المحيط الحيوي

يُعرّف علماء الجيوكيمياء الغلاف الحيوي بأنه مجموع الكائنات الحية ( الكتلة الحيوية أو الكائنات الحية كما يُطلق عليها علماء الأحياء وعلماء البيئة). وبهذا المعنى، يُعد الغلاف الحيوي أحد المكونات الأربعة المنفصلة للنموذج الجيوكيميائي، أما المكونات الثلاثة الأخرى فهي الغلاف الأرضي ، والغلاف المائي ، والغلاف الجوي . وعندما تُدمج هذه الأغلفة الأربعة في نظام واحد، يُعرف باسم الغلاف الحيوي . وقد صِيغ هذا المصطلح خلال ستينيات القرن العشرين، ويشمل المكونات البيولوجية والفيزيائية للكوكب. ^{[ 7 ]}

عرّف المؤتمر الدولي الثاني حول الأنظمة الحيوية المغلقة علم المحيطات الحيوية بأنه علم وتكنولوجيا نظائر ونماذج المحيط الحيوي للأرض؛ أي المحيطات الحيوية الاصطناعية الشبيهة بالأرض. ^{[ 8 ]} وقد يشمل تعريف آخر إنشاء محيطات حيوية اصطناعية غير أرضية - على سبيل المثال، محيطات حيوية تتمحور حول الإنسان أو محيط حيوي مريخي أصلي - كجزء من موضوع علم المحيطات الحيوية. ^{[ 9 ]}

يُقدّر حاليًا العدد الإجمالي للخلايا الحية على الأرض بـ 10³⁰ ^خلية ؛ والعدد الإجمالي منذ نشأة الأرض بـ 10⁴⁰ ^خلية ؛ والعدد الإجمالي طوال فترة كون الأرض كوكبًا صالحًا للسكن بـ ^{10⁴¹ خلية} . ^{[ 10 ] [ 11 ]} وهذا العدد أكبر بكثير من العدد الإجمالي المُقدّر للنجوم (والكواكب الشبيهة بالأرض) في الكون المرئي، والذي يُقدّر بـ 10²⁴ ^نجم ، وهو عدد يفوق عدد جميع حبيبات رمال الشاطئ على كوكب الأرض؛ ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} ولكنه أقل من العدد الإجمالي للذرات المُقدّر في الكون المرئي، والذي يُقدّر بـ ^{10⁸² ذرة} ؛ ^{[ 16 ]} والعدد الإجمالي المُقدّر للنجوم في كون تضخمي (المرصود وغير المرصود)، والذي يُقدّر بـ ^10¹⁰ نجم . ^{[ 17 ]}

تشمل أقدم الأدلة على وجود حياة على الأرض الجرافيت الحيوي الموجود في صخور رسوبية متحولة عمرها 3.7 مليار سنة من غرب جرينلاند ^{[ 18 ]} ، وأحافير الحصائر الميكروبية الموجودة في الحجر الرملي الذي يبلغ عمره 3.48 مليار سنة من غرب أستراليا ^{[ 19 ] [ 20 ]} . وفي عام 2015، عُثر على "بقايا حياة حيوية " في صخور عمرها 4.1 مليار سنة في غرب أستراليا ^{[ 21 ] [ 22 ]} . وفي عام 2017، أُعلن عن اكتشاف كائنات دقيقة متحجرة (أو أحافير دقيقة ) في رواسب الفتحات الحرارية المائية في حزام نوفواغيتوك في كيبيك، كندا، والتي يعود عمرها إلى 4.28 مليار سنة، وهو أقدم سجل للحياة على الأرض، مما يشير إلى "ظهور شبه فوري للحياة" بعد تكوّن المحيط قبل 4.4 مليار سنة ، وبعد فترة وجيزة من تكوّن الأرض قبل 4.54 مليار سنة. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} وفقًا لعالم الأحياء ستيفن بلير هيدجز ، "إذا نشأت الحياة بسرعة نسبية على الأرض ... فقد تكون شائعة في الكون ." ^{[ 21 ]}     

تزخر كل بقعة من كوكب الأرض، من القطبين الجليديين إلى خط الاستواء ، بنوع من أنواع الحياة. وقد أظهرت التطورات الحديثة في علم الأحياء الدقيقة أن الميكروبات تعيش في أعماق كبيرة تحت سطح الأرض، وأن الكتلة الإجمالية للحياة الميكروبية في ما يُسمى "المناطق غير الصالحة للسكن" قد تتجاوز، من حيث الكتلة الحيوية ، جميع أشكال الحياة الحيوانية والنباتية على السطح. ويصعب قياس سُمك الغلاف الحيوي على الأرض بدقة. وعادةً ما تحلق الطيور على ارتفاعات تصل إلى 1800 متر (5900 قدم؛ 1.1 ميل) ، بينما تعيش الأسماك على عمق يصل إلى 8372 مترًا (27467 قدمًا؛ 5202 ميل) تحت الماء في خندق بورتوريكو . ^{[ 3 ]}      

توجد أمثلة أكثر تطرفًا للحياة على كوكب الأرض: فقد عُثر على نسر روبيل على ارتفاعات تصل إلى 11300 متر (37100 قدم؛ 7.0 أميال) ؛ وتهاجر أوز بار-هيدد على ارتفاعات لا تقل عن 8300 متر (27200 قدم؛ 5.2 ميل) ؛ وتعيش حيوانات الياك على ارتفاعات تصل إلى 5400 متر (17700 قدم؛ 3.4 ميل) فوق مستوى سطح البحر؛ وتعيش الماعز الجبلية على ارتفاع يصل إلى 3050 مترًا (10010 قدم؛ 1.90 ميل) . وتعتمد الحيوانات العاشبة في هذه الارتفاعات على الأشنات والأعشاب والنباتات.         

توجد أشكال الحياة في جميع أجزاء الغلاف الحيوي للأرض، بما في ذلك التربة والينابيع الساخنة وداخل الصخور على عمق لا يقل عن 19 كيلومترًا (12 ميلًا) تحت سطح الأرض، وعلى ارتفاع لا يقل عن 64 كيلومترًا (40 ميلًا) في الغلاف الجوي. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} وقد عُثر على الحياة البحرية بأشكالها المتعددة في أعمق مناطق المحيطات، بينما لا يزال جزء كبير من أعماق البحار غير مستكشف. ^{[ 30 ]}    

في ظل ظروف اختبار معينة، لوحظ أن الكائنات الدقيقة قادرة على ^البقاء في فراغ الفضاء الخارجي . ^{[ 31 ] [ 32 ]} ويُقدّر إجمالي كمية الكربون  البكتيري في التربة وتحت سطحها بنحو 5 ×  10¹⁷ غرام. ^{[ 27 ]} وقد تصل كتلة الكائنات الدقيقة بدائية النواة - والتي تشمل البكتيريا والعتائق ، ولكنها لا تشمل الكائنات الدقيقة حقيقية النواة - إلى 0.8 تريليون طن من الكربون (من إجمالي كتلة الغلاف الحيوي ، والتي تُقدّر بما بين 1 و4 تريليونات طن). ^{[ 33 ]} وقد عُثر على ميكروبات بحرية محبة للضغط العالي على عمق يزيد عن 10,000 متر (33,000 قدم؛ 6.2 ميل) في خندق ماريانا ، أعمق نقطة في محيطات الأرض. ^{[ 34 ]} في الواقع، تم العثور على أشكال حياة وحيدة الخلية في أعمق جزء من خندق ماريانا، بالقرب من منطقة تشالنجر ديب ، على أعماق تصل إلى 11034 مترًا (36201 قدمًا؛ 6.856 ميلًا) . ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} وأفاد باحثون آخرون بدراسات ذات صلة تفيد بأن الكائنات الدقيقة تزدهر داخل الصخور على عمق يصل إلى 580 مترًا (1900 قدمًا؛ 0.36 ميلًا) تحت قاع البحر، على عمق 2590 مترًا (8500 قدمًا؛ 1.61 ميلًا) من المحيط قبالة سواحل شمال غرب الولايات المتحدة ، ^{[ 36 ] [ 38 ]} وكذلك على عمق 2400 متر (7900 قدمًا؛ 1.5 ميلًا) تحت قاع البحر قبالة سواحل اليابان. ^{[ 39 ]} تم استخلاص ميكروبات محبة للحرارة قابلة للزراعة من عينات لبية حُفرت على عمق يزيد عن 5000 متر (16000 قدم؛ 3.1 ميل) في قشرة الأرض في السويد ، ^{[ 40 ]} من صخور تتراوح درجة حرارتها بين 65 و75 درجة مئوية (149-167 درجة فهرنهايت) . ترتفع درجة الحرارة مع ازدياد العمق في قشرة الأرض. ويعتمد معدل ارتفاع درجة الحرارة على عوامل عديدة، منها نوع القشرة (قارية أو محيطية)، ونوع الصخور، والموقع الجغرافي، وغيرها. أعلى درجة حرارة معروفة يمكن أن توجد عندها حياة ميكروبية هي 122 درجة مئوية.                        درجة مئوية (252 درجة فهرنهايت) ( Methanopyrus kandleri Strain 116). من المرجح أن يكون حد الحياة في " المحيط الحيوي العميق " محددًا بدرجة الحرارة وليس بالعمق المطلق. في 20 أغسطس 2014، أكد العلماء وجود كائنات دقيقة تعيش على عمق 800 متر (2600 قدم؛ 0.50 ميل) تحت جليد القارة القطبية الجنوبية . ^{[ 41 ] [ 42 ]}    

ينقسم الغلاف الحيوي للأرض إلى عدة مناطق حيوية ، تسكنها نباتات وحيوانات متشابهة إلى حد كبير . وعلى اليابسة، تفصل خطوط العرض بين المناطق الحيوية بشكل أساسي . فالمناطق الحيوية الأرضية الواقعة ضمن الدائرتين القطبيتين الشمالية والجنوبية قليلة التنوع النباتي والحيواني نسبياً . في المقابل، تقع معظم المناطق الحيوية الأكثر كثافة سكانية بالقرب من خط الاستواء .