地球表層中生物棲居的範圍。包括生物本身及其賴以生存的自然環境，並可看作地球上最大的生態系統。有人認為生物圈僅指生物總體而不包括它周圍的自然環境，而另以生態圈一詞來概括兩者。與生物圈詞義相關但界線更難劃明確的還有“人類圈”和“智慧圈”，前者強調人類活動對生物圈的巨大影響，後者指人類的智力所能影響的範圍。
生物圈的範圍 地球表層由大氣圈、水圈和巖石圈構成，三圈中適於生物生存的的范圍就是生物圈。水圈中幾乎到處都有生物，但主要集中於表層和淺水的底層。世界大洋最深處超過11000米，這裡還能發現深海生物。限制生物在深海分佈的主要因素有缺光、缺氧和隨深度而增加的壓力。大氣圈中生物主要集中於下層，即與巖石圈的交界處。鳥類能高飛數千米，花粉、昆蟲以及一些小動物可被氣流帶至高空，甚至在22000米的平流層中還發現有細菌和真菌。限制生物向高空分佈的主要因素有缺氧、缺水、低溫和低氣壓。在巖石圈中，生物分佈的最深記錄是生存在地下2500～3000米處石油中的石油細菌，但大多數生物生存於土壤上層幾十厘米之內。限制生物向土壤深處分佈的主要因素有缺氧和缺光。由此可知，雖然生物可見於由赤道至兩極之間的廣大地區，但就厚度來講，生物圈在地球上隻占據薄薄的一層。
生物圈的進化 地球是生物起源和進化的理想環境。已知的生命現象都離不開液態水。地球與太陽的距離以及地球的自轉使地表溫度足以維持液態水的存在；地球的引力保證瞭大部分氣態分子不致逃逸到太空去。地球的磁場屏蔽瞭一部分高能射線，使地表生物免遭傷害。然而這一切隻是為生命提供瞭存在的可能性。現今地球上生存的各種生物都是幾十億年生物進化的結果，是生物與環境長期交互作用的產物。
當地球上剛出現生命的時候，原始大氣還富含甲烷、氨、硫化氫和水汽等含氫化合物，屬還原性。現今的大部分生物都不能在其中生存。後來出現瞭藍藻，它可以通過光合作用放出遊離氧，使大氣含氧量逐漸增多，變為氧化性，為需氧生物的出現開辟瞭道路。隨著氧氣的增多，在高空出現瞭臭氧層，阻止住紫外線對生命的輻射傷害，於是過去隻能躲在海水深處才能存活的生物便有可能發展到陸地上來。但生物初到陸地上的時候，遇到的隻是巖石和風化的巖石碎屑，大部分高等植物不能賴以生存，隻是在低等植物和微生物的長期作用下，才形成瞭肥沃的土壤。經過長期的生物進化，最後出現瞭廣佈世界的各種植物和棲息其間的各種動物，逐步形成瞭目前的生物圈。
生物圈的能流 地球與太空幾乎沒有物質交換，但卻接受大量太陽輻射能，太陽能是維持一切生命活動的原動力，能量在生物圈中逐級傳送，最後以熱能形式散發到太空。地球內部也產生大量地熱，還有一定量的太陽能貯藏在生物體或其遺骸（包括煤炭等）中，但地球總體的能量收支大致平衡。到達地球外層空間（60公裡高空）的太陽輻射量是恒定的，約為2卡／(厘米2·分)，稱太陽常數。但平均說來隻有一半（約47％）到達地面，另一半（約53％）於途中被反射或吸收掉（圖1）。
生物圈各部分實際接受的太陽輻射量差別很大，這是由於緯度、季節以及大氣透明度（雲層）的影響造成的。熱帶地區全年接受比較直射的陽光，因而輻射量最大。隨著緯度的增高，陽光入射角改變，通過的大氣距離也加大，單位地表接受的輻射量降低（圖2）。
圖中輻射量按千蘭/年計算(1蘭＝1卡／厘米2)。最高值（200千蘭／年以上）出現於荒漠地區，例如在北非的撒哈拉沙漠和西亞的阿拉伯沙漠，80％以上的太陽常數能到達地面，原因除緯度低外，主要是幹燥少雲。最低值（低於100千蘭／年）出現於高緯度地區，包括高於50°的大陸地區和高於40°的海洋地區。太陽輻射量因季節變化而產生的差異在高緯度地區更為明顯，因為那裡的日照時間隨季節變化很大。
太陽輻射在地球上的不均勻分佈，造成瞭不同的氣候類型，從而影響瞭地球上的生物分佈；它也是地面氣流（風）、水流和水汽循環的主要動因。
生物圈中的能流與物流是相伴隨的，因為太陽輻射能先通過光合作用被植物體固定下來，然後以化學能的形式沿食物鏈逐級傳遞。動物和微生物的取食活動就是傳遞能量的方式。一般說來，化學元素之進入生物體內是靠生物的主動攝取，而化學元素在自然界中的循環運動則是由氣流和水流來完成的。陸地生物生存於大氣之中，氣態營養物和廢物很容易在生物與環境間循環運動。一般可溶性物質是隨水進出生物體的。就全球來講，江河中所攜帶的可溶性物質，隻能隨水流由高向低移動，最後歸入湖泊和海洋。當湖水和海水蒸發時，這些物質被留下，有的還形成沉積物。能以氣溶膠等形式回到陸地的極少。因此液態的物質循環常常是不完全的（見生物地球化學循環）。
人與生物圈 人是生物圈中占統治地位的生物，能大規模地改變生物圈，使其為人類的需要服務。然而，人類畢竟是生物圈中的一個成員，必需依賴於生物圈提供一切生活資料。人類對生物圈的改造應有一定限度，超過限度就會破壞生物圈的動態平衡，造成嚴重後果。
在地球上出現人類以後大約300萬年的時期裡，人類與其周圍的生物和環境處於合理的平衡之中。人在生物圈中的地位，從對生物圈能施加的影響而言，並不明顯地超過其他動物。食物缺乏以及疾病等因素限制著人口密度。
大約1萬年以前，人類學會栽培植物。農業技術和貯存方法的改善，使人類生活不再局限於天天采集必需的食品，而能夠從事更多的創造性活動。隨著生產力的提高，人口逐漸增加並向城市集中，制造商品的手工業日益發展，人類活動對環境的影響和沖擊也日益增加。尤其是產業革命以後的近幾百年，開礦、挖煤、采油、伐林、墾荒、捕撈等規模迅速擴大，生物圈的面貌也發生瞭極大變化。這種變化不僅影響著其中的其他成員，也對人類自身產生巨大影響。20世紀60年代以來，人口的膨脹、世界資源的相對短缺和大范圍的環境污染，迫使人們從生物圈的角度考慮問題和解決問題。70年代相繼召開的一系列國際會議，如1971年聯合國創議的“人與生物圈會議”、1972年的“人類環境會議”、1974年的“世界人口會議”等，便反映瞭上述認識。
當今，世界人口正以大約35年翻一番的速度猛增，但地球上可耕土地卻是有限的，這必然造成全球范圍的糧食問題。濫墾、濫牧、濫伐的日益嚴重，建設用地的高速擴展，都使全球植被減少。隨之而來的後果是大范圍的水土流失，耕地質量下降甚至發生荒漠化；失去瞭植被調節氣候的作用，氣溫波動增大，水旱災害增多；太陽輻射被反射散失的成分增加，綠色植物固定CO2、產生O2的能力隨植被減少而等比地喪失。水域捕撈也已接近極限，某些魚類多次大規模減產。化石燃料是現代工業的基石之一，但它的蘊藏量畢竟是有限的。隨著使用速度的日益增長，燃料危機不斷加劇。
環境污染已成為世界性問題。因工業排放含硫氧化物和氮氧化物的煙霧而造成酸雨波及數百裡之外；燃燒油、煤及翻耕土地排出的CO2彌散於全球大氣中，有可能因向下反射地表的紅外輻射而提高氣溫；噴氣式飛行器排放的氮氧化物可能減少高空的臭氧，從而削弱對太陽紫外線的屏蔽作用；很多污染物隨水流擴散到遠處，造成明顯為害。目前世界癌瘤發病率的升高，可能與環境污染有關。
總之，地球的資源是有限的，經不起日益膨脹的人口任意浪費；世界上現存的生態系統面對著工業傾吐出來的大量污染物，顯得相當脆弱。自工業革命以來，都市不斷擴大，自然保護的呼聲也隨之增高。然而隻有到瞭生態學高度發展以後，人們才對自然保護有瞭比較正確的認識。自然保護並不是對自然資源棄置不用，任其自生自滅，而是積極地進行合理開發。
自然生態系統達到成熟階段時，其能量和物質的輸入、輸出之間往往保持相對平衡，而系統中的生物種數以及各種群的數量比例也相對穩定。這種生態平衡狀態給生態學傢以很大的啟發：人類不僅要力求增進能利用的效率(生態效率)，還要維持物質循環源源不斷，這是問題的一個方面；另一方面，人類今天要處理的是“人與生物圈”系統中，人的物質要求與環境的穩定供應之間的平衡。為此，某些自然系統一定要被生產效率更高的人工系統取代，原有的生態平衡要打破，而代之以人為幹預下的新型平衡。例如在人為的農業生產系統中，取得最大產量所利用的並不是系統的成熟階段，而往往是發展過程中的中間階段。人類不僅要求生物圈能長期穩定地滿足其不斷增長的物質要求，而且要求環境質量不降低。造成這樣的“人與生物圈”系統的總體平衡是人類的主要目標。
參考書目
G.E.赫欽森等著，祝宗玲、李季倫等譯：《生物圈》，科學出版社，北京，1974。(G.E.Hutchinson et at.，The Biosphere，in：Scientific American，Vol.223，Nov.，1970.)