第一节 生物圈
生物圈（biosphere）又称生态圈，是地球上生物及其生存环境的总称。生物圈只占据地球表面的一个薄层，由大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）、土壤岩石圈（lithosphere）及生活在其中的生物共同组成（图23-1），它的范围大致处于自海面下10km、地表下300m深以及地表以上的大气层（垂直高度约15km）之间。
一、水圈
水圈包括地球表面约71.8％的水域，也是构成大气圈及土壤岩石圈的一部分。水是生命起源和存在的基本前提，水生生物体内的水分占70％～80％以上，水母和有些软体动物甚至可以高达80％～95％，陆栖动物体内的水分也占50％以上。它不仅是原生质的最主要成分，也是作为生命代谢活动的氢和有机体体内氧的来源之一。水还是生物体内新陈代谢的一种介质，通过水把营养与代谢过程联系起来，因而没有水就不可能有生命。
地表的水不断蒸发成水蒸气，在高空大气层中遇冷凝结成雨水而复降至地面，构成往复不息的循环。据测算，每年从海洋表层蒸发的水量约有1m的深度；在陆地则主要通过植物叶面的蒸腾作用将水释回到大气层。生物有机体不断地从环境中摄入水分，在完成代谢作用的生命活动之后又把水排出，这样，也构成一种循环。
水本身的物理特性同样对于有机体的存活和分布具有重要意义。由于地球表面的水体巨大、导热较慢，因而贮存着大量的热能，水的辐射热能为陆栖生物提供有利的生存条件。水在4℃时具有最大的密度而使冰块漂浮于水面，从而保证了水栖生物得以安全地度过越冬期。海洋中暖水和冷水垂直对流所导致的海流，对于气候条件以及水生生物的分布都有着不同程度的影响。
二、气圈
气圈内的大气中，氧约占21％，氮占78％，二氧化碳占0.03％，此外还含有数量不等的水蒸气和少量惰性气体。氧的存在及溶解于水的性质，是一切动物呼吸和生存的先决条件。动物摄入氧气后，在细胞代谢中的主要功能是作为氢的最终受体而形成水。氮是构成生物有机体的重要元素之一，是机体蛋白质的主要成分。植物通过根系从土壤中吸收硝酸盐等含氮分子，经过复杂的合成过程制成蛋白质，动物则依赖吃其他生物而取得氮。生物有机体死后分解再将氮释出。二氧化碳是植物进行光合作用的基本成分和主要原料，它还构成对大气层外紫外线辐射和臭氧的屏蔽，此外，它还能与水结合成弱的碳酸，对维持水环境的中性方面起着化学缓冲作用。
三、土壤岩圈
地球是由地壳（crust）、地幔（mantle）和地核（core）三部分构成。地壳为地球表面的一个薄层，由表层的土壤和底层的坚硬的沉积岩和玄武岩所构成的厚层，厚度约为5km～100km，占地球总体积的0.5％。仅地壳的表层与生命有关。
生物体所有的矿物质代谢，都是在地壳之间进行的。生物体内的矿物质含量极微，例如火成岩所富有的矽，仅构成植物体内总成分的0.15％；陆地植物所含的钙和镁的量为0.5％和0.3％；人体内所含的钙和镁为1.38％和2.2％。但这些微量元素却是有机体生活中必不可少的，而且是直接或间接取自地壳的。有机体死后分解，又将这些矿物质还给自然环境。
地壳是生物体栖息的地点，它的形态特点以及地壳运动必然对气候以及有机体的存活产生巨大影响。地壳的升高和卷曲引起山脉形成和地形改变，山脉常构成气候和动物分布的屏障，例如高山对雨云的阻隔可导致山的一侧是肥沃绿洲；另一侧是荒漠。降雨能把陆地土壤中的可溶性矿物质带入海内，构成水栖生物不可缺乏的营养物质（如磷酸）。
生物与地壳表层——土壤之间存在着互相促进和相互依存的关系，生物的生命活动有利于土壤形成，砍伐森林可导致水土流失和荒漠化。
生物圈是地球物质经过长期演化的产物。处在太阳系特定位置的地球，在它演化的早期形成地壳时，就分化出了大气圈和水圈。这两个圈层在地壳表面彼此渗透，互相作用，为原始生命的产生提供了无机原料和适宜环境。34亿年前，地球上开始出现最原始的单细胞生物——嫌气性细菌，直到25亿年前才有了能营光合作用的蓝藻，它们使水圈中单一的无机环境分离为有机及无机两大部分，并产生两者之间的物质能量交换，这是地表环境的第一次重大质变过程。当时的生物全部生活在海洋里，其分布也尚未形成一个圈层。随着好气生物的产生和发展，以及光合自养生物数量的增加，加速了氧气向大气的逸放。当游离氧的浓度接近大气组成的10％时，在距地表10km～15km的大气圈中就逐渐形成臭氧层，为水生生物往陆地发展创造了必要的条件。到4亿年前的泥盆纪，陆地上相继产生了植物和动物，实现了生物从海洋到陆地的过渡。至此，由植物、动物和微生物共同组成的生物界，已遍布地球表面，形成一个连续的有机圈层。
生物圈的形状并不规则，厚度也不均匀，在不同的空间内，生物的种类、数量和活动能力也有很大差别，绝大多数生物都集中生活在地表以上、水面以下各100m的范围内。这一空间里的阳光比较集中，有利于绿色植物生长，直接或间接依靠植物生活的动物、微生物群集度高，是地球表面生命活动最旺盛的区域，称为活跃生物圈。活跃生物圈往上扩展至喜马拉雅山巅，向下延伸到太平洋最深的海槽，水下延伸区域由于受液态水和二氧化碳低压的限制，以及生物排泄物、残屑受重力作用下沉等原因，生物的种类和数量渐次减少，活动能力也明显削弱，这一空间称为泛生物圈。泛生物圈之外的高空，仅有少量休眠孢子存在，构成副生物圈。大气层自下而上分为对流层、平流层和离子层，愈往上空气愈稀薄。对流层对大气变化，气流和风向有重要关系，对动、植物的生存可产生很大影响。
生物圈内已有记载的生物约250万种，其中植物约34万多种，动物约200多万种，微生物约3.7万种，这些生物类群通过食物链紧密联系，并与其相适应的环境组成多种多样的生态系统。
生物圈内的全部生命凭借能量转化和物质循环维持着。生物每时每刻从环境中摄入和排出能量及物质；植物借助光合作用把太阳光能转化为化学能，将无机物合成有机物，为异养生物和人类提供必要的食物及生活环境。动物在异化过程中产生的废物以及死亡后尸体的腐败物质，经微生物分解还原，又把有机物和矿物质（矽、钙、镁、磷等）归还给环境，并用于再次建造新的生命。这一循环过程又与大气、地质、水循环等紧密地交织在一起，在大气圈、水圈和土壤岩石圈之间通过气流、辐射、蒸发、降水等作用，进行能量交换和物质循环，使生物圈在不同层次之间具有一定限度的相互补偿调节机能，以保持生物圈的动态平衡。