生物圏

生物圏とは

生物圏（biosphere）は、地球上の生命が存在する領域全体を指します。一般的には、生物とそれを取り巻く非生物環境との相互作用を含めた総体を意味しますが、より狭義には、その空間に存在する生物群集のみを指すこともあります。

地球科学では、地球の表面を水圏、大気圏、岩石圏に区分しますが、生物圏はこれらの領域に重なり合って存在します。地表や地中はもちろん、大気中や深海まで、生物は多様な環境に適応して生息しています。生物と非生物が相互に作用し合う環境の系を生態系と呼びますが、生物圏は地球全体に広がる生態系の総体と捉えることができます。

特に微生物は、その存在範囲が非常に広く、深海や大気上層から地中深くまで、あらゆる場所に生息しています。

生物圏は、地球科学や生態学といった学術分野で共通の概念として用いられています。生物圏内では、水や大気の循環といった非生物的な要因に加え、光合成や食物連鎖、生物遺骸の分解といった生物活動によって、物質とエネルギーが循環しています。この循環は、太陽エネルギーを源としています。

用語の歴史

「生物圏」という用語は、1885年にエドアルト・ジュースによって「生命が生息する地球表面の場所」として定義されました。その後、1926年にウラジミール・ベルナドスキーが、生物圏の概念を拡大し、生態学を生物圏の科学と位置づけました。

生物圏の範囲

生物の水平分布は、極地から赤道まで、地球全体に広がっています。かつては「生物が生息できない地域」も存在すると考えられていましたが、極限環境微生物の発見により、生物圏は従来考えられていたよりもはるかに広範囲に及ぶことが明らかになりました。なお、「極限」という言葉は、動植物の視点から見たものであり、極限環境に適応した微生物にとっては、動植物が生息する環境の方が極限である可能性もあります。

生物圏の厚さを正確に測定することは困難ですが、動植物の分布に関する記録としては、高度12,000メートルでマダラハゲワシが飛行していた事例や、高度9,000メートルまで飛行するインドガンなどが挙げられます。また、深海では水深8,372メートルのプエルトリコ海溝で深海魚が発見されています。

生物圏は、いくつかの生物群系に分類され、それぞれに類似した動植物相が分布しています。地上では、生物群系は主に緯度によって分けられます。極地に近い地域では動植物が少なく、赤道に近い地域では生物の数が多くなります。

微生物の分布を考慮すると、生物圏の範囲はさらに拡大します。高度41キロメートルで培養可能な微生物が発見されており、深海や地中深部でも極限環境微生物が生息しています。地中では、スウェーデンの深度5キロメートル以下の地殻で、高温環境に適応した好熱性微生物が発見されています。

地殻内では、深度が深くなるほど温度が上昇しますが、その割合は岩石の種類などによって異なります。現在知られている最も高温に耐える古細菌は122℃で生育可能であり、地下の微生物の分布は深度よりも温度に左右される可能性も指摘されています。地下に存在する生物圏は「深部地下生物圏」と呼ばれ、生命の限界を探る上で重要な研究対象となっています。

生物圏と地球史

現在の地球環境は、生物圏の歴史、すなわち生物の進化と密接に関わっています。約38億年前には海が形成され、当時の大気は二酸化炭素が主成分でした。その後、約35億年前には生命が誕生し、約24億年前までにシアノバクテリアが酸素発生型光合成を行うようになると、大気中に酸素が蓄積し、現在の組成へと変化しました。また、酸素が太陽紫外線を受けてオゾンとなり、オゾン層が形成されたことで、生物が陸上へ進出する要因の一つとなりました。陸上へ進出した生物の遺骸は土壌層に影響を与え、地球の表層環境は生物と共進化の関係にあります。地球環境の将来は、生物や生物圏の変化と深く関わっているのです。

バイオスフィア2

1990年代には、閉鎖された人工生態系を構築する試みとして、アメリカのアリゾナ州で「バイオスフィア2」の実験が行われました。当初は100年間継続する予定でしたが、予想外の酸素量低下などの問題が発生し、短期間で終了しました。この実験を通して、人工生態系を維持することの難しさが明らかになりました。現在、バイオスフィア2の施設は研究機関に売却され、研究活動に利用されています。

影の生物圏

影の生物圏とは、現在知られている生命とは異なるメカニズムで成り立っていると想定される生命群を指す概念です。これらの生命は、我々が認識する生命とは根本的に異なるため、検出が困難である可能性があります。例えば、DNAの代わりにRNAを遺伝物質とする生物などが考えられており、リボソームを持たないため、既存の方法では検出できない可能性があります。

影の生物圏の存在は、現在のところ確認されていませんが、合成生物学の分野では、通常の生命とは異なる生化学を持つ生命の理論的な検証や人工的な合成が試みられています。

まとめ

生物圏は、地球上の生命が存在する領域全体を指し、その範囲は非常に広大です。生物圏は、地球の歴史や環境と深く結びついており、今後の地球環境を考える上で重要な概念となっています。

もう一度検索