Biosfēra ir visu uz Zemes sastopamo ekosistēmu kopums. Tas ir jēdziens, kas akcentē globālu, integratīvu skatījumu uz Zemi kā funkcionējošu sistēmu. Vispārējās sistēmu teorijas popularitāte ir tieši ietekmējusi biosfēras jēdziena veidošanos un izpratni.

Biosfēra ir salīdzinoši plāns slānis, kas ietver visas dzīvības formas – augus, dzīvniekus, sēnes, mikroorganismus un abiotiskās (nedzīvās dabas) komponentes, kas tos atbalsta, piemēram, gaisu, ūdeni un augsni. Šie dzīvie organismi pastāv dažādās dzīvotnēs, veidojot ekosistēmas, kurās tie mijiedarbojas ar abiotiskajām un biotiskajām komponentēm. Biosfēra nav statiska – tā nepārtraukti mainās, dinamiski mijiedarbojoties biotiskajem un abiotiskajiem elementiem.

Biosfēru sastāda segmenti no vairākām galvenajām komponentēm (sfērām).

• Atmosfēra – gāzu apvalks, kas apņem Zemi, galvenokārt sastāv no slāpekļa (N), skābekļa (O) un siltumnīcas efekta gāzēm (oglekļa dioksīda jeb ogļskābās gāzes, CO₂, un metāna, CH₄). Atmosfēra ir ļoti nozīmīga, uzturot globālo temperatūru, lai nodrošinātu dzīvību (siltumnīcas efekts), un aizsargājot dzīvību no kaitīgā Saules starojuma.
• Hidrosfēra – visi Zemes ūdeņi, tostarp okeāni, upes, ezeri, ledāji un gruntūdens. Hidrosfēra ir būtiska visiem dzīviem organismiem, nodrošinot ūdeni dzeršanai, augšanai un dažādiem bioķīmiskiem procesiem.
• Litosfēra – Zemes cietais apvalks, kas sastāv no garozas un augšējās mantijas. Tā veido augsni un minerālvielas, kas nodrošina augu izdzīvošanu, kas savukārt veido bāzi dzīvniekiem un citiem organismiem. Augsnes veidošanās un barības vielu aprite notiek litosfērā.

Dzīvie organismi ir atrasti gan lielā augstumā atmosfērā (baktērijas, sēnes – līdz 10 km virs jūras līmeņa), gan okeāna dziļvagās (mikroorganismi, zivis – līdz 11 km zem jūras līmeņa), kā arī specifiskas baktērijas dziļi Zemes litosfērā. No ekoloģiskās perspektīvas biosfēru veido ekosistēmas, kuras apdzīvo dažādas dzīvo organismu kopienas (communities), kas mijiedarbojas viena ar otru un ar vidi. Piemēri ir meži, okeāni, pļavas, tuksneši, mitrāji un saldūdens ekosistēmas. Katrai ekosistēmai ir raksturīgas noteiktas īpašības, taču tām visām ir kopīgi procesi, piemēram, barības vielu aprite un trofiskās ķēdes.

Biosfēra uzskatāma par noslēgtu sistēmu tikai matērijas aspektā, enerģijas aspektā tā ir daļēji atvērta sistēma, jo saņem enerģiju no Saules starojuma, kā arī atdod enerģiju visumā. Biosfēra lielā mērā ir atkarīga no enerģijas plūsmas un barības vielu aprites, lai uzturētu dzīvību. Biosfēras ekoloģisko struktūru veido:

• primārie producenti (autotrofi) – organismi (augi, aļģes un daži baktēriju veidi), kas ražo savu pārtiku, izmantojot fotosintēzi vai ķīmisko sintēzi (chemosynthesis). Tie pārvērš Saules enerģiju ķīmiskajā enerģijā, kas veido barības ķēdes pamatu;
• patērētāji (heterotrofi) – dzīvnieki, sēnes un daudzas baktērijas; tie izmanto augus vai citus dzīvniekus, lai iegūtu enerģiju. Patērētāji tiek klasificēti kā primārie, sekundārie vai terciārie atkarībā no to vietas barības ķēdē;
• sadalītāji (dekompozitori) – organismi, piemēram, sēnes, baktērijas un detritivori, sadala mirušos organiskos materiālus, atgriežot oglekļa (C), slāpekļa un fosfora (P) barības vielas augsnē un ūdenī, kur tās var atkārtoti izmantot ražotāji.

Šādai struktūrai raksturīgā enerģijas bilance paredz, ka tikai 10 % enerģijas no katra trofiskā līmeņa pāriet uz augstāku līmeni (piemēram, plēsējam, apēdot zālēdāju). Arī biomasas apjoms ir ļoti atšķirīgs katrā no šiem līmeņiem – ir aprēķināts, ka kopējā biosfēras biomasa sasniedz 1 Tt C (triljons tonnu oglekļa), no kuras autotrofu (augu) fitomasa veido 500–800 Gt C (gigatonnu oglekļa). Heterotrofu un dekompozitoru biomasas daļas ir attiecīgi daudz mazākas.

Biosfēras funkcionēšanu nodrošina bioģeoķīmiskie cikli, no kuriem nozīmīgākie ir oglekļa cikls un slāpekļa cikls, kas ietver gan dzīvos organismus, gan vidi. Šie cikli regulē būtisku elementu, piemēram, oglekļa, slāpekļa un skābekļa, pieejamību, uzturot ekosistēmu līdzsvaru un nodrošinot izdzīvošanu vairākumam Zemes organismu.

Biosfēra ir izveidojusies uz Zemes bioloģiskās evolūcijas ķīmisko un ģeoloģisko procesu rezultātā. Vecākās liecības par dzīvajiem organismiem uz Zemes ir no 3,7 miljardus gadu senas pagātnes. Zinātnieki ir vienisprātis, ka dzīvības pirmsākumi radās Pasaules okeānā un tālāk evolucionēja, veidojot arvien sarežģītākas dzīvības formas arī citās vidēs – uz sauszemes un gaisā.

Fotosintēzes procesa rašanās, ko saista ar ciānbaktērijām aptuveni pirms 2,5 miljardiem gadu, bija pagrieziena punkts biosfēras attīstībā. Fotosintezējošie organismi sāka bagātināt atmosfēru ar skābekli, kas līdz tam atmosfērā bija sastopams nelielā daudzumā. Šis notikums radikāli izmainīja bioloģiskās evolūcijas trajektoriju, dodot priekšrocības aerobajiem organismiem. Miljardu gadu laikā biota (visu dzīvo organismu kopums) uz Zemes sasniedza ļoti lielu daudzveidību un sarežģītu ekoloģisko struktūru, apgūstot visu telpu, kas spēj nodrošināt dzīvo organismu eksistenci.

Biosfēru veido ekosistēmu, biotopu un biotas kopums. Zeme kopumā (konkrētāk, tās apdzīvojamā daļa – biosfēra) ir uzskatāma par vislielāko ekosistēmu. Hierarhiska sistēma, kādā iespējams klasificēt biosfēru, ietver:

• biomas (jeb dabas zonas) – reģionus, kurus raksturo noteikts, ilgtermiņā stabils vides apstākļu kopums – temperatūras un nokrišņu režīms, ģeogrāfiskā platuma grādi, ūdens un sauszemes sadalījums;
• ekosistēmas – vidēja telpiskā mēroga funkcionālas ekoloģiskas vienības, kurām raksturīgi noteikti vides apstākļi un kas nodrošina dzīvotnes lielām organismu grupām;
• biotopus – sīka telpiskā mēroga funkcionālas ekoloģiskās vienības – konkrētas vietas, kas nodrošina dzīvotnes konkrētām dzīvo organismu populācijām.

Jāpiemin, ka arī cilvēka darbības būtiski pārveidotās ekosistēmas (pilsētas, aramzemes, karjeri) ir daļa no biosfēras – nodrošina dzīvo organismu pastāvēšanu un piedalās vielu un enerģijas apritē.

Galvenie faktori, kas ietekmē biosfēru:

• vides apstākļu daudzveidība ir pamatā bioloģiskajai daudzveidībai, kā galvenos vides faktorus uzsverot temperatūru, nokrišņu daudzumu un substrātu (augsni);
• evolucionārie procesi veido jaunas sugas un nosaka eksistējošo sugu adaptāciju;
• cilvēka ietekme – saimnieciskā darbība, piemēram, atmežošana, urbanizācija, biotopu degradācija un piesārņojums.

Biosfēras dinamiku ģeoloģiskajā laika skalā iezīmē daudzi strauja uzplaukuma (kopējās bioloģiskās daudzveidības pieauguma) un izmiršanas periodi, tajā skaitā katastrofiski notikumi, kas nav izraisījuši masveida izmiršanas, bet ir būtiski ietekmējuši ekosistēmas globālā līmenī. Šādi notikumi ietver vulkānisma uzliesmojumus (oglekļa dioksīda, CO₂, sēra dioksīda, SO₂ un citu gāzu izmeši), meteoru triecienus (ugunsgēki, cunami, putekļi atmosfērā), apledojuma periodus (temperatūras pazemināšanās, Pasaules okeāna līmeņa pazemināšanās), tektoniskās katastrofas (kontinentu atdalīšanās) un okeānisko skābekļa badu (jūras organismu izmiršanas epizodes).

Biosfēra turpina dinamiski attīstīties – tas nozīmē ģeoloģiskos (metamorfisms, tektoniskie un citi procesi), atmosfēriskos (klimata pārmaiņas, ekstrēmas klimata parādības), hidroloģiskos (Pasaules okeāna paskābināšanās, CO₂ emisijas) un biotas dinamikas (bioloģiskās daudzveidības samazināšanās, biotopu izzušana un degradācija) procesus.

Mūsdienās (antropocēna laikmetā) klimata pārmaiņas tiek uzskatītas par vislielāko tiešo draudu biosfērai. Klimata pārmaiņām ir globāls raksturs, un Zemes sistēmas ir funkcionāli cieši saistītas, līdz ar to, mainoties klimata sistēmu funkcionēšanai, ietekmēta tiks arī biota (dzīvo organismu kopums).  Ir sagaidāms, ka 2024. gads ar globālajām temperatūrām, kas pārsniedz pirmsindustriālo līmeni par 1,5 °C, kļūs par siltāko gadu reģistrētajā vēsturē. Šo sasilšanu veicina gan cilvēku darbības, gan dabas parādības, piemēram, El Niño, nopietni ietekmējot ekosistēmas globālā līmenī. 2014.–2024. gads ir bijis viskarstākais periods, un strauja ledāju kušana, jūras līmeņa celšanās un okeānu paskābināšanās apdraud bioloģisko daudzveidību un ekosistēmu līdzsvaru.

Biosfēra nodrošina visu dzīvo organismu, arī cilvēces, eksistenci. Konkrētāk, biosfēra nodrošina pilnu spektru ar ekosistēmu pakalpojumiem, no kuriem izceļami:

• apputeksnēšana – kukaiņi un citi dzīvnieki apputeksnē augus, nodrošinot ekosistēmu stabilitāti un pārtikas ražošanu;
• ūdens attīrīšana – mitrāji, meži un augsnes organismi filtrē un attīra ūdeni, padarot to drošu lietošanai;
• oglekļa uzkrāšana – meži, okeāni un augsne uzsūc oglekļa dioksīdu, mazinot klimata pārmaiņas;
• augsnes auglība – sadalītāji (mikroorganismi) un augu saknes atkārtoti pārstrādā barības vielas un uztur auglīgas augsnes lauksaimniecībai.

Biosfēras aizsardzība (saglabāšanas pasākumi, ilgtspējīgi resursu pārvaldības paņēmieni un vides ietekmes samazināšana) ir būtiska, lai nodrošinātu ekosistēmu stabilitāti, funkcionalitāti un bioloģisko daudzveidību globālā līmenī.

Biosfēru pēta planetoloģija, ģeogrāfija, ģeofizika, vides zinātne, bioloģija, ekoloģija, klimatoloģija, hidroloģija un citas zinātnes. Pētījumu metodes ir ļoti daudzveidīgas, piemēram:

• lauka pētījumi (augsnes paraugošana, veģetācijas mērījumi un citi),
• tālizpēte (ar satelītiem un bezpilota lidaparātiem iegūtie dati, aerofotogrāfijas),
• laboratorijas pētījumi (fotosintēzes procesu izpēte, augsnes barības vielu aprites eksperimenti, dezoksiribonukleīnskābes (DNS) sekvencēšana).

Pasaulē ir notikuši vairāki biosfēras pētījumi, piemēram, 1991. gadā Amerikas Savienoto Valstu Arizonas pavalsts Oraklā tika radīts “Biosfēra-2” (Biosphere-2) eksperiments – 1,27 ha platībā tika radīts mākslīgas ekosistēmu kopums, lai noskaidrotu – vai materiāli noslēgta ekosistēma spēj funkcionēt ilgstošā laika periodā. Eksperiments tika veidots kosmosa kolonizācijas plānu kontekstā kā modelis apdzīvojamām bāzēm uz citām planētām. Tajā tika izveidotas vairākas sekcijas, kas funkcionēja kā dažādas Zemes biosfēras ekosistēmas – tropiskais lietus mežs, mangrovju mitraine, okeāns ar koraļļu rifu, savanna, kā arī tīrumi kultūru audzēšanai. Eksperimenti (1991.–1993. gadā un 1994. gadā) parādīja, ka iespējams nodrošināt pārtikas apgādi un skābekļa ražošanu, tomēr eksperimentus traucēja sociālā spriedze un projekta pārvaldības izmaiņas. Līdzīgi eksperimenti tika veikti arī citās valstīs – Krievijā (BIOS-1, BIOS-2, BIOS-3), Spānijā (Mikroekoloģiskās dzīvības atbalsta sistēmas alternatīva, Micro-Ecological Life Support System Alternative, MELiSSA) un Japānā (Slēgtas ekoloģijas eksperimentu telpas, Closed Ecology Experiment Facilities, CEEF).