生物圈

生物圈是地球上存在生命的部分，涵盖生物及其栖居的环境。它包括陆地、淡水、海洋和地下的生态系统，这些系统通过生物活动以及物质和能量交换相互联系。生物圈并不是一个独立的物理层，而是与地球大气层、水圈以及固体地球中有生物栖居的部分相互交叠。这个术语也可用来指作为地球系统组成部分的生命整体。(education.nationalgeographic.org)

概念的发展

奥地利地质学家爱德华·修斯于1875年提出“生物圈”一词，用以指称地球上与生命有关的区域。弗拉基米尔·维尔纳茨基在1926年以俄文出版的《生物圈》一书中，进一步阐发了这一概念的科学意义。他强调，生物并非只是这颗星球的居住者：它们的活动会改变地球的化学组成，并影响地质过程。这一思路将生命研究与化学元素在环境中的迁移联系起来。(doc.rero.ch)

因此，生物圈概念将生态学与地球科学联系起来。单个生态系统可以作为由生物及其周围环境构成的局部系统来研究，而生物圈则将这些系统置于全球框架之中。生物圈的本质特征并非均一性，而是森林、海洋、土壤和大气等差异悬殊的环境之间的联系。(education.nationalgeographic.org)

范围与分布

生命分布在多种多样的生境中，从热带森林和高山到海沟，无不有其踪迹。生物圈还延伸至地表以下的沉积物和裂隙岩石中。研究已在海床以下数千英尺深的洋壳中发现微生物群落，表明地球上有生命栖居的区域并不限于那些生物生产活动明显的地表环境。这些发现使地下生命成为研究生物圈范围及其碳转化过程的重要内容。(education.nationalgeographic.org)

因此，生物圈的边界并不等同于一个厚度固定的壳层。环境是否适合生命栖居，取决于液态水、可利用的能量和营养物质是否充足，以及物理和化学条件是否适宜。地下环境可能维持代谢极为缓慢的生物，而有光照的地表环境则能支持显著得多的生物生产活动。能否检测到生命、生命的丰度以及生命活动的速率，是不同的问题。(whoi.edu)

能量与生物生产

生物圈中的大部分生物活动依赖太阳提供的能量。陆生植物和水生光合生物通过光合作用，利用阳光将二氧化碳和水转化为有机物。这一转化过程支持生物生长，并为其他生物提供可摄食或分解的物质。初级生产指处于这些生物系统基础位置的生物生成有机物的过程；净初级生产则是扣除生产者自身呼吸消耗后剩余的部分。(science.nasa.gov)

随后，有机碳经由消费者和分解者流转。细胞呼吸、分解作用和燃烧将二氧化碳释放回环境。这些过程将生物生产与大气和海洋联系起来，也有助于解释植被生长和衰败所引起的大气二氧化碳季节性变化。因此，物质在生命系统中的流转与周围环境条件密不可分。(science.nasa.gov)

并非每个生物群落都以阳光为直接能量来源。在热液喷口和某些地下环境中，微生物从涉及无机物的化学反应中获取能量。化能合成能够利用这种化学能来生产有机物。热液喷口环境表明，生物群落可以在黑暗中维持运作，不过其中不同的生物可能依赖由其他地方输入的物质。(whoi.edu)

生物地球化学影响

生物圈在碳循环中起着核心作用。光合作用将碳转移到生物体内，而呼吸和腐解又将其释放出来。一部分碳会在植被、土壤和沉积物中储存较长时间。因此，生物过程与海洋和地质过程相互作用，共同决定碳储存于何处，以及碳在各储库之间迁移的速度。这些交换过程的变化会影响大气组成和气候。(science.nasa.gov)

在地质历史中，生命也改变了地球。能够产氧的蓝细菌促进了大气中氧含量的上升，这与约24亿年前的大氧化事件有关。这体现了生物圈的一项基本特性：生物在响应环境条件的同时，也在改变这些条件。地球的生物演化史与物理演变史不能被视为彼此完全独立。(astrobiology.nasa.gov)

观测与人类影响

科学家通过野外观测、实验室研究和遥感来研究生物圈。卫星测量陆地植被的特征和表层水体中的叶绿素，为光合活动和生产力提供指标。这些测量结果需要加以解读：海洋中的叶绿素含量会随营养物质供应、海洋环流、生物摄食活动而变化，卫星观测结果也会受到观测条件的影响。因此，全球观测数据需要与局地测量和模型结合使用，而不能直接视为对所有生命的全面清点。(science.nasa.gov)

人类活动在多个尺度上改变着生物圈。生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台指出，土地和海洋利用方式的变化、对生物的直接开发利用、气候变化、污染以及入侵物种，是自然界变化的主要直接驱动因素。这些因素在不同地区和生态系统中的作用各不相同，影响着生物多样性和生态过程。(ipbes.net)

生物圈保护区是联合国教科文组织“人与生物圈计划”框架下指定的区域，该计划创立于1971年。生物圈保护区在当地社区的参与下，将生物多样性保护、可持续发展、研究和学习结合起来。生物圈保护区是全球生物圈内实行管理的区域，而不是独立或封闭的生物圈；首批此类保护区于1976年获指定。(unesdoc.unesco.org)