Biosphäre

Die Biosphäre, auch als Ökosphäre bekannt, ist die weltweite Summe aller Ökosysteme. Es kann auch die Zone des Lebens auf der Erde genannt werden, ein geschlossenes System (abgesehen von Sonnen- und kosmischer Strahlung und Wärme aus dem Inneren der Erde) und weitgehend selbstregulierend. Nach der allgemeinsten biophysiologischen Definition ist die Biosphäre das globale Ökosystem, das alle Lebewesen und ihre Beziehungen integriert, einschließlich ihrer Wechselwirkung mit den Elementen der Lithosphäre, Geosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre. Es wird postuliert, dass sich die Biosphäre entwickelt hat, beginnend mit einem Prozess der Biopoiese (Leben, das auf natürliche Weise von nicht lebender Materie wie einfachen organischen Verbindungen erzeugt wird) oder Biogenese (Leben aus lebender Materie), vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren.

Biosphären sind im Allgemeinen geschlossene, selbstregulierende Systeme mit Ökosystemen. Dazu gehören künstliche Biosphären wie Biosphäre 2 und BIOS-3 und möglicherweise auch solche auf anderen Planeten oder Monden.

Ursprung und Verwendung des Begriffs
Der Begriff „Biosphäre“ wurde 1875 vom Geologen Eduard Suess geprägt, den er als den Ort auf der Erdoberfläche definierte, an dem das Leben wohnt.

Obwohl das Konzept einen geologischen Ursprung hat, ist es ein Hinweis auf die Wirkung von Charles Darwin und Matthew F. Maury auf die Geowissenschaften. Der ökologische Kontext der Biosphäre stammt aus den 1920er Jahren (siehe Vladimir I. Wernadskij), vor der Einführung des Begriffs „Ökosystem“ durch Sir Arthur Tansley im Jahr 1935 (siehe Ökologiegeschichte). Wernadskij hat Ökologie als die Wissenschaft der Biosphäre definiert. Es ist ein interdisziplinäres Konzept für die Integration von Astronomie, Geophysik, Meteorologie, Biogeographie, Evolution, Geologie, Geochemie, Hydrologie und allgemein für alle Lebens- und Geowissenschaften.

Schmale Definition
Geochemiker definieren die Biosphäre als die Summe der lebenden Organismen (die „Biomasse“ oder „Biota“ wie von Biologen und Ökologen bezeichnet). In diesem Sinne ist die Biosphäre nur eine von vier separaten Komponenten des geochemischen Modells, die anderen drei sind Geosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre. Wenn diese vier Komponentenkugeln zu einem System kombiniert werden, wird es als Ecosphäre bezeichnet. Dieser Begriff wurde in den 1960er Jahren geprägt und umfasst sowohl biologische als auch physikalische Komponenten des Planeten.

Die zweite internationale Konferenz über geschlossene Lebenssysteme definierte Biospezies als die Wissenschaft und Technologie von Analoga und Modellen der Biosphäre der Erde; dh künstliche erdähnliche Biosphären. Andere können die Schaffung künstlicher Nicht-Erde-Biosphären – zum Beispiel Biosphären mit menschlichem Zentrum oder eine natürliche Mars-Biosphäre – als Teil des Biosphären-Themas beinhalten.

Biosphäre der Erde

Alter
Der früheste Nachweis für das Leben auf der Erde umfasst biogenen Graphit, der in 3,7 Milliarden Jahre alten Metasedimentgesteinen aus Westgrönland gefunden wurde, und mikrobielle Fossilien, die im 3,48 Milliarden Jahre alten Sandstein aus Westaustralien gefunden wurden. Kürzlich, im Jahr 2015, wurden „Überreste des biotischen Lebens“ in 4,1 Milliarden Jahre alten Gesteinen in Westaustralien gefunden. Im Jahr 2017 wurden mutmaßlich versteinerte Mikroorganismen (oder Mikrofossilien) in hydrothermalen Ausfällungen im Nuvvuagittuq-Gürtel von Quebec, Kanada entdeckt, die mit 4,28 Milliarden Jahren so alt waren wie die ältesten Aufzeichnungen des Lebens auf der Erde Entstehung des Lebens „nach der Ozeanbildung vor 4,4 Milliarden Jahren und nicht lange nach der Entstehung der Erde vor 4,54 Milliarden Jahren. Laut dem Biologen Stephen Blair Hedges: „Wenn das Leben auf der Erde relativ schnell entsteht … dann könnte es im Universum üblich sein.“

Umfang
Jeder Teil des Planeten, von den Polkappen bis zum Äquator, weist Leben in irgendeiner Form auf. Jüngste Fortschritte in der Mikrobiologie haben gezeigt, dass Mikroben tief unter der irdischen Erdoberfläche leben und dass die Gesamtmasse des mikrobiellen Lebens in sogenannten „unbewohnbaren Zonen“ in Biomasse das gesamte Tier- und Pflanzenleben auf der Oberfläche übersteigen kann. Die tatsächliche Dicke der Biosphäre auf der Erde ist schwer zu messen. Vögel fliegen typischerweise in Höhen bis zu 1.800 m und Fische leben bis zu 8.372 m unter Wasser im Puerto Rico Trench.

Es gibt extremere Beispiele für das Leben auf dem Planeten: Rüppell’s Geier wurde in einer Höhe von 11.300 m gefunden; Stachelgänse wandern in Höhen von mindestens 8.300 m (5.200 m); Yaks leben in Höhen bis zu 5.400 m über dem Meeresspiegel; Bergziegen leben bis zu 3.050 m (10.010 ft; 1.90 mi). Herbivore Tiere in diesen Höhen hängen von Flechten, Gräsern und Kräutern ab.

Lebensformen leben in jedem Teil der Biosphäre der Erde, einschließlich des Bodens, der heißen Quellen, innerhalb von Felsen, die mindestens 19 km tief unter der Erde, den tiefsten Teilen des Ozeans und mindestens 64 km hoch in der Atmosphäre liegen . Es wurde beobachtet, dass Mikroorganismen unter bestimmten Testbedingungen das Vakuum des Weltraums überleben. Die Gesamtmenge des bakteriellen Kohlenstoffs im Boden und unter der Oberfläche wird auf 5 × 1017 g oder das „Gewicht des Vereinigten Königreichs“ geschätzt. Die Masse der prokaryotischen Mikroorganismen – die Bakterien und Archaea, aber nicht die kernhaltigen Eukaryoten-Mikroorganismen umfassen – kann bis zu 0,8 Billionen Tonnen Kohlenstoff (der gesamten Biosphärenmasse, geschätzt zwischen 1 und 4 Billionen Tonnen) betragen. Barophile marine Mikroben wurden in mehr als einer Tiefe von 10.000 m im Marianengraben gefunden, dem tiefsten Punkt der Ozeane der Erde. Tatsächlich wurden einzellige Lebensformen im tiefsten Teil des Marianengrabens durch die Challenger-Tiefe in Tiefen von 11.034 m (36.201 ft; 6.856 mi) gefunden. Andere Forscher berichteten über verwandte Studien, dass Mikroorganismen innerhalb von Felsen bis zu 580 m unter dem Meeresboden unter 2.590 m Ozean vor der Küste des nordwestlichen Vereinigten Staaten, sowie 2.400 gedeihen m (7,900 ft; 1,5 mi) unter dem Meeresboden vor Japan. Kulturelle thermophile Mikroben wurden aus Kernen gewonnen, die in Schweden mehr als 5.000 m (16.000 Fuß) in die Erdkruste gebohrt wurden, aus Gesteinen zwischen 65-75 ° C (149-167 ° F). Die Temperatur steigt mit zunehmender Tiefe in die Erdkruste. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur ansteigt, hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich Art der Kruste (kontinental vs. ozeanisch), Gesteinsart, geographischer Ort usw. Die bekannteste Temperatur, bei der mikrobielles Leben existieren kann, ist 122 ° C (252 ° F) (Methanopyrus kandleri Strain 116), und es ist wahrscheinlich, dass die Grenze des Lebens in der „tiefen Biosphäre“ durch die Temperatur und nicht durch die absolute Tiefe definiert wird. Am 20. August 2014 bestätigten Wissenschaftler die Existenz von Mikroorganismen, die 800 m unter dem Eis der Antarktis leben. Ein Forscher sagt: „Sie können überall Mikroben finden – sie sind extrem anpassungsfähig an die Bedingungen und überleben, wo auch immer sie sind.“

Unsere Biosphäre ist in eine Reihe von Biomen unterteilt, die von einer ziemlich ähnlichen Flora und Fauna bewohnt werden. An Land werden Biome hauptsächlich durch den Breitengrad getrennt. Terrestrische Biome, die in den arktischen und antarktischen Kreisen liegen, sind relativ unfruchtbar im Pflanzen- und Tierleben, während die meisten bevölkerungsreicheren Biome in der Nähe des Äquators liegen.

Verteilung des Lebens
Es ist eine dünne Schicht von unregelmäßigen Dimensionen, ebenso wie die Dichte von Biomasse, Vielfalt und Primärproduktion unregelmäßig ist. Sie überspannt die Oberfläche und den Grund der Ozeane und Meere, wo sie sich zuerst entwickelte, an der Oberfläche der Kontinente und auf den Oberflächenebenen der Erdkruste, wo das Leben mit geringer Dichte zwischen Poren und Zwischenräumen der Gesteine ​​gedeiht .

Ozeane
In den Ozeanen konzentriert sich das Leben in der Oberflächenschicht, der photischen Zone, in die das Licht eindringt. Die trophische Kette beginnt hier mit Photosynthesizern, die hauptsächlich Cyanobakterien und Protisten sind, normalerweise einzellig und planktonisch. Die limitierenden Faktoren für die Entwicklung des Lebens sind hier einige essentielle Nährstoffe, wie Eisen, die knapp sind, und maximale Produktivität finden wir in den kalten Meeren und in bestimmten tropischen Regionen, angrenzend an die Kontinente, in denen die Ströme Nährstoffe aus bringen der Meeresboden. Außerhalb dieser Orte sind die pelagischen (Offshore-) Regionen der warmen Breiten biologische Wüsten mit geringer Lebensdichte. Die reichsten und komplexesten Meeresökosysteme sind jedoch tropische, und sie entwickeln sich in einer sehr geringen Tiefe, nur wenige Meter, reich an benthischem Leben, nahe der Küste; Das deutlichste Beispiel sind die Korallenriffe.

Zusätzlich zu der photischen Zone gibt es in jedem der dunklen und ausgedehnten Meeresböden ein blühendes Meeresleben, das für seine Ernährung von der organischen Substanz abhängt, die von oben fällt, in Form von Müll und Leichen. An einigen Orten, an denen die geotektonischen Prozesse heiße, mit Salzen beladene Wässer hervorbringen, sind die primären autotrophen Produzenten, die die Energie chemischer Reaktionen auf der Basis anorganischer Substrate erhalten, wichtig; die Art von Matabolismus, die wir Chemosynthese nennen.

Gegen gewisse Vorurteile ist die durchschnittliche Lebensdichte in den Kontinenten größer als in den Ozeanen der heutigen Biosphäre; obwohl der Ozean viel umfangreicher ist, entspricht er ungefähr 50% der gesamten Primärproduktion des Planeten.

Kontinente
In den Kontinenten beginnt die trophische Kette von den Landpflanzen, Photosynthesizer, die dank der gleichen Strukturen, mit denen sie verankert sind, die Nährstoffe aus dem Boden gewinnen, die Wurzeln, die das Wasser zum Laubwerk hin zirkulieren lassen und dort verdunsten. Aus diesem Grund ist der wichtigste limitierende Faktor in den Kontinenten die Verfügbarkeit von Wasser im Boden, gleichzeitig mit der Temperatur, die variabler ist als in den Meeren, wo die hohe spezifische Wärme des Wassers eine sehr homogene thermische Umgebung gewährleistet und stabil in der Zeit.

Aus dem angegebenen Grund werden Biomasse, Bruttoproduktivität und ökologische Vielfalt verteilt:

Nach einem Gradienten, mit einem Maximum in Richtung Äquator und einem Minimum in den Polarregionen, in Korrelation mit der verfügbaren Energie.
Konzentriert auf drei in der Breite ausgedehnte Bänder. Die erste ist die äquatoriale, wo die von der intertropischen Front erzeugten Regenfälle, die vom Zenittyp sind, das ganze Jahr hindurch auftreten oder sich mit einer Trockenzeit abwechseln. Die anderen zwei, mehr oder weniger symmetrisch, decken die mittleren oder gemäßigten Breiten ab, wo es eine größere oder kleinere Menge von zyklonalen Regen gibt, die die Stürme begleiten.

Unter diesen feuchten Gebieten und dichtem Leben gibt es zwei symmetrische Bänder aus tropischen Wüsten- oder Halbwüstenregionen, in denen die Biodiversität trotz geringer Biomasse hoch ist. In den hohen Breiten beider Hemisphären haben wir schließlich die Polarregionen, wo die Armut des Lebens durch den Mangel an flüssigem Wasser sowie den Energiemangel erklärt wird.

Tiefe Biosphäre
Bis vor kurzem wurde das Niveau als Grenze für das Leben, einige Meter tief, bis zu den Wurzeln der Pflanzen festgelegt. Nun haben wir bestätigt, dass nicht nur in den ozeanischen Böden Ökosysteme von chemoautotrophen Organismen abhängig sind, sondern dass sich dieses Leben bis in die Tiefe der Kruste erstreckt. Es besteht aus Bakterien und extremophilen Archaeen, die Energie aus anorganischen chemischen Prozessen (Chemosynthese) gewinnen. Sie gedeihen zweifellos besser dort, wo bestimmte instabile Mineralgemische auftreten, die ein Potenzial für chemische Energie bieten; aber die Erde ist geologisch ein immer noch lebendiger Planet, wo die internen Prozesse immer noch solche Situationen erzeugen.

Erweiterung
Die scheidenartige Biosphäre beginnt etwa 60 km über der Erdoberfläche und endet etwa 5 km unterhalb der Erdoberfläche. Es beginnt in der unteren Hemisphäre der Mesosphäre, durchdringt die verbleibenden Schichten der Erdatmosphäre und der oberen Teile der Hydrosphäre, durchdringt die Pedosphäre und endet im oberen Teil der Lithosphäre, nach einigen Kilometern in der Erdkruste. Zumindest bei Beachtung von Mikroorganismen erstreckt sich die Biosphäre über die gesamte Erdoberfläche, die Ozeane und den Meeresboden.

Vertikale Erweiterung
Nach heutigem Kenntnisstand liegt die Obergrenze der terrestrischen Biosphäre etwas oberhalb der Stratopause, in der untersten Mesosphäre auf 60 km Höhe. Es gibt immer noch bestimmte Mikroorganismen in permanenten Stadien davor. In diesen atmosphärischen Höhen trotzen sie den niedrigen Temperaturen von etwa -50 ° C (untere Stratosphäre) bis etwa 0 ° C (untere Mesosphäre), sowie dem fast vollständigen Wassermangel und der starken ultravioletten Strahlung. Derzeit ist es angenommen, dass die gefundenen Mikroorganismen ihren gesamten Lebenszyklus nicht so weit von der Erdoberfläche entfernt durchlaufen. Stattdessen sollten sie nur auf verschiedene Arten die Erdoberfläche hinaufwirbeln und dann für einige Zeit in der Stratosphäre und der niedrigsten Mesosphäre bleiben.

Unterhalb der Stratosphäre befindet sich die Troposphäre, die dichteste und unterste Erdatmosphärenschicht. Hier hat die Luft aufgrund des natürlichen Treibhauseffekts höhere Lufttemperaturen und ist aufgrund der darüber liegenden stratosphärischen Ozonschicht relativ strahlungsarm. Aus diesen Gründen gibt es die Lebensräume von terrestrischen Lebewesen in der Troposphäre, temperaturinduziert meist sogar knapp unterhalb der nivalen Höhenzone.

Unterhalb der Troposphäre folgen zum einen die Böden der Pedosphäre und zum anderen die Gewässer der Hydrosphäre. Die Böden sind von einer Vielzahl von Bodenorganismen bewohnt. Ihr Lebensraum ist durch die Zufuhr von Bodenwasser und Bodenluft auf den Boden beschränkt, wobei Mikroorganismen am tiefsten durchdringen. Intakte, aber gefrorene Mikroorganismen finden sich immer noch tief im Permafrost. In den Gewässern existieren Lebensformen bis zum Grund und noch einmal viele Meter in den schlammigen Gewässer. In der Tat, ein größerer Anteil der gesamten Biomasse der Erde in Form von Archaeen und Bakterien in Ozeansedimenten. Aber die prominenteren Mitglieder des Wasserlebens halten sich in den oberen und lichtgefüllten Wasserschichten des Epipelagals auf. Darüber hinaus können Arten- und Individualdichten sehr klein werden. Dies gilt insbesondere für die Tiefsee. Ihre kalte Dunkelheit wird jedoch durch vulkanische Inseln und Atolle unterbrochen, die sich über der Wasseroberfläche erheben. U-Boot, Guyots und Seamounts bieten Lebensraum für viele Organismen, einige dieser Unterwasserberge können bis zum Epipelagal steigen. Seamounts kommen weltweit sehr häufig vor und nehmen eine Fläche von der Größe Europas ein. Zusammengenommen sind sie wahrscheinlich einer der wichtigsten Biomärkte. Abhängig von der Wassertiefe finden Vulkaninseln, Atolle, Seamounts und Guyots vielfältige Gemeinschaften vor, die auf diese Weise das Wüstenleben der Tiefsee unterbrechen.

Unter den Böden und schlammigen Wasserläufen treffen die Gesteine ​​der Lithosphäre aufeinander. Hier wurden Höhlen gefunden, die einfache Höhlenökosysteme enthielten, die aus Mikroorganismen und einigen vielzelligen Organismen bestanden. Alle anderen Gemeinschaften der Lithosphäre bestehen ausschließlich aus Mikroorganismen. Einige leben in Ölvorkommen, Kohleflözen, Gashydraten, in tiefen Aquiferen oder in feinen Poren direkt im Gestein. Darüber hinaus treten zumindest bestimmte mikrobielle Langzeitstadien auch in Salzstöcken auf. Es ist davon auszugehen, dass die Biosphäre in der Lithosphäre in die Tiefe abzieht, aus der die Umgebungstemperatur geothermisch über 150 ° C steigt. Bei dieser Temperatur sollte sie sogar für hyperthermophile Mikroben zu heiß werden. Als Faustregel gilt, dass die Umgebungstemperatur um 3 ° C pro 100 Meter Tiefe ansteigt. Somit müsste die Biosphäre in etwa 5 km Lithosphäretiefe enden. Es gibt jedoch starke regionale Abweichungen von dieser Faustregel.

Mikrobielle Ökosysteme finden sich auch in subglazialen Seen, die durch das überlappende Gletschereis vollständig von der Umwelt isoliert sind. Mikroorganismen finden sich auch tief im Gletschereis. Inwieweit sie dort nur überleben oder aktive Lebensprozesse zeigen, bleibt unklar.

Horizontale Erweiterung
Die Lebewesen verteilen sich nicht gleichmäßig über die Biosphäre. Zum einen gibt es Biome mit großen Arten- und Individualdichten. Dazu gehören beispielsweise die tropischen Regenwälder und Korallenriffe. Auf der anderen Seite gibt es auch Bereiche mit sehr spärlichen makroskopischen und begrenzten mikroskopischen Leben. Dazu gehören kalte Wüsten und trockene Wüsten auf dem Land und Meeresgründe in den Ozeanen der lichtlosen und kalten Tiefsee (Bathyal, Abyssal, Hadal). In den Wüstengebieten zerstreut sich jedoch das Binnenland mit höherer Biodiversität: Wasseroasen in den trockenen Wüsten, postvulkanische Phänomene (Thermalquellen, Solfatare, Fumarolen, Mofetten) in den kalten Wüsten sowie hydrothermale Quellen (Black Smokers, White Smokers ) ,, und Methanquellen (Cold Seeps), auf tiefen Meeresböden,

Konstruktion
Nur eine dünne Hülle der Erde ist Raum mit Leben. Gemessen am gesamten Erdvolumen hat die Biosphäre nur ein winziges Volumen. Denn irdische Organismen haben gewisse Ansprüche auf ihre abiotische Umwelt. Die meisten Teile der Welt können die Anforderungen nicht erfüllen.

Die Ansprüche der Lebewesen beginnen mit dem Raumbedarf. Sie können nur dort bleiben, wo genügend Platz für ihre Körpergröße ist. Wenn ausreichend Platz vorhanden ist, muss der Platz auch geeignete Aufenthaltsmöglichkeiten bieten. Welche Optionen geeignet sind, unterscheidet sich von der Lebensform zur Lebensform. Zum Beispiel brauchen Bäume genügend Bewuchs und Angelstellen am Meeresboden, während das Phytoplankton bereits mit dem freien Wasser auskommt. Die Aufenthaltsansprüche können sich saison- und altersabhängig ändern.

Beispiel: Adult King Albatrosse benötigen etwas Platz für ihre drei Meter breiten Flügel. Sie durchstreifen die niedrigen Luftschichten über dem offenen Ozean. Dort fangen sie hauptsächlich Tintenfische, trinken Meerwasser, schlafen in der Luft oder schwimmen auf der Meeresoberfläche. Adult King Algen Bruten brauchen keine feste Siedlung Gelegenheit. Das ändert sich jedoch saisonal. Weil sie alle zwei Jahre aufs Festland fliegen. Dort prahlen sie, besetzen einen Brutplatz, brüten 79 Tage lang ein Ei und schützen die sehr wehrlosen Jungvögel in den ersten fünf Lebenswochen. Danach fliegen die Eltern wieder aufs Meer hinaus. Sie kehren jedoch in unregelmäßigen Abständen zum Brutplatz zurück, um die Jungvögel zu füttern. Die jungen Vögel müssen an Land ausharren,

Darüber hinaus müssen die abiotischen Ökofaktoren (Physio-System, Ort) in Bandbreiten übergehen, die für irdische Lebensformen tolerierbar sind. Dies gilt in hervorragender Weise für die Angebote der thermischen Energie und des flüssigen Wassers und der anderen abiotischen Ökofaktoren. Darüber hinaus muss der Aufenthaltsort auch die Ernährung der Lebewesen sicherstellen. Autotrophe Organismen müssen ausreichend Nährstoffe und heterotrophe Organismen ausreichend Nährstoffe enthalten.

Im Laufe der Erdgeschichte haben sich in den Lebensformen sehr unterschiedliche Körpergrößen, Siedlungsmethoden, Physio systemansprüche und Diäten entwickelt. Die gleichen Bedingungen herrschen nicht überall in der Biosphäre. Daher kommt an allen Orten der Biosphäre kein Lebewesen vor. Lebensformen mit ähnlichen oder ergänzenden Anpassungen finden sich am selben Ort. Zusammen bilden sie Ökoregionen (Eu-Biom) und Ökozonen (Zonobiome).

Die Lage der ökologischen Zonen des Festlandes hängt vom Klima ab. Das Klima hängt vom Breitengrad (→ Lichtzonen), der Entfernung zum Meer (→ Ozeanizität / Kontinentalität) und möglicherweise von hohen Niederschlägen ab (→ Klimagletscher). Insgesamt verlaufen die Ökozonen etwa in einem breiten Kreis parallel.

Der Standort der Ökozonen der Ozeane (Realms) hängt von der oberflächennahen Wassertemperatur ab. Es sollte auch bedacht werden, dass die kontinentalen Küsten oder die schiere Weite der Ozeane für viele Meeresorganismen Hindernisse darstellen, die ihre Verbreitung einschränken. Insgesamt sind zwölf marine Ökozonen weltweit ausgezeichnet. In der Meeresökologie sind wüstenartige Ökoregionen neben Ökoregionen von großer organismischer Fülle. Denn die gleichen trophischen Bedingungen herrschen nicht überall in den Ozeanen vor: Phytoplankton kann nur in Teilen des Meeres mit reichem Baumaterial ausgiebig gedeihen. Das Phytoplankton liegt an der Basis der marinen Nahrungsnetze, folglich sind auch die anderen marinen Lebensformen besonders zahlreich. Meeresgebiete mit hohen Konzentrationen an Baumaterialien sind Auftriebsgebiete, in denen sich reichhaltiges Tiefenwasser an die Wasseroberfläche erhebt. Große Mengen von Runot können einen ähnlichen Effekt (Walpumpe) erzeugen.

Organismische Struktur
Die Größe der Biosphäre wird hauptsächlich von Mikroorganismen bestimmt. An den Außengrenzen der Biosphäre finden sich nur permanente Stadien von Mikroben, die gegen unwirtliche Bedingungen immun sind. Dies gilt für die Mesosphäre und Stratosphäre ebenso wie für Permafrostböden, Salzkuppeln und tiefes Gletschereis. Aber auch innerhalb der Biosphärengrenzen können viele Ökosysteme gefunden werden, die ausschließlich aus Mikroorganismen bestehen. Dies gilt für alle Gemeinden innerhalb der Lithosphäre, also für Erdöl-, Kohle- und Gashydratlagerstätten sowie für tiefe Grundwasserleiter, tiefere Sedimente des Ozeans und für Ökosysteme in einfachem Festgestein. Außerdem besetzen die Mikroorganismen alle Räume, die auch von mehrzelligen Organismen bewohnt sind. Sie leben sogar auf und in diesen Metabionten, auf Haut und Rhizosphäre sowie auf Blättern und im Verdauungstrakt. Die terrestrische Biosphäre erweist sich überall als eine Sphäre von Mikroorganismen, besonders in ihren extremeren Gebieten. Im Vergleich dazu scheint der Lebensraum von Metabionten sehr begrenzt zu sein.

Trophische Konstruktion
Streng genommen besteht die Biosphäre aus vielen Ökosystemen, die mehr oder weniger eng miteinander verknüpft sind. In jedem Ökosystem erfüllen Lebewesen eine von drei verschiedenen trophischen Funktionen: Primärproduzenten – auch Autotrophen genannt – bauen Biomasse aus niederenergetischen Baustoffen auf. Diese Biomasse wird dann von den Verbrauchern verbraucht. Während der Produktion und des Verbrauchs werden große Mengen an Abfall gesammelt. Der Inventarabfall wird von Organismen der dritten trophischen Funktion, den Destruenten, zu den niederenergetischen Baustoffen abgebaut. Die Baumaterialien können dann von den Primärproduzenten wieder zum Bau neuer Biomasse genutzt werden.

Die Existenz von Verbrauchern und Destruktoren hängt von der Anwesenheit von Primärproduzenten ab. Komplette Ökosysteme können nur dort entstehen, wo Primärproduzenten geeignete Lebensbedingungen finden. Dies gilt letztlich für die gesamte Biosphäre. Das Ausmaß und die Existenz der gesamten Biosphäre ist räumlich abhängig von der Anwesenheit von Primärproduzenten.

Die auffälligsten und wichtigsten Primärproduzenten der terrestrischen Biosphäre sind die photoautotrophen Organismen. Sie betreiben Photosynthese, um ihre Biomasse aus niederenergetischen Baustoffen mit Hilfe von Licht zu erzeugen. Zu den bekanntesten photoautotrophen Organismen zählen Landpflanzen und Algen (→ phototrophe Organismen), bei denen mehr als 99% der gesamten pflanzlichen Biomasse von Landpflanzen produziert werden. Die photoautotrophe Primärproduktion der Ozeane erfolgt hauptsächlich durch nicht-kalzifizierende Haptophyten und Cyanobakterien.

Photoautotrophe Organismen sind die Basis vieler terrestrischer Ökosysteme. Die Biosphäre zeigt ihre arten- und individualreichsten Ökosysteme an Orten, an denen Pflanzen oder andere photoautotrophe Lebensformen existieren können. Auf dem Land an Orten, wo das Tageslicht hereinkommt, aber außerhalb der kalten Wüsten, außerhalb der trockenen Wüsten und unterhalb der nivalen Höhe. Im Wasser in der euphotischen Zone des Epipelagials.

Jenseits der Bereiche des Tageslichts können langfristige Beziehungen nur dann hergestellt werden, wenn ihre phototrophen Primärproduzenten nur mit geringer vulkanischer Aktivität zufrieden sind – oder wenn sie völlig unabhängig von photoautotropher Biomasse werden. Auf der Grundlage solcher völlig lichtunabhängiger Ökosysteme sind dann chemoautotrophe Primärproduzenten. Chemoautotrophe Organismen bauen ihre Biomasse auch aus niederenergetischen Baustoffen an. Sie gewinnen die notwendige Energie nicht aus Licht, sondern aus bestimmten chemischen Reaktionen. Zu den Ökosystemen, die auf chemoautotrophe Primärproduzenten angewiesen sind, gehören hydrothermale (schwarze Raucher, weiße Raucher), kalte Seeps, subglaziale Seen, vollständig von der Außenwelt isolierte Höhlen und verschiedene mikrobielle Ökosysteme tief im Grundgestein (→ Endolite).

Die Biosphäre umfasst jedoch auch Räume, die nicht direkt mit den photoautotrophen oder chemoautotrophen Ökosystemen assoziiert sind. Stattdessen liegen sie zwischen und außerhalb von ihnen. Aufgrund ungünstiger Lebensbedingungen können die Räume von Primärproduzenten nicht besiedelt werden. Diese unwirtlichen Gebiete können jedoch vorübergehend von den Verbrauchern übernommen werden, die dann in autotrophe Ökosysteme zurückkehren.

Beispiel: Viele Zugvögel durchwandern ihre Lebensräume mit extrem kargen autotrophen Lebensformen auf ihren jährlichen Wanderungen. So fliegen weiße Störche durch die trockene Wüste Sahara. Gestreifte Gänse kreuzen den vegetationsfreien Hauptkamm des Himalaya. Beide Vogelarten wählen ihre Winter- und Brutgebiete jedoch wieder in von Pflanzen bewohnten Lebensräumen. Sie bleiben also nur vorübergehend außerhalb von photoautotrophen Ökosystemen.

Die vertikale Wanderung ist ähnlich der jährlichen Vogelwanderung: Je nach Tageszeit wandern viele Wasserorganismen zwischen den epipelagialen und den tief liegenden Wasserschichten hin und her. Einige Mitglieder des Phytoplanktons wandern nachts ab, um Baumaterial in den tieferen Wasserschichten zu gewinnen. Bei Tagesanbruch kehren sie zur Wasseroberfläche zurück. Gleichzeitig gibt es eine gegenläufige Bewegung von Zooplankton und einigen größeren Tieren. Sie schwimmen im Schutz der Dunkelheit zur Oberfläche des Wassers, um Beute zu machen, und kehren im Morgengrauen in die Tiefe zurück, um auch vor größeren Raubtieren sicher zu sein.

Außerdem fließen die Abfälle aus den autotropherhaltenen Ökosystemen ständig ab. Der Abfall kann von Destruktoren über die tatsächlichen Grenzen dieser Ökosysteme hinaus recycelt werden. Auf diese Weise können Ökosysteme entstehen – und somit die Biosphäre erweitern -, die nicht direkt auf heutigen Primärproduzenten beruhen, sondern auf Abfall. Typische Beispiele für solche Ökosysteme sind die Böden, die einer konstanten Vielfalt terrestrischer Lebensgrundlagen unterliegen. Dazu gehören aber auch Wasserkörper und tiefere Wasserschichten unterhalb der euphotischen Zone, in die Inventarabfälle vom Epipelagial und von den Ufern ablaufen. Besonders erwähnenswert sind die Walfälle: Tote Wale sinken auf den Grund des Meeres und liefern große Mengen an nutzbarem Abfall für Tiefseebewohner. Die Walkadiver dienen auch als Zwischenstationen für Tiefseeorganismen bei ihren Wanderungen zwischen den chemoautotrophen Ökosystemen der weit verbreiteten hydrothermalen (Raucher) und Methanquellen (kalte Seeps). Die Reduzierung von Meeresmüll im Meer erfolgt selbst in den sauerstoffarmen Zonen (Sauerstoffminimumzone s) durch entsprechend angepasste Organismen in geringeren Raten. Viele Höhlen gehören neben Böden und fernen Gewässern zu den abfallbasierten Ökosystemen, soweit sie nicht vollständig von der Außenwelt isoliert sind. Im Höhleninventar werden Abfälle auf vielerlei Arten eingetragen, ein prominentes Beispiel ist Fledermaus-Guano.

Künstliche Biosphären
Experimentelle Biosphären, auch geschlossene ökologische Systeme genannt, wurden geschaffen, um Ökosysteme und das Potenzial zur Unterstützung des Lebens außerhalb der Erde zu untersuchen. Dazu gehören Raumfahrzeuge und die folgenden terrestrischen Labors:

Biosphäre 2 in Arizona, Vereinigte Staaten, 3,15 Acres (13.000 m2).
BIOS-1, BIOS-2 und BIOS-3 am Institut für Biophysik in Krasnojarsk, Sibirien, in der damaligen Sowjetunion.
Biosphäre J (CEEF, Closed Ecology Experiment Facilities), ein Experiment in Japan.
Mikroökologische Lebenserhaltungssystem Alternative (MELiSSA) an der Universitat Autònoma de Barcelona

Außerirdische Biosphären
Keine Biosphären wurden jenseits der Erde entdeckt; daher bleibt die Existenz außerirdischer Biosphären hypothetisch. Die Hypothese der Seltenen Erden legt nahe, dass sie sehr selten sein sollten, abgesehen davon, dass sie nur aus mikrobiellem Leben bestehen. Auf der anderen Seite können Erdanaloga ziemlich zahlreich sein, zumindest in der Milchstraße, angesichts der großen Anzahl von Planeten. Drei der Planeten, die in der Umlaufbahn von TRAPPIST-1 entdeckt wurden, könnten möglicherweise Biosphären enthalten. Bei begrenztem Verständnis der Abiogenese ist derzeit nicht bekannt, wie viel Prozent dieser Planeten tatsächlich Biosphären entwickeln.

Basierend auf Beobachtungen des Kepler Space Telescope Teams wurde berechnet, dass, wenn die Wahrscheinlichkeit einer Abiogenese höher als 1 zu 1000 ist, die nächste Alien-Biosphäre innerhalb von 100 Lichtjahren von der Erde entfernt sein sollte.

Es ist auch möglich, dass künstliche Biosphären in der Zukunft, zum Beispiel auf dem Mars, geschaffen werden. Der Prozess der Schaffung eines unfundierten Systems, das die Funktion der Biosphäre der Erde nachahmt, wird Terraforming genannt.