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 . 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.
Temperatur er den mest avgjørende faktoren for utbredelsen av organismer på jorden fordi den avgjør vannets fysiske tilstand. De fleste organismer tåler ikke temperaturer lavere enn 0 °C, eller høyere enn , over særlig lang tid. Andre viktige faktorer som setter grenser for levende organismer er fuktighet, saltinnhold, pH-verdi, vannstrømning, atmosfærens trykk og hydrostatisk trykk.
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.Ratikainen, Irja Ida:
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 mini|Eduard Suess (1831–1914) var den som først brukte ordet biosfæren. mini|Vladimir Vernadskij (1863–1945) var den som utviklet konseptet om biosfæren.
Begrepet og ordet biosfære ble først brukt av den østerrikske geologen Eduard Suess (1831–1914) i en bok om jordens utvikling og dannelsen av Alpene, utgitt i 1875. Konseptet fikk liten oppmerksomhet, men i 1926 ble det brukt igjen i to forelesninger av den russiske mineralogen Vladimir Vernadskij (1863–1945), utgitt i bokform. Hans konsept for begrepet er i bruk fremdeles.
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 mini|Et utvalg av svært forskjellige organismer. Med solen fra venstre bilde øverst: Abeoforma whisleri (en type Opisthokonta); Amanita muscaria (sopp); Desmarella moniliformis (krageflagellat); Macaca radiata (hatteape); Nuclearia thermophila (en type amøbe); Amoeba proteus (en type protoktister).
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.Voje, Kjetil Lysne: 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).Voje, Kjetil Lysne:
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 mini|x180px|alt=Skisse av næringspyramide for økosystem, med fire nivåer|Økosystemer beskrives ofte med næringspyramider og næringsvever. Her vises et økosystem med fire nivåer, der arealet av hvert nivå kan illustrere enten biomasse eller energiomsetning (a). Næringsveven for det samme systemet viser avhengigheter mellom de trofiske nivåene.