cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Biosfære
Biosfære er helheten av alle jordens økosystemer og omfatter alle levende organismer. Liv finnes i og på jordsmonnet, vannet, isen og luften, derfor utbrer biosfæren seg i deler av litosfæren, hydrosfæren og nedre deler av atmosfæren. De fleste levende organismer finnes nært jordens overflate eller i de øverste delene av vannmassene. Tradisjonelt regnes biosfæren fra bunnen av havene til de høyeste fjelltoppene, et lag med en gjennomsnittlig tykkelse på rundt 20 kilometer. Biosfærens utbredelse kan i forhold til hele jordkloden, sammenlignes med tykkelsen av skallet på et eple. De fleste organismer lever dessuten innenfor en brøkdel av biosfæren, omtrent fra 500 meter under havoverflaten til 6 kilometer over havet.
Biosfæren er i praksis et lukket system med hensyn til materie, det vil si at jorden hverken mister eller mottar materie fra verdensrommet av noen betydning. Næringsstoffer som vann, karbon, nitrogen og fosfor går i kretsløp kalt biogeokjemiske sykluser. Når det gjelder energi, er biosfæren et åpent system, der fotosyntese omskaper solenergi til næringsstoffer for planter og andre organismer. Når en organisme spiser en annen overføres kjemisk energi lagret i biomasse, fra ett nivå i næringskjeden til det neste, for eksempel ved at en plante blir spist av en hare, som igjen blir spist av en rev. Bare en liten del av den tilgjengelige energien overføres til neste nivå, vanligvis omtrent 10 %. Energi overføres da til andre former, som termisk energi, samtidig som ny energi kontinuerlig tilføres fra solen.
Biosfæren kan deles inn i forskjellige nivåer. Det øverste nivået er biomene som har et bestemt klima, og kjennetegnes ved organismer som er unike for området, i første rekke vegetasjon. Biomene er oppdelt i økosystemer, som er samfunn av organismer som samhandler med hverandre og med miljøet. Det tredje nivået er populasjoner, som består av et antall individer av samme art i et gitt område. Antall arter er estimert til 8,7 millioner, hvorav de langt fleste er insekter og mikroorganismer. Alle organismer har til felles at de formerer seg og bruker DNA i prosessen.
Definisjon og begrepsavklaring
Studien av forholdet mellom levende organismer og deres miljø er kjent som økologi. Innenfor økologien tar en for seg deler av naturen i rekkefølgen: individ (organisme) – populasjon – samfunn – økosystem – biosfære. Dermed kan en si at biosfæren er summen av alle jordens økosystemer og omfatter alle levende organismer. Liv kan finnes i og på jordsmonnet, vannet, isen, og luften, slik at biosfæren utbrer seg deler av litosfæren, hydrosfæren og nedre deler av atmosfæren, altså troposfæren. De fleste levende organismer finnes likevel nært jordens overflate eller i de øverste delene av vannmassene.
Ordet biosfæren er sammensatt av ordet bios fra gresk, som betyr liv, og sphaera fra latin, som betyr klode eller kule. Begrepet brukes om den delen av jorden som har omliggende atmosfære og opprettholder organisk liv. Andre begreper har også vært i bruk. Den tyske naturvitenskapsmannen Alexander von Humboldt (1769–1859) benyttet begrepet naturen, den britiske vitenskapsmannen James Lovelock (1919–) kalte den Gaia og flere andre har omtalt den som økosfæren.
Biosfære-begrepets historie
Til tross for at Vernadskijs bok ble utgitt på både russisk og fransk fikk begrepet liten oppmerksomhet i vesten. Først i 1970 fikk begrepet en allmenn utbredelse da det amerikanske vitenskapsmagasinet Scientific American hadde en spesialutgave om biosfæren. Utgivelsen skjedde på begynnelsen av miljørevolusjonen, hvor globale miljøspørsmål var blant det som ble satt i fokus. Noen år før dette, i september 1968, hadde UNESCO arrangert den første Biosphere Conference i Paris. Under konferansen ble problemstillingen «mennesket og biosfæren» tatt opp, med forbindelser til Vernadskijs opprinnelige synspunkter. Begrepet økosfæren (engelsk: ecosphere) ble også brukt, men ble redusert til «den globale filmen av organismer.»
I 1980-årene foreslo den britiske plantegeografen Nicholas Polunin (1909–1997) å definere biosfæren som «det gjensidige systemet av liv og livsoppholdene [forhold] bestående av periferien av jorden og dens omsluttende atmosfære, så langt ned og så langt opp som det naturlig eksisterer liv.»
Vernadskijs konsept om biosfære var del av en ny geokjemisk oppfatning av jorden, som oppfattet den som en dynamisk organisering av energi og materie. Et system som kunne betraktes som en «termodynamisk maskin». Vernadskij beskrev biosfæren som «en region der kosmisk energi blir transformert.» Han var inspirert av tidlige tanker om bioenergetikk, blant annet et essay om metabolisme av den tyske fysiologen Julius Robert von Mayer (1814–1878) fra 1845, den tyske plantefysiologen Wilhelm Pfeffer (1845–1920), den russiske darwinisten Kliment Timirjazev (1843–1920) og den franske filosofen Henri Bergson (1859–1941). I Vernadskijs bilde av biosfæren er jordsystemet en planet i et kosmisk miljø hvor den får sin energi fra solen.
Innenfor tenkningen rundt biosfæren brukes en holistisk tilnærmingsmåte, noe som innebærer at helheten er mer enn summen av dens deler. Dette har vært opphav til mye forvirring rundt biosfærebegrepet, noe den franske biologen og filosofen Jacques Monod (1910–1976) mener kommer av en mekanistisk og reduksjonistisk oppfatning innenfor hovedstrømmen av vitenskap. Tradisjonelt har holisme ofte blitt oppfattet som både vitalistisk og antivitenskapelig.
Vernadskij påvirket utviklingen av biogeokjemi i den vestlige verden, blant annet fordi hans sønn, George Vernadskij (1887–1973), var professor ved Yale University, og venn av den britiske økologen George Evelyn Hutchinson (1903–1991).
Biosfærens sammensetning
Biosfæren kan deles inn i regioner, kjent som biomer. Et biom har et bestemt klima, og kjennetegnes ved en rekke organismer som er unike for området, i første rekke vegetasjon. Et biom kan inneholde mange forskjellige økosystemer. Et økosystem er et samfunn av levende organismer som samhandler med hverandre og med miljøet. Økosystemer forekommer i alle størrelser. Grupper av organismer som er beslektet kan klassifiseres i arter. Et antall individer av samme art i et gitt område utgjør en populasjon. Antallet kan variere fra noen få individer til flere tusen.
Organismer
Basert på fysiske og genetiske likhetstrekk kan grupper av organismer klassifiseres som arter. Insekter og mikroorganismer utgjør de fleste arter, mennesker og andre pattedyr utgjør bare en brøkdel. I økologien er et enkelt medlem av en art eller organisme kjent som et individ. Antall arter er estimert til 8,7 millioner, men bare 1,6 million av dem er indentifisert. Til tross for det store mangfoldet av organismer, er det karakteristisk for alle at de formerer seg og bruker DNA i prosessen.
Til tross for begrenset kunnskap om de forskjellige artene, har økologiske studier utover på 1900-tallet avdekket hvordan organismene har utviklet seg sammen, tilpasser seg det fysiske miljøet, og derigjennom påvirker biosfæren. Det er også avdekket hvordan selv tilsynelatende ubetydelige arter er avgjørende for stabilitet for samfunn og økosystemer.
I biologien har en behov for å systematisere organismene. Den minste enheten i biologisk systematikk er arter. En art kan defineres slik at to individer tilhører samme art, hvis de kan få avkom med hverandre og at disse avkommene også kan få nye avkom. Alle livsformer er delt inn i gruppene arter, slekter, familier, ordner, klasser, rekker, riker og domener. Grupper på samme nivå kan aldri overlappe, slik at en familie kan inneholde flere slekter, men en slekt kan aldri tilhøre mer enn én familie. Det moderne mennesket (Homo sapiens) er en art, det tilhører menneskeslekten, familien er store menneskeaper, orden er primater, klassen er pattedyr, underrekken er virveldyr, rekken er ryggstrengdyr, rike er dyreriket og domenet er eukaryot. Systemet som brukes for systematikk ble utviklet av den svenske botanikeren Carl von Linné (1707–1778).
Populasjoner og samfunn
Et antall individer av samme art i et gitt område utgjør en populasjon. Antallet kan variere fra noen få individer til flere tusen. Bakteriepopulasjoner kan bestå av millioner av medlemmer. Et sted eller miljø der en populasjon holder til kalles et habitat. Alle bestandene av arter i et gitt område utgjør tilsammen et samfunn. I et område med tropiske gressletter kan et samfunn bestå av gress, busker, insekter, gnagere og forskjellige arter av hovdyr.
Populasjonen og samfunnet som finnes i et bestemt miljø bestemmes av abiotiske (livløse) og biotiske (levende) begrensende faktorer. Disse faktorene er de som i størst grad påvirker tilstanden til populasjonene, for eksempel antall og hvor store fisker eller dyr blir i et habitat. Abiotiske begrensende faktorer er de fysiske og kjemiske forholdene i miljøet. Eksempler er mengden sollys, årlig nedbørsmengde, tilgjengelige næringsstoffer, oksygennivå og temperatur. For eksempel kan årlig nedbørsmengde avgjøre om en region er en gresslette eller en skog, noe som igjen påvirker hvilke typer dyr som holder til i området.
Hver populasjon i et samfunn har en rekke toleranser for forskjellige abiotiske begrensende faktorer, avgrenset av visse maksimums- og minimumskrav. Disse kalles toleransegrenser og om verdiene kommer over og eller under disse vil ingen av populasjonens individer være i stand til å overleve. Når en abiotisk faktor er slik at det største mulige antall individer av en art kan leve opp, har faktoren sitt optimum. Noen populasjoner kan ha et smalt toleranseområde for en faktor. For eksempel kan en art av ferskvannsfisk ha et lite toleranseområde for oppløst oksygen i vannet, og om oksygennivået kommer utenfor dette intervallet vil arten dø ut.
Økosystemer
Levende organismer i et økosystem kan grupperes etter hvordan de tar til seg mat. Autotrofe organismer er selvernærende, hvilket vil si at de bruker sollys eller kjemisk energi til å lage næringsstoffer. Planter er autotrofer, og kalles derfor også for produsenter. Heterotrofer er de som spiser andre organismer, levende eller døde, og er også kjent som konsumenter. Produsentene er for en stor del planter på land, og alger og mikroskopisk planteplankton i havet. De lager alle sin egen næring ved å bruke næringsstoffer og energi fra omgivelsene.
Planter bruker fotosyntese til å produsere glukose fra karbondioksid og vann. Ved å bruke dette sukkeret og andre næringsstoffer som røttene trekker opp, for eksempel nitrogen og fosfor, produserer plantene en rekke organiske materialer. Disse materialene er stivelse, lipider, proteiner og nukleinsyrer. Energi fra sollys blir dermed fiksert som næring som brukes av dem selv og av konsumentene. Nedbrytere som bakterier og sopper lever av organisk avfall og døde organismer. Nedbrytere kommer i kategorien heterotrofer. Nedbryterne spiller en avgjørende rolle i gjenvinning av næringsstoffer, da de reduserer komplekst organisk materiale til uorganiske næringsstoffer som kan brukes på nytt av produsentene.
I alle økosystem er hvert forbrukernivå avhengig av organismer på lavere nivå. For eksempel er en primærkonsument avhengig av en produsent, en sekundærkonsument er avhengig av primærkonsumentene og tertiærkonsumentene er avhengig av sekundærkonsumentene. Alle disse nivåene, fra produsent til tertiærkonsument, danner det som kalles en næringskjede. Et samfunn har mange næringskjeder som er flettet inn i en kompleks næringsvev. Mengden organisk materiale i en næringsvev kalles biomasse. Når en organisme spiser en annen overføres kjemisk energi lagret i biomasse fra ett nivå i næringskjeden til det neste. Det meste av forbrukt biomasse blir dog ikke omgjort til biomasse av forbrukeren. Bare en liten del av den tilgjengelige energien overføres til neste nivå, vanligvis bare 10 %. Hvert høyere nivå i næringskjeden representerer et kumulativt tap av nyttbar energi. Resultatet er en pyramide av energistrøm, med produsenter som danner grunnivået. Ut fra et energiperspektiv kalles hvert av leddene i næringskjeden for trofiske nivåer.
Biomer
Biosfæren kan deles inn i relativt store regioner som kalles biomer. Et biom har et spesielt klima og visse levende organismer, i første rekke vegetasjon, som er karakteristiske for regionen og kan inneholde mange forskjellige økosystemer. De viktigste faktorene som bestemmer klimaet er gjennomsnittlig årlig nedbør og temperatur. Disse faktorene avhenger i sin tur av geografien i regionen, for eksempel breddegrad og høyde over havet og fjellformasjoner. De viktigste typene biomer er akvatiske (vann), ørken, skog, gressletter og tundra. Mellom biomene er det ingen tydelige grenser. Overgangssone omtales som ekotoner. For eksempel kan en økotone være en overgangsregion mellom gressletter og ørken, med arter fra begge biomer.
Gressletter dekker regioner med moderat nedbør som er tilstrekkelig for gress, men ikke nok for trær. Det er to hovedtyper av gressletter: tropiske gressletter (savanner) og tempererte gressletter (stepper eller prærie). Tropiske gressletter forekommer i varmt klima som i Afrika, Sør-Amerika og svært begrensede regioner i Australia. De har noen spredte trær og busker, men deres distinkte regn- og tørrperioder forhindrer dannelsen av tropiske skoger. Lavere nedbør, mer varierende temperaturer gjennom vinteren og nesten mangel på trær, karakteriserer tempererte gressletter. De store præriene som opprinnelig dekket det sentrale Nord-Amerika, kalt Great Plains, ble dannet på grunn av gunstige klimaforhold som høyde over havet og nærhet til Rocky Mountains. Fordi tempererte gressletter er treløse, relativt flate og har rikt jordsmonn, har de i stor grad blitt omgjort til jordbruksmark.
Skoger domineres av trær og kan deles inn i kategoriene tropiske skoger, tempererte skoger og boreale skoger. Tropiske regnskoger er alltid varme og fuktige, og de finnes på lavere breddegrader. Tropiske regnskoger har det høyeste biologiske mangfoldet av dette biomet. Tempererte skoger forekommer på midlere breddegrader som Nord-Amerika, og har forskjellige årstider. Somrene er varme og vintrene er kalde. Boreale skoger ligger i høyere breddegrader, som Sibir, der de er kjent som taiga. De har ofte meget lange, kalde vintre og en kort sommersesong. Boreal skog representerer det største biomet på landjorda.
Prosesser i biosfæren
Dynamiske interaksjoner skjer mellom den biotiske delene, altså de levende delene av biosfæren og de abiotiske, altså de livløse delene som atmosfære, litosfæren og hydrosfæren på jorden. Energi, vann, gasser og næringsstoffer utveksles mellom delene både i tid og rom. Slike utvekslinger avhenger av og kan endres av miljøene i områdene. For eksempel var det tidlige livsformer på jorden som ved kjemiske prosesser skapte den oksygenrike atmosfæren. Disse prosessene var fotosyntese, respirasjon og karbonatdannelse. De interaktive prosessene mellom biosfæren og de abiotiske delene virker sammen for å opprettholde en slags planetlikevekt. Disse prosessene, så vel som de som kan forstyrre denne likevekten, involverer en rekke vitenskapelige og sosioøkonomiske spørsmål.
Energistrøm og klima
En viktig årsak bak livet på jorden er at den ligger i solens beboelig sone, altså at den verken er for nært eller for langt unna til at vann finnes i flytende form og at liv kan eksistere. Solen, som alle andre stjerner, skaper energi ved fusjon. I solens kjerne produseres energi ved at hydrogenatomer omdannes til heliumkjerner. Kjernen innerst i solen er praktisk talt den eneste delen som produserer varme gjennom fusjon. Energien overføres fra kjernen gjennom de påfølgende lagene, og til slutt når den frem til solens fotosfære. Ved fotosfæren strømmer energien ut i verdensrommet som sollys eller som kinetisk energi i form av partikler som slynges ut.
Dersom det hadde vært strålingsbalanse ved alle jordens breddegrader, altså at innstrålingen av kortbølget stråling på et hvert sted skulle vært eksakt balansert av utstrålt langbølget stråling, ville klimaet vært svært ugjestmildt. Under slike forhold ville ikke dagens livsformer på jorden vært mulig. Atmosfæren og havstrømmene redistribuerer varme og masse på hver av jordens halvkuler, hvilket fører til ulikheter i innstråling og utstråling. Atmosfærens strømmer drives av at tettheten til luften blir mindre når den varmes opp, noe som gir oppdrift i henhold til Arkimedes' lov. Oppe i høyden mister luftmassene energi etter som de stråler ut varm til verdensrommet, dermed blir luften kaldere og tettere noe som får den til å synke ned mot jorden. Effekten av atmosfærens samlede energitransport er 5·1016 W. På jorden vil klimaet på ulike steder ha karakteristiske særegenheter. For eksempel er temperaturene lavere desto lengre fra ekvator en kommer og været har sesongvariasjoner på midlere og høye breddegrader. Nær ekvator er temperaturen lite sesongavhengig, mens nedbøren ofte er årstidsavhengig. I noen deler av verden har også havstrømmer betydning for klimaet på landjorden.
Solstråling, jordbanen og årstidsvariasjoner
Jordbanen er noe eksentrisk, altså at den ikke former en perfekt sirkel, slik at avstanden mellom solen og jorden varierer mellom 147 og 152 millioner km. Variasjonen er slik at jorden er nærmest solen i januar, og den får da 7 % mer sollys enn i juli, når den er lengst unna. Sykliske variasjoner i eksentriteten og flere andre baneelementer, gjør at det over en tidsskala på tusenvis av år oppstår endringer i solinnstrålingen som fører til klimaendringer og istider. En annen faktor som har mye å si for solinnstråling på jordoverflaten er solens vinkel på himmelen. Sterkest er solen når den står rett opp på himmelen (nær ekvator) og svakest når den ligger nær horisonten (nær nord- eller sørpol). Vinkelen avhenger både av breddegrad og årstid.
Drivhuseffekten
Solstrålene som når jordens overflaten vil enten reflekteres eller absorberes, det siste vil si at solstrålene varmer opp jordoverflaten. Der jordoverflaten er dekket av snø kan så mye som 80 % av sollyset reflekteres (albedo), en grønn skog reflekterer derimot opptil 25 % og absorberer 75 % av lyset. De delene av jorden som reflekterer minst er havet, spesielt om lyset treffer i rett vinkel, eller asfalterte flater, hvor refleksjonen er på bare 7 %. Absorpsjon og oppvarmingen av jordoverflaten fører til utstråling av langbølget strålingen (infrarødt lys), som i denne sammenhengen kalles terrestrisk stråling. Oppe i atmosfæren blir den langbølget strålingen absorbert av vanndamp. På grunn av vannmolekylets struktur har vanndampen mange energinivåer som dermed tar opp stråling over ett bredt spektrum. Andre betydningsfulle gasser er karbondioksid, metan og dinitrogenoksid. Disse gassene kalles klimagasser fordi de har betydning for jordens klima. Gassmolekylene som absorberer langbølget stråling vil i neste omgang emittere (stråle ut) energi, der noe av den langbølgede strålingen går ut i verdensrommet og en annen del blir strålt tilbake til jordoverflaten, kjent som atmosfærisk tilbakestråling. Denne mekanismen kalles for drivhuseffekten og sørger for at temperaturen på jorden er høyere enn hva den ellers ville ha vært.
På globalt nivå er jordens energibalanse drevet av absorpsjon av sollys og utstråling av energi til verdensrommet. Solstråling med en effekt på 238 W/m2 blir tatt opp av jorden og atmosfæren. Atmosfæren og dens drivhuseffekt gjør at jorden har en global midlere overflatetemperatur på 288 K (Kelvin), noe som er 33 K høyere enn hva temperaturen ville vært uten atmosfæren. Ved jordens overflate er energien fra solen balansert av oppvarming av jordoverflaten (landjord, vann og hav), terrestrisk stråling, følbar og latent varme, samt horisontal varmetransport i havet. Følbar- og latent varme innebærer i denne sammenhengen henholdsvis oppadgående varme luftstrømmer i atmosfæren og fordampning av vann fra jordoverflaten.
Endringer av klimaet på grunn av klimapådriv, som økt innhold av klimagasser eller endret planetbane, endrer energibalansen i klimasystemet. Disse endringene kan bli forsterket eller svekket på grunn av tilbakekoblingsmekanismer. Det er to hovedtyper av disse mekanismene, nemlig positive og negative. De negative er med på å stabilisere klimaet og reduserer virkningen av klimapådriv. De positive tilbakekoblingene får en ekstern påvirkning til å gi en enda større endring i form av en forsterkende effekt. Et eksempel på en negativ tilbakekobling er at en endring av klimapådriv (økning) gir en varmere jordoverflate, som øker utstrålingen av langbølget varmestråling og dermed bidrar til å reduserer temperaturen på jordens overflate. Et eksempel på en positiv tilbakekoblingsmekanisme er mengden snø på jordoverflaten. Ved et endret klimapådriv (økning) vil mengden snø bli mindre, dermed reduseres jordens albedo slik at mer av solstrålene absorberes og jordoverflatens temperatur øker. I neste omgang får dette enda mer snø til å smelte. Det finnes mange slike mekanismer og typisk virker flere samtidig, med kombinert dempning og forsterkning av den opprinnelige endringen.
Dersom visse terskelverdier overskrives, kan klimatiske forhold endres fra én tilstand til en annen. Disse mekanismene kalles for vippepunkter. Et eksempel på et slikt vippepunkt er reduksjon av Grønlandsisen på grunn av varmere klima. Denne økte smeltingen blir ikke kompensert av økt snøfall om vinteren, samt at smeltingen forsterkes av positive tilbakekoblinger. Smeltingen av Grønlandsisen kan være irreversibel, både når det gjelder dens utstrekning (areal) og volum. Dette på grunn av en tilbakekoblingmekanisme knyttet til overflatens høyde over havet. Når iskappen smelter, reduseres dens høyde over havet, dermed blir en stadig større del av isens overflate liggende lavere, og dermed i et varmere klima som fremskynder prosessen.
Atmosfærisk sirkulasjon
Solen varmer opp jordoverflaten og luftmassene ved ekvator og får disse til å stige opp. Luften er varm og fuktig, men etter hvert som den stiger oppover kondenserer fuktigheten på grunn av lavere trykk og temperatur, dermed formes skyer. Det dannes derfor ofte kraftig nedbør ved ekvator, noe som er karakteristisk for tropisk klima. Mye av luftmassene som stiger opp ved ekvator driver mot nord og sør. Etter hvert kjøles luften ned, får større tetthet og ved 30° nordlig og sørlig breddegrad synker luften ned til jorden. Denne luftmassen er tørr, og når den sveiper over bakken tilbake til ekvator tar den til seg fuktighet, noe som skaper ørkener. Disse luftstrømmene nord og sør for ekvator som er drevet av termiske prosesser, former to store luftsirkulasjoner, eller celler, som omslutter hele jordens ekvator. Kraftige luftstrømmer omfatter ikke bare ekvator, men hele jordkloden, et i et system kalt atmosfærisk sirkulasjon. Fra ekvator mot nordpolen er det tre store sirkulasjonsceller, og tilsvarende fra ekvator mot sørpolen. Cellene rett nord og sør for ekvator kalles hadleycellene, deretter kommer ferrelcellene mellom 30° og 60° nordlig og sørlig breddegrad. Lengst mot nord og sør finner en polarcellene, som kjennetegnes med fuktig og kjølig klima der luftmassene stiger opp ved 60° nordlig og sørlig breddegrad.
Luftsirkulasjonene kompliseres av at jorden roterer, dermed vil luftmassene avbøyes ettersom jordoverflaten forflytter seg under luftmassene. Fenomenet er kjent som Coriolis-effekten og former dominerende vindretninger på jordoverflaten. De dominerende vindretningene er forskjellig rundt om på jorden. På den nordlige halvkule blåser vinden fra 30° nordlig breddegrad mot ekvator fra nordøst, og på den sørlige halvkule blåser vinden fra 30° sørlig breddegrad mot ekvator fra sørøst. Disse vindene er kjent som passatvindene. Mellom breddegrad 30° og 60° på den nordlige og sørlige halvkule vil dominerende vindretning være fra vest, og området betegnes vestavindsbeltet. Kommer en enda lengre nord enn 60° vil dominerende vindretning være fra øst, kjent som polar østavind.
Alle disse fenomenene får betydning for klima og vær på jorden, noe som i sin tur påvirker geografisk distribusjon av biomer. Plantetyper og diversitet i en region har avgjørende betydning for resten av økosystemet.
Havsirkulasjon
Havstrømmene drives av vind, solens oppvarming av havoverflaten og tilførsel av ferskvann. Av stor betydning er vestavindsbeltet ved ved mildere breddegrader og passatvind i tropene, som både skaper kraftige havstrømmer og blander næringsstoffer fra overflaten og ned i vannet. Tilførsel av ferskvann og oppvarming av havet har betydning for havstrømmene ved at forskjellig temperatur og saltinnhold styrer strømmene. I havet er det fire regioner der spesielt omfattende dyphavsdanndelse skjer ved at vannet både kjøles ned og får stort saltinnhold. Disse stedene er Nordishavet, Labradorhavet og to steder ved Antarktis der store vannmasser kontinuerlig synker ned mot havbunnen. Golfstrømmen er viktig ved at den transporterer varmt vann fra ekvator. Vannet nedkjøles på veien nordover og synker ned ved Nordishavet og Labradorhavet, dermed dannes en kaldvannstrøm som bringer vannmassene i retur mot sør.
I Stillehavet er det ingen dyphavsdannelse og dermed heller ingen termohalin sirkulasjon. Dette forklarer hvorfor klimaet på høye breddegrader i Stillehavet er så forskjellig fra områdene ved Nord-Atlanteren.
El Niño-sørlig oscillasjon, eller bare El Niño, er et storskala atmosfærisk og oseanisk fenomen som har betydning for økosystemer på global skala. Fenomenet inntreffer ved at en varm havstrøm opptrer på vestkysten av Peru ved juletider. At den heter sørlige oscillasjon har å gjøre med en svinging i atmosfærens trykk som forplanter seg over hele Stillehavet. Dette har å gjøre med at redusert barometertrykk (lavere lufttrykk) i den østlige delen av Stillehavet sammenfaller med en økning i den vestlige delen. Og motsatt skjer svingningen den andre veien, med trykkøkning og lavere sjøtemperatur i den østlige delen av Stillehavet ledsaget av reduksjon i vest, kalt La Niña. Systemet gir storstilte klimavariasjoner i Nord-Amerika, Sør-Amerika, Australia, Sør-Asia, Afrika og deler av Sør-Europa, som får betydning for utbredelse av organismer, strukturen av økologiske samfunn og økosystemprosesser.
Biosfæren og indirekte effekter på klima
Biologiske prosesser har innvirkning på jordoverflatens energibalanse og dermed på klimasystemet. Effekten er størst for landjordens vegetasjon, som blant annet påvirker jordoverflatens albedo, vinder langs jordoverflaten og varmestrømmer fra jorden.
Jordoverflatens albedo er vanligvis mørkere når bakken er dekket av vegetasjon enn om den er bar. Dette får betydning for absorpsjon av sollys.
I skogkledde områder vil trærne påvirke luftstrømmene. Påvirkningen er i form av turbulens og at friksjon «bremser» vinden.
Vegetasjonen påvirker varmestrømmer fra bakken på flere ulike måter. Rotsystemet til vegetasjonen sirkulerer vann via transpirasjon, altså utskillelse av vann via bladene, noe som endrer strømmen av latent varme i forhold til om jordoverflaten var bar. Enda en virkning av vegetasjon har å gjøre med endring av forholdet mellom følbar og latent varmestrøm via bladenes spalteåpninger. Spalteåpninger er bladenes små åpninger som tar inn karbondioksid som bruk til fotosyntesen, mens de skiller ut oksygen og vanndamp. Alle disse effektene har betydning både for energi- og vannbalansen i atmosfæren over landjorden, dessuten har dette betydning for biofysiske tilbakekoblingsmekanismer.
De biokjemiske prosessene i jordens økosystemer påvirker også næringskjedene for grunnstoffer og atmosfærens sammensetning. Disse prosessene har igjen stor betydning for den globale energibalansen og atmosfærens dynamikk. En av de faktorene i klimasystemet som påvirkes er styrken av drivhuseffekten, der karbonsyklusen spiller inn. Konsentrasjonen av oksygen påvirker den stratosfæriske absorpsjonen av sollys og oksygenkonsentrasjonen i atmosfæren er igjen noe som påvirker plantelivet. Enda et eksempel er produksjon av kjemiske stoffer som dimetylsulfid (organisk svovelforbindelse) i alger i havet som virker som kondensasjonskjerner i atmosfæren, og konsentrasjonen av disse påvirker skydekket.
Biogeokjemiske sykluser
Av de over 90 grunnstoffene som finnes naturlig på jorden er det mellom 30 og 40 som er nødvendige for levende organismer. Karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen og fosfor finnes i store mengder, og disse fem stoffene utgjør samlet 97 % av all massen i protoplasma, altså massen som utgjør celler i levende organismer. De stoffene som organismer trenger i store mengder kalles makronæringsstoffer, mens de som trengs i små mengder kalles sporstoffer. Stoffer som alle levende organismer trenger i små mengde er svovel, natrium, kalium, kalsium, magnesium, jern, mangan, kobolt, kobber, sink og klor. Noen organismer trenger også mindre mengder av aluminium, bor, brom, jod, selen, krom, molybden, vanadium, silisium, strontium, barium og nikkel. I tillegg er det flere andre stoffer som er nødvendig for visse typer organismer.
Kjemiske stoffer, både de som er essensielle for organismene og andre stoffer, sirkulerer i jordsystemet fra omgivelsene til organismene og tilbake til omgivelsene. Disse sirkulære overgangene kalles for biogeokjemiske sykluser eller stoffsykluser. Ordet næringssykluser brukes også, men da om grunnstoffer som er essensielle for levende organismer. For flere av stoffene finnes det reservoarer eller lagre der stoffet finnes i store mengder, det kan være snakk om at de er opplagret og utilgjengelig på kort sikt, eller motsatt at de er lett tilgjengelige. Noen av stoffene som inngår i biogeokjemiske sykluser opptrer som gasser i atmosfæren. En sier at atmosfæren er reservoar for disse, dette gjelder for eksempel nitrogen og karbon i form av karbondioksid. Andre stoffer er sedimentære og finnes i jordskorpen, noe eksempler fosfor, kalium og svovel.
Vannets kretsløp
Vannets sirkulasjon drives av fordampning fra jordoverflaten og nedbør. Svært lite av vannet som er i sirkulasjon går gjennom økosystemene, altså tas opp av planter og dyr. Sirkulasjonsmønstrene i atmosfæren bestemmer mye av fordelingen av nedbøren på jordoverflaten. Passatvindene som går fra kjølige områder til ekvator, fører med seg fuktig luft som kondenserer og blir til nedbør over ekvator. Størst årlig nedbør opptrer derfor ved ekvator.
Karbonsyklusen
Karbon inngår i fotosyntesen der næringsstoffer blir til organisk materiale. Karbon finnes i alt levende og dødt materiale. Det finnes i store mengder opplagret i kull, olje og gass, i tillegg til at et stort reservoar også finnes i atmosfæren og i vann. Fotosyntesen tar altså opp karbon fra atmosfæren, og dette tilbakeføres ved respirasjon både fra levende og døde planter via nedbrytere. Karbon i form av karbondioksid utveksles således i store mengder mellom atmosfæren og biosfæren.
Den globale produksjonen av karbon i fotosyntesen er 170 Pg per år (170 billiarder kg), der 50 Pg skjer i havet og 120 Pg på landjorden. Denne strømmen av karbon fra atmosfæren er praktisk talt eksakt balansert av en strøm tilbake, blant annet ved respirasjon fra planter i form av karbondioksid. Av dette er det en mengde på 0,2 Pg karbon per år som akkumuleres, kjent som karbonsluk. Vulkaner gir et bidrag på rundt 0,1 Pg karbon per år, en nesten like stor strøm frigjøres ved oksidasjon av organisk karbon i berggrunnen. Bidraget fra forbrenning av fossile energikilder er på 5 Pg per år. I tillegg bidrar avskoging med 1–2 Pg karbon per år.
På grunn av forbrenning av fossile energikilder er karbonsyklusen modifisert, noe som blant annet gir global oppvarming og havforsuring. En konsekvens av dette er at mange organismer som er tilpasset et gitt klima får behov for å migrere, for eksempel bevege seg nordover mot regioner med mer passende temperaturer. Dette har skjedd i tidligere tiders klimaendringer, men utfordringene med dagens endringer er at økningen skjer hurtig og at leveområdene i utgangspunktet er fragmenterte.
Nitrogensyklusen
Den motsatte reaksjonen av nitrogenfiksering kalles denitrifikasjon. Dette er også en prosess som skjer i bakterier, og oppstår som regel i sammenheng med liten oksygentilførsel og organisk materiale. Under slike prosesser blir nitrater redusert til nitritt, nitrogenoksid, fritt nitrogen og ammonium. Denitrifikasjon fører nitrogen tilbake til atmosfæren, og skjer både på landjorden og i vann og hav.
Nitrogensyklusen blir påvirket ved industriell nitrogenfiksering ved kunstgjødselproduksjon og utslipp av nitrogenoksider (NOx) ved forbrenning av fossile energikilder. Nitrogenoksider blir oksidert i atmosfæren til nitrat som avsettes via nedbøren. Nitrogen i for store mengder i luft og vann er et stort problem mange steder i verden. Blant annet fører det til omfattende algeoppblomstring i elver, innsjøer og kyst, noe som svekker vannkvalitet, matressurser og habitater. I verste fall oppstår oksygenmangel som gir sykdommer eller død hos fisk. Algeoppblomstringer kan også være skadelig for folkehelsen på grunn av giftstoffer og bakterievekst.
Svovelsyklusen
Svovel er viktig i biologiske prosesser fordi det inngår i aminosyrer, som igjen inngår i proteiner. Svovel finnes tilgjengelig i naturen i mange former og i store mengder, for eksempel i form av sulfid og sulfat. Olje og kull inneholder også en del svovel. For plantene er uorganisk sulfat den viktigste kilden. De fleste av svovelforbindelsene i dyr og planter blir nedbrutt av bakterier og sopp når disse dør. Dette skjer via flere kjemiske prosesser. Svovelsyklusen har både en fase i atmosfæren og en i sedimenter på landjorden og i vann og hav. I miljøer med lite luftforurensning er sedimenter det viktigste reservoaret, men om det er mye luftforurensning er også atmosfæren et stort reservoar av svovel.
Biosfærens historie
To globale prosesser har vært spesielt viktige for utviklingen av livet på jorden, nemlig utviklingen av jordskorpen og utviklingen av atmosfæren. Jordskorpen har gitt et stort mangfold av miljøer som over lang tid har ført til evolusjon av planter og dyr. Atmosfæren sørger for naturlig drivhuseffekt og et klima som har gitt det meste av jorden temperaturer over frysepunktet.
Utviklingen av atmosfæren
Jordkloden og de andre planetene i solsystemet ble dannet ut fra en roterende skive av gass og støv i universet. Etter at jordkloden ble dannet, var solen 20–25 % svakere enn den er nå, noe som gjør at jorden da burde vært en isplanet. At den ikke var det mener vitenskapsfolk tyder på at det allerede svært tidlig var kraftige klimagasser i dens atmosfære. Tvert om var jorden i dens tidlige begynnelse en svært varm klode, som i tillegg var utsatt for stadige meteorittnedfall og lavastrømmer på overflaten. Denne epoken kalles arkeikum og fant sted for 4,6–2,5 milliarder år siden. Atmosfæren kan den gangen ha bestått av karbondioksid, nitrogen og vanndamp. Planeten ble senere nedkjølt og vanndamp i atmosfæren kondenserte slik at havet ble dannet.
Muligens kan livet allerede på dette tidspunktet ha oppstått. En ser for seg at tidlig i jordens historie ble den bombardert av svært store objekter fra verdensrommet, noe som har gitt seg utslag i utvikling av en sekvens av særegne atmosfærer. Dette mener en har skjedd 700–800 millioner år før arkeikum. En ser for seg at et objekt større enn 440 km i diameter har kunne ført til fordampning av alt hav på jorden, i tillegg til å ha mettet atmosfæren med «steindamp». Etter tusen år med en tett, varm atmosfære begynte den å kondensere, slik at regn dannet ett nytt hav. En tror at flere slike hendelser med innkommende mindre objekter kan ha fordampet deler av havet helt til for 3,8 milliarder år siden.
Den tidlige atmosfæren i arkeikum bestående av karbondioksid, vanndamp og nitrogen, ville ha vært nøytral eller svakt reduktiv, hvilket vil si at oksidasjon forhindres. En slik atmosfære gjør det vanskelig å forklare hvordan molekyler som er nødvendig for å danne liv, kunne ha oppstått, selv om den ikke ville vært skadelig for utvikling av liv. En tror at konsentrasjonen av karbondioksid var 1000 ganger høyere enn dagens nivå i arkeikum, men at den gradvis ble 100 ganger dagens konsentrasjon for omtrent 2,5 milliarder år side og 10 ganger høyere for 600 millioner år siden. En tror også at store mengder metan, som er en mye kraftigere klimagass enn karbondioksid, var tilstede og kan ha gitt en svært varm jord. Opphavet til metan kunne ha vært betydelig utslipp på grunn av anaerob (liten tilgang på oksygen) nedbryting av biomasse og metanogene bakterier som reduserte karbondioksid til metan. Disse teoriene er usikre.
Ozon dannes av oksygen i en kjemisk prosess drevet av sollys, kjent som fotolyse. Prosessen dannet ozonlaget, og er den delen av atmosfæren som beskytter mot ultrafiolett stråling. Ozonlaget var avgjørende for at livet på land skulle kunne utvikle seg. Dannelse av ozon skjedde på grunn av tilstedeværelse av visse sporgasser og oksygen. En vet ikke når ozonlaget ble dannet, men da de første lavartene oppstod på landjorden i ordovicium, for 500 til 425 millioner år siden, var ozonlaget allerede dannet.
Livets opphav
Den sovjetiske biokjemikeren Aleksandr Oparin (1894–1980) publiserte i 1924 og 1934 en teori om livets opprinnelse som har fått stort gjennomslag. Teorien går ut på at utviklingen av heterotrofe organismer, altså organismer som bryter ned organisk materiale for å dekke sitt behov for karbon, oppstod i en såkalte prebiotisk suppe, også kjent som «ursuppen». Denne teorien ble imidlertid forlatt da en innså at den sterkt reduktive atmosfæren i arkeikum for 4,6 milliarder år siden, umulig kan ha vært tilstede samtidig med utvikling av organiske forbindelser som trengtes for å danne liv.
En annen teori ble fremsatt av den belgiske biokjemikeren Christian de Duve (1917–2013), som går ut på at livet startet med noe han kalte for «protometabolisme». Korte polypeptider (aminosyrer i peptidkjeder) ble dannet av tioestere (en type ester) av aminosyrer i vannoppløsning. Dette kunne ha skjedd i sterkt syrlige, svovelholdige varme kilder, vulkanske innsjøer eller i hydrotermisk skorsteiner. En energirik tioester-forbindelse spilte rollen som senere ble overtatt av adenosintrifosfat, og primitive kjemiske reaksjoner førte til syntese av RNA og dannelse av celler.
Denne og flere andre teorier er i samme kategori som problemet med hva som kom først av hønen eller egget, nemlig hvordan protein skal kunne dannes uten DNA, når DNA ikke kan oppstå uten protein. En ide som ble fremsatt som en løsning på dette problemet var oppdagelsen av at noen typer RNA, som kan virke som deres egne enzymer. En ser for seg en «RNA-verden» der RNA er dannet av ribose (en type monosakkarid som inngår i RNA-molekylene) og andre organiske forbindelser. I denne verdenen ble disse molekylene i stand til å kopiere seg selv og dermed syntetiserer enzymer som hjalp RNA-et til å lage dobbeltstrenge versjoner av seg selv. Dette har igjen ledet til utviklingen av DNA. Mange spørmål har blitt stilt til denne teorien, blant annet hvordan RNA-et, som er vanskelig å syntetisere i et kontrollert miljø, kunne ha oppstått i en livløs verden. En annen innvendig er at RNA-molekylet bare kopierer seg selv i et laboratorium om det får «avansert hjelp».
Det en vet for sikkert er at de tidligste organismer var prokaryotiske, altså celler uten cellekjerne, at de var anaerobiske, at de måtte ha tålt sterkt ultrafiolett lys siden ozonlaget ikke fantes, og at deres utvikling gjentatte ganger ble hindret av store objekter som traff jorden. Usikkerhetene er stor, men forskerne deler seg inn i to grupper, der noen mener at utviklingen av liv er unngåelig og enn annen gruppe som mener at biosfæren er et fantastisk og unikt tilfelle i hele universet. Noen har ment at livet har oppstått ved hjelp av mikrober utenfra solsystemet, eller at det er skapt av en guddom (kreasjonisme).
Gjensidig påvirkning mellom utviklingen av biosfæren og klimasystemet
Det er flere teorier som handler om vekselvirkning mellom det levende livet på jorden og atmosfæren, dermed om hvordan klimaet har utviklet seg. Det er generell enighet blant forskerne om at jorden flere ganger har blitt så nedkjølt at den har vært helt dekket av is, i form av den såkalte snøballjorden. Første gang dette skjedde var for 2,2 milliarder år siden og siste gang for 710 til 640 millioner år tilbake i tiden. En teori går ut på at den første snøballjorden oppstod på grunn av levende organismer i proterozoikum. Mikroorganismer som hadde utviklet fotosyntese skilte ut oksygen i gassform, som var katastrofalt giftig for de organismene som da eksisterte. Atmosfæren bestod av mye metan som ga en kraftig drivhuseffekt. Oksygenet reagerte med metan og det oppstod karbondioksid, som er en mindre potent klimagass. Drivhuseffekten ble dermed betydelig svakere, som igjen ble enda svakere på grunn av tilbakekoblingsmekanismer. Ved at det ble dannet snø og is ble mer av sollyset reflektert, dermed ble temperaturen på jorden lavere, noe som ga enda mer nedkjøling og is, altså en nedadgående spiral. En kaller denne hendelsen for oksygenkatastrofen. Snøballjorden begynte å tine da vulkanutslipp ga økt konsentrasjon av karbondioksid i atmosfæren.
Ved andre hendelser der jorden har blitt dekket av is, kan dette ha skjedd ved at bergarter forvitrer og setter i gang kjemiske prosesser som reduserer konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren. Spesielt i perioder med varmt klima er denne mekanismen fremtredende, men geologiske perioder med fjellformasjoner med visse mineraltyper kan ha bidratt til mye forvitring og kraftig opptak av karbondioksid.
Det frie oksygenet som hadde oppstått i proterozoikum kan ha hatt gunstig virkning for at aerobe organismer ble utviklet, dette ledet mot dannelse av flercellede organismer. En rekke avanserte livsformer utviklet seg i havet i epoken fanerozoikum, men for 450 millioner år siden oppstod planter på land og senere oppstod også dyrene. Den første masseutryddelsen fant sted for 250 milliarder år siden, og det er ikke enighet om hva som kan være årsaken til denne. Én teori er at denne ble forårsaket av et vulkanutbrudd i Sibir, der lava dekket et område på størrelse med Australia. Denne utryddelsen var den største av flere masseutryddelser der rundt 90 % av alle arter forsvant. Etter dette har det vært både flere store klimaendringer og masseutryddelser.
Generelt kan en si at livet på jorden påvirker klimaet gjennom karbonets- og vannets kretsløp, samt gjennom mekanismer som albedo, evapotranspirasjon (utdunsting av vann fra planter og fra bakken), skydannelse og forvitring. Kaldere klima de siste 40 millioner år har sin årsak i utvidelsen av gressletter (tundra og steppe) på bekostning av skog. Disse biomene har tatt opp karbon fra atmosfæren og reduser bakkens transpirasjon, altså at baken gir fra seg mindre fuktighet. I tillegg ga utviklingen økt albedo, altså at mer av sollyset blir reflektert.
Livets utvikling – evolusjonshistorie
Overalt i biosfæren er de levende organismer nødvendigvis tett knyttet til sine omgivelser. Økosystemer er dynamiske og lokalsamfunn endres over tid som svar på abiotiske eller biotiske endringer i miljøet. For eksempel kan klimaet bli varmere eller kaldere, våtere eller tørrere, eller næringskjeden kan bli forstyrret av tapet av en bestemt populasjon eller introduksjonen av nye. Arter må kunne tilpasse seg disse endringene for å overleve. Når de tilpasser seg, gjennomgår organismene selv forandring. Evolusjon er den gradvise endringen i den genetiske sammensetningen av en populasjon av en art over tid. Det er viktig å merke seg at det er populasjoner som utvikler seg, snarere enn enkeltindivider. Naturlig seleksjon er en prosess som avhenger av en organismes evne til å overleve i et miljø i endring, et press som favoriserer et gunstig sett med gener.
En art utvikler seg til en bestemt økologisk nisje (levesett), enten ved å tilpasse seg ved å bruke en nisje i miljøet eller tilpasse seg for å unngå konkurranse med en annen art. Ingen arter kan ha nøyaktig samme nisje i et økosystem. Det som er avgjørende er tilgjengeligheten av ressurser. Et eksempel er fem fugler av arten sangere som alle spiser insekter på samme treslag. I et slikt tilfelle vil hver art hente ut føden (insekter) i forskjellige deler av treet for å overleve. Om artene ikke utvikler seg slik, vil konkurranse føre til utryddelse av en eller flere av dem. Gjennom evolusjon vil derfor en av fugleartene tilpasse seg jakt i tretoppene; en annen art tar de laveste grenene; en annen spesialiserer seg på midtdelen. På denne måten har disse artene utviklet seg til forskjellige, men likevel nokså like nisjer. Alle fem artene kan på denne måten overleve ved å tilpasse seg en smal nisje.
Organismer med en smal nisje kalles spesialiserte arter. Et annet eksempel er arter som kan utvikle seg i en smal nisje ved å konsumere bare en type blad, som pandaen som spiser bambusblader. Denne mekanismen gjør at arter kan eksistere sammen med en annen, ved ikke å konkurrere med den. I begge tilfeller er arter med en smal nisje ofte utsatt for utryddelse fordi de vanligvis ikke kan respondere på endringer i miljøet. Å tilpasse seg en ny nisje vil ta lang tid for de spesialiserte artene, ofte for lang tid slik at populasjonen dør ut istedenfor. På den annen side er det arter som kan bruke mange typer føde- og levesteder for å jakte på eller samle seg, kjent som generaliserte arter. I tilfelle for eksempel tørke kan en generalisert art, som kakerlakker, være mer vellykket i jakten etter alternative matkilder, den vil dermed likevel overleve og reprodusere seg.
Gaiahypotesen
Gaiahypotesen går ut på at en kan betrakte hele jorden som en stor biologisk enhet. Hypotesen har fått navnet sitt etter den greske jordgudinnen Gaia. Den ble fremsatt av den britiske kjemikeren James Lovelock (1919–) og den amerikanske biologen Lynn Margulis (1938–2011) i begynnelsen av 1970-årene. Til grunn for gaiahypotesen ligger en oppfatning av at jorden og biosfæren er et stort selvregulerende system som kontrolleres av sterke negative tilbakekoblinger. Disse tilbakekoblingene gjør at jordens miljø vil holdes innenfor grenseverdier som er gunstig for liv. Denne måten å se på jordens globale økologi og evolusjon strider mot den klassiske oppfatningen om økologi som biologiske responser på de fysiske forholdene.
Opprinnelig var Gaiahypotesen grunnlagt på konseptet om homeostase. Homeostase går ut på at biologiske systemer har innebygde reguleringsmekanismer, slik at fysiske variabler holdes innenfor små variasjonsområder, samt at systemet har motstand mot ytre påvirkninger. Margulis har imidlertid ment at Gaia, med sin atmosfære, hydrosfære og litosfære reguleres rundt gunstige verdier som endres over tid. Dette skjer etter som hele systemet sakte utvikler seg gjennom en svært lang livssyklus.
Lovelock utviklet hypotesen ved å sammenligne jorden med Venus og Mars, som i alle fall ikke har observerbart liv på overflaten, men har en atmosfæren bestående for det meste av karbondioksid. Jordens atmosfære består derimot av nitrogen, oksygen og noen flere gasser som karbondioksid, metan og nitrogenoksid i små mengder. En skulle ha forvente at jorden ligner på de andre nærliggende planetene, noe som ikke er tilfelle. Ifølge hypotesen er det livet selv som sørger for at jorden forblir et system med gunstige betingelser for liv.