Hệ sinh thái biển

Hệ sinh thái biển (từ Hy Lạp βίος bíos 'sự sống' và σφαῖρα sphaira 'quả cầu'), còn được gọi là tầng sinh thái (từ Hy Lạp οἶκος oîkos 'phát triển' và σφαῖρα), là tổng số trên toàn thế giới của tất cả các hệ sinh thái. Nó cũng có thể được gọi là khu vực của sự sống trên Trái Đất, một hệ thống khép kín (ngoài hệ mặt trời, bức xạ vũ trụ và nhiệt từ bên trong Trái Đất) và phần lớn tự điều chỉnh. Nói chung nhất sinh lý học định nghĩa, hệ sinh thái biển là hệ thống sinh thái học, hệ thống tích hợp tất cả sinh vật và các mối quan hệ của chúng, bao gồm cả sự tương tác của chúng với các yếu tố của thạch quyển, địa quyển, thủy quyển và khí quyển. Hệ sinh thái biển yêu cầu có sự phát triển, bắt đầu bằng một quá trình sinh học (sự sống được tạo ra tự nhiên từ vật chất không sống, như các hợp chất hữu cơ đơn giản) hoặc sinh học (cuộc sống được tạo ra từ vật chất sống), ít nhất là khoảng 3,5 tỷ năm trước.

Theo một nghĩa chung, hệ sinh thái biển là bất kỳ hệ thống khép kín, tự điều chỉnh có chứa hệ sinh thái tuần hoàn. Điều này bao gồm các hệ sinh thái biển nhân tạo như Biosphere 2 và BIOS-3 và các tiềm năng trên các hành tinh hoặc mặt trăng khác..

Nguồn gốc và cách sử dụng thuật ngữ

Thuật ngữ 'sinh quyển' được đặt ra bởi nhà địa chất Eduard Suess vào năm 1875, mà anh định nghĩa là nơi trên bề mặt Trái Đất có sự sống tồn tại.

Trong khi khái niệm này có nguồn gốc địa chất, nó là một dấu hiệu cho thấy ảnh hưởng của cả hai người là Charles Darwin và Matthew F. Maury trên Khoa học Trái Đất. Bối cảnh sinh thái của sinh quyển từ những năm 1920 (xem Vladimir I Vernadsky),trước khi giới thiệu năm 1935 của thuật ngữ 'hệ sinh thái' bởi Arthur Tansley (tham khỏa lịch sử sinh thái). Vernadsky đã định nghĩa sinh thái như khoa học của sinh quyển. Nó là một liên ngành khái niệm để tích hợp thiên văn học, địa vật lý, khí tượng học, địa sinh học, sự phát triển, địa chất học, địa hóa, thủy văn nói chung, tất cả sự sống và khoa học Trái Đất nói riêng.

Định nghĩa hẹp

Các nhà địa lý định nghĩa sinh quyển là tổng số sinh vật sống ('sinh khối' hoặc 'vùng sinh vật' như được đề cập bởi các nhà sinh học và nhà sinh thái học). Theo nghĩa này, sinh quyển chỉ là một trong bốn thành phần riêng biệt của mô hình địa hóa, ba thành phần còn lại là địa quyển, thủy quyển, và khí quyển. Khi bốn thành phần này được kết hợp thành một hệ thống, nó được gọi là không gian sinh thái. Thuật ngữ này được đưa ra trong những năm 1960 và bao gồm cả các thành phần sinh học và vật lý của hành tinh.

Hội nghị quốc tế lần thứ hai về Hệ thống cuộc sống khép kín đã định nghĩa sinh học là khoa học và công nghệ của các chất tương tự và mô hình của sinh quyển Trái Đất. Đây là sự tương đồng với sinh quyển Trái Đất. Những khía cạnh khác có thể bao gồm việc tạo ra các sinh quyển nhân tạo không phải trên Trái Đất, ví dụ như các sinh quyển có con người làm trung tâm hoặc một sinh quyển trên Sao Hỏa, nghiên cứu sinh quyển như một phần của chủ đề sinh học.

Sinh quyển Trái Đất

Tuổi

Tuổi là bằng chứng sớm nhất cho sự sống trên Trái Đất, kể cả sinh học than chì được phát hiện trong 3,7 tỷ năm đá trầm tích từ Miền Tây của Úc và các dấu hiệu vi sinh vật hóa thạch tìm thấy trong 3,48 tỷ năm sa thạch từ miền Tây nước Úc. Mới đây hơn, năm 2015, các 'bằng chứng còn sót lại của sự sống sinh học' được phát hiện trong những tảng đá 4,1 tỷ năm tuổi ở Tây Úc. Năm 2017, hóa thạch giả định của vi sinh vật (hoặc vi sợi) đã được thông báo và phát hiện trong lỗ thông hơi thủy nhiệt bên trong Vành đai Greenstone của Quebec, Canada, có tuổi 4,28 tỷ năm, là kỷ lục lâu đời nhất trên Trái Đất, cho thấy 'sự xuất hiện gần như tức thời của sự sống' sau khi đại dương hình thành cách đây 4,4 tỷ năm và không lâu sau Thời đại của Trái Đất cách đây 4,54 tỷ năm. Theo nhà sinh học Stephen Blair, 'Nếu sự sống phát triển nhanh chóng trên Trái Đất... thì có thể phổ biến trong vũ trụ.

Phân bố địa lý

Cuộc sống tồn tại khắp nơi trên hành tinh, từ cực băng đến xích đạo, ảnh hưởng của môi trường sống đến một số loài. Những tiến bộ gần đây trong vi sinh vật đã chứng minh rằng vi khuẩn sống sâu dưới lòng đất và tổng khối lượng của sinh vật sống trong 'vùng không thể sống được' có thể, về sinh khối, vượt qua tất cả động vật và thực vật sống trên mặt đất. Độ dày thực tế của sinh quyển trên Trái Đất rất khó đo lường. Chim thường bay ở độ cao lên tới 1.800 m (5,91 ft; 0,001118 dặm) và cá sống ở độ sâu lên tới 8.372 m (27,47 ft; 0,005202 dặm) trong vực Puerto Rico.

Có nhiều ví dụ mạnh mẽ về sự sống trên Trái Đất: Kền kền Rüppell đã được phát hiện bay ở độ cao 11.300 m (37,07 ft; 0,007021 dặm); Ngỗng đầu sọc di chuyển ở độ cao ít nhất 8.300 m (27,23 ft; 0,005157 dặm); bò Tây Tạng sống ở độ cao lên tới 5.400 m (17,72 ft; 0,003355 dặm) trên mực nước biển; dê núi sống lên đến 3.050 m (10,01 ft; 0,001895 dặm). Động vật ăn cỏ ở các độ cao này phụ thuộc vào điều kiện địa lý, cỏ và thảo mộc.

Các dạng sống tồn tại trong mọi phần của sinh quyển Trái Đất, từ đất đai, suối nước nóng, đến sâu dưới đá khoảng 19 km (12 dặm), phần sâu nhất của đại dương và cao ít nhất 64 km (40 dặm) trong bầu khí quyển. Vi sinh vật, trong những điều kiện thí nghiệm nhất định, đã được quan sát sống trong không gian ngoài trái đất. Tổng lượng carbon của vi khuẩn và vi khuẩn dưới lòng đất được ước tính là 5 × 1017 g, hoặc 'trọng lượng của Vương quốc Anh'. Khối lượng sinh vật nhỏ hơn, bao gồm cả vi khuẩn và vi khuẩn cổ, nhưng không bao gồm hạt nhân vi sinh vật chuẩn có thể lên đến 0,8 nghìn tỷ tấn carbon (tính từ 1 đến 4 nghìn tỷ tấn trong tổng sinh quyển). Vi khuẩn biển chịu áp suất đã được tìm thấy ở độ sâu hơn 10.000 m (32.808 ft; 0,006214 dặm) trong Rãnh Mariana, điểm sâu nhất trong đại dương Trái Đất. Đặc biệt, các dạng sống đơn bào đã được phát hiện ở phần sâu nhất của Rãnh Mariana, ở độ sâu 11.034 m (36,20 ft; 0,006856 dặm). Các nhà khoa học khác đã báo cáo rằng vi sinh vật phát triển mạnh trong các tảng đá cao tới 580 m (1.900 ft; 0,36 dặm) dưới đáy biển ngoài khơi bờ biển phía tây bắc Hoa Kỳ, cũng như 2.400 m (7.900 ft; 1.5 dặm) dưới đáy biển ngoài khơi Nhật Bản. Các vi sinh vật ưa nhiệt nuôi cấy đã được chiết xuất từ lõi khoan hơn 5.000 m (16.404 ft; 0,003107 dặm) vào vỏ Trái Đất ở Thụy Điển, từ những tảng đá có nhiệt độ khoảng 65 đến 75 °C (149 đến 167 °F). Nhiệt độ tăng với độ sâu trong vỏ Trái Đất. Tốc độ tăng nhiệt độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại vỏ (lục địa so với đại dương), loại đá, vị trí địa lý, vv. Nhiệt độ lớn nhất mà vi sinh vật có thể tồn tại là 122 °C (252 °F) (Methanopyrus kandleri), có thể là giới hạn của sự sống trong 'sinh quyển' được xác định bởi nhiệt độ chứ không phải độ sâu tuyệt đối. Vào ngày 20 tháng 8 năm 2014, các nhà khoa học đã xác nhận sự tồn tại của vi sinh vật sống 800 m (2.600 ft; 0,50 dặm) dưới lớp băng của Nam Cực. Theo một nhà nghiên cứu, 'Bạn có thể tìm thấy vi khuẩn ở mọi nơi - chúng cực kỳ thích nghi với điều kiện và tồn tại mọi lúc mọi nơi.'

Sinh quyển của chúng tôi chia thành nhiều quần xã sinh vật, nơi có sự phân bố khá giống hệ thực vật và hệ động vật. Trên đất liền, các quần xã sinh vật phân bố chủ yếu theo vĩ độ. Các quần xã sinh vật trên cạn nằm trong Bắc Cực và Nam Cực có số lượng cây cối và động vật sống ít hơn để sinh tồn, trong khi hầu hết các quần xã sinh vật nhiều người hơn nằm gần Đường xích đạo.

Biến động hàng năm

Sinh quyển nhân tạo

Sinh quyển thí nghiệm, còn gọi là Hệ sinh thái khép kín, đã được tạo ra để nghiên cứu các hệ sinh thái và tiềm năng hỗ trợ sự sống bên ngoài Trái Đất. Bao gồm tàu vũ trụ và các phòng thí nghiệm trên mặt đất sau đây:

• Biosphere 2 ở Arizona, Hoa Kỳ, diện tích 3.15 acres (13,000 m²).
• BIOS-1, BIOS-2 và BIOS-3 tại Viện vật lý sinh học ở Krasnoyarsk, Siberia, thuộc Liên Xô trước đó.
• Biosphere J (CEEF, Cơ sở thí nghiệm sinh thái khép kín), một thử nghiệm của Nhật Bản.
• Hệ thống hỗ trợ cuộc sống vi sinh thái thay thế (MELiSSA) tại Đại học Autònoma de Barcelona

Sinh quyển ngoài Trái Đất

Không có bằng chứng nào cho thấy tồn tại sinh quyển ngoài Trái Đất; vì vậy, sự tồn tại của sinh quyển ở ngoài Trái Đất vẫn chỉ là một giả thuyết. Các nhà khoa học chỉ đang đề xuất rất ít giả thuyết có cuộc sống vi sinh vật. Tuy nhiên, có thể có nhiều hành tinh giống Trái Đất, ít nhất trong Dải Ngân hà, với rất nhiều hành tinh khác nhau. Ba trong số các hành tinh quay quanh TRAPPIST-1 có thể có thể có môi trường phát triển sinh quyển. Tuy nhiên, do hiểu biết hạn chế trong khoa học, chúng ta vẫn chưa biết được bao nhiêu phần trăm các hành tinh này thực sự có sinh quyển.

Dựa trên quan sát của Kính Thiên văn Kepler, các nhà khoa học đã ước tính rằng với điều kiện xác suất sinh sống cao hơn 1 đến 1000, sinh quyển ngoài hành tinh gần nhất có thể cách Trái Đất trong vòng 100 năm ánh sáng.

Cũng có thể rằng sinh quyển nhân tạo sẽ được tạo ra trong tương lai, ví dụ như với điều kiện sao Hỏa.

Trích nguồn