一個統(tǒng)一的整體，是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，是所有生物共同的家園。我們必須明白，人也是生態(tài)系統(tǒng)中扮演消費者的一員，人的生存和發(fā)展離不開整個生物圈的繁榮。因此，保護生物圈就是保護我們自己。所以，從現(xiàn)在開始，關心愛護你身邊的生態(tài)環(huán)境，共同營造我們的綠色家園吧！^[3]

結構

地球表層由大氣圈、水圈和巖石圈構成，三圈中適于生物生存的范圍就是生物圈。水圈中幾乎到處都有生物，但主要集中于表層和淺水的底層。世界大洋最深處超過11000米，這里還能發(fā)現(xiàn)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于下層，即與巖石圈的交界處。鳥類能高飛數(shù)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(fā)現(xiàn)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。

在巖石圈中，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(shù)生物生存于土壤上層幾十厘米之內(nèi)。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，雖然生物可見于由赤道至兩極之間的廣大地區(qū)，但就厚度來講，生物圈在地球上只占據(jù)薄薄的一層。

進化

生物圈

當?shù)厍蛏蟿偝霈F(xiàn)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?，F(xiàn)今的大部分生物都不能在其中生存。后來出現(xiàn)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?yōu)檠趸裕瑸樾柩跎锏某霈F(xiàn)開辟了道路。隨著氧氣的增多，在高空出現(xiàn)了臭氧層，阻止住紫外線對生命的輻射傷害，于是過去只能躲在海水深處才能存活的生物便有可能發(fā)展到陸地上來。

但生物初到陸地上的時候，遇到的只是巖石和風化的巖石碎屑，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(jīng)過長期的生物進化，最后出現(xiàn)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，最后以熱能形式散發(fā)到太空。地球內(nèi)部也產(chǎn)生大量殘?。ò禾康龋┲校厍蚩傮w的能量收支大致平衡。到達地球外層空間（60公里高空）的太陽輻射量是恒定的，約為2卡/(厘米？分)，稱太陽常數(shù)。但平均說來只有一半（約47%）到達地面，另一半（約53%）于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，這是由于緯度、季節(jié)以及大氣透明度（云層）的影響造成的。熱帶地區(qū)全年接受比較直射的陽光，因而輻射量最大。

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(huán)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，然后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(nèi)是靠生物的主動攝取，而化學元素在自然界中的循環(huán)運動則是由氣流和水流來完成的。陸地生物生存于大氣之中，氣態(tài)營養(yǎng)物和廢物很容易在生物與環(huán)境間循環(huán)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，最后歸入湖泊和海洋。當湖水和海水蒸發(fā)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(tài)的物質循環(huán)常常是不完全的。

人與生物圈

人是生物圈中占統(tǒng)治地位的生物，能大規(guī)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，必需依賴于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(tài)平衡，造成嚴重后果。

在地球上出現(xiàn)人類以后大約300萬年的時期里，人類與其周圍的生物和環(huán)境處于合理的平衡之中。人在生物圈中的地位，從對生物圈能施加的影響而言，并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。

大約1萬年以前，人類學會栽培植物。農(nóng)業(yè)技術和貯存方法的改善，使人類生活不再局限于天天采集必需的食品，而能夠從事更多的創(chuàng)造性活動。隨著生產(chǎn)力的提高，人口逐漸增加并向城市集中，制造商品的手工業(yè)日益發(fā)展，人類活動對環(huán)境的影響和沖擊也日益增加。尤其是產(chǎn)業(yè)革命以后的近幾百年，開礦、挖煤、采油、伐林、墾荒、捕撈等規(guī)模迅速擴大，生物圈的面貌也發(fā)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(chǎn)生巨大影響。

水圈和巖石圈

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，這必然造成全球范圍的糧食問題。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。隨之而來的后果是大范圍的水土流失，耕地質量下降甚至發(fā)生荒漠化；失去了植被調節(jié)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(chǎn)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(guī)模減產(chǎn)。化石燃料是現(xiàn)代工業(yè)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(huán)境污染現(xiàn)已成為世界性問題。因工業(yè)排放含硫氧化物和氮氧化物的煙霧而造成酸雨波及數(shù)百里之外；燃燒油、煤及翻耕土地排出的CO彌散于全球大氣中，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屏蔽作用；很多污染物隨水流擴散到遠處，造成明顯為害?，F(xiàn)今世界癌瘤發(fā)病率的升高，可能與環(huán)境污染有關。

總之，地球的資源是有限的，經(jīng)不起日益膨脹的人口任意浪費；世界上現(xiàn)存的生態(tài)系統(tǒng)面對著工業(yè)傾吐出來的大量污染物，顯得相當脆弱。自工業(yè)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(tài)學高度發(fā)展以后，人們才對自然保護有了比較正確的認識。自然保護并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(fā)。

自然生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)中的生物種數(shù)以及各種群的數(shù)量比例也相對穩(wěn)定。這種生態(tài)平衡狀態(tài)給生態(tài)學家以很大的啟發(fā)：人類不僅要力求增進能利用的效率(生態(tài)效率)，還要維持物質循環(huán)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(tǒng)中，人的物質要求與環(huán)境的穩(wěn)定供應之間的平衡。為此，某些自然系統(tǒng)一定要被生產(chǎn)效率更高的人工系統(tǒng)取代，原有的生態(tài)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，取得最大產(chǎn)量所利用的并不是系統(tǒng)的成熟階段，而往往是發(fā)展過程中的中間階段。人類不僅要求生物圈能長期穩(wěn)定地滿足其不斷增長的物質要求，而且要求環(huán)境質量不降低。造成這樣的“人與生物圈”系統(tǒng)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(jié)系統(tǒng)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(guī)律。

生物圈2號（Biosphere 2）是美國建于亞利桑那州圖森市以北沙漠中的一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，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(fā)起，并與幾家財團聯(lián)手出資，委托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號計劃設計在密閉狀態(tài)下進行生態(tài)與環(huán)境研究，幫助人類了解地球是如何運作，并研究在仿真地球生態(tài)環(huán)境的條件下，人類是否適合生存的問題。為了盡量貼近自然環(huán)境，該圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理區(qū)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制而成的。

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(chǎn)生的那么多二氧化碳轉化并釋放氧氣。氧氣的消耗速度高于產(chǎn)生速度，而二氧化碳的產(chǎn)生高于消耗。

生物圈2號入口

曾經(jīng)有人提出過一個看似天方夜譚的設想，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(xiàn)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。美國得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?！吧锶?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”。

生物圈2號：接待室

實驗失敗了。經(jīng)過短暫的休整，生物圈2號又迎來了第二批居民。5男2女住了個半月后，由于一氧化二氮（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。打那以后，再也沒人在生物圈2號中過日子了。

一個“烏托邦”式的科研計劃宣告破產(chǎn)，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?！辈粌H如此，它還在不經(jīng)意間給人們留下了一些佳話。

生物圈2號：一進門的地方

另外，由于糧食歉收，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(xù)維持當時的食量，“因為那樣有助于健康”。^[5]

痛定思痛，巴斯決心調整生物圈2號的定位。于是，他求助于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號到底能做些什么。

1996年1月，巴斯干脆把生物圈2號交給哥倫比亞大學打理，并投入4000萬美元作為今后5年的改造和運行費用。經(jīng)過一番考慮，哥倫比亞大學計劃把生物圈2號改造為一個致力于地球系統(tǒng)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(nèi)景

有道是，峰回路轉。兩年后，人造海洋終于“濺起了一些水花”。發(fā)表在1998年2月13日美國《科學》雜志上的一篇論文稱，隨著生物圈2號內(nèi)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么大不了的，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(tài)系統(tǒng)的一個理想平臺。

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(shù)以億計的投資有去無回的實例。問題在于，我們是否明白科研計劃失敗的真正原因，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范本。

穩(wěn)態(tài)說明

作為地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，生物圈的結構和功能夠長期維持相對穩(wěn)定狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為生物圈的穩(wěn)態(tài)。

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?yōu)樯锬軌蚶玫幕瘜W能是通過綠色植物的光合作用實現(xiàn)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、水圈和巖石圈為生物的生存提供了各種必需的物質。生物圈內(nèi)生產(chǎn)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(jīng)過各種生物的多級利用，再分解為無機物重新循環(huán)的完整回路(圖6-3)。生物圈可以說是一個在物質上自給自足的生態(tài)系統(tǒng)，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(jié)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；一種生物絕滅后，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(shù)量增加時，有關植物種群和天敵種群的數(shù)量也隨之變化，從而使這種動物種群的數(shù)量得到控制。

生物圈雖然具有自我維持穩(wěn)態(tài)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(jīng)超過這種限度，對生物圈的穩(wěn)態(tài)構成嚴重威脅。^[6]

演化

生物圈演化是指地球生物圈在漫長地質年代所發(fā)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(chǎn)生開始。它的演化是指生物進化和生物與環(huán)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(tài)系統(tǒng)進化來描述。

①生命在地球上產(chǎn)生，單極生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)。它是由原始異養(yǎng)生物和原生環(huán)境（原始海洋和原始大氣）構成的自然生態(tài)系統(tǒng)。

②單機生態(tài)系統(tǒng)演化為二級生態(tài)系統(tǒng)。20億年前綠色藻類產(chǎn)生，標志自養(yǎng)生物的出現(xiàn)，單極生態(tài)系統(tǒng)演化為具有自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種生物的生態(tài)系統(tǒng)。它導致地球大氣中氧的出現(xiàn)，氧化性大氣的形成，原生生物圈發(fā)展為次生生物圈。

③三級生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)。6億多年前多細胞動物出現(xiàn)，完成了二級生態(tài)系統(tǒng)向三級生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，形成生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)演化的基本格局。

④人類產(chǎn)生是地球生物圈演化的質變。人通過自己的活動把天然生態(tài)系統(tǒng)百年為人工生態(tài)系統(tǒng)，人類的智慧及智慧指導下的勞動，導致生物圈的根本變化，人稱為生物圈演化的重要因素。這是生物圈向智慧圈的發(fā)展。