生物圈

蔣高明

生物圈最早由奧地利地質(zhì)學(xué)家愛德華·蘇威斯（E.Suess）于1875年提出。它本來是一個地質(zhì)學(xué)詞匯，1920年代生物圈被賦予生態(tài)意義。今天，生物圈概念集合了天文學(xué)、地球物理學(xué)、氣象學(xué)、生物地理學(xué)、生命演化論、地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)化學(xué)、水文學(xué)等多項科學(xué)內(nèi)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(qū)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(shù)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(nèi)。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(zhì)學(xué)的角度來看，生物圈是由所有生物以及空間環(huán)境的全球各類生態(tài)系統(tǒng)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(rèn)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(rèn)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(jìn)化的理想環(huán)境。已知的生命現(xiàn)象都離不開液態(tài)水。地球自轉(zhuǎn)使地表溫度足以維持液態(tài)水的存在；地球的引力保證了大部分氣態(tài)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(xiàn)存的各種生物，都是幾十億年生物進(jìn)化的結(jié)果，是生物與環(huán)境長期交互作用的產(chǎn)物。

當(dāng)?shù)厍蛏蟿偝霈F(xiàn)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(xiàn)了藍(lán)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?yōu)檠趸詺怏w，為需氧生物的出現(xiàn)提供了有利條件。隨著氧氣的增多，在高空出現(xiàn)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(fā)展到陸地上來。生物初到陸地上，遇到的只是巖石和風(fēng)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(fēng)化長期作用下，才形成了肥沃的土壤。生物進(jìn)化的結(jié)果最終出現(xiàn)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(zhì)年代所發(fā)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(jìn)化和生物與環(huán)境相互作用的結(jié)果，以及由此引起的生物圈的進(jìn)化。生物圈進(jìn)化可以用生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化來描述：

1.生命在地球上誕生，單級生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)。它是由原始異養(yǎng)生物和原生環(huán)境（原始海洋和原始大氣）構(gòu)成的自然生態(tài)系統(tǒng)。

2.單級生態(tài)系統(tǒng)演化為二級生態(tài)系統(tǒng)。20億年前，綠色藻類出現(xiàn)，標(biāo)志自養(yǎng)生物的出現(xiàn)，單極生態(tài)系統(tǒng)演化為具有自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種生物的生態(tài)系統(tǒng)。它導(dǎo)致地球大氣中氧的出現(xiàn)，氧化性大氣的形成，原生生物圈發(fā)展為次生生物圈。

3.三級生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)。6億多年前，多細(xì)胞動物出現(xiàn)，完成了二級生態(tài)系統(tǒng)向三級生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，形成生產(chǎn)者（植物）、消費者（動物）和轉(zhuǎn)化者（微生物）的三級結(jié)構(gòu)，奠定了生態(tài)系統(tǒng)演化的基本格局。

4.人類誕生引發(fā)地球生物圈演化質(zhì)變。人通過自己的活動把天然生態(tài)系統(tǒng)改變?yōu)槿斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)，人類智慧指導(dǎo)下的勞動，導(dǎo)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(zhuǎn)

生物圈由生命物質(zhì)、生物生成性物質(zhì)和生物惰性物質(zhì)三部分組成。生命物質(zhì)又稱活性物質(zhì)，是生物有機(jī)體的總和；生物生成性物質(zhì)是由生命物質(zhì)所組成的有機(jī)礦物質(zhì)相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖質(zhì)等；生物惰性物質(zhì)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(zhì)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(fā)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(dá)地球上的太陽輻射能是十分巨大的。據(jù)統(tǒng)計，太陽散發(fā)的能量每秒鐘達(dá)到3.75×1026焦耳，而其中只有22億分之一到達(dá)地球，盡管如此，地球每秒鐘獲得的能量仍然相當(dāng)于燃燒500萬噸優(yōu)質(zhì)煤所發(fā)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(xué)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(xué)元素進(jìn)入生物體內(nèi)是靠生物的主動攝取，而化學(xué)元素在自然界中的循環(huán)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(tài)營養(yǎng)物和廢物很容易在生物與環(huán)境間循環(huán)運動。一般可溶性物質(zhì)是隨水進(jìn)出生物體的。就全球來講，江河中所攜帶的可溶性物質(zhì)，隨水流由高向低移動，最后歸入湖泊和海洋。當(dāng)湖水和海水蒸發(fā)時，這些物質(zhì)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(zhì)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(yǎng)物質(zhì)以支持生命活動，在這些生物之間，存在著食物鏈關(guān)系。生物圈是一個復(fù)雜的、全球性的開放系統(tǒng)，是一個生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。生物圈的運轉(zhuǎn)原理如下：

1.獲得足夠太陽能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)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?zé)崮埽痪G色植物吸收太陽能合成有機(jī)物而進(jìn)入生物循環(huán)；源源不斷的太陽能是生物圈維持正常運轉(zhuǎn)的動力。太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬軌蚶玫幕瘜W(xué)能，是通過綠色植物光合作用實現(xiàn)的。光合作用是地球上唯一能夠在常溫、常壓下發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)合成的生物化學(xué)反應(yīng)，其生產(chǎn)過程不排放污染物，所合成的光合產(chǎn)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(chuàng)造的文明。作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要組分的生產(chǎn)者，綠色植物進(jìn)行的光合作用奠定了生態(tài)系統(tǒng)最基本的特征，即能量流動與物質(zhì)循環(huán)。

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(dá)90%以上；而種子的含水量<10%；細(xì)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(zhuǎn)。在溫度變化范圍內(nèi)的物質(zhì)存在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種變化。生物體內(nèi)的生物化學(xué)過程必須在一定溫度范圍內(nèi)才能正常進(jìn)行。一般說來，生物體內(nèi)的生化反應(yīng)會隨著溫度的升高而加快，從而加快生長發(fā)育速度； 生化反應(yīng)也會隨溫度的下降而變緩，從而減慢生長發(fā)育的速度。

4.提供生命物質(zhì)所需的各種營養(yǎng)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(zhì)的組成或中間產(chǎn)物。生物圈內(nèi)生產(chǎn)者、消費者和分解者所形成的三級組分，接通了從無機(jī)物到有機(jī)物，經(jīng)過各種生物的多級利用，再分解為無機(jī)物重新利用的完整循環(huán)。

5.生物圈具有自我調(diào)節(jié)能力。例如，大氣中二氧化碳含量增加時，會使植物加強(qiáng)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(shù)量增加時，有關(guān)植物種群和天敵種群的數(shù)量也隨之變化，從而使這種動物種群的數(shù)量得到控制。

人類對生物圈的影響

作為地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，生物圈的結(jié)構(gòu)和功能長期維持相對穩(wěn)定狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為生物圈的穩(wěn)態(tài)。生物圈雖然具有自我維持穩(wěn)態(tài)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(jīng)超過這種限度，對生物圈的穩(wěn)態(tài)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

人已經(jīng)不是傳統(tǒng)生物鏈上的成員，而是生物圈中占統(tǒng)治地位的物種，能大規(guī)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(yīng)有一定限度，超過限度就會破壞生物圈的動態(tài)平衡，造成嚴(yán)重后果。在地球上出現(xiàn)人類以后大約300萬年的時期里，人類與其周圍的生物和環(huán)境處于合理的平衡之中。

自從人類學(xué)會栽培植物，農(nóng)業(yè)技術(shù)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(chuàng)造性活動。隨著生產(chǎn)力提高，人口逐漸增加并向城市集中，制造商品的手工業(yè)日益發(fā)展，人類活動對環(huán)境的影響和沖擊也日益增加。尤其是工業(yè)革命以后兩三百年來，開礦、挖煤、采油、伐林、墾荒、捕撈等規(guī)模迅速擴(kuò)大，生物圈面貌也發(fā)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(chǎn)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(yán)重，建設(shè)用地的高速擴(kuò)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(zhì)量下降甚至發(fā)生荒漠化；失去了植被調(diào)節(jié)氣候的作用，氣溫波動增大，水旱災(zāi)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(chǎn)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(guī)模減產(chǎn)?；剂鲜乾F(xiàn)代工業(yè)的基石之一，但它的蘊(yùn)藏量畢竟是有限的。隨著使用速度的日益增長，燃料危機(jī)不斷加劇。大量開采地下能源和礦物，并焚燒或加工化工產(chǎn)物，造成了大量環(huán)境污染物，嚴(yán)重威脅了地球生物圈。

生物圈是一個統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)中消費者的一員，人的生存和發(fā)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(dāng)?shù)厍虮蝗祟惼茐牡貌贿m應(yīng)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(qiáng)適應(yīng)力的物種將還會繼續(xù)存在，生物圈會重新開始其慢吞吞的演化。因此，保護(hù)生物圈就是保護(hù)人類自己的家園。