Biosphäre

Definition und Bedeutung

Die Biosphäre bezeichnet die Gesamtheit aller Räume eines Himmelskörpers, in denen Lebewesen vorkommen. Meist ist damit die Biosphäre der Erde gemeint. Im heute üblichen ökologischen Sinn umfasst sie nicht nur alle irdischen Organismen, sondern auch ihre unbelebte Umwelt sowie sämtliche Wechselwirkungen der Lebewesen untereinander und mit dieser Umwelt. Sie kann deshalb als Raum eines weltumspannenden Ökosystems verstanden werden.

Lebewesen müssen Stoffe und Energie mit ihrer Umwelt und miteinander austauschen. Dadurch bilden sie Ökosysteme und verändern zwangsläufig die Räume, in denen sie leben. Für keinen anderen Planeten, Zwergplaneten, Planetoiden oder Mond wurden bisher Lebewesen oder Lebensspuren nachgewiesen. Nach heutigem Kenntnisstand ist die irdische Biosphäre daher zumindest im Sonnensystem einzigartig.

Die Biosphäre ist eine dünne Hülle und gehört zu den Erdsphären. Ihre Erforschung verbindet besonders Biologie und Geowissenschaften. Landschaftsökologie beziehungsweise Geoökologie und Geobiologie untersuchen ihre räumlichen und biologischen Zusammenhänge. Die Biogeochemie befasst sich mit ihren Stoffkreisläufen, während die Astrobiologie nach Entstehungsbedingungen und möglichen Erkennungsmerkmalen von Biosphären auf anderen Himmelskörpern fragt.

Die Biosphäre lässt sich in drei große Untereinheiten gliedern: Die Tiefe Biosphäre umfasst Ökosysteme der Lithosphäre unterhalb der Erdoberfläche und der Böden. Die Hydrobiosphäre umfasst die von Lebewesen besiedelten und beeinflussten Teile der Gewässer. Die Geobiosphäre bezeichnet entsprechend die besiedelten und beeinflussten Teile der Festländer; derselbe Ausdruck wird allerdings manchmal auch für die gesamte Biosphäre verwendet.

Räumliche Ausdehnung

Die Biosphäre erstreckt sich ungefähr von 60 km über bis 5 km unter die Erdoberfläche. Sie beginnt im unteren Rand der Mesosphäre, durchzieht die tieferen Atmosphärenschichten und die oberen Teile der Hydrosphäre, umfasst die Pedosphäre mit den Böden und reicht bis in den oberen Abschnitt der Lithosphäre. Unter Einbeziehung der Mikroorganismen bedeckt sie die gesamte Erdoberfläche, die Meere und deren Böden.

Die obere bekannte Grenze liegt leicht oberhalb der Stratopause in der untersten Mesosphäre bei etwa 60 km Höhe. Dort wurden Mikroorganismen in Dauerstadien gefunden. Sie widerstehen Temperaturen zwischen ungefähr −50 °C in der unteren Stratosphäre und etwa 0 °C in der unteren Mesosphäre, nahezu vollständigem Wassermangel und starker Ultraviolettstrahlung. Vermutlich absolvieren sie dort nicht ihren gesamten Lebenszyklus, sondern werden aus erdnahen Bereichen nach oben getragen und bleiben nur zeitweilig in großer Höhe.

Die untere Grenze wird durch steigende Temperaturen bestimmt. In Gesteinen leben Mikroorganismen unter anderem in Erdöl- und Kohlelagerstätten, Gashydraten, tiefen Grundwasserleitern und feinen Poren des Festgesteins. Bei Temperaturen über 150 °C dürfte es selbst für hyperthermophile Mikroben zu heiß sein. Nach der Faustregel eines Temperaturanstiegs von 3 °C je 100 Meter läge diese Grenze bei ungefähr 5 km Tiefe; regional gibt es jedoch starke Abweichungen.

Auch in Meeres- und Seesedimenten, im Permafrost, in subglazialen Seen und tiefem Gletschereis kommen Mikroorganismen vor. Im Gletschereis ist teilweise ungeklärt, ob sie nur überdauern oder aktiv leben. Eine Schätzung des Deep Carbon Observatory-Teams der Oregon State University aus dem Jahr 2018 besagt, dass rund 70 Prozent aller Bakterien und Archaeen der Erde in der Erdkruste leben.

Lebensräume und räumliche Gliederung

Lebewesen bilden Biozönosen, also Lebensgemeinschaften mit vielfältigen wechselseitigen Beziehungen. Eine Biozönose bewohnt einen Physiotop, einen räumlich einheitlichen Ort mit einem bestimmten Physiosystem. Das Physiosystem ist die Gesamtheit der dort wirkenden unbelebten beziehungsweise abiotischen Umweltfaktoren. Biozönose und Physiosystem wirken miteinander und bilden funktional ein Ökosystem.

Ein Ökosystem ist ein offenes System: Stoffe und Energie gelangen hinein, zirkulieren zeitweise zwischen seinen belebten und unbelebten Einheiten und treten später wieder aus. Das Physiosystem lässt nur Lebensformen zu, die an seine Bedingungen angepasst sind. Umgekehrt verändert die Biozönose allmählich diese Bedingungen. Der dadurch geprägte reale Ort heißt Ökotop; er ist das räumlich-stoffliche Gegenstück zum funktional-abstrakten Ökosystem.

Ähnliche benachbarte Ökotope bilden Ökochoren, ähnliche Ökochoren bilden Ökoregionen und ähnliche Ökoregionen bilden Ökozonen. Übergangsbereiche heißen Ökotone. Nach klassischer Definition bildet die Biozönose einer Ökoregion ihr Biom. Der WWF unterscheidet weltweit 825 terrestrische Ökoregionen in 14 Haupt-Biomen sowie 426 Süßwasser- und 232 Meeresökoregionen. Die Biosphäre kann entsprechend als Gesamtheit aller Biome der Erde beschrieben werden.

Die Lebewesen sind nicht gleichmäßig verteilt. Tropische Regenwälder und Korallenriffe besitzen hohe Arten- und Individuendichten. Kälte- und Trockenwüsten sowie die lichtlose, kalte Tiefsee sind dagegen nur spärlich belebt. Auch dort liegen jedoch Inseln größerer Vielfalt, etwa Oasen, Thermalquellen, Solfataren, Fumarolen und Mofetten an Land sowie Hydrothermalquellen und Methanquellen am Meeresboden.

Lebensbedingungen und organismischer Aufbau

Nur ein sehr kleiner Teil des Erdvolumens bietet geeignete Lebensbedingungen. Organismen benötigen ausreichend Platz, passende Möglichkeiten zum Aufenthalt sowie erträgliche Werte der abiotischen Umweltfaktoren. Besonders wichtig sind thermische Energie und flüssiges Wasser. Autotrophe Organismen, die Biomasse selbst aufbauen, brauchen zudem Baustoffe wie Nährsalze; heterotrophe Organismen benötigen verwertbare Nährstoffe.

Die Anforderungen hängen von Lebensform, Jahreszeit und Lebensalter ab. Königsalbatrosse können etwa über dem offenen Meer fliegen, Nahrung erbeuten, Meerwasser trinken und im Flug oder auf dem Wasser ruhen. Zur Fortpflanzung benötigen sie dagegen Land: Alle zwei Jahre suchen sie einen Brutplatz auf, bebrüten ein Ei 79 Tage lang und schützen das Jungtier in seinen ersten fünf Lebenswochen. Dieses bleibt an Land, bis es nach 236 Tagen flügge wird.

Lebensformen mit ähnlichen oder einander ergänzenden Anpassungen bilden gemeinsam Ökoregionen und Ökozonen. An Land richtet sich deren Lage vor allem nach dem Großklima, das von Breitengrad, Meeresnähe und Niederschlagsschatten hoher Gebirge beeinflusst wird. Daher verlaufen terrestrische Ökozonen ungefähr parallel zu den Breitenkreisen. Die zwölf marinen Ökozonen richten sich vor allem nach der oberflächennahen Wassertemperatur; Kontinentalküsten und die Weite der Ozeane können Ausbreitungsbarrieren bilden.

Den räumlichen Umfang der Biosphäre bestimmen vor allem Mikroorganismen. An ihren äußersten Grenzen existieren ausschließlich widerstandsfähige mikrobielle Dauerstadien. Viele Lebensgemeinschaften in der Lithosphäre bestehen nur aus Mikroorganismen. Sie besiedeln außerdem alle von Vielzellern bewohnten Räume und leben auf oder in ihnen, etwa auf Haut, Blättern und Wurzeln sowie in Verdauungstrakten. Der Lebensraum vielzelliger Organismen ist im Vergleich dazu deutlich eingeschränkter.

Stoffkreisläufe und Ernährungsfunktionen

Jedes Ökosystem enthält drei trophische, also die Ernährung betreffende Funktionen. Primärproduzenten oder Autotrophe stellen aus energiearmen Baustoffen Biomasse her. Konsumenten fressen diese Biomasse. Destruenten bauen abgestorbenes Material und andere Bestandsabfälle wieder zu energiearmen Baustoffen ab, die erneut von Primärproduzenten genutzt werden können. Konsumenten und Destruenten sind daher vom Vorhandensein der Primärproduzenten abhängig; auch Ausdehnung und Fortbestand der Biosphäre hängen räumlich und zeitlich von ihnen ab.

Die auffälligsten Primärproduzenten sind photoautotrophe Organismen. Sie nutzen Licht für die Photosynthese. Dazu gehören Landpflanzen und Algen; mehr als 99 % der gesamten pflanzlichen Biomasse wird von Landpflanzen erzeugt. Im Meer leisten vor allem nicht kalkbildende Haptophyten und Cyanobakterien die photoautotrophe Primärproduktion. Besonders arten- und individuenreiche Ökosysteme entstehen deshalb an ausreichend beleuchteten Standorten: an Land außerhalb von Kälte- und Trockenwüsten sowie unterhalb der nivalen Höhenstufe, im Wasser in der lichtdurchfluteten euphotischen Zone des Epipelagials.

Vollständig lichtunabhängige Ökosysteme beruhen auf chemoautotrophen Primärproduzenten. Diese gewinnen ihre Energie nicht aus Licht, sondern aus chemischen Reaktionen. Beispiele sind Lebensgemeinschaften an Hydrothermalquellen, Methanquellen, in subglazialen Seen, abgeschlossenen Höhlen und tief im Festgestein.

Zur Biosphäre gehören außerdem unwirtliche Räume ohne eigene Primärproduzenten. Zugvögel durchqueren sie zeitweilig: Weißstörche überfliegen die Sahara, Streifengänse den vegetationsfreien Hauptkamm des Himalaya. Im Meer wandern zahlreiche Organismen täglich zwischen dem Epipelagial und tieferen, lichtarmen Schichten. Andere Ökosysteme leben von eingetragenem Bestandsabfall. Dazu gehören Böden, tiefe Wasserschichten, Meeresböden und viele Höhlen. Tote Wale liefern als sogenannte whale falls große Nahrungsmengen für Tiefseebewohner; in Höhlen ist Fledermausguano ein wichtiges Beispiel für eingetragenes organisches Material.

Begriffsvarianten und menschlicher Einfluss

In den Biowissenschaften wird Biosphäre meist ökologisch verstanden. Biogeosphäre, Geobiosphäre und Ökosphäre werden dort häufig bedeutungsgleich verwendet, wobei manche Autoren Ökosphäre für die passendere Bezeichnung des globalen Ökosystems halten. In Teilen der Geowissenschaften meint Biosphäre dagegen nur die Gesamtheit der irdischen Organismen, also ausschließlich den belebten Anteil. Die Begriffe Gaia, System Erde und Bioplanet Erde gehen über die ökologische Biosphäre hinaus, weil sie weitere Teile der Erde einbeziehen. Virosphäre bezeichnet entsprechend alle Räume, in denen Viren vorkommen; Viren werden dabei nicht als Lebewesen beziehungsweise zelluläre Organismen eingeordnet.

Die Mitte der 1960er-Jahre von Lynn Margulis und James Lovelock entwickelte Gaia-Hypothese betrachtet die irdische Biosphäre als ganzheitlichen Organismus, der lebens- und evolutionsfördernde Bedingungen schafft und erhält. Viele Wissenschaftler lehnen diese Hypothese ab, obwohl viele ihrer Vorhersagen laut Artikel bestätigt wurden.

Seit der Entstehung menschlicher Zivilisationen nimmt der anthropogene, also vom Menschen verursachte, Einfluss auf Naturräume zu. Raymond Dasmann unterschied 1976 zwischen „Ökosystem-Menschen“, die naturnah leben und nur wenige Ökosysteme beeinflussen, und „Biosphären-Menschen“, deren moderne, global verflochtene Gesellschaften auf zahlreiche Lebensräume weltweit einwirken. Weil dieser Einfluss spätestens seit 1800 zu einem wesentlichen Faktor geworden ist, wird über ein neues Erdzeitalter namens Anthropozän diskutiert. Viele Wissenschaftler beurteilen die gegenwärtigen Entwicklungen der Biosphäre mit großer Skepsis und Sorge.