生物圈（地球上最大的生态系统）

简介

生物圈

生物圈 是所有生物链的一个统称，它包含了 生物链和所有细微的生物和生态环境，生态系统等。

生物圈是地球上最大的生态系统，也是最大的生命系统。

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，其范围大约为海平面上下垂直约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。地球是整个宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。一般认为生物圈是从35亿年前生命起源后演化而来。^[1]

词源与应用

地质学家爱德华·苏威斯于1875年最早使用生物圈这个词。它本来是一个地质学的词。它显示了查尔斯·罗伯特·达尔文和马修· 方丹· 莫里的理论对地球科学的影响。1920年代生物圈这个词获得它的生态意义。1935年生态系统这个词被引入。弗拉基米尔·沃纳德斯基将生态学定义为研究生物圈的科学。

生物圈这个概念今天集合了天文学、地质物理学、气象学、生物地理学、演化论、地质学、地质化学、水文学等多项科学，可以说它集合了所有与地球和生命有关的科学。

生物圈的概念、要领是由奥地利地质学家休斯（E.Suess)在1875年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它包括海平面以上约10000米至生物圈的要领，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体，下11000米处，其中包括大气圈的下层，岩石圈的上层，整个土壤圈和水圈。但绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下各约100 m厚的范围内，如果把地球看作一个足球大小，那么生物圈就比一张纸还要薄。^[2]

生物圈主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。生命物质又称活质，是生物有机体的总和；生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等；生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。

由此可见，生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈（土圈）长期相互作用的结果，生物圈存在的基本条件是：

第一、必须获得来自太阳的充足光能。因一切生命活动都需要能量，而其基本来源是太阳能，绿色植物吸收太阳能合成有机物而进入生物循环。

第二、要存在可被生物利用的大量液态水。几乎所有的生物全都含有大量水分，没有水就没有生命。

第三、生物圈内要有适宜生命活动的温度条件，在此温度变化范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化。

第四，提供生命物质所需的各种营养元素，包括O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe、S(氧气、二氧化碳、氮、碳元素、钾元素、钙元素、铁元素、硫元素)等，它们是生命物质的组成或中介。

总之，地球上有生命存在的地方均属生物圈。生物圈的要领是由奥地利地质学家休斯（E.Suess）在1875年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。生物的生命活动促进了能量流动和物质循环，并引起生物的生命活动发生变化。生物要从环境中取得必需的能量和物质，就得适应环境，环境发生了变化，又反过来推动生物的适应性，这种反作用促进了整个生物界持续不断的变化。

范围

生物圈包括海平面以上约10000米至海平面以下10000米处，包括大气圈底部（可飞翔的鸟类、昆虫、细菌等），岩石圈的表面（是一切生物的“立足点”），水圈的全部（距离海平面150米内的水层）。生物圈为生物的生存提供了基本条件：营养物质、阳光、空气和水、适宜的温度和一定的生存空间。但是，大部分生物都集中在地表以上100米到水下100米的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处，这里是生物圈的核心。

生物圈

生物圈中的各种生物，按其在物质和能量流动中的作用，可分为：生产者，主要是绿色植物，它能通过光合作用将无机物合成为有机物。

消费者，主要指动物（人当然也包括在内）。有的动物直接以植物为生，叫做一级消费者，比如羚羊；有的动物则以植食动物为生，叫做二级消费者；还有的捕食小型肉食动物，被称做三级消费者。至于人，则是杂食动物。

分解者，主要指微生物，可将有机物分解为无机物。这三类生物与其所生活的无机环境一起，构成了一个生态系统：生产者从无机环境中摄取能量，合成有机物；生产者被一级消费者吞食以后，将自身的能量传递给一级消费者；一级消费者被捕食后，再将能量传递给二级、三级……最后，当有机生命死亡以后，分解者将它们再分解为无机物，把来源于环境的，再复归于环境。这就是一个生态系统完整的物质和能量流动。只有当生态系统内生物与环境、各种生物之间长期的相互作用下，生物的种类、数量及其生产能力都达到相对稳定的状态时，系统的能量输入与输出才能达到平衡；反过来，只有能量达到平衡，生物的生命活动也才能相对稳定。所以，生态系统中的任何一部分都不能被破坏，否则，就会打乱整个生态系统的秩序。请大家善待所有的动物。

生态系统的类型：森林生态系统、草原生态系统、湿地生态系统、淡水生态系统、农田生态系统、海洋生态系统、城市生态系统等。

生物圈是一个统一的整体，是地球上最大的生态系统，是所有生物共同的家园。我们必须明白，人也是生态系统中扮演消费者的一员，人的生存和发展离不开整个生物圈的繁荣。因此，保护生物圈就是保护我们自己。所以，从现在开始，关心爱护你身边的生态环境，共同营造我们的绿色家园吧！^[3]

结构

地球表层由大气圈、水圈和岩石圈构成，三圈中适于生物生存的范围就是生物圈。水圈中几乎到处都有生物，但主要集中于表层和浅水的底层。世界大洋最深处超过11000米，这里还能发现深海生物。限制生物在深海分布的主要因素有缺光、缺氧和随深度而增加的压力。大气圈中生物主要集中于下层，即与岩石圈的交界处。鸟类能高飞数千米，花粉、昆虫以及一些小动物可被气流带至高空，甚至在22000米的平流层中还发现有细菌和真菌。限制生物向高空分布的主要因素有缺氧、缺水、低温和低气压。

在岩石圈中，生物分布的最深记录是生存在地下2500～3000米处石油中的石油细菌，但大多数生物生存于土壤上层几十厘米之内。限制生物向土壤深处分布的主要因素有缺氧和缺光。由此可知，虽然生物可见于由赤道至两极之间的广大地区，但就厚度来讲，生物圈在地球上只占据薄薄的一层。

进化

生物圈

当地球上刚出现生命的时候，原始大气还富含甲烷、氨、硫化氢和水汽等含氢化合物，属还原性。现今的大部分生物都不能在其中生存。后来出现了蓝藻，它可以通过光合作用放出游离氧，使大气含氧量逐渐增多，变为氧化性，为需氧生物的出现开辟了道路。随着氧气的增多，在高空出现了臭氧层，阻止住紫外线对生命的辐射伤害，于是过去只能躲在海水深处才能存活的生物便有可能发展到陆地上来。

但生物初到陆地上的时候，遇到的只是岩石和风化的岩石碎屑，大部分高等植物不能赖以生存，只是在低等植物和微生物的长期作用下，才形成了肥沃的土壤。经过长期的生物进化，最后出现了广布世界的各种植物和栖息其间的各种动物，逐步形成了生物圈。

能流

地球与太空几乎没有物质交换，但却接受大量太阳辐射能，太阳能是维持一切生命活动的原动力，能量在生物圈中逐级传送，最后以热能形式散发到太空。地球内部也产生大量残骸（包括煤炭等）中，但地球总体的能量收支大致平衡。到达地球外层空间（60公里高空）的太阳辐射量是恒定的，约为2卡/(厘米？分)，称太阳常数。但平均说来只有一半（约47%）到达地面，另一半（约53%）于途中被反射或吸收掉。生物圈各部分实际接受的太阳辐射量差别很大，这是由于纬度、季节以及大气透明度（云层）的影响造成的。热带地区全年接受比较直射的阳光，因而辐射量最大。

生物圈

太阳辐射在地球上的不均匀分布，造成了不同的气候类型，从而影响了地球上的生物分布；它也是地面气流（风）、水流和水汽循环的主要动因。

生物圈中的能流与物流是相伴随的，因为太阳辐射能先通过光合作用被植物体固定下来，然后以化学能的形式沿食物链逐级传递。动物和微生物的取食活动就是传递能量的方式。一般说来，化学元素之进入生物体内是靠生物的主动摄取，而化学元素在自然界中的循环运动则是由气流和水流来完成的。陆地生物生存于大气之中，气态营养物和废物很容易在生物与环境间循环运动。一般可溶性物质是随水进出生物体的。就全球来讲，江河中所携带的可溶性物质，只能随水流由高向低移动，最后归入湖泊和海洋。当湖水和海水蒸发时，这些物质被留下，有的还形成沉积物。能以气溶胶等形式回到陆地的极少。因此液态的物质循环常常是不完全的。

人与生物圈

人是生物圈中占统治地位的生物，能大规模地改变生物圈，使其为人类的需要服务。然而，人类毕竟是生物圈中的一个成员，必需依赖于生物圈提供一切生活资料。人类对生物圈的改造应有一定限度，超过限度就会破坏生物圈的动态平衡，造成严重后果。

在地球上出现人类以后大约300万年的时期里，人类与其周围的生物和环境处于合理的平衡之中。人在生物圈中的地位，从对生物圈能施加的影响而言，并不明显地超过其他动物。食物缺乏以及疾病等因素限制着人口密度。

大约1万年以前，人类学会栽培植物。农业技术和贮存方法的改善，使人类生活不再局限于天天采集必需的食品，而能够从事更多的创造性活动。随着生产力的提高，人口逐渐增加并向城市集中，制造商品的手工业日益发展，人类活动对环境的影响和冲击也日益增加。尤其是产业革命以后的近几百年，开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等规模迅速扩大，生物圈的面貌也发生了极大变化。这种变化不仅影响着其中的其他成员，也对人类自身产生巨大影响。

水圈和岩石圈

世界人口正以大约35年翻一番的速度猛增，但地球上可耕土地却是有限的，这必然造成全球范围的粮食问题。滥垦、滥牧、滥伐的日益严重，建设用地的高速扩展，都使全球植被减少。随之而来的后果是大范围的水土流失，耕地质量下降甚至发生荒漠化；失去了植被调节气候的作用，气温波动增大，水旱灾害增多；太阳辐射被反射散失的成分增加，绿色植物固定CO、产生O的能力随植被减少而等比地丧失。水域捕捞也已接近极限，某些鱼类多次大规模减产。化石燃料是现代工业的基石之一，但它的蕴藏量毕竟是有限的。随着使用速度的日益增长，燃料危机不断加剧。

环境污染现已成为世界性问题。因工业排放含硫氧化物和氮氧化物的烟雾而造成酸雨波及数百里之外；燃烧油、煤及翻耕土地排出的CO弥散于全球大气中，有可能因向下反射地表的红外辐射而提高气温；喷气式飞行器排放的氮氧化物可能减少高空的臭氧，从而削弱对太阳紫外线的屏蔽作用；很多污染物随水流扩散到远处，造成明显为害。现今世界癌瘤发病率的升高，可能与环境污染有关。

总之，地球的资源是有限的，经不起日益膨胀的人口任意浪费；世界上现存的生态系统面对着工业倾吐出来的大量污染物，显得相当脆弱。自工业革命以来，都市不断扩大，自然保护的呼声也随之增高。然而只有到了生态学高度发展以后，人们才对自然保护有了比较正确的认识。自然保护并不是对自然资源弃置不用，任其自生自灭，而是积极地进行合理开发。

自然生态系统达到成熟阶段时，其能量和物质的输入、输出之间往往保持相对平衡，而系统中的生物种数以及各种群的数量比例也相对稳定。这种生态平衡状态给生态学家以很大的启发：人类不仅要力求增进能利用的效率(生态效率)，还要维持物质循环源源不断，这是问题的一个方面；另一方面，人类今天要处理的是“人与生物圈”系统中，人的物质要求与环境的稳定供应之间的平衡。为此，某些自然系统一定要被生产效率更高的人工系统取代，原有的生态平衡要打破，而代之以人为干预下的新型平衡。例如在人为的农业生产系统中，取得最大产量所利用的并不是系统的成熟阶段，而往往是发展过程中的中间阶段。人类不仅要求生物圈能长期稳定地满足其不断增长的物质要求，而且要求环境质量不降低。造成这样的“人与生物圈”系统的总体平衡是人类的主要目标。

生物圈二号

1991年9月26日，建造在美国亚利桑那沙漠中的“生物圈2号”实验室开始启用，4名男科学家和4名女科学家将在这个密封世界中生活两年，过一种近乎与世隔绝的自给自足的生活。这项试验的目的是通过研究植物、动物、昆虫、空气、土壤、人类和一个大型空气调节系统在这座温室中的相互作用及影响，更好地了解地球生物圈的运作规律。

生物圈2号（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，因把地球本身称作生物圈1号而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起，并与几家财团联手出资，委托空间生物圈风险投资公司承建，历时8年，耗资1 .5亿美元。生物圈2号计划设计在密闭状态下进行生态与环境研究，帮助人类了解地球是如何运作，并研究在仿真地球生态环境的条件下，人类是否适合生存的问题。为了尽量贴近自然环境，该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间，通过一定的人工处理再利用。例如，实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。

生物圈2号实验室

二氧化碳多、氧气少是结果而非原因，二氧化碳多、氧气少是因为植物相对太少了，不足以将人和植物自身产生的那么多二氧化碳转化并释放氧气。氧气的消耗速度高于产生速度，而二氧化碳的产生高于消耗。

生物圈2号入口

曾经有人提出过一个看似天方夜谭的设想，在我们生活的地球上再造一个“迷你地球”，探求人类在这个现代“南泥湾”之中自给自足，以及未来在月球或火星上建立生存空间的可能性。美国得克萨斯州的石油大王爱德华·巴斯为此憧憬不已。

从1984年到1991年，巴斯个人出资2亿美元，在美国亚利桑那州图森市以北的沙漠中建起了“生物圈2号”。生物圈2号占地13000平方米，仿佛一个巨大的温室，雨林、沙漠、草原和海洋应有尽有。“生物圈1号”是我们生活的地球，顾名思义，生物圈2号就是一个“迷你地球”。

生物圈2号：接待室

实验失败了。经过短暂的休整，生物圈2号又迎来了第二批居民。5男2女住了个半月后，由于一氧化二氮（N2O）积累过多，在1994年9月17日被迫离开，实验再度以失败告终。打那以后，再也没人在生物圈2号中过日子了。

一个“乌托邦”式的科研计划宣告破产，生物圈2号遭到了一些人无情的嘲笑，有人甚至斥之为“奢侈的伪科学”。

当然，生物圈2号也使人们更加明白一个看似浅显的道理：“目前地球仍然是人类的惟一家园。”不仅如此，它还在不经意间给人们留下了一些佳话。

生物圈2号：一进门的地方

另外，由于粮食歉收，生物圈2号的居民不得不控制饮食。结果第一批居民中的4名男性体重平均下降18%，4名女性体重平均下降10%，胆固醇的平均值由195下降到正常值125，使得这些平常为减肥而痛苦不已的人平添一份惊喜，真可谓无心插柳柳成荫。当时的一位居民、加利福尼亚大学洛杉矶分校的罗伊·沃尔福德教授甚至继续维持当时的食量，“因为那样有助于健康”。^[5]

痛定思痛，巴斯决心调整生物圈2号的定位。于是，他求助于哥伦比亚大学的科学家，看看用2亿美元打造出来的生物圈2号到底能做些什么。

1996年1月，巴斯干脆把生物圈2号交给哥伦比亚大学打理，并投入4000万美元作为今后5年的改造和运行费用。经过一番考虑，哥伦比亚大学计划把生物圈2号改造为一个致力于地球系统科学的研究中心，同时请来威廉·哈里斯担任新的负责人。哈里斯曾在美国国家科学基金会工作多年，是一位管理大型科研项目的高手。

内景

有道是，峰回路转。两年后，人造海洋终于“溅起了一些水花”。发表在1998年2月13日美国《科学》杂志上的一篇论文称，随着生物圈2号内温室气体二氧化碳含量的增加，人造海洋中珊瑚的生存受到了威胁。

这样一篇论文，对外行来说或许没什么大不了的，对生物圈2号来说却大概算得上一个转折点。在全球变暖日益受到国际社会高度重视的今天，那篇论文清楚地表明：生物圈2号恰恰是研究全球变暖如何影响生态系统的一个理想平台。

2001年4月，世界著名植物学家贝瑞·奥斯蒙德接替哈里斯领衔生物圈2号。生物圈2号研究中心的林光辉博士告诉本报记者，前已有多项与全球气候变化有关的研究项目正在生物圈2号开展，吸引了不少世界一流的科学家。

在科学研究上，恐怕没有人能够保证，只要有投入就一定会有回报，古今中外都不乏数以亿计的投资有去无回的实例。问题在于，我们是否明白科研计划失败的真正原因，是否真正理解“失败是成功之母”。生物圈2号的今昔，为我们提供了一个极好的范本。

稳态说明

作为地球上最大的生态系统，生物圈的结构和功能够长期维持相对稳定状态，这一现象称为生物圈的稳态。

首先，从能量角度来看，源源不断的太阳能是生物圈维持正常运转的动力。太阳能转变为生物能够利用的化学能是通过绿色植物的光合作用实现的。这是生物圈赖以存在的能量基础。

第二，从物质方面来看，大气圈、水圈和岩石圈为生物的生存提供了各种必需的物质。生物圈内生产者、消费者和分解者所形成的三极结构，接通了从无机物到有机物，经过各种生物的多级利用，再分解为无机物重新循环的完整回路(图6-3)。生物圈可以说是一个在物质上自给自足的生态系统，这是生物圈赖以存在的物质基础。

第三，生物圈具有多层次的自我调节能力。例如，大气中二氧化碳含量增加时，会使植物加强光合作用，增加对二氧化碳的吸收；一种生物绝灭后，生物圈中起相同作用的其他生物就会取代它的位置；某种植食性动物数量增加时，有关植物种群和天敌种群的数量也随之变化，从而使这种动物种群的数量得到控制。

生物圈虽然具有自我维持稳态的能力，但是，这种能力是有限度的。人类活动在许多方面对生物圈造成的影响已经超过这种限度，对生物圈的稳态构成严重威胁。^[6]

演化

生物圈演化是指地球生物圈在漫长地质年代所发生的变化。生物圈是地球上有生命存在的特殊圈层。它的存在是从地球上生命的产生开始。它的演化是指生物进化和生物与环境相互作用的进化，以及由此引起的生物圈状况的进化。

生物圈进化可以用生态系统进化来描述。

①生命在地球上产生，单极生态系统出现。它是由原始异养生物和原生环境（原始海洋和原始大气）构成的自然生态系统。

②单机生态系统演化为二级生态系统。20亿年前绿色藻类产生，标志自养生物的出现，单极生态系统演化为具有自养和异养两种生物的生态系统。它导致地球大气中氧的出现，氧化性大气的形成，原生生物圈发展为次生生物圈。

③三级生态系统的出现。6亿多年前多细胞动物出现，完成了二级生态系统向三级生态系统的发展，形成生产者（植物）、消费者（动物）和转化者（微生物）的三级结构，奠定了生态系统演化的基本格局。

④人类产生是地球生物圈演化的质变。人通过自己的活动把天然生态系统百年为人工生态系统，人类的智慧及智慧指导下的劳动，导致生物圈的根本变化，人称为生物圈演化的重要因素。这是生物圈向智慧圈的发展。