Введение

Глобальная сумма всех экосистем на Земле – это сумма всех экосистем. Биосфера (от греческого βίος bíos «жизнь» и σφαῖρα sphaira «сфера»), также известная как экосфера (от греческого οἶκος oîkos «среда обитания» и σφαῖρα), представляет собой всемирную совокупность всех экосистем. Её также можно назвать зоной жизни на Земле. Биосфера (которая, технически, является сферической оболочкой) практически является замкнутой системой в отношении вещества, с минимальным поступлением и оттоком. В отношении энергии это открытая система, в которой фотосинтез улавливает солнечную энергию со скоростью около 100 тераватт. Согласно наиболее общему биофизиологическому определению, биосфера – это глобальная экологическая система, объединяющая все живые организмы и их взаимосвязи, включая их взаимодействие с элементами литосферы, криосферы, гидросферы и атмосферы. Предполагается, что биосфера эволюционировала, начиная с процесса биопоэза (возникновение жизни естественным путем из неживой материи, такой как простые органические соединения) или биогенеза (возникновение жизни из живой материи), по крайней мере, 3,5 миллиарда лет назад. В широком смысле, биосферой является любая замкнутая, саморегулирующаяся система, содержащая экосистемы. Это включает в себя искусственные биосферы, такие как Биосфера 2 и BIOS 3, а также потенциально системы на других планетах или лунах.

Происхождение и использование термина

Термин "биосфера" был предложен в 1875 году геологом Эдуардом Сьюсом, который определил её как область на поверхности Земли, где существует жизнь. Хотя эта концепция имеет геологическое происхождение, она свидетельствует о влиянии Чарльза Дарвина и Мэтью Ф. Мори на науки о Земле. Экологический контекст биосферы сформировался в 1920-х годах (см. Владимир И. Вернадский) и предшествовал введению в 1935 году термина "экосистема" сэром Артуром Тансли (см. история экологии). Вернадский определял экологию как науку о биосфере. Это междисциплинарная концепция, интегрирующая астрономию, геофизику, метеорологию, биогеографию, эволюцию, геологию, геохимию, гидрологию и, в общем смысле, все науки о жизни и Земле.

Узкое определение

Геохимики определяют биосферу как совокупность всех живых организмов ("биомасса" или "биота", как их называют биологи и экологи). В этом смысле биосфера – лишь один из четырех отдельных компонентов геохимической модели, остальные три – геосфера, гидросфера и атмосфера. Объединение этих четырех сфер в единую систему образует экосферу. Этот термин был введен в 1960-х годах и охватывает как биологические, так и физические компоненты планеты. Вторая Международная конференция по замкнутым жизненным системам определила биосферику как науку и технологию, изучающую аналоги и модели биосферы Земли, то есть искусственные земные биосферы. Некоторые исследователи также относят к биосферике создание искусственных внеземных биосфер – например, биосфер, ориентированных на нужды человека, или биосферы Марса.

Обзор

В настоящее время общее количество живых клеток на Земле оценивается как 10 в 30-й степени; общее количество клеток с момента возникновения жизни на Земле – как 10 в 40-й степени, а общее количество за все время существования обитаемой Земли – как 10 в 41-й степени. Это число значительно превышает общее количество оцениваемых звёзд (и планет, подобных Земле) в наблюдаемой Вселенной, которое составляет 10 в 24-й степени – число, превосходящее количество песчинок на всех пляжах Земли; но оно меньше, чем общее количество атомов, оцениваемое в наблюдаемой Вселенной, как 10 в 82-й степени, и общего количества звёзд в инфляционной Вселенной (наблюдаемых и ненаблюдаемых), оцениваемого как 10 в 100-й степени.

Возраст

Самые ранние свидетельства жизни на Земле включают биогенный графит, найденный в 3,7 миллиарда летних метаседиментарных породах Западной Гренландии и окаменелые микробные маты, обнаруженные в 3,48 миллиарда летнем песчанике из Западной Австралии. Совсем недавно, в 2015 году, в 4,1 миллиарда летних породах Западной Австралии были обнаружены "остатки биотической жизни". В 2017 году было объявлено об обнаружении предполагаемых окаменелых микроорганизмов (или микроокаменелостей) в гидротермальных отложениях в поясе Нуввуагиттук в Квебеке, Канада, возраст которых составляет 4,28 миллиарда лет – самая древняя зарегистрированная жизнь на Земле. Это указывает на "почти мгновенное возникновение жизни" после образования океана 4,4 миллиарда лет назад и вскоре после формирования Земли 4,54 миллиарда лет назад. По словам биолога Стивена Блэра Хеджеса, "если жизнь возникла на Земле относительно быстро, то она может быть широко распространена во Вселенной". Морская жизнь в различных формах была обнаружена в самых глубоких частях Мирового океана, в то время как большая часть глубоководья остается неисследованной. Микроорганизмы, при определенных тестовых условиях, способны выживать в вакууме космоса. Общее количество углерода в почвенных и подповерхностных бактериях оценивается в 5 × 1017 г. Барофильные морские микробы были обнаружены на глубине более 100 метров в Марианской впадине, самой глубокой точке Мирового океана. Фактически, одноклеточные организмы были найдены в самой глубокой части Марианской впадины, в Челленджеровой впадине, на глубине около 11 000 метров. Другие исследователи сообщили о связанных исследованиях, показывающих, что микроорганизмы процветают внутри горных пород на глубине до 250 метров ниже морского дна у побережья северо-западных Соединенных Штатов, а также на глубине до 1000 метров под морским дном у Японии. Культивируемые термофильные микробы были извлечены из кернов, пробуренных на глубину более 2,5 километров в земную кору в Швеции, из пород при температуре от 75 до 125 °C. Температура увеличивается с увеличением глубины в земной коре. Скорость увеличения температуры зависит от многих факторов, включая тип коры (континентальной или океанической), тип породы, географическое положение и т.д. Наивысшая известная температура, при которой может существовать микробная жизнь, составляет 122 °C (Methanopyrus kandleri Strain 116), и, вероятно, предел жизни в "глубокой биосфере" определяется температурой, а не абсолютной глубиной. 20 августа 2014 года ученые подтвердили существование микроорганизмов, живущих на глубине более 800 метров под льдом Антарктиды. Биосфера Земли разделена на ряд биомов, населенных довольно схожей флорой и фауной. На суше биомы разделяются в основном по широте. Наземные биомы, расположенные в пределах Арктического и Антарктического кругов, относительно бедны растительной и животной жизнью, в то время как большинство более густонаселенных биомов расположены вблизи экватора.

Инопланетные биосферы

За пределами Земли не обнаружено ни одной биосферы; следовательно, существование внеземных биосфер остаётся гипотетическим. Гипотеза о редкой Земле предполагает, что они должны быть крайне редки, за исключением состоящих исключительно из микробной жизни. С другой стороны, аналоги Земли могут быть весьма многочисленны, по крайней мере, в галактике Млечный Путь, учитывая огромное количество планет. Три планеты, обнаруженные на орбите TRAPPIST 1, потенциально могут содержать биосферы. Ввиду ограниченного понимания абиогенеза, в настоящее время неизвестно, какой процент этих планет фактически развивает биосферы. На основе наблюдений команды космического телескопа «Кеплер» было рассчитано, что если вероятность абиогенеза превышает 1 к 1000, то ближайшая внеземная биосфера должна находиться на расстоянии не более 100 световых лет от Земли. Также возможно, что в будущем будут созданы искусственные биосферы, например, посредством терраформирования Марса.