生物圈（biosphere），是指地球上出現并受到生命活動影響的地區，是地表有機體包括微生物及其自下而上環境的總稱，是行星地球特有的圈層，也是人類誕生和生存的空間。地球經過了漫長的演化過程，孕育了生命和適宜生命生存的環境，包括巖石圈、水圈和大氣圈，并形成了種類豐富的生態系統，地球是其中最大的一個生態系統。在地球的生態系統中，存在著群落和種群等層級關系。
生物圈這個詞最早由地質學家修斯（Eduard Suess）在1875年提出，在1926年被礦物地球化學家維爾納德斯基（Vladimir I. Vernadsky）進行了明確定義。生物圈的范圍包括海平面上10km至海洋底部，總厚度約為33km，其能量由太陽提供，能量以光的形式到達地球表面，經過吸收和再循環，最后轉變成熱。這些能量流經食物鏈時，有大約10%被貯存在生物體內，其余的90%能量以熱的形式散發到環境中。生物有機體之間存在著寄生、共生和捕食等關系，形成了復雜的食物鏈和食物網，以及不同的營養級。
生物圈中也存在著破壞與失衡，如環境污染、溫室效應和糧食問題等。為了修復生物圈，各種技術應運而生，有生物修復、物理修復和化學修復。從生物圈的概念創立以來，人們從未停止對它的探索，如“生物圈2號”工程和“人與生物圈計劃”。
詞源與內涵
詞源
生物圈一詞由奧地利地質學家愛德華·蘇斯（Eduard Suess）于1875年提出，但在俄羅斯科學家弗拉基米爾·維爾納德斯基（Vladimir Vernadski）的幫助下，于1920年開始正式用于科學研究。
1926年，俄羅斯礦物地球化學家維爾納德斯基（Vladimir I. Vernadsky）提出了生物圈的概念，認為生物圈是由生命所占據底殼的一個特殊地帶。
定義
生物圈集合了天文學、地球生物學、氣象學、生物地理學、地質學、地球化學、地球系統科學等多種科學。對生物圈的理解與劃分，存在兩種概念：（1）生物圈是地球上所有活的有機體以及這些有機體相互作用的自然環境，包括生物與巖石圈、水圈和大氣圈。（2）生物圈是地球表面由生物居住空間范圍內的各類有機體的總稱。
維爾納德斯基1926年在《生物圈》中描述的生物圈概念是廣義的，既包含全部生命，也包含生命活動場所和生命活動產物，因此大氣、水、巖石乃至整個地球表層部分都包含在內。德國地質生物學家克魯賓（Krumbein）在20世紀80年代發展了維爾納德斯基的這一定義，提出了“生物地球化學”概念。他認為，地球表層大多數元素的地球化學循環實質上是由生物參與的生物地球化學循環，并稱地球為生物行星（bioplanet），認為地球是一個組織化的活體、一個活系統。
20世紀70年代初，英國地球物理學拉維洛克（J. E. Lovelock）和美國生物學家馬古麗斯（L.Margulis）提出了一個新學說——“蓋婭假說”。“蓋婭”是一個由地球生物圈、大氣圈、海洋、土壤等各部分組成的反饋系統或控制系統，這個系統通過自身調節和控制而尋求并達到一個適合于大多數生物生存的最佳物理化學環境條件。這個系統的關鍵是生物。地球表層的復雜性和多樣性主要是由于生命和通過生命活動表現出來的，而地球表層系統的復雜性和多樣性決定了它的可自我調節、自我管理的功能。假如地球上生物消失，那么蓋婭也就消失，地球環境就要大變樣，最終會變成類似其他無生命行星表面那樣的不穩定狀態。
組成部分
生物圈主要由生命物質、生物生成性物質和生物惰性物質三部分組成。生命物質又稱活物質，是生物有機體的總和，包括人類；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、沉積巖、黏土礦物和水。
范圍
生物圈是環繞地球的由活有機體組成的一個連續層，是地球上生物生存和活動的范圍，包括海平面上10km至海洋底部這一垂直范圍，總厚度約為33km。
地球表層由大氣圈、水圈和巖石圈三部分組成。生物在生物圈中的分布可劃為水生、陸生、氣生和寄生四大類。其中，大氣圈是包圍地球表面并隨地球旋轉的空氣層，大氣的平均壓力為一個大氣壓，大氣的質量為5.1×1018kg；水圈是地球表面水體的總稱，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川和地下水；巖石圈是地球表層由各種體積巨大的巖石所構成的空間，包括地殼和上地幔的底部。
生物圈的總質量約114800×108t。在大氣圈10km高空、地殼3km深處和深海底部都發現有生物存在，大量生物集中在地表層和水圈上層，包圍著地球形成一個完整的封閉圈。
地球演化
地質年代
太古代
太古代是地球的幼年時期，從大約45億年前地球出現時開始，一直到距今25億年前結束。太古代時期，地球上是一片廣闊的海洋，大陸還沒有形成，只有一些原始的陸地，被稱為陸核。海洋里分散著一些火山島，并且處于活躍狀態。
在太古代時期，地球開始形成最初的永久地殼，地球的巖石圈、水圈、大氣圈和生命也都在這一時期形成。太古代早期的海水中逐漸形成了一種類似蛋白質的有機質，并慢慢成為最原始的生命體。大約在距今約34億年前，原始海洋里出現了能夠進行光合作用的藍藻。太古代是形成鐵礦的重要時代，太古代鐵礦石占世界總儲量的60%。
元古代
元古代是地球在地質發展史中經歷的第二個時期，從大約距今25億年前開始，到5.7億年前結束。
元古代的早期，火山活動相當頻繁，生物界也處于緩慢的低水平進化階段，生物主要是疊層石以及其中分離得到的生物成因有機碳和球狀、絲狀藍藻化石。由于這些光合生物的發展，大氣圈已有更多的氧氣。太陽紫外線開始使氧氣分解并生成臭氧，大量的臭氧形成了臭氧層。在臭氧層的保護下，地球上開始出現有細胞核的生物。
太古代時期形成的陸核，在元古代時期更進一步擴大，形成了規模較大的原地臺，后又經過幾次地殼運動，原地臺發展為古地臺，地殼也由單層結構發展成為了具有結晶基底和沉積蓋層的雙層結構。
古生代
古生代是緊接在元古代之后的第三個地質年代，大約距今5.7億年至2.3億年。這一時期形成的地層被稱為古生界。古生代分為早古生代和晚古生代。早古生代包括寒武紀、奧陶紀和志留紀；晚古生代包括泥盆紀、石炭紀和二疊紀。
原始生命進化到古生代的時候已經發展到了一個新的階段。古生代的生物以海生無脊椎動物中的三葉蟲、軟體動物門和棘皮動物最為繁盛。在奧陶紀、志留紀、泥盆紀、石炭紀，相繼出現了低等魚類、古兩棲動物和古爬行綱。魚類在泥盆紀達到了全盛時期。石炭紀和二疊紀昆蟲和兩棲類生物比較繁盛。古植物在古生代早期以海生藻類為主。至志留紀末期，原始植物開始登上陸地。泥盆紀以裸蕨植物為主。石炭紀和二疊紀時，蕨類植物門繁盛，形成了茂密的森林，是重要的成煤時期。
古生代時的地殼運動比較強烈。發生在早古生代的地殼運動，使早古生代及以前的地層發生了褶皺、斷裂、變質并形成山系，被稱為加里東運動；發生在晚古生代的地殼運動又使地層進一步發生了褶皺、斷裂、變質，并上升或隆起成為山系，這被稱為海西運動。古生代時，東亞地區大部分的陸地都為海水所淹沒，并形成了分布廣泛的海相地層。
中生代
中生代是地球經歷的第四個地質年代，也是地球的青壯年時期，從距今約2.3億年前開始，到6700萬年前結束。這一時期形成的地層被稱為中生界。中生代分三疊紀、侏羅紀和白堊紀三個紀。
進入中生代時，海百合類、腕足動物門、床板珊瑚類急速衰退，繁盛于古生代的三葉蟲類、海林類、紡錘蟲類、四射珊瑚類已經不復存在。中生代極盛的巨大的爬行綱開始統治地球，因此中生代又被稱為“爬行動物時代”。在侏羅紀末期出現了真正的鳥類和哺乳動物；植物界中，開花結果的被子植物門出現，并逐漸取代裸子植物。
由于地殼運動的進一步加劇，全球大陸的構造和地理格局都發生了改變。三疊紀中期，聯合在一起的大陸面積達到鼎盛時期。到了三疊紀末期，聯合在一起的大陸就開始出現開裂的跡象。侏羅紀、白堊紀時期，聯合在一起的大陸完全分裂解體，大西洋、印度洋等海洋開始出現。從晚侏羅紀開始，海洋板塊與周圍大陸板塊的碰撞俯沖、擠壓作用導致亞洲東部和美洲西部陸緣區發生了環太平洋構造運動，形成了規模宏大的環太平洋造山帶。北部的大陸開始分為北美和歐亞大陸，南部大陸開始分為南美洲、非洲、大洋洲和南極大陸，而大洋洲還沒有和南極洲完全分裂。
中生代的末期，也就是白堊紀的晚期，地球上發生了規模巨大的生物滅絕事件，當時全球近一半的生物都滅絕了，其中包括所有的恐龍。
新生代
新生代是地球的近代史，從大約6700萬年前開始，是哺乳動物統治大地的時代。新生代形成的地層被稱新生界。
中生代的恐龍和許多海生無脊椎動物絕滅后，哺乳動物得到了空前發展，植物界的被子植物門達到繁盛階段，因此新生代又被稱為“哺乳動物時代”或“被子植物時代”。哺乳動物中除了少數的種類在中生代就已經出現外，大部分種類都是在老第三紀出現的。生活于新第三紀的各種哺乳動物，很多都是現代尚未滅絕的種類。人類在新生代的第四紀出現。
新生代第三紀的氣候比此前的白堊紀要冷，南極大陸在始新世和漸新世開始出現小型冰蓋，在其后的幾百萬年間，地球曾有多次冰期，從而使地球上的許多大陸都出現了冰川。新生代時期的地殼運動使大地構造輪廓和古地貌逐步接近現代狀況。喜馬拉雅山脈、青藏高原、阿爾卑斯山脈、落基山脈都是在這一時期形成的。
生命起源和進化
關于生命起源，人們根據已有的一些地質資料提出了種種假說。一種是神創論，認為人是被上帝或女媧等創造的。另一種理論為外星生命說，認為地球生命起源于宇宙星空，是從別的星球帶到地球上來的。還有一種海洋孕育說，認為地球上的海洋是生命起源的搖籃。
大多數人傾向于海洋孕育說的解釋。在太古代的晚期，距今約34億年前，原始的海洋中最早出現了一些無核細胞生物。隨著地球環境的改變，這些無核細胞生物逐漸進化成為了有核細胞生物。這些有核細胞生物同時在改造著地球環境，它們通過光合作用放出大量的氧氣，同時在進行著自身的分裂。南非發現的約30億年前的原始細菌化石，已經具有了簡單分裂作用。
單細胞動物又逐漸演變成了多細胞生物，細胞動物又進一步演化出了海洋植物和動物。公元前5~7億年前，元古代結束，古生代開始之時，海洋中生物大量繁殖，此后，生命進化呈現加速趨勢，海洋中相繼出現了大量無脊椎動物和脊椎動物。隨后，魚類、兩棲動物、爬行綱依次出現，動植物登陸。到了2億年前的中生代，爬行動物興盛起來，恐龍滅絕后，大約距今6500萬年前，新生代開始。被子植物門繁茂，鳥類和哺乳類成為陸地上最具優勢的動物類群。新生代第四紀后，人和猿開始分化，人逐漸從猿人、智人，進化到現代人類。
地層和化石
地殼是由一層一層的巖石沉積而成的，具有層理性。構成地殼的成層的巖石，叫做地層。一般來說，先沉積的地層在下面，后沉積的地層在上面，所以下層地層的年代比上層的古老。由于地殼總是處于不斷地運動當中，地層也會因為褶皺、斷裂等活動而隨之上升、下降、扭曲等，從而使地層順序發生某些變化。
地層在漫長的地質年代一層層沉積的過程當中，會將古代生物的遺體、遺物、生活遺跡或者印模等一起埋藏在地下，形成堅硬的石頭，也就是化石。不同生物化石的出現和地層的形成，有著平行的關系。化石又分為標準化石和一般化石，標準化石指那些演化迅速、時限短、分布廣、數量多、特征明顯、保存完好及容易找到的化石，如三葉蟲中的菜得利基蟲，是下寒武紀的標準化石。另一類化石，像是腕足動物門中的海豆芽，從寒武紀至現代均有生長，這些演化遲緩，生存期限長的化石為一般化石。
大氣
大氣成分是組成大氣的各種氣體和微粒，主要由定常成分（氮、氧、以及微量惰性氣體）和可變成分（水汽、二氧化碳、臭氧以及碳、硫、氮化合物）組成。
大氣層
大氣的密度、溫度、壓力等都會隨著高度的變化而變化，根據這個現象可把大氣圈分成若干層次。按大氣溫度垂直變化的特點可分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。
大氣的熱能
太陽輻射能主要是波長在0.4～0.76微米的可見光，約是總輻射能的50%；其次是波長大于0.76微米的紅外輻射，約占43%；波長小于0.4微米的紫外輻射約占7%。單位時間內垂直投射在單位面積上的太陽輻射能被稱為太陽輻射強度。
太陽輻射在宇宙空間的傳播沒有能量損失，但因其向外輻散，地球所攔截的太陽輻射能僅是太陽輻射能總量的22億分之一。到達地面的太陽輻射，因經過大氣的吸收、散射、反射等作用，各種波長的輻射受到不同程度的削弱，并在到達地面后分成兩部分。一部分是直接輻射，另一部分是散射輻射，兩者之和是到達地面的太陽輻射的總量，稱為總輻射。
總輻射有明顯的日變化和年變化。一般來說，緯度越低，總輻射越小。總輻射最大值出現在20°N附近。到達地面的總輻射，一部分被地面吸收，轉化為熱能，另一部分被反射。
生態系統
生物群落與其所生活的環境之間，通過物質循環和能量流動所構成的互相依賴的自然綜合體，稱為生態系統。生態系統涉及的范圍可大可小，小到一個池塘，大至整個地球。
類型
地球上的生態系統根據不同角度可以分成不同類型：
結構
生態系統一般包括4個基本組成部分：非生物的物質、生產者、消費者、分解者。
（1）非生物的物質，包括氧氣、二氧化碳、水、鹽和有機物質，以及能量。其中，無機化合物物質包括氧、氮、二氧化碳、水和各種無機鹽等；有機物質包括蛋白質、糖類、脂類和腐殖質等；能量包括來自太陽的直接輻射和散射輻射，也包括來自各種物體的熱輻射和其他能源。
（2）生產者，即自養生物，主要是綠色植物、藍菌門和少數能進行化能合成作用的細菌。這些生物可以通過光合作用把水和二氧化碳等無機物合成為碳水化合物，再進一步合成蛋白質和脂肪等有機化合物，并把太陽輻射能轉化為化學能，貯存在合成的有機物的分子鍵中。生產者制造的有機物質是消費者和分解者唯一的能量來源。
（3）消費者，即異養生物，主要指動物。消費者在生態系統中的作用，一是傳遞物質與能量，如野兔把青草中的有機物和能量傳遞給肉食動物；二是物質的再生產，如牛、羊可以把植物性蛋白質轉變為動物性蛋白質。
（4）分解者，即可將動植物實體的復雜有機物分解為簡單無機化合物。分解者也屬于異養生物，它們在生態系統中把動植物的殘體、糞便和各種復雜的有機化合物，分解成簡單的化合物，最終分解成最簡單的無機物并把它們釋放到環境中去，供生產者重新吸收和利用。
其中，生產者、消費者和分解者又被稱為生態系統的三大功能群。
食物鏈與食物網
生態系統中不同物種之間，通過食物而直接地或間接地把生態系統中各種生物聯結成一個整體，這種食物聯系稱為食物鏈。食物鏈每個環節上的所有物種構成同一個營養級。例如，綠色植物為第一營養級，植食動物為第二營養級，捕食植食動物的肉食動物為第三營養級。
這種流轉所聯系的食物鏈事實上非常復雜，每一種生物都可能成為其他幾種生物的食物，導致自然界中的食物鏈彼此交錯聯結，形成復雜的營養網絡，稱為食物網。復雜的食物網具有較強的抗干擾能力，是生態系統保持穩定的重要條件。
能量流轉
能量以光的形式到達地球表面，光可能多次被吸收和再循環，最后轉變成熱。當碳流經食物鏈時，獲得的能量只有大約10%被貯存在生物體的組織里，其余的90%能量以熱的形式散發到環境中。
生態系統中的能量流轉
在生態系統中，食物鏈的營養級通常有4~5個，這是由生態系統能流的特性決定的。在生態系統能量流動過程中，從一個低營養級流向高一營養級，能量大約損失90%，能量轉化的效率只有10%左右。食物鏈越長，消耗于營養級上的能量越多。因此，食物鏈的營養級很少有超過6個的。
地球上生態系統所需的能量均來自太陽能，由初級生產者（綠色植物）通過光合作用，把太陽能固定下來轉化為化學能，所制造出的物質稱為初級生產力。自然界內不同生態系統的初級生產力有很大差別，陸地生態系統的凈初級生產力以森林為最高，荒漠最低，農田居間。
能量的遞減使各營養級呈金字塔狀，稱為生態錐體。生態錐體就其所涉及的不同內容，分為數目錐體、能量錐體和生物量錐體。如果一個生態系統的積存和消耗相當，則該生態系統處于穩定態。如果光合作用的收入大于各營養水平的支出，則多余的能量必以生物量的形式儲存于生態系統內，例如樹木生長、生物數量增多、腐殖質即落葉層加厚等。
化學循環
自養型和異養型生物
在進化過程中，生物在獲取原料和能量方面，產生了多種不同的方式。一些生物只需要二氧化碳、水、氨和某些礦物元素就能生存，依靠這些物質和陽光的能量制造細胞，也有某些細菌可以通過氧化某些化合物獲取能量。這樣的營養類型被稱為自養型。
在地球的歷史進程中，還演化出了以吞食別的生物為營養的生物，它們喪失了利用簡單化合物的能力，而是需要混合的復雜有機化合物，這種營養類型被叫作異養型。這時能量來自于氧化由吞食其他生物獲得的有機物質，生長所需原材料或結構單位也取自同一來源。
并非所有的異養型生物的結構都很復雜。人和動物是異養型生物，許多簡單的細菌也是異養型生物，例如那些寄生或腐生在動物或植物身上才能生存的菌。如果將各種營養類型拼湊起來，就可以發現，生命的主要元素是反復循環的，一般通過食物鏈或食物網來進行。
在食物鏈底層的是自養型生物，有一些是光能自養生物，如利用光能的綠色植物和光合作用細菌，還有一些是化學能自養生物，它們通過氧化從環境中得來的簡單化合物中獲取能量，例如把亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽。當生物死亡后，其組織開始受到微生物作用而分解為簡單化合物，又可為其他生物所利用。
碳循環
碳地球上的重要元素，也是構成生命的重要元素。全球碳循環是重要的生物地球化學循環之一。碳循環是以“二氧化碳—有機碳—碳酸根”為核心的運動。二氧化碳中的碳通過光合作用，被摻和到有機化合物中。當食草動物吃綠色植物時，碳元素就轉移到了食草動物體內，當食肉動物吃食草動物時，碳元素又轉移到了食肉動物體內，如此等等。在這些轉移過程中，一個單一的碳通過代謝，可以經歷多種不同的有機化合物形式。最后，這些有機化合物通過呼吸被氧化成二氧化碳，并釋放除用以維持和延續的生命能量。
還有一些碳，會經過沉積固定后，成為煤或石油。當動物尚未分解就被埋葬時，就形成了碳的這種形式的貯存。大約三百萬年后，就會以煤和石油的形式存在，燃燒后釋放出二氧化碳，再次參與到碳循環中。
氧循環
氧在生物與非生物環境之間持續運轉的過程，稱為氧循環。氧來源于二氧化碳、水和一些礦質氧化物，大氣圈、水圈和巖石圈，是氧的三大貯庫，其中數量最多的是以水的形式存在于海洋中。
大氣中的氧氣通過光合作用不斷更新。據推測，地球大氣中本來不含氧氣，大約在二十億年前，光合作用生物開始發生光合作用，游離氧才出現在大氣中。地球大氣的上層有一層大約十公厘厚的臭氧。臭氧并不參與到生命的過程中，但可以吸收紫外線輻射，防止地球表面生物因紫外線過多而遭受損傷。氧氣還可以與地殼中的很多元素化合，這些化合物在大氣圈、水圈和巖石圈中遷移，加強了各個圈層的相互作用。
氮循環
大氣中的氮含量很豐富，約占空氣的78%。氮是氨基酸、蛋白質、核酸，以及其他多種生命的化合物的成分，因此所有生物都需要氮。大氣中的氮不能直接為大多數生物所利用，必須先將大氣中的氮，轉變為可被利用的化合物，這個過程被稱為固氮作用。一些固氮作用是由于放電而產生，如閃電。更常見的固氮作用是現代化肥工業上使用的工業固氮法。地球上每年增加的氮中，工業制造化肥固氮約占10%，其余都是由少數幾種細菌和多種藍綠藻固定的。這些生物有些是在土壤和水中自由生存，有些則是與綠色植物以根瘤形式共生。
磷和其他礦物質
磷元素在核酸形成中有重要作用，它和其他元素在某種程度上都進行循環。磷與氮一樣，也是商業肥料的主要成分之一。不過，磷的天然貯存庫是在巖石里，而不是在大氣中。從巖石中浸泡出磷的過程十分緩慢，溶解的磷酸鹽被植物利用，然后轉入動物體內。
動物生態
動物生態學是生態學的一個分支，是研究動物與其周圍環境相互關系的科學。在自然界中，動物與其周圍環境相互作用，動物從周圍環境中獲取生存和繁衍的基本條件，而周圍環境也能夠影響動物的各種生命活動。
生態因子
生態因子是對生物的生命活動和生活周期有直接或間接影響的環境因素，可分為非生物因子和生物因子。非生物因子主要包括氣候因子、土壤因子、地形因子等；生物因子指動物、植物和微生物有機體。
在自然界中，各種生態因子互相聯系、彼此制約，其中一些起著主導作用的被稱為主導因子。動物對每一種生態因子具有一定的耐受限度，即對每一種生態因子的量都有其耐受的上限和下限，當某個生態因子的量接近或超過動物的耐受極限時，就會成為限制性因子。
非生物因子
溫度
溫度直接影響動物的體溫和新陳代謝、行為活動、生長和發育等。溫度也可以通過影響其他環境因子而對動物產生影響。變溫動物對環境的依賴度彼恒溫動物顯著，各種動物都有其最適宜的環境溫度，例如，一些原生動物界的最適溫度為24~28℃。一般來說，動物生命活動的低限是冰凍，高限為42℃。在行為上，動物對極端溫度的適應方式有休眠、遷徙、穴居、晝伏夜出等。
濕度和降水
水是生命過程中代謝活動的介質，所有生物化學反應都需要在水溶液中進行，水生動物滲透壓的調節也需要水。濕度會影響低等陸生動物的生長發育和繁殖。一般來說，低濕大氣抑制新陳代謝和延滯發育，高濕大氣加速發育。動物對棲息地的濕度條件具有一定的選擇性，并因濕度大小的變化而發生遷徙、夏眠或滯育。
光照
生物所需的能量幾乎全部直接或間接地來源于日光。光照影響植物的分布，對動物的熱能代謝、行為、生活周期和地理分布等都有影響。不同波長的光對生物有不同的作用，不同動物對光的依賴程度也不同。例如，有些動物喜歡在白天活動，被稱為日出性動物；一些動物喜歡在夜間活動，被稱為夜出性動物。
生物因子
生物有機體之間存在著寄生、共生和捕食等關系。生物因子會影響動物有機體的存活和數量消長。食物不足會引起種內和種間激烈競爭，種群密度越高，個體間對食物和棲息地的競爭越激烈，可導致生殖力下降、死亡率增高以及動物的外遷。
種群
種群是占有一定地域的一群同種個體的自然組合。在一定的自然地理區域內，同種個體互相依賴、彼此制約，構成統一整體。同一種群內的成員棲于共同的生態環境中，并分享同一食物來源，彼此間可進行繁殖并產出有生殖力的后代。種群是物種在自然界中存在的基本單位，也是物種進化的基本單位。
種群也是一種自我調節系統，借以保持生態系統的穩定性。在不受到自然或人為的過度干擾時，種群可以保持相對平衡的狀態。一個種群內的個體在單位時間和空間內，存在著增殖、死亡、移入和遷出，但作為種群整體確是相對穩定的。
群落
群落是一定地區內所棲息的各種生物的自然組合，包括動物、植物和微生物。每一群落內的各個生物互相聯系，互為影響。地球上有各種各樣的自然群落，如森林、草原、沼澤、荒漠等；地球上也有人工群落，如農田、人造次生林等。
物種多樣性
物種多樣性是指一定區域內所有生物物種及其變化，包括一定區域內生物區系的狀況、形成、演化、分布格局及其維持機制。物種多樣性既是遺傳多樣性分化的源泉，又是生態系統多樣性形成的基礎。
群落內生物物種的多少以及種群數量的大小，影響著群落的性質。生物多樣性包含遺傳多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性，其中物種多樣性是基礎。物種多樣性可以用物種的數目或種群的豐富度、相對豐度等指數來表示。群落內物種的分布狀況，影響著群落的性質，通常用均勻度表示。
生態優勢
在典型的生物群落中，總有一種或數種動、植物占優勢，它們的數量多、分布廣，決定著局部地區的環境特征，這些成員稱為優勢種。群落中的其他成員，均適應或從屬于優勢種所創造的環境條件。
生態位與集團
在生物群落中的有機體，都有屬于自己的生態位。生態位是有機體在生物群落中的功能作用及其在時間和空間上所占的特殊位置。生態位的概念與種間競爭排斥緊密結合，一般情況下，在一個穩定的群落內不可能有兩個物種占據著同一生態位，并在同一時間內利用同樣的資源。如果兩個物種占有同一生態位，它們要么是通過生存斗爭將其中的一個種消滅，要么是通過自然選擇分化出不同的生態位。
通常情況下，一個群落內物種多樣性的發展與以下因素有關：有較多的可利用資源；群落內的物種種類尚不多，還有一些生態位未被利用；各個物種的生態位均比較狹窄；有較多的生態位重疊。
群落中的一些物種會形成集聚，構成很多集團，不同集團之間存在著生態分隔。在同一集團內，種間競爭十分激烈。集團即是群落的結構單位，也是功能單位。
群落的分層
群落結構是三維的，可以描述為水平層和垂直層。群落成員因占據空間不同，呈現垂直和水平的分化。復雜的群落結構為生態進程提供了諸多空間場所，群落結構越復雜，其間有機化合物相互作用的機會也越多。例如，草原群落可分為地下層、地表層和草層。森林是陸地群落中分層最復雜的生物群落，可分為地下層、地表層、草被層、灌叢、低植物層、喬木的樹冠層等。各層內均棲息著復雜的、具有典型生活習性的動物類群。
群落的水平結構，是指群落的種類組成和數量結構在水平方向上的不均勻分布。例如，它們在群落內部呈現為一種或若干種植物所構成的小斑塊，即小群落。它們或多或少地分布于整個群落中，形成所謂的鑲嵌現象。
群落演替
生物群落是相對穩定的，但同時又是一個不斷運動的體系，會按照一定的規律演變，這一過程稱為群落演替。常見的為生態的群落演替，例如，池塘經過一系列的演替而變為陸地群體。在群落演替的過程中，先出現的群落為先驅群落，經過過渡群落而達于最終的頂級群落。
群落演替又可分為原生演替和次生演替。原生演替是在以前沒有生物棲居的環境中開始的演替，它發生的時候還沒有土壤。原生演替的典型環境是裸露的巖石表面和沙丘，如剛形成的火山熔漿、冰川刮凈的巖石。次生演替是早期群落全部或部分損毀后發生的環境生態更替，砍伐盡的森林、森林大火燒毀后的裸露地面、被遺棄的農田等，都是次生演替發生的常見地點。
生物圈穩態
整體平衡
生物圈可以說是一個在物質上自給自足的生態系統，這是生物圈賴以存在的物質基礎。生物圈具有穩態反應的機制，即自我調節能力。由于生物圈囊括了眾多層次的生態系統和環境因素，因此，生物圈的穩態反應也表現在很多方面。在整個生物圈范圍內，各個大的物資儲庫的輸出和輸入，保持著動態平衡。全球的生物物種各以特有的生化功能互相補充，共同保證物質循環的暢通和穩定。當出現偏離和波動時，會有相反的作用把它拉回到平衡狀態。
例如，對于CO2的平衡，假如大氣中CO2含量顯著增加，那么海洋吸收CO2的速度也會增加。同時，綠色植物將被提高光合作用水平，將更多CO2轉化為有機化合物。這樣就趨向于把大氣中的CO2水平拉回正常水平。如果大氣中的CO2顯著減少，O2增加，綠色植物的光合作用將受到抑制，海洋將釋放CO2，從而使大氣中CO2含量增加。氮、氨、磷、硫等各種元素的循環運動，對微生物也有這樣的作用，以盡力維持該元素輸入和輸出的大致平衡。
群落穩態
群落中也存在穩態。食物聯系是生物群落中的基本聯系，居住在一定生境里的物種通過食物聯系的自然組合，使物種間維持相對穩定性和數量調節變化，保障了生物群落整體的相對平衡。判斷生態系統是否處在平衡狀態的重要標志，是生物群落的種類與數量是否發生改變。例如，向池塘中傾倒大量含氮、磷的生活污水和糞便肥料時，水環境形成富氧化現象，水中的浮游生物過度繁殖，大量消耗氧氣，魚類因缺氧而死亡，厭氧生物大量繁殖，水體發黑發臭，生態平衡被破壞。如果停止向池塘排放污水，水體將逐步恢復原來狀態。
種群穩態
生物種群也有穩態反應，種群易發生變動，同時也受到控制，一些種群存在密度制約，具有內部調節機制。例如，旅鼠種群密度太大時，鼠的內分泌會發生變化，行為改變，繁殖能力下降，于是出生率降低，死亡率升高，種群密度下降。此外，生物種群的密度會受到食物資源的限制，當屬物種群的物種數量達到環境的容量限度后，物種的生存條件惡化，食物短缺，死亡率上升，出生率下降，種群數量縮減。
種群穩態的另一個原因，是食物鏈制約關系的作用，主要表現在獵物與捕食者，宿主與寄生者種群間。獵物種群增加，則捕食者食物來源豐富，捕食者出生率升高，死亡率降低，種群數量增加。反之，則捕食者數量減少。這是一種反饋控制關系，可以使種群數量穩定在某種平衡狀態附近。
破壞與失衡
環境污染
環境污染是指有害物質或有害因子輸入大氣、水和土壤等環境介質，并在這些環境介質中擴散、遷移和轉化，使生態系統的結構與功能發生變化，對人類或其他生物的正常生存和發展產生不利影響的現象。
環境污染可分為自然環境污染和人為環境污染。對人類生產和生活造成重大影響的，通常為人為污染源，包括化學污染物和生物類污染物。化學污染物分為有機污染物（化學農藥、酚、多環芳烴、多氯聯苯、石油烴等）和無機污染物（鎘、汞、鉛、、鉻、、銅、鋅等）兩大類。
環境污染會造成如下危害：對人體健康產生危害，造成死亡、疾病、嚴重傷害、基因突變、先天性致殘、肝臟功能紊亂、皮膚病、精神紊亂或分裂癥等；對動植物生長發育和繁殖產生危害，導致家畜、野生動物、作物或其他生命體的死亡、疾病或其他物理損害；可能會對地表水和地下水造成污染；影響或危害生態系統及其他重要組分，使生態系統功能產生不可逆轉的不良變化；對人類擁有的各種財產造成損害，如對建筑物結構的損害等。
溫室效應
1824年，法國物理學家約瑟夫·傅里葉發現大氣氣體中某種組成可以吸收紅外線輻射，使地球表面變暖，這一自然現象被稱為溫室效應。水蒸氣、二氧化碳、甲烷和臭氧在溫室效應中都起到了重要作用。
溫室效應是地球上許多生命賴以生存的必要條件，正是溫室效應的存在改變了地球表面-18℃左右的輻射平衡溫度，使得地球表面的實際平均溫度為15℃，適宜生物生存。地表平均溫度變化在-50~40℃，即223~313K，按物理輻射定律E=σT4分析，可將地球視為該溫度范圍內的黑體，它的輻射絕大部分是長波的紅外線（地面長波輻射）。這些紅外線波長較長，能量較小，因此不像陽光那樣容易穿過大氣，向外散發。于是這部分熱量就在低層大氣中像個罩子一樣覆蓋在地球表面近空，使地球氣溫升高。
全球變暖
由于大氣中溫室氣體進一步增多，地球表面平均溫度持續上升。其中，最為顯著的是燃燒化石燃料產生的二氧化碳和人類飼養牲畜產生的甲烷增多。
全球變暖可能會造成極端天氣增加。2023年入夏以來，全球多地遭遇極端高溫天氣。北半球遭遇歷史罕見高溫，而正值南半球冬半年的南美地區也經歷歷史罕見的高溫。與此同時，全球多地也受到了暴雨侵襲，區域極端強降水引發洪澇災害，影響人們的正常生活。
糧食問題
糧食安全問題已成為當今時代的全球主要挑戰之一。2023年的厄爾尼諾暖流現象，使全球一些農業主產區遭遇災害天氣，農作物生產受到影響。據統計，西班牙有超過350萬公頃的農作物，因極端干旱而遭受損失；美國春小麥產區累計降水量比近10年的平均水平低36%，是2008年以來的最低值。由于氣候危機、經濟沖擊和持續沖突的風險和影響不斷加大且相互關聯，糧食不安全和營養不良的驅動因素變得更復雜。
聯合國糧農組織、國際農業發展基金會、聯合國兒童基金會、世界糧食計劃署等機構在會前聯合發布的《世界糧食安全和營養狀況》報告指出，2022年全球估計有6.91億至7.83億人面臨饑餓，比2019年增加1.22億人，其中西亞、加勒比地區和非洲的饑餓狀況正在加劇。報告警告說，到2030年，全球預計有近6億人長期食物不足，非洲形勢尤為嚴峻。
生物圈的修復
生物修復
生物修復原指微生物修復，利用天然存在或人為培養的專性微生物對污染物進行吸收、代謝和降解等，將環境中有毒污染物轉化為無毒物質的環境污染修復技術。生物修復之所以主要指微生物修復，是因為人類最早利用生物來修復污染環境的生命形式，主要是微生物。這一技術被應用于土壤和污水處理中，取得了較好的成果。
除了微生物，生物還包括植物、動物等生命形式。在環境科學中，植物修復也成為了研究熱點，同時也為公眾所接受。因此，廣義的生物修復既包括微生物修復，也包括植物修復，以及植物與微生物的聯合修復，還涉及土壤動物修復和細胞游離酶修復等方式。
植物修復包括利用植物凈化空氣，利用植物及其根際圈微生物體系凈化水體，以及治理污染土壤。通常所說的植物修復，主要指利用重金屬超積累植物的提取作用，去除污染土壤或水體中的重金屬。一般情況下，植物對污染物質起作用的同時，其根際微生物體系也在起作用，如菌根、根瘤等。
物理修復
物理修復是根據物理學原理，采用一定的工程技術，使環境中污染物部分或徹底去除或轉化為無害形式的一種污染環境治理方法。物理修復一般需要研制大中型修復設備，因此耗費也相對昂貴。
物理修復的方法有很多，如空氣污染治理除塵中的重力除塵法、慣性力除塵法、離心力除塵法、過濾除塵法和靜電除塵法；污水處理中的沉淀、過濾和氣浮等；污染土壤修復的置土/換土法、物理分離、蒸汽浸提、固定/穩定化、玻璃化和低溫冰凍等。
化學修復
化學修復是利用加入到環境介質中的化學修復劑與污染物發生的一定的化學反應，使污染物被降解和毒性被去除或降低的修復技術。通常情況下，會根據污染物類型和土壤性質，當生物修復法在速度和廣度上不能滿足需要時，才選擇化學修復方法。
化學修復方法的應用十分廣泛，如氣體污染物治理的濕式除塵法、燃燒法、含硫、氮廢棄的凈化等；污水處理的氧化、還原、化學沉淀、萃取、絮凝等。化學技術的發展較早，目前主要有這幾個方面的技術類型：化學淋洗技術、溶劑浸提技術、化學氧化修復技術、化學還原與還原脫氯修復技術、土壤性能改良修復技術等。
相關研究
“生物圈2號”工程
1987年，美國的《發現》雜志曾刊載過一篇文章，介紹了一個“美國繼約翰·肯尼迪啟動登月計劃后，最激動人心的科學工程”。這個工程便是“生物圈2號”，也就是在地球上建立一個封閉型的結構空間，作為未來以下一些行為的實驗基地：人類移民火星之后的棲息地，世界爆發核大戰后的庇護所，或者作為地球生態系統的研究室。
“生物圈2號”建立在亞利桑那州海拔1200米沙漠上，建筑主體由8000根白漆鋼梁和6000塊玻璃構成，是一個封閉環。它占地1.3萬平方米，里面有5種地形形態：熱帶雨林、熱帶草原、沼澤、沙漠和海洋。此外，還有兩個人工生物群落：集約農業區和居住區。為了充分模擬地球真實生態，需要在“生物圈2號”內投放3000種動植物以及1000種微生物。美國得克薩斯的艾德·巴斯是該計劃的主要投資人，建成費用為2億美元左右。
1991年9月26日，8名科研人員進入了“生物圈2號”。按照約定，“生物圈2號”里所有的生命（包括人類）必須堅持兩年——8個人必須吃自己耕種的食物，喝循環的水，呼吸循環的氧氣，此外再也沒有什么其他系統的計劃。艙門關閉的第十天，“生物圈人”簡·波因英特，把手伸進了一臺脫粒機被削掉了一截中指，之后被送出“生物圈2號”幾個小時處理傷口。1993年1月，“生物圈2號”里的氧氣含量從原始的21%，下降到了14%，之后外界決定向圈內輸入氧氣。1993年6月26日，在生存了一年零九個月后，最初進去的8名科研人員，有7名選擇了走出“生物圈2號”。1994年3月6日，由5男2女組成的“第二批居民”再次進入了“生物圈2號”。十個月之后，因大氣里的二氧化氮濃度失控，第二批“居民”全部撤離。至此，“生物圈2號”就再也沒有人住進去過。
聯合國“人與生物圈計劃”
人與生物圈計劃（簡稱MAB）是一項國際性的、政府間合作研究和培訓的計劃，是聯合國教科文組織在其他組織的配合下，從1971年起實施的一項著重對人和環境關系進行生態學研究的一項多學科的綜合研究計劃。
人與生物圈計劃的宗旨是：通過自然科學與社會科學的結合，基礎理論與應用技術研究的結合，科技、生產管理人員與決策者的結合，對生物圈及其不同區域的結構、功能進行研究，預測人類活動對生物圈及其資源的變化，預測這種變化對人類本身的影響，為合理利用和保護生物圈的資源，保存遺傳基因的多樣性，改善人類與環境的關系提供科學依據。
這一計劃從誕生的那天起就受到了世界各國的重視，截止到2010年，已有100多個國家參加，有的國家已成立了人與生物圈國家委員會。該計劃設計了14個研究項目，在由30個理事國組成的“人與生物圈國際協調理事會”領導下，負責協調國際合作，促進世界生物圈保護區網的建立，組織研究成果和情報資料的交流活動，舉辦各種訓練班等等。中國于1972年參加這一計劃并當選為理事國，1978年成立了中華人民共和國人與生物圈國家委員會。截至2010年，中國有10個課題被納入人與生物圈計劃，有9個自然保護區加入了世界生物圈保護區。
地外生物圈
面對地球生物圈存在的失衡與污染問題，天體物理學家約瑟夫認為，解決的辦法只有一個，那就是“星際擴張”。他認為，地球上的生物圈太小，而人類的潛力巨大，只有進入太空時代，才能從根本上解決能源、人口、污染等一系列全球問題。基于這種想法，天文學家在努力尋求地外生物圈。
參考資料 >
聯合國糧食體系峰會階段成果總結推進大會呼吁—— 加快推動全球農業糧食體系轉型(人民日報7月28日第17版).中華人民共和國農業農村部.2024-02-24
極端天氣增加，全球氣候變暖是“罪魁禍首”?.海南省氣象局.2024-02-24