Biosphäre

mini|200px|Die Biosphäre reicht innerhalb der Erdatmosphäre hinauf bis in den unteren Rand der Mesosphäre. Die Biosphäre [] (von βίος bíos ‚Leben‘ und σφαίρα sphaira ‚Kugel‘) bezeichnet die Gesamtheit aller Räume eines Himmelskörpers, in denen Lebewesen vorkommen. Meist bezieht sich die Bezeichnung auf die Biosphäre der Erde. Der Begriff hat im Verlauf des vergangenen Jahrhunderts zwei Bedeutungswandlungen erfahren. In jüngerer Zeit wird er innerhalb der Biowissenschaften vor allem in einer ökologischen Bedeutung verstanden. Dadurch wird Biosphäre synonym mit den Begriffen Biogeosphäre, Geobiosphäre und Ökosphäre verwendet.

Außer für die Erde wurde bisher für keinen anderen Planeten, Zwergplaneten, Planetoiden oder Mond das Vorhandensein von Lebewesen oder zumindest von Lebensspuren belegt. Nach derzeitigem Kenntnisstand scheint eine Biosphäre ein sehr seltenes Phänomen zu sein, das zumindest im hiesigen Sonnensystem die Erde einzigartig sein lässt.

Die Biosphäre wird als dünne Hülle (Sphäre) gedacht, die einen äußeren Bereich der Erde durchwirkt, und ist damit eine der Erdsphären. Sie reicht ungefähr von 5 km unter der Erdoberfläche bis 60 km über die Erdoberfläche, d. h. von der oberen Lithosphäre bis in den unteren Saum der Mesosphäre. Ihre äußeren Bereiche in der Tiefe und in der Höhe werden ausschließlich von Mikroorganismen bewohnt.

Wegen ihrer gewaltigen Ausdehnung und Komplexität ragen Aspekte der Biosphäre in die Forschungsfelder vieler verschiedener Naturwissenschaften hinein. Einen echten Forschungsschwerpunkt bildet die Biosphäre zumindest für jene Naturwissenschaften, die sich im Übergangsfeld zwischen Biologie und Geowissenschaften bewegen – Landschaftsökologie/Geoökologie und Geobiologie. Dazu tritt die Biogeochemie, die sich mit den Stoffkreisläufen innerhalb der Biosphäre auseinandersetzt. Und die Astrobiologie versucht herauszufinden, welche Bedingungen zur Entstehung einer Biosphäre führen und woran ihr Vorhandensein auf anderen Himmelskörpern erkannt werden könnte.

Die beiden Wissenschaftler Lynn Margulis und James Lovelock entwickelten Mitte der 1960er-Jahre die Gaia-Hypothese. Sie besagt, dass die irdische Biosphäre als ganzheitlicher Organismus betrachtet werden kann, der die Bedingungen schafft und erhält, die nicht nur Leben, sondern auch eine Evolution ermöglicht. Diese Theorie wird allerdings von vielen Wissenschaftlern abgelehnt, obwohl viele ihrer Vorhersagen bereits verifiziert wurden.

Seit der Entstehung menschlicher Zivilisationen wurde der anthropogene Einfluss auf die Naturräume der Erde immer größer. Der amerikanische Biologe Raymond Dasmann prägte 1976 die Begriffe „Ökosystem-Menschen und Biosphären-Menschen“. Die erstgenannten sind die naturnah lebenden Ethnien, die nur ein oder wenige Ökosysteme beeinflussen, während die zweitgenannten die modernen Gesellschaften sind, die aufgrund globaler Wirtschaftsverflechtungen Einfluss auf die unterschiedlichsten Lebensräume weltweit nehmen.Raymond Dasmann: Toward a Biosphere Consciousness. In: Donald Worster (Hrsg.): The Ends of the Earth: Perspectives on Modern Environmental History. 2. Auflage. Cambridge University Press, New York 1989, ISBN 0-521-34365-8, S. 277–288, insbesondere 277–279. Da dieser Einfluss auf die Biosphäre spätestens seit dem Jahr 1800 zu einem wesentlichen Faktor geworden ist, wie die globalen Umweltveränderungen durch den Menschen zeigen, wird diskutiert, den Beginn eines neuen Erdzeitalters – genannt Anthropozän – auszurufen.Sven Titz: Ausrufung des Anthropozäns: Ein gut gemeinter Mahnruf. In: Neue Zürcher Zeitung. 4. November 2016. Eine große Zahl von Wissenschaftlern sieht die derzeitigen Trends für die Biosphäre allerdings mit großer Skepsis und Sorge.

Begriff mini|Die heutige (rezente) Biosphäre kann als Ergebnis der Evolutionsgeschichte aufgefasst werden: Schautafel mit Schwerpunkt auf der Entwicklung der Tiere und Pflanzen im Phanerozoikum (Kambrium bis heute). Das Präkambrium ist ganz unten als schmale Leiste angedeutet, es ist jedoch der längste Zeitraum der Erdgeschichte. Die Evolutionsgeschichte beginnt bereits im frühen Präkambrium mit der chemischen Evolution. Die Taxa sind nicht in ihrer stammesgeschichtlichen Ordnung aufgeführt, sondern in der Reihenfolge ihres (erstmaligen) Erscheinens im Fossilbericht. Während der „kambrischen Explosion“ entstanden viele Tierstämme beinahe gleichzeitig.

Die irdische Biosphäre umschreibt den Raum des Planeten Erde, in dem Leben vorkommt.H. Walter, S.-W. Breckle: Ökologie der Erde. Band 1, Stuttgart 1991, S. 1. Dabei ist Leben darauf angewiesen, mit seiner Umwelt zu wechselwirken. Um zu überleben, müssen die Lebewesen Stoffe und Energie mit ihrer unbelebten Umwelt und untereinander austauschen. Sie müssen sogenannte Ökosysteme bilden. Dies ist eine grundsätzliche Eigenschaft von Lebewesen.A. Kratochwil, A. Schwabe: Ökologie der Lebensgemeinschaften. Stuttgart 2001, ISBN 3-8252-8199-X, S. 102. Ohne ökosystemare Wechselwirkungen wäre Leben nicht möglich. Deshalb verändert das Leben zwingend die Ausstattung des Raums, in dem es sich ansiedelt. Da sich Lebewesen weltweit angesiedelt haben, kann die Biosphäre als der Raum eines weltumspannenden Ökosystems begriffen werden.

Die irdische Biosphäre umschreibt den Raum des Planeten Erde, in dem Leben vorkommt: Der Raum zusammen mit der darin vorkommenden Gesamtheit der irdischen Organismen und ihrer unbelebten Umwelt und der Wechselwirkungen der Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt.

Das Vorhandensein eines globalen Ökosystems wurde das erste Mal vom russischen Geowissenschaftler Wladimir Wernadski erkannt. Um es zu benennen, verwendete er ein Wort, das zuvor vom österreichischen Geologen Eduard Suess erfunden worden war: Biosphäre.В. И. Вернадский: биосфера [Biosfera]. Leningrad 1926.

Die Biosphäre kann in drei große Untereinheiten gegliedert werden. Die Tiefe Biosphäre bezeichnet die Ökosysteme der Lithosphäre unterhalb von Erdoberfläche und Böden.T. Gold: The deep, hot Biosphere. In: PNAS. 89, 1992, S. 6045–6049 (PDF) Die Hydrobiosphäre umschreibt die von Lebewesen besiedelten und beeinflussten Anteile der Gewässer.H. Walter, S.-W. Breckle: Ökologie der Erde. Band 1, Stuttgart 1991, S. 2. Als dritte Untereinheit bezeichnet die Geobiosphäre die von Lebewesen besiedelten und beeinflussten Anteile der Festländer.H. K. Walter: Die ökologischen Systeme der Kontinente (Biogeosphäre). Stuttgart 1976, ISBN 3-437-30234-5.S.-W. Breckle: Walter’s vegetation of the earth: the ecological systems of the geo-biosphere. New York 2002, ISBN 3-540-43315-5. Weil mit dem gleichen Wort manchmal auch die gesamte Biosphäre benannt wird, birgt Geobiosphäre eine Missverständnismöglichkeit.H. Leser: Landschaftsökologie. Stuttgart 1997, ISBN 3-8252-0521-5, S. 222.

Biosphäre der Mikroorganismen mini|180px|Das sehr strahlungstolerante Bakterium Deinococcus radiodurans überdauert sogar oberhalb der Ozonschicht.Y. Yang, T. Itoh, S.-I.Yokobori, H. Shimada, S. Itahashi, K. Satoh, H. Ohba, I. Narumi, A. Yamagishi: Deinococcus aetherius sp. nov., isolated from the stratosphere. In: Int J Syst Evol Microbiol. 60, 2010, S. 776–779. doi:10.1099/ijs.0.010876-0M. J. Daly, E. K. Gaidamakova, V. Y. Matrosova, J. G. Kiang, R. Fukumoto, D.-Y. Lee, N. B. Wehr, G. A. Viteri, B. S. Berlett, R. L. Levine, M. Otto: Small-Molecule Antioxidant Proteome-Shields in Deinococcus radiodurans. In: PLoS. 5 (2010), S. e12570. doi:10.1371/journal.pone.0012570

Die Biosphäre reicht hinauf bis in den unteren Rand der Mesosphäre. Innerhalb des biosphärischen Raums können die Umweltbedingungen stark unterschiedlich ausfallen. Deshalb können nicht alle Bereiche der Biosphäre von allen Lebewesen gleich gut besiedelt werden.N. A. Campbell, J. B. Reece: Biologie. München 2009, ISBN 978-3-8273-7287-1, S. 1544, 1547/1548. Gerade vielzellige Organismen (Metabionta) können dauerhaft – und natürlich in Gesellschaft mit vielen Mikroorganismen – nur in Regionen gedeihen, in denen verhältnismäßig milde Temperaturen, Drücke, Strahlungswerte, pH-Werte und Ähnliches herrschen und in denen ausreichende Angebote an Wasser und Ernährungsmöglichkeiten bestehen.

Dementgegen werden in den biosphärischen Außenzonen die Umweltbedingungen zunehmend extremer. Dort können ausschließlich Mikroorganismen existieren. Bei noch harscheren Umweltbedingungen können selbst solche widerstandsfähigen Mikroben bloß in Dauerstadien bestehen. Die Dauerstadien markieren die Außengrenzen der Biosphäre.

Die irdische Biosphäre umschreibt den Raum des Planeten Erde, in dem Mikroorganismen vorkommen.G. A. Zavarzin: Microbial Biosphere. In: N. L. Dobretsov, N. A. Kolchanov, A. Rozanov, G. A. Zavarzin (Hrsg.): Biosphere Origin and Evolution. New York 2008, ISBN 978-0-387-68655-4, S. 25–42.

Biosphäre der Biome Lebewesen bilden miteinander Biozönosen (Lebensgemeinschaften). Unter den Mitgliedern einer Biozönose bestehen vielfältige wechselseitige Beziehungen, die als Biotische Ökofaktoren zusammengefasst werden.N. A. Campbell, J. B. Reece: Biologie. München 2009, ISBN 978-3-8273-7287-1, S. 1611–1619. Biozönosen bewohnen miteinander Physiotope (stoffliche Orte). Ein Physiotop ist ein kleiner Raumausschnitt mit einem homogenen Aussehen, der sich durch ein bestimmtes, einheitliches Physiosystem (Standort) auszeichnet.H.-J. Klink: Vegetationsgeographie. Braunschweig 1998, ISBN 3-14-160282-4, S. 103. Mit Physiosystem wird die Gesamtheit der in einem Physiotop ausgeprägten abiotischen Ökofaktoren bezeichnet.J. Schmithüsen: Allgemeine Vegetationsgeographie. Berlin 1968, ISBN 3-11-006052-3, S. 126.L. Finke: Landschaftsökologie. Braunschweig 1994: 24, ISBN 3-14-160295-6.C. Beierkuhnlein: Biogeographie. Stuttgart 2009, ISBN 978-3-8252-8341-4, S. 389.

mini|links|420px|Bau von Ökosystemen auf funktionaler und räumlicher Betrachtungsebene

Die Mitglieder der Biozönose wechselwirken untereinander und mit ihrem Physiosystem.C. Beierkuhnlein: Biogeographie. Stuttgart 2009, ISBN 978-3-8252-8341-4, S. 211. Sie bilden ein gemeinsames Wirkungsgefüge. Dieses Wirkungsgefüge heißt Ökosystem.A. Kratochwil, A. Schwabe: Ökologie der Lebensgemeinschaften. Stuttgart 2001, ISBN 3-8252-8199-X, S. 18.

Ein Ökosystem ist ein System, ein Verband aus miteinander wechselwirkenden Einheiten. Die Systemeinheiten des Ökosystems bestehen einerseits aus den Lebewesen der Biozönose und andererseits aus den unbelebten Dingen des Physiosystems.J. Schmithüsen: Allgemeine Vegetationsgeographie. Berlin 1968, ISBN 3-11-006052-3, S. 128. Ein Ökosystem ist ein offenes System: Stoffe und Energie dringen von Außen in das Ökosystem ein, zirkulieren für eine gewisse Zeit zwischen den Systemeinheiten und verlassen es schließlich wieder.F. Müller: Ökosystemare Modellvorstellungen und Ökosystemmodelle in der Angewandten Landschaftsökologie. In: R. Schneider-Sliwa, D. Schaub, G. Gerold (Hrsg.): Angewandte Landschaftsökologie. Heidelberg 1999, ISBN 3-540-65938-2, S. 30.

Ein bestimmtes Physiosystem lässt nur eine bestimmte Biozönose aus solchen Lebensformen zu, die an es angepasst sind. Allerdings verändert die Biozönose allmählich die Ausprägung der abiotischen Ökofaktoren des Physiosystems.M. T. Madigan, J. M. Martinko: Brock Mikrobiologie. München 2006, ISBN 3-8273-7187-2, S. 696. Durch die Biozönose wandelt sich das Physiotop zum Ökotop.L. Finke: Landschaftsökologie. Braunschweig 1994, ISBN 3-14-160295-6, S. 24. Das Ökotop bezeichnet einen echten Ort im realen Raum. Es ist das stoffliche Pendant zum Ökosystem-Begriff, der selbst rein funktional-abstrakt gedacht wird.H.-J. Klink: Vegetationsgeographie. Braunschweig 1998, ISBN 3-14-160282-4, S. 105.