生物圈

蔣高明

生物圈最早由奧地利地質學家愛德華·蘇威斯（E.Suess）于1875年提出，它本來是一個地質學詞匯，1920年代生物圈被賦予生態意義。今天，生物圈概念集合了天文學、地球物理學、氣象學、生物地理學、生命演化論、地質學、地質化學、水文學等多項科學內涵。

生物圈，顧名思義指的是有生命的圈層。地球上凡是有生命活動的區域，包括肉眼看不到的微生物，自下而上分布的地方都是生物圈的范圍。該范圍包括：大氣圈底部、水圈大部、巖石圈表面，生物土壤圈和水圈。上至海平面以上約10公里的高空空間，下至海平面11公里深處。生物圈是地球特有的生命圈層，也是人類誕生和生存的空間，但絕大多數生物通常生存于地球陸地之上和海洋表面之下各約10km厚的范圍內。如果把地球看作10個足球直徑大小，那么生物圈就比一張紙還要薄。

生物圈演化

從地質學的角度來看，生物圈是由所有生物以及空間環境的全球各類生態系統所組成，包括生物與巖石圈、水圈和空氣的相互作用。按照目前人類的認知水平，地球是目前宇宙中唯一已知有生物分布的地方。一般認為，生物圈是從40億年前自生命起源后演化而來，而地球的年齡約為46億年。

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；地球磁場屏蔽了一部分高能射線，使地表生物免遭傷害，這一切為生命存在提供了可能性。地球上現存的各種生物，都是幾十億年生物進化的結果，是生物與環境長期交互作用的產物。

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，屬還原性氣體，大部分生物都不能在其中生存。后來出現了藍藻，它可以通過光合作用放出游離氧，使大氣含氧量逐漸增多，變為氧化性氣體，為需氧生物的出現提供了有利條件。隨著氧氣的增多，在高空出現了臭氧層，阻止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就有可能發展到陸地上來。生物初到陸地上，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。在低等植物、微生物和巖石風化長期作用下，才形成了肥沃的土壤。生物進化的結果最終出現了廣布世界的各種植物，棲息其間的各種動物和微生物，逐步形成了生物圈。

生物圈演化，指的是地球生物圈在漫長地質年代所發生的變化。因為生物圈是地球上有生命存在的特殊圈層，所以它的存在是從地球上生命起源開始的。生物圈演化是生物進化和生物與環境相互作用的結果，以及由此引起的生物圈的進化。生物圈進化可以用生態系統進化來描述：

1.生命在地球上誕生，單級生態系統出現。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.單級生態系統演化為二級生態系統。20億年前，綠色藻類出現，標志自養生物的出現，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。

4.人類誕生引發地球生物圈演化質變。人通過自己的活動把天然生態系統改變為人工生態系統，人類智慧指導下的勞動，導致生物圈根本變化，從而使人成為生物圈演化的重要因素。

生物圈的運轉

生物圈由生命物質、生物生成性物質和生物惰性物質三部分組成。生命物質又稱活性物質，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。

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到太空。光是太陽的輻射能以電磁波的形式投射到地球表面的輻射線，太陽輻射能是地球上一切能量的最終來源。到達地球上的太陽輻射能是十分巨大的。據統計，太陽散發的能量每秒鐘達到3.75×1026焦耳，而其中只有22億分之一到達地球，盡管如此，地球每秒鐘獲得的能量仍然相當于燃燒500萬噸優質煤所發出的能量。

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。陸地生物生存于大氣之中，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，隨水流由高向低移動，最后歸入湖泊和海洋。當湖水和海水蒸發時，這些物質被留下，最終形成沉積物。

生物圈中最活躍的部分為生物，生物是物質運動的最高形式。生物圈里繁衍著各種各樣的生物，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，存在著食物鏈關系。生物圈是一個復雜的、全球性的開放系統，是一個生命物質與非生命物質的自我調節系統。生物圈的運轉原理如下：

1.獲得足夠太陽能并轉化為化學能。一切生命活動都需要能量，能量的基本來源是太陽能（萬米以下深海生物除外，那里的生物利用地熱能）；綠色植物吸收太陽能合成有機物而進入生物循環；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，是通過綠色植物光合作用實現的。光合作用是地球上唯一能夠在常溫、常壓下發生的能量轉化與物質合成的生物化學反應，其生產過程不排放污染物，所合成的光合產物能夠自然降解，至今人類還無法模擬。沒有光合作用，就沒有生物圈，也談不上人類社會及其創造的文明。作為生態系統中最重要組分的生產者，綠色植物進行的光合作用奠定了生態系統最基本的特征，即能量流動與物質循環。

2.有效利用水分。地球素有“水的行星”之稱，地球表面約有70%以上被水所覆蓋，地球總水量約為14.5億立方公里，其中94%是海水，其余則以淡水的形式儲存于陸地和兩極的冰山中。生物起源于水，然后登陸，但依然離不開水。幾乎所有的生物全都含有大量水分，沒有水就沒有生命。植物體的含水量一般為70%?80%，有些植物則可達90%以上；而種子的含水量<10%；細胞壁的含水量在8%左右。

3.在適宜生命活動的溫度條件下運轉。在溫度變化范圍內的物質存在氣態、液態和固態三種變化。生物體內的生物化學過程必須在一定溫度范圍內才能正常進行。一般說來，生物體內的生化反應會隨著溫度的升高而加快，從而加快生長發育速度； 生化反應也會隨溫度的下降而變緩，從而減慢生長發育的速度。

4.提供生命物質所需的各種營養元素。包括氧氣 、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間產物。生物圈內生產者、消費者和分解者所形成的三級組分，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利用的完整循環。

5.生物圈具有自我調節能力。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。

人類對生物圈的影響

作為地球上最大的生態系統，生物圈的結構和功能長期維持相對穩定狀態，這一現象稱為生物圈的穩態。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。

人已經不是傳統生物鏈上的成員，而是生物圈中占統治地位的物種，能大規模地改變生物圈。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平衡，造成嚴重后果。在地球上出現人類以后大約300萬年的時期里，人類與其周圍的生物和環境處于合理的平衡之中。

自從人類學會栽培植物，農業技術和貯存方法的改善，使人類生活不再局限于天天采集必需的食品，而能夠從事更多的創造性活動。隨著生產力提高，人口逐漸增加并向城市集中，制造商品的手工業日益發展，人類活動對環境的影響和沖擊也日益增加。尤其是工業革命以后兩三百年來，開礦、挖煤、采油、伐林、墾荒、捕撈等規模迅速擴大，生物圈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。

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，綠色植物固定二氧化碳、產生氧氣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。大量開采地下能源和礦物，并焚燒或加工化工產物，造成了大量環境污染物，嚴重威脅了地球生物圈。

生物圈是一個統一的整體，是人類及其所有生物共同的家園。人類必須明白，人也是生態系統中消費者的一員，人的生存和發展離不開整個生物圈的繁榮，但人類對地球生物圈的破壞超過所有的物種。當地球被人類破壞得不適應人類自身需求，而被淘汰出地球，即人類這個物種也滅絕的時候，一些更強適應力的物種將還會繼續存在，生物圈會重新開始其慢吞吞的演化。因此，保護生物圈就是保護人類自己的家園。