生物圏：地球上の生物とその環境から成る全球システム

広がりと構成要素

生物圏は単純な殻ではなく、複雑に重なり合う生息地の集合である。海洋表層、土壌、森林、淡水域、サンゴ礁には目に見えるバイオマスの大部分が存在する一方、微生物は深部の堆積物、割れ目のある岩石、大気中の一時的な生息場所にも生息する。世界のバイオマスの推定値は概算であり、手法によって異なる。概要やデータセットは、公表されたバイオマス調査および参考概要などのより広範なレビューで確認できる。

垂直方向および空間的な限界

生物の種類によって限界は異なる。光合成を行う生物は、主として陸上と海洋の太陽光が届く領域に限られるが、多くの微生物は岩石や堆積物の中で地表から数キロメートル下にも生息している。鳥類や飛翔性昆虫は大気の高い層まで達し、微生物は雲粒からも検出されている。生命はこのように多様な環境に存在するため、生物圏は地殻深部から高層大気まで及ぶ。しかし、その正確な厚さは単一の固定値ではなく、どの生物を含めるかによって左右される。

バイオマスと主要な貯留域

バイオマスは生物由来の物質量を定量する一般的な指標であり、しばしば炭素量として報告される。主要な貯留域には、質量で最大の陸上植物、土壌と土壌微生物、海洋プランクトン、動物、菌類、細菌が含まれる。科学文献に示される数値は推定値であり、手法の改善に伴って更新される。こうした数値は、各貯留域の相対的な規模を比較し、長期的な変化を追跡するうえで最も有用である。

循環とプロセス

生物圏は物質とエネルギーの流れによって特徴づけられる。入射する太陽エネルギーは光合成を駆動し、エネルギーを有機物へ移し替えるとともに食物網を支える。炭素、窒素、リンなどの生物地球化学的循環は、生物、大気、水、岩石の間で元素を移動させる。これらの循環には、微生物による分解や窒素固定などの生物学的変換と、物理的な輸送過程の両方が含まれる。

人間の影響と生態系サービス

人間活動は、土地利用の変化、汚染、種の導入、採取、温室効果ガスの排出を通じて、生物圏を大きく変化させている。これらの変化は、生息地の構造、種の分布、生物地球化学的循環の働きを変える。生物圏は、食料、繊維、気候調節、土壌形成、送粉といった重要な生態系サービスを提供しており、これらを守ることは保全と持続可能な開発の中心課題である。

人工生物圏と地球外生物圏

研究者は、閉鎖系の生態学的動態と生命維持を調べるため、密閉または半密閉のシステムを構築してきた。そこには、農業、空気の再生利用、システム管理を検証する長期実験が含まれる。代表的なプロジェクトとアーカイブは、これらの取り組みから得られた知見をまとめている。プロジェクト資料については、実験的生物圏のアーカイブを参照。生物圏という語は、閉鎖され自己調節する生命維持システムが、ほかの惑星や衛星に存在し得るかを考える際にも用いられる。

生物圏の研究と監視

生物圏を理解するには、生態学、微生物学、地質学、大気科学の手法が必要である。野外観測、リモートセンシング、実験室実験、モデルを組み合わせ、生態系の地図化、バイオマスの推定、栄養元素の流れの追跡、将来の変化の予測が行われる。継続的な監視は保全の優先課題を明らかにし、社会が環境変化に対応する助けとなる。

主なポイント

• 生物圏は、地球上の複数の規模にわたり、生命を大気、水、岩石と結び付けている。
• バイオマスと種の分布は、気候、土地利用、その他の圧力に応じて変化する。
• 人工生物圏は閉鎖生態系の原理を検証し、地球外生命に関する研究にも役立つ。

生物圏は生命を支えると同時に脆弱でもあるため、学際的な研究と慎重な管理が不可欠である。さらに詳しい概要とデータについては、上記のリンク先資料のほか、全球生態学、生物地球化学的循環、保全生物学に関する専門文献を参照できる。