生物圈（Biosphere），也称为生态圈（Ecosphere），是所有生态系统的全球总和。 它也可以被称为地球上的生命区，一个封闭的系统（除了太阳和宇宙辐射以及来自地球内部的热量），并且在很大程度上是自我调节的。 根据最普遍的生物物理学定义，生物圈是整合所有生物及其关系的全球生态系统，包括它们与岩石圈，地圈，水圈和大气的相互作用。 人们假设生物圈已经进化，从生物生成过程开始（生命从非生命物质中自然产生，如简单的有机化合物）或生物发生（从生命物质中产生的生命），至少在大约35亿年前。
在一般意义上，生物圈是任何包含生态系统的封闭的自我调节系统。 这包括人造生物圈，如生物圈2和BIOS-3，以及可能在其他行星或卫星上的生物圈。
该术语的起源和使用
“生物圈”一词是由地质学家Eduard Suess于1875年创造的，他将其定义为生命居住在地球表面的地方。
虽然这个概念具有地质起源，但它表明了查尔斯·达尔文和马修·莫里都对地球科学的影响。 生物圈的生态环境来自20世纪20年代（参见弗拉基米尔·韦尔纳德斯基），在1935年由亚瑟·坦斯利爵士（见生态史）引入“生态系统”一词之前。 Vernadsky将生态学定义为生物圈的科学。 它是一个跨学科概念，用于整合天文学，地球物理学，气象学，生物地理学，进化学，地质学，地球化学，水文学，以及一般而言，所有生命和地球科学。
狭义的定义
地球化学家将生物圈定义为生物体的总和（生物学家和生态学家提到的“生物量”或“生物群”）。 从这个意义上说，生物圈只是地球化学模型的四个独立组成部分之一，另外三个是地圈，水圈和大气。 当这四个组分球体组合成一个系统时，它被称为生态圈。 这个术语是在20世纪60年代创造出来的，包括地球的生物和物理成分。
第二届闭合生命系统国际会议将生物圈学定义为地球生物圈的类比和模型的科学和技术; 即人造类似地球的生物圈。 其他可能包括创造人工非地球生物圈 – 例如，以人为中心的生物圈或天然的火星生物圈 – 作为生物圈学主题的一部分。
地球的生物圈
年龄
地球上生命的最早证据包括来自西格陵兰岛的37亿年前的变质沉积岩中发现的生物石墨和来自西澳大利亚的34.8亿年的砂岩中发现的微生物垫石化石。 最近，在2015年，西澳大利亚的41亿年前的岩石中发现了“生物生命的遗迹”。 2017年，宣布在加拿大魁北克省Nuvvuagittuq带的热液喷发沉淀物中发现了假定的化石微生物（或微化石），其长达42.8亿年，是地球上最古老的生命记录，暗示“几乎是瞬间的生命的出现“在海洋形成44亿年前，并且在45.4亿年前形成地球后不久。 根据生物学家斯蒂芬布莱尔赫奇斯的说法，“如果生命在地球上相对较快地出现……那么它在宇宙中可能是常见的。”
程度
从极地冰盖到赤道，地球的每个部分都具有某种生命。 微生物学的最新进展已经证明，微生物生活在地球陆地表面的深处，并且生物量中所谓的“不适宜居住的区域”中微生物的总质量可能超过表面上的所有动植物生命。 地球上生物圈的实际厚度很难测量。 鸟类通常在海拔1,800米（5,900英尺; 1.1英里）的高度飞行，在波多黎各海沟的水下鱼类生活多达8,372米（27,467英尺; 5.202英里）。
这个星球上有更多极端的生命例子：Rüppell的秃鹫在海拔11,300米（37,100英尺; 7.0英里）处被发现; 条形鹅在至少8,300米（27,200英尺; 5.2英里）的高度迁移; 牦牛生活在海拔5,400米（17,700英尺; 3.4英里）的海拔高度; 山羊长达3,050米（10,010英尺; 1.90英里）。 这些海拔的食草动物依赖于地衣，草和草本植物。
生命形式生活在地球生物圈的每个部分，包括土壤，温泉，地下至少19公里（12英里）的岩石，海洋最深处，大气中至少64公里（40英里） 。 已经观察到在某些测试条件下微生物在外太空的真空中存活。 土壤和地下细菌碳的总量估计为5×1017克，或“英国的重量”。 原核生物微生物 – 包括细菌和古细菌，但不包括有核真核微生物 – 的质量可能高达0.8万亿吨碳（占生物圈总质量，估计在1到4万亿吨之间）。 在马里亚纳海沟（Mariana Trench），海洋中最深处，发现海洋微生物的深度超过10,000米（33,000英尺; 6.2英里）。 事实上，在挑战者深处，马里亚纳海沟最深处发现了单细胞生命形式，深度为11,034米（36,201英尺; 6.856英里）。 其他研究人员报告了相关研究报告称，微生物在距离美国西北部海岸2,590米（8,500英尺; 1.61英里）的海底以下海拔580米（1,900英尺; 0.36英里）的岩石中茁壮成长，以及2,400米（7,900英尺; 1.5英里）在日本海底下面。 从65-75°C（149-167°F）之间的岩石中，可以从超过5000米（16,000英尺; 3.1英里）钻进瑞典地壳的岩心中提取可培养的嗜热微生物。 温度随着地壳深度的增加而增加。 温度升高的速度取决于许多因素，包括地壳类型（大陆与海洋），岩石类型，地理位置等。微生物生命可存在的最大已知温度为122°C（252°F） （Methanopyrus kandleri Strain 116），“深层生物圈”的生命极限很可能是由温度而不是绝对深度决定的。 2014年8月20日，科学家证实存在生活在南极洲冰层以下800米（2,600英尺; 0.50英里）的微生物。 据一位研究人员说，“你可以在任何地方找到微生物 – 它们极易适应条件，无论它们在哪里都能生存。”
我们的生物圈分为许多生物群落，居住着相当相似的动植物群落。 在陆地上，生物群落主要通过纬度分离。 位于北极和南极圈内的陆地生物群落相对贫瘠的植物和动物生命，而大多数人口较多的生物群落位于赤道附近。
生命的分配
它构成了一层不规则的薄层，就像生物量，多样性和初级生产的密度不规则一样。 它横跨海洋的表面和海底，它首先发育的地方，大陆的表面，以及地壳的表面水平，在那里生命茁壮成长，密度低，在岩石的孔隙和空隙之间。
海洋
在海洋中，生命集中在表面层，光区，光线。 营养链从这里开始，光合作用剂主要是蓝细菌和原生生物，通常是单细胞和浮游生物。 生命发展的限制因素是一些必需的营养素，例如铁，这些营养素是稀缺的，并且我们在寒冷的海洋和某些热带地区找到它的最大生产力，它们与大陆相邻，其中水流带来营养物质。海底。 在这些地方之外，温暖纬度的远洋（近海）地区是生物沙漠，生活密度低。 然而，最丰富和最复杂的海洋生态系统是热带的，它们是在非常浅的深度发展的，只有几米，富含海底生物，靠近海岸; 最明显的例子是珊瑚礁。
除了光照区外，每个黑暗和广阔的海底都有繁荣的海洋生物，其营养依赖于从上方落下的有机物质，以废物和尸体的形式存在。 在一些地质构造过程带来充满盐的热水的地方，主要的自养生产者，他们获得基于无机基质的化学反应的能量，是重要的; 我们称之为化学合成的代谢类型。
在某些偏见中，大陆的平均生命密度在当前生物圈中比在海洋中更大; 虽然海洋更广泛，但相当于地球总生产量的约50％。
洲
在大陆上，营养链从陆地植物开始，光合作用物从土壤中获得矿物质营养，这要归功于它们固定的相同结构，根部，使水向叶子循环，在那里蒸发它。 由于这个原因，大陆的主要限制因素是土壤中水的可用性，同时还有温度，这比海水中的变化更大，水的高比热确保了非常均匀的热环境。并且时间稳定。
出于上述原因，生物量，总生产力和生态多样性分布如下：
在梯度之后，最大值朝向赤道，极区域最小，与可用能量相关。
集中在三个纬度延伸的带。 第一个是赤道仪式，其中由热带前缘产生的降雨量是天顶型的，全年都会发生，或者在旱季交替出现。 另外两个，或多或少对称，覆盖中纬度或温带纬度，伴随着暴风雨，有大量或更少的气旋降雨。
在这些潮湿地区和密集的生活中，有两个对称的热带沙漠或半沙漠地区，虽然生物量低，但生物多样性很高。 在两个半球的高纬度地区，我们最终拥有极地地区，生活贫困的原因在于液态水短缺以及缺乏能源。
深层生物圈
直到最近，水平被设定为生命的极限，几米深，植物的根部延伸。 现在我们已经证实，不仅在海洋底部存在依赖于化学自养生物的生态系统，而且这种类型的生命延伸到地壳的深层。 它由细菌和极端微生物古菌组成，它们从无机化学过程（化学合成）中提取能量。 毫无疑问，它们在某些不稳定的矿物混合物出现的地方茁壮成长，这些混合物具有化学能的潜力; 但是地球在地质上是一个仍然存在的行星，内部过程仍然会不断产生这种类型的情况。
延期
鞘状生物圈始于地球表面约60公里处，并在地球表面以下约5公里处结束。 它开始于中间层的下半球，遍布地球大气的剩余层和水圈的上部，在地壳的几公里之后穿过岩石圈并终止于岩石圈的上部。 至少在关注微生物时，生物圈会延伸到整个地球表面，即海洋和海床。
垂直延伸
根据目前的知识，陆地生物圈的上限略高于平流层顶，位于海拔60公里的最低中层。 以前仍有某些微生物处于永久性阶段。 在这些大气高度，它们可以抵抗从约-50°C（平流层下部）到约0°C（中间层下部）的低温，以及几乎完全缺水和强烈的紫外线辐射。目前，它是我认为发现的微生物离地球表面的整个生命周期都没有。 相反，它们只能以各种方式旋转到地球表面，然后在一段时间内保持在平流层和最低中间层。
平流层下方是对流层，最密集和最低的地球大气层。 由于自然温室效应，空气具有较高的空气温度，并且由于上面的平流层臭氧层，空气辐射相对较低。 由于这些原因，在对流层中存在陆地生物的栖息地，温度主要甚至在正确的海拔高度区以下。
在对流层下方，一方面是土壤圈的底部，另一方面是水圈的水域。 土壤中居住着各种土壤生物。 它们的栖息地仅限于土壤水和土壤空气的供应，微生物渗入最深处。 完整但冷冻的微生物发现自己仍然处于永久冻土深处。 在水域中，生命形式存在于底部，再一次多米进入泥泞的水体。 事实上，地球上的古生物量的比例较大，其中古细菌和海洋沉积物中的细菌。 但是，水生生物中较为突出的成员保持在上层和充满光泽的水层上。 除此之外，物种和个体密度可能变得非常小。 对于深海来说尤其如此。 然而，它们的寒冷黑暗被火山岛和环礁中断，这些岛屿和环礁高于水面。 Submarine，Guyots和Seamounts为许多生物提供栖息地，其中一些海底山脉可以上升到地下室。 在世界范围内看，海山经常发生，占地面积与欧洲相当。 总的来说，它们很可能是主要的主要生物群落之一。 根据水的深度，火山岛，环礁，海山和斗牛可以找到以这种方式打断深海沙漠生活的不同社区。
在土壤和泥泞的水道下方，岩石圈的岩石加入。 在这里发现洞穴包含由微生物和一些多细胞生物组成的简单洞穴生态系统。 岩石圈的所有其他群落仅由微生物组成。 有些生活在石油矿床，煤层，天然气水合物，深层含水层或直接位于基岩中的细孔中。 此外，至少某些微生物长期阶段也发生在盐丘中。 可以假设岩石圈中的生物圈下降到环境温度在150℃以上地热升高的深度。在该温度下，即使对于超嗜热微生物，它也应该变得太热。 根据经验，假设环境温度每100米深度增加3°C。 因此，生物圈必须以约5千米的岩石圈深度结束。 然而，这种经验法则存在强烈的区域偏差。
微生物生态系统也可以在冰下湖泊中找到，冰川湖泊通过重叠的冰川与环境完全隔离。 微生物也在冰川冰层深处发现。 目前尚不清楚它们在多大程度上存活或在那里显示出积极的生命过程。
水平延伸
生物不会在生物圈上均匀分布。 首先，有大型物种和个体密度的生物群落。 这些包括，例如，热带雨林和珊瑚礁。 另一方面，也有一些区域具有非常稀疏的宏观和有限的微观寿命。 这些包括农村的寒冷沙漠和干燥沙漠以及无光和寒冷深海（Bathyal，Abyssal，Hadal）海洋中的海床。 然而，在沙漠地区分散的生物多样性较高的内陆地区：干燥沙漠中的水绿洲，寒冷沙漠中的火山后现象（温泉，溶洞，喷气孔，mofettes）以及热液来源（黑烟囱，白烟囱） ）和深海底的甲烷来源（冷渗），
施工
只有地球的薄壳才是生命的空间。 通过总土量测量，生物圈只有很小的体积。 因为地球上的生物对其非生物环境有一定的要求。 世界上大多数地方都无法满足需求。
生物的主张始于空间要求。 它们只能留在能够为其体型提供足够空间的地方。 如果有足够的空间，这个地方还必须提供适合入住房间的可能性。 哪种选择适合不同于生命形式和生命形式。 例如，树木需要足够的生根空间和海床上的唐氏附着点，而浮游植物已经与自由水体相处。 行踪声称可以季节性地和年龄相关地改变。
例如：成年国王信天翁需要一些空间用于他们三米宽的翅膀。 他们在开阔的海洋上漫游低空气层。 在那里，他们主要捕捉章鱼，喝海水，在空中睡觉或漂浮在海面上。 成年王藻类育雏不需要任何坚实的定居机会。 然而，这季节性变化。 因为他们每两年飞往大陆。 在那里，他们吹嘘，占据一个滋生地，孵化她一个鸡蛋79天，并在生命的前五周保护非常没有防御能力的幼鸽。 之后，父母再次飞向大海。 然而，它们以不规则的间隔返回到繁殖地点以喂养幼鸟。 幼鸽必须在陆地上坚持下去，
此外，非生态生态因素（生理系统，位置）必须进入地球生命形式可以容忍的带宽。 这适用于提供热能和液态水以及其他非生物生态因子下游的出色方式。 此外，下落还必须确保生物的营养。 自养生物必须有足够的营养和异养生物足够的营养。
在地球历史的过程中，生命形式已经演变成非常不同的体型，沉降方法，Physiosystemansprüche和饮食。 现在，生物圈内的任何地方都没有相同的条件。 因此，生物圈的所有地方都没有生物。 具有相似或互补适应性的生命形式在同一位置一起被发现。 他们一起形成生态区（Eu-biome）和ecozones（zonobioms）。
大陆生态区的位置取决于气候。 气候取决于纬度（→照明区域），到海洋的距离（→海洋性/大陆性）以及可能防止降水的高山（→气候冰川）。 总体而言，生态区大致平行于大圆。
海洋生态区域（领域）取决于近地表水温。 还应该记住，对于许多海洋生物而言，大陆海岸或海洋的绝大部分是限制其扩散的障碍。 全世界共有12个海洋生态区。 在海洋生态中，类似沙漠的生态区域毗邻具有巨大有机丰度的生态区域。 这是因为相同的营养条件并不适用于海洋中的任何地方：浮游植物只能通过丰富的建筑材料在海洋中广泛繁殖。 浮游植物位于海洋食物网的基础之上。因此，还有其他海洋生物形式特别多。 建筑材料浓度高的海域是上涌区，富含建筑物的深水会上升到水面。 大量的runot可以产生类似的效果（鲸鱼泵）。
有机结构
生物圈的大小主要由微生物决定。 在生物圈的外边界，只发现了永久性的微生物阶段，这些阶段对荒凉的条件具有免疫力。 这适用于中间层和平流层以及永久冻土，盐丘和深冰冰。 但即使在生物圈边界内，也可以找到许多仅由微生物组成的生态系统。 这适用于岩石圈内的所有社区，即原油，煤和天然气水合物的沉积物，以及深层含水层，海洋深层沉积物和简单固体岩石中的生态系统。 此外，微生物占据了所有也由多细胞生物居住的房间。 它们甚至生活在这些代谢物上，皮肤和根际以及叶子和消化道上。 陆地生物圈被证明是一个微生物的领域，特别是在更极端的地区。 相比之下，代数的栖息地似乎非常有限。
营养建筑
严格地说，生物圈由许多或多或少紧密相连的生态系统组成。 在每个生态系统中，生物都能实现三种不同的营养功能之一：初级生产者 – 也称为自养生物 – 用低能量建筑材料建立生物质。 然后，这种生物质被消费者消费。 在生产和消费过程中，收集了大量废料。 库存废物来自第三营养功能的生物，Destruenten，开采到低能量建筑材料。 然后，初级生产者可以再次使用建筑材料来建造新的生物质。
消费者和破坏者的存在取决于初级生产者的存在。 完整的生态系统只能在初级生产者找到合适的生活条件的地方开发。 这最终适用于整个生物圈。 整个生物圈的范围和存在是时空的，取决于初级生产者的存在。
陆地生物圈最引人注目和最重要的主要生产者是光合自养生物。 他们进行光合作用，以便在光的帮助下从低能耗建筑材料中生产生物质。 最着名的光合自养生物是陆地植物和藻类（→光养生物），其中超过99％的植物总生物量是由陆地植物生产的。 海洋的光合自养初级生产主要通过非钙化的haptophytes和蓝细菌来完成。
光合自养生物是许多陆地生态系统的基础。 生物圈在植物或其他光合自养生命形式存在的地方展示了其物种和个体丰富的生态系统。 在乡村的日光进入的地方，但在寒冷的沙漠之外，在干燥的沙漠之外和nivalen海拔高度以下。 在epipelagial的透光区域的水中。
除了日光领域之外，只有当他们的光养初级生产者对火山活动很少感到满意时 – 或者他们完全独立于光自养生成的生物量时，才能建立长期关系。 在这种完全独立于光的生态系统的基础上，然后是化学自养的主要生产者。 化学自养生物也从低能量建筑材料中生长出生物质。 它们不是从光中获得必要的能量，而是从某些化学反应中获得。 依赖主要化学自养生产者的生态系统包括热液（黑人吸烟者，白人吸烟者），冷泉，冰下湖泊，与外界完全隔离的洞穴，以及基岩深处的各种微生物生态系统（→Endolites）。
然而，生物圈还包括与光合自养或化学自养生态系统没有直接关联的空间。 相反，它们位于它们之间和之外。 由于不利的生活条件，房间不能被初级生产者殖民。 然而，消费者可以暂时接管这些荒凉的地区，然后消费者返回自养的生态系统。
例如：许多候鸟在每年的迁徙过程中都会经过极其稀疏的自养生命。 所以白鹳飞过干燥的沙漠撒哈拉沙漠。 条纹的鹅穿过喜马拉雅山脉的无植被主脊。 然而，两种鸟类在植物栖息的栖息地中再次选择冬季和繁殖区。 因此，它们只能暂时停留在光自养维护的生态系统之外。
垂直迁移类似于每年的鸟类迁徙：根据一天中的时间，许多水生生物在下面的上层和下层水之间来回迁移。 浮游植物的一些成员在夜间向下迁移以获得更深水层中的建筑材料。 黎明时分，他们返回水面。 与此同时，浮游动物和一些较大的动物也有相反的运动。 他们在黑暗的避难所里游到水面，成为猎物，并在黎明时返回到深处，即使是较大的掠食者也是如此。
此外，来自自养生态系统的废物不断流失。 废物可以通过破坏者回收超出这些生态系统的实际限制。 通过这种方式，生态系统可以出现 – 从而扩大生物圈 – 这些生态圈不是直接基于现有的初级生产者，而是基于废物。 这种生态系统的典型例子是土壤，这些土壤受到陆地生物种群的不断多样化的影响。 但是，在光照区以下的水体和更深的水层也属于它，库存废物从地下区域和河岸流出。 特别值得一提的是鲸鱼坠落：死鲸沉入海底，为深海居民提供大量可用的废物。 这些步行者还可以作为深海生物的中间站，在广泛传播的热液（吸烟者）和甲烷源（冷渗漏）的基于化学自养生物的生态系统之间迁移。 通过适当适应的生物体，即使在贫氧区（氧气最小区域）中，海洋中海洋废物的减少也以较低的速率发生。 除了土壤和遥远的水体之外，许多洞穴都属于以废物为基础的生态系统，只要它们与外界不完全隔离。 在洞穴中，废物以多种方式进入，一个突出的例子是蝙蝠鸟粪。
人造生物圈
已经建立了实验生物圈，也称为封闭生态系统，以研究生态系统和支持地球外生命的潜力。 这些包括航天器和以下地面实验室：
生物圈2在美国亚利桑那州，3.15英亩（13,000平方米）。
位于西伯利亚克拉斯诺亚尔斯克的生物物理研究所的BIOS-1，BIOS-2和BIOS-3，当时的苏联。
Biosphere J（CEEF，封闭式生态实验设施），日本的一项实验。
巴塞罗那自治大学的微生态生命支持系统替代方案（MELiSSA）
外星生物圈
在地球以外没有发现生物圈; 因此，外星生物圈的存在仍然是假设的。 稀土假说认为它们应该是非常罕见的，除了仅由微生物生命组成的那些。 另一方面，考虑到大量的行星，至少在银河系中，地球类似物可能相当多。 发现轨道TRAPPIST-1的三颗行星可能含有生物圈。 鉴于对血管生成的了解有限，目前还不知道这些行星实际发育生物圈的比例是多少。
根据开普勒太空望远镜团队的观察，已经计算出，如果生物发生的概率高于1到1000，最近的外星生物圈应该距离地球100光年以内。
人造生物圈也有可能在未来产生，例如在火星上。 创建一个模仿地球生物圈功能的非包容系统的过程称为地形。