Биосфера (от др.-греч. βίος ( bíos ) «жизнь» и σφαῖρα ( sphaîra ) «сфера»), также называемая экосферой (от др.-греч. οἶκος ( oîkos ) « поселение, дом» и σφαῖρα ( sphaîra ) «сфера»), является всемирной суммой всех экосистем . Ее также можно назвать зоной жизни на Земле . Биосфера (которая технически является сферической оболочкой ) является фактически закрытой системой в отношении материи , [1] с минимальными входами и выходами. Что касается энергии , это открытая система, в которой фотосинтез захватывает солнечную энергию со скоростью около 100 тераватт . [2] Согласно самому общему биофизиологическому определению, биосфера — это глобальная экологическая система, объединяющая все живые существа и их взаимоотношения, включая их взаимодействие с элементами литосферы , криосферы , гидросферы и атмосферы . Биосфера, как предполагается, эволюционировала , начиная с процесса биопоэза (жизнь, созданная естественным образом из неживой материи, такой как простые органические соединения) или биогенеза (жизнь, созданная из живой материи), по крайней мере, около 3,5 миллиардов лет назад. [3] [4]
В общем смысле, биосферы — это любые закрытые, саморегулирующиеся системы, содержащие экосистемы. Это включает искусственные биосферы, такие как Биосфера 2 и БИОС-3 , и потенциально те, что на других планетах или лунах . [5]
Происхождение и использование термина
Термин «биосфера» был придуман в 1875 году геологом Эдуардом Зюссом , который определил его как место на поверхности Земли , где обитает жизнь . [6]
Геохимики определяют биосферу как общую сумму живых организмов (« биомассу » или « биоту », как ее называют биологи и экологи). В этом смысле биосфера — это всего лишь один из четырех отдельных компонентов геохимической модели, остальные три — геосфера , гидросфера и атмосфера . Когда эти четыре компонента сферы объединяются в одну систему, она становится известна как экосфера . Этот термин был придуман в 1960-х годах и охватывает как биологические, так и физические компоненты планеты. [7]
Вторая международная конференция по замкнутым системам жизни определила биосферику как науку и технологию аналогов и моделей биосферы Земли, т. е. искусственных биосфер, подобных Земле. [8] Другие могут включать создание искусственных неземных биосфер, например, биосфер, ориентированных на человека, или естественной марсианской биосферы, как часть темы биосферики. [ необходима ссылка ]
биосфера Земли
Обзор
В настоящее время общее число живых клеток на Земле оценивается в 10 30 ; общее число с момента возникновения Земли — в 10 40 , а общее число за все время существования обитаемой планеты Земля — в 10 41 . [9] [10] Это намного больше, чем общее число предполагаемых звезд (и планет земного типа) в наблюдаемой Вселенной — 10 24 , число, которое больше, чем все песчинки на пляже планеты Земля; [11] [12] [13] [14] но меньше общего числа атомов, оцениваемого в наблюдаемой Вселенной — 10 82 ; [15] и предполагаемого общего числа звезд в инфляционной Вселенной (наблюдаемых и ненаблюдаемых), как 10 100 . [16]
Каждая часть планеты, от полярных ледяных шапок до экватора , имеет какую-либо жизнь. Недавние достижения в микробиологии продемонстрировали, что микробы живут глубоко под земной поверхностью Земли и что общая масса микробной жизни в так называемых «необитаемых зонах» может по биомассе превышать всю животную и растительную жизнь на поверхности. Фактическую толщину биосферы на Земле трудно измерить. Птицы обычно летают на высоте до 1800 м (5900 футов; 1,1 мили), а рыбы живут на глубине до 8372 м (27467 футов; 5,202 мили) под водой в Пуэрто-Риканской впадине . [3]
Есть и более экстремальные примеры жизни на планете: стервятник Рюппеля был обнаружен на высоте 11 300 метров (37 100 футов; 7,0 миль); горные гуси мигрируют на высоте не менее 8 300 м (27 200 футов; 5,2 мили); яки живут на высоте до 5 400 м (17 700 футов; 3,4 мили) над уровнем моря; горные козлы живут на высоте до 3 050 м (10 010 футов; 1,90 мили). Травоядные животные на этих высотах зависят от лишайников, злаков и трав.
Формы жизни обитают в каждой части биосферы Земли, включая почву , горячие источники , внутри скал на глубине не менее 19 км (12 миль) под землей и на высоте не менее 64 км (40 миль) в атмосфере. [26] [27] [28] Морская жизнь во многих формах была обнаружена в самых глубоких местах мирового океана, в то время как большая часть глубоководных районов моря еще не исследована. [29]
При определенных условиях испытаний было замечено, что микроорганизмы выживают в вакууме открытого космоса . [30] [31] Общее количество углерода в почве и подповерхностных бактериях оценивается в 5 × 1017 г. [ 26] Масса прокариотных микроорганизмов, которая включает бактерии и археи, но не зародышевые эукариотные микроорганизмы , может достигать 0,8 триллиона тонн углерода (от общей массы биосферы , оцениваемой в пределах от 1 до 4 триллионов тонн). [32] Барофильные морские микробы были обнаружены на глубине более 10 000 м (33 000 футов; 6,2 мили) в Марианской впадине , самом глубоком месте в океанах Земли. [33] Фактически, одноклеточные формы жизни были обнаружены в самой глубокой части Марианской впадины, в Бездне Челленджера , на глубине 11 034 м (36 201 фут; 6,856 миль). [34] [35] [36] Другие исследователи сообщили о связанных исследованиях, что микроорганизмы процветают внутри пород на глубине до 580 м (1900 футов; 0,36 мили) ниже морского дна под 2590 м (8500 футов; 1,61 мили) океана у побережья северо-запада Соединенных Штатов , [35] [37] а также на глубине 2400 м (7900 футов; 1,5 мили) под морским дном у берегов Японии. [38] Культивируемые термофильные микробы были извлечены из кернов, пробуренных на глубину более 5000 м (16000 футов; 3,1 мили) в земной коре в Швеции , [39] из пород с температурой 65–75 °C (149–167 °F). Температура увеличивается с увеличением глубины земной коры. Скорость повышения температуры зависит от многих факторов, включая тип коры (континентальная или океаническая), тип породы, географическое положение и т. д. Наибольшая известная температура, при которой может существовать микробная жизнь, составляет 122 °C (252 °F) ( Methanopyrus kandleri штамм 116). Вероятно, что предел жизни в « глубокой биосфере » определяется температурой, а не абсолютной глубиной. [ необходима цитата ] 20 августа 2014 года ученые подтвердили существование микроорганизмов, живущих на глубине 800 м (2600 футов; 0,50 мили) подо льдом Антарктиды . [ 40] [41]
Биосфера Земли разделена на несколько биомов , населенных довольно схожей флорой и фауной . На суше биомы разделены в основном широтой . Наземные биомы, лежащие в пределах Полярного и Антарктического кругов, относительно бесплодны в отношении растительной и животной жизни. Напротив, большинство более густонаселенных биомов лежат вблизи экватора .
Годовое изменение
Искусственные биосферы
Экспериментальные биосферы, также называемые замкнутыми экологическими системами , были созданы для изучения экосистем и потенциала поддержания жизни за пределами Земли. Они включают космические аппараты и следующие наземные лаборатории:
За пределами Земли не обнаружено никаких биосфер; поэтому существование внеземных биосфер остается гипотетическим. Гипотеза редкой Земли предполагает, что они должны быть очень редкими, за исключением тех, которые состоят только из микробной жизни. [45] С другой стороны, аналоги Земли могут быть довольно многочисленны, по крайней мере, в галактике Млечный Путь , учитывая большое количество планет. [46] Три из планет, обнаруженных на орбите TRAPPIST-1 , возможно, могут содержать биосферы. [47] Учитывая ограниченное понимание абиогенеза , в настоящее время неизвестно, какой процент этих планет на самом деле развивает биосферы.
На основе наблюдений команды космического телескопа «Кеплер» было подсчитано, что при условии, что вероятность абиогенеза выше 1 к 1000, ближайшая инопланетная биосфера должна находиться в пределах 100 световых лет от Земли. [48]
Также возможно, что в будущем будут созданы искусственные биосферы, например, при терраформировании Марса . [49]
^ «Биосфера» в Колумбийской энциклопедии , 6-е изд. (2004) Издательство Колумбийского университета.
^ Нилсон, Кеннет Х.; Зеки, С.; Конрад, Памела Г. (1999). «Жизнь: прошлое, настоящее и будущее». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки . 354 (1392): 1923–1939. doi :10.1098/rstb.1999.0532. PMC 1692713. PMID 10670014 .
^ ab Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Биология: исследование жизни. Бостон, Массачусетс: Pearson Prentice Hall. ISBN978-0-13-250882-7. Архивировано из оригинала 2014-11-02 . Получено 2008-09-14 .
^ Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). «Кислород Земли: тайна, которую легко принять за данность». The New York Times . Архивировано из оригинала 3 октября 2013 г. Получено 3 октября 2013 г.
^ Зюсс, Э. (1875) Die Entstehung Der Alpen [ Происхождение Альп ]. Вена: В. Браунмюллер.
^ Мёллер, Детлев (декабрь 2010 г.). Химия климатической системы . Де Грюйтер. стр. 118–119. ISBN978-3-11-022835-9.
^ Бебарта, Кайлаш Чандра (2011). Словарь по лесному хозяйству и науке о дикой природе . Нью-Дели: Concept Publishing Company. стр. 45. ISBN978-81-8069-719-7.
^ Overbye, Dennis (1 декабря 2023 г.). «Сколько именно жизни на Земле? — Согласно новому исследованию, живых клеток во Вселенной больше, чем звезд, что подчеркивает глубокую, недооцененную связь между геофизикой и биологией». The New York Times . Архивировано из оригинала 1 декабря 2023 г. . Получено 1 декабря 2023 г. .
^ Crockford, Peter W.; et al. (6 ноября 2023 г.). «Геологическая история первичной продуктивности». Current Biology . 33 (21): P7741–4750.E5. Bibcode :2023CBio...33E4741C. doi :10.1016/j.cub.2023.09.040. PMID 37827153. Архивировано из оригинала 1 декабря 2023 г. Получено 1 декабря 2023 г.
^ Staff (2020). «Сколько звезд во Вселенной?». Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинала 17 января 2020 года . Получено 17 января 2020 года .
^ Mackie, Glen (1 февраля 2002 г.). «Увидеть Вселенную в зерне песка Таранаки». Технологический университет Суинберна . Архивировано из оригинала 28 декабря 2022 г. Получено 1 декабря 2023 г.
^ Мак, Эрик (19 марта 2015 г.). «Похожих на Землю планет может быть больше, чем песчинок на всех наших пляжах. Новые исследования утверждают, что только Млечный Путь изобилует миллиардами потенциально пригодных для жизни планет — и это всего лишь один кусочек Вселенной». CNET . Архивировано из оригинала 1 декабря 2023 г. Получено 1 декабря 2023 г.
^ T. Bovaird, T.; Lineweaver, CH; Jacobsen, SK (13 марта 2015 г.). «Использование наклонений систем Кеплера для приоритетизации новых предсказаний экзопланет на основе Тициуса–Боде». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 448 (4): 3608–3627. arXiv : 1412.6230 . doi : 10.1093/mnras/stv221 . Архивировано из оригинала 1 декабря 2023 г. . Получено 1 декабря 2023 г. .
^ Бейкер, Гарри (11 июля 2021 г.). «Сколько атомов в наблюдаемой Вселенной?». Live Science . Архивировано из оригинала 1 декабря 2023 г. Получено 1 декабря 2023 г.
^ Тотани, Томонори (3 февраля 2020 г.). «Возникновение жизни в инфляционной Вселенной». Scientific Reports . 10 (1671): 1671. arXiv : 1911.08092 . Bibcode :2020NatSR..10.1671T. doi : 10.1038/s41598-020-58060-0 . PMC 6997386 . PMID 32015390.
^ Отомо, Йоко; Какегава, Такеши; Исида, Акизуми; Нагасе, Тосиро; Розинг, Миник Т. (8 декабря 2013 г.). «Свидетельства наличия биогенного графита в метаосадочных породах раннего архея Исуа». Природа Геонауки . 7 (1): 25–28. Бибкод : 2014NatGe...7...25O. дои : 10.1038/ngeo2025.
^ Боренштейн, Сет (13 ноября 2013 г.). «Найдена самая древняя окаменелость: познакомьтесь с вашей микробной мамой». AP News . Архивировано из оригинала 29 июня 2015 г. Получено 15 ноября 2013 г.
^ Ноффке, Нора ; Кристиан, Дэниел; Уэйси, Дэвид; Хазен, Роберт М. (8 ноября 2013 г.). «Микробно-индуцированные осадочные структуры, фиксирующие древнюю экосистему в формации Dresser возрастом около 3,48 миллиарда лет, Пилбара, Западная Австралия». Astrobiology . 13 (12): 1103–24. Bibcode : 2013AsBio..13.1103N. doi : 10.1089/ast.2013.1030. PMC 3870916. PMID 24205812 .
^ ab Borenstein, Seth (19 октября 2015 г.). «Намеки на жизнь на том, что считалось пустынным на ранней Земле». Excite . Йонкерс, Нью-Йорк: Mindspark Interactive Network . Associated Press . Архивировано из оригинала 1 октября 2018 г. Получено 8 октября 2018 г.
^ Белл, Элизабет А.; Бёнике, Патрик; Харрисон, Т. Марк; и др. (19 октября 2015 г.). «Потенциально биогенный углерод, сохранившийся в цирконе возрастом 4,1 миллиарда лет». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 112 (47): 14518–21. Bibcode : 2015PNAS..11214518B. doi : 10.1073/pnas.1517557112 . PMC 4664351. PMID 26483481 . Раннее издание, опубликованное в сети до выхода в печать.
^ Dodd, Matthew S.; Papineau, Dominic; Grenne, Tor; Slack, John F.; Rittner, Martin; Pirajno, Franco; O'Neil, Jonathan; Little, Crispin TS (2 марта 2017 г.). "Доказательства ранней жизни в осадках старейших гидротермальных жерл Земли" (PDF) . Nature . 343 (7643): 60–64. Bibcode :2017Natur.543...60D. doi : 10.1038/nature21377 . PMID 28252057. S2CID 2420384. Архивировано (PDF) из оригинала 23 июля 2018 г. . Получено 19 февраля 2019 г. .
^ Циммер, Карл (1 марта 2017 г.). «Ученые говорят, что канадские ископаемые бактерии могут быть старейшими на Земле». The New York Times . Архивировано из оригинала 2 марта 2017 г. Получено 2 марта 2017 г.
^ Ghosh, Pallab (1 марта 2017 г.). «Найдены самые ранние свидетельства существования жизни на Земле». BBC News . Архивировано из оригинала 2 марта 2017 г. Получено 2 марта 2017 г.
^ Данэм, Уилл (1 марта 2017 г.). «Канадские бактериоподобные окаменелости названы старейшими свидетельствами жизни». Reuters . Архивировано из оригинала 2 марта 2017 г. Получено 1 марта 2017 г.
^ ab University of Georgia (25 августа 1998 г.). «Первая в истории научная оценка общего количества бактерий на Земле показывает гораздо большее количество, чем когда-либо известное ранее». Science Daily . Архивировано из оригинала 10 ноября 2014 г. . Получено 10 ноября 2014 г. .
^ Хадхази, Адам (12 января 2015 г.). «Жизнь может процветать на глубине дюжины миль под поверхностью Земли». Журнал Astrobiology . Архивировано из оригинала 12 марта 2017 г. Получено 11 марта 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ Фокс-Скелли, Жасмин (24 ноября 2015 г.). «Странные звери, живущие в твердых скалах глубоко под землей». BBC Online . Архивировано из оригинала 25 ноября 2016 г. Получено 11 марта 2017 г.
^ Чжан, К. Дозе; А. Биегер-Дозе; Р. Диллманн; М. Гилл; О. Керц (1995). "ERA-эксперимент "космическая биохимия"". Достижения в области космических исследований . 16 (8). А. Кляйн, Х. Мейнерт, Т. Наврот, С. Ризи, К. Страйд: 119–129. Bibcode : 1995AdSpR..16h.119D. doi : 10.1016/0273-1177(95)00280-R. PMID 11542696.
^ Хорнек Г; Эшвайлер У; Рейц Г; Венер Дж; Виллимек Р; Штраух К. (1995). «Биологические реакции на космос: результаты эксперимента «Экзобиологический блок» ERA на EURECA I». Adv. Space Res . 16 (8): 105–18. Bibcode :1995AdSpR..16h.105H. doi :10.1016/0273-1177(95)00279-N. PMID 11542695.
^ Staff (2014). "Биосфера". Aspen Global Change Institute . Архивировано из оригинала 10 ноября 2014 года . Получено 10 ноября 2014 года .
^ Takamia; et al. (1997). «Микробная флора в самом глубоком морском иле Марианской впадины». FEMS Microbiology Letters . 152 (2): 279–285. doi : 10.1111/j.1574-6968.1997.tb10440.x . PMID 9231422.
^ ab Choi, Charles Q. (17 марта 2013 г.). «Микробы процветают в самой глубокой точке Земли». LiveScience . Архивировано из оригинала 2 апреля 2013 г. Получено 17 марта 2013 г.
^ Глуд, Ронни; Венцхёфер, Франк; Мидделбо, Матиас; Огури, Казумаса; Турневич, Роберт; Кэнфилд, Дональд Э.; Китазато, Хироши (17 марта 2013 г.). «Высокие темпы микробного оборота углерода в отложениях самой глубокой океанической впадины на Земле». Природа Геонауки . 6 (4): 284–288. Бибкод : 2013NatGe...6..284G. дои : 10.1038/ngeo1773.
^ Oskin, Becky (14 марта 2013 г.). "Intraterrestrials: Life Thrives in Ocean Floor". LiveScience . Архивировано из оригинала 2 апреля 2013 г. Получено 17 марта 2013 г.
^ Морелле, Ребекка (15 декабря 2014 г.). «Микробы, обнаруженные при самом глубоком морском бурении, проанализированы». BBC News . Архивировано из оригинала 16 декабря 2014 г. Получено 15 декабря 2014 г.
^ Szewzyk, U; Szewzyk, R; Stenstrom, TR. (1994). «Термофильные анаэробные бактерии, выделенные из глубокой скважины в граните в Швеции». Труды Национальной академии наук США . 91 (5): 1810–1813. Bibcode : 1994PNAS...91.1810S. doi : 10.1073 /pnas.91.5.1810 . PMC 43253. PMID 11607462.
↑ Фокс, Дуглас (20 августа 2014 г.). «Озера подо льдом: тайный сад Антарктиды». Nature . 512 (7514): 244–246. Bibcode :2014Natur.512..244F. doi : 10.1038/512244a . PMID 25143097.
^ Мак, Эрик (20 августа 2014 г.). «Жизнь подтверждена под антарктическим льдом; на очереди космос?». Forbes . Архивировано из оригинала 22 августа 2014 г. Получено 21 августа 2014 г.
^ Salisbury FB; Gitelson JI ; Lisovsky GM (октябрь 1997 г.). «Bios-3: Сибирские эксперименты по биорегенеративному жизнеобеспечению». BioScience . 47 (9): 575–85. doi : 10.2307/1313164 . JSTOR 1313164. PMID 11540303.
^ Накано и др. (1998). «Динамическое моделирование системы управления давлением для экспериментальной установки закрытого экологического эксперимента». Труды Японского общества инженеров-механиков B . 64 (617): 107–114. doi : 10.1299/kikaib.64.107 . Архивировано из оригинала 2012-03-18 . Получено 2009-11-14 .
^ "Институт наук об окружающей среде". Ies.or.jp. Архивировано из оригинала 2011-11-08 . Получено 2011-11-08 .
^ Чой, Чарльз К. (21 марта 2011 г.). «Новая оценка количества инопланетных планет: 2 миллиарда только в нашей галактике». Space.com . Архивировано из оригинала 24 августа 2017 г. Получено 25 сентября 2017 г.
^ Риз, сэр Мартин (22 февраля 2017 г.). «Эти новые миры — только начало. Есть еще много пригодных для жизни планет, которые ждут своего открытия». The Telegraph . Архивировано из оригинала 25 сентября 2017 г. Получено 25 сентября 2017 г.
^ Амри Вандель, Об изобилии внеземной жизни после миссии Кеплера Архивировано 17 августа 2018 г. на Wayback Machine