地球生物圈是如何運轉的

蔣高明

生物圈由生命物質、生物生成性物質和生物惰性物質三部分組成。生命物質又稱活性物質，是生物有機體的總和；生物生成性物質是由生命物質所組成的有機礦物質相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖質等；生物惰性物質是指大氣低層的氣體、沉積岩、粘土礦物和水。

地球與太空幾乎沒有物質交換，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，最後以熱能形式散發到太空。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。到達地球上的太陽輻射能是十分巨大的。據統計，太陽散發的能量每秒鐘達到3.75╳1026焦耳，而其中只有22億分之一到達地球，儘管如此，地球每秒鐘獲得的能量仍然相當於燃燒500萬噸優質煤所發出的能量。

太陽輻射能先通過光合作用被植物體固定下來，然後以化學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，化學元素進入生物體內是靠生物的主動攝取，而化學元素在自然界中的迴圈運動則是由氣流和水流來完成的。陸地生物生存於大氣之中，氣態營養物和廢物很容易在生物與環境間迴圈運動。一般可溶性物質是隨水進出生物體的。就全球來講，江河中所攜帶的可溶性物質，隨水流由高向低移動，最後歸入湖泊和海洋。當湖水和海水蒸發時，這些物質被留下，最終形成沉積物。

生物圈中最活躍的部分為生物，生物是物質運動的最高形式。生物圈裡繁衍著各種各樣的生物，為了獲得足夠的能量和營養物質以支援生命活動，在這些生物之間，存在著食物鏈關係。生物圈是一個複雜的、全球性的開放系統，是一個生命物質與非生命物質的自我調節系統。生物圈的運轉原理如下：

① 獲得足夠太陽能並轉化為化學能。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，那裡的生物利用地熱能)；綠色植物吸收太陽能合成有機物而進入生物迴圈；源源不斷的太陽能是生物圈維持正常運轉的動力。太陽能轉變為生物能夠利用的化學能，是通過綠色植物光合作用實現的。光合作用是地球上唯一能夠在常溫、常壓下發生的能量轉化與物質合成的生物化學反應，其生產過程不排放汙染物，所合成的光合產物能夠自然降解，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造的文明。作為生態系統中最重要組分的生產者，綠色植物進行的光合作用奠定了生態系統最基本的特徵，即能量流動與物質迴圈。

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，其餘則以淡水的形式儲存於陸地和兩極的冰山中。生物起源於水，然後登陸，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90%以上；而種子的含水量<10%；細胞壁的含水量在8%左右。

③ 在適宜生命活動的溫度條件下運轉。在溫度變化範圍內的物質存在氣態、液態和固態三種變化。生物體內的生物化學過程必須在一定溫度範圍內才能正常進行。一般說來，生物體內的生化反應會隨著溫度的升高而加快，從而加快生長髮育速度; 生化反應也會隨溫度的下降而變緩，從而減慢生長髮育的速度。

④ 提供生命物質所需的各種營養元素。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，它們是生命物質的組成或中間產物。生物圈內生產者、消費者和分解者所形成的三級組分，接通了從無機物到有機物，經過各種生物的多級利用，再分解為無機物重新利用的完整迴圈。

⑤ 生物圈具有自我調節能力。例如，大氣中二氧化碳含量增加時，會使植物加強光合作用，增加對二氧化碳的吸收；一種生物絕滅後，生物圈中起相同作用的其他生物就會取代它的位置；某種植食性動物數量增加時，有關植物種群和天敵種群的數量也隨之變化，從而使這種動物種群的數量得到控制。