1991年9月26日，四男四女* * 8名研究人員首次進入生物圈2號，於1993年6月26日離開，在* * *停留了21個月，他們都在各自的研究領域積累了豐富的科學數據和實踐經驗。他們來自英國、墨西哥和尼泊爾。在對第壹批結果進行評估和改進技術後，來自南斯拉夫和美國等五個國家的七名實驗人員於1994年3月6日重新進入，並在1995工作後於6月10日外出。在此期間，他們對大氣產生了興趣，對水和廢物回收以及食品生產進行了廣泛而系統的科學研究。生物圈2號是世界上最大的封閉人工生態系統。它使人類第壹次能夠在整體水平上研究生態學，從而為理解地球生物圈的全球生態變化過程開辟了新的途徑。更重要的是，它將被用作第壹個永久性生物再生生命支持系統的地面模擬裝置，並可能應用於未來的地外球定居和載人探索宇宙。
首先，概述
生物圈二號的地上部分，占地1.28公頃，為立體鋼架結構，塗有粉末，配有雙層玻璃百葉窗。接地部分為焊接不銹鋼板，並用鋼墊片密封。總體積約為180000m3。其內部主要由七個生態群落和兩個大氣膨脹室(也稱“肺”)組成。此外，還有能源中心、冷卻塔等設施。其外形及相關結構參數見表1和圖1。
為了減輕三維結構的負荷，生物圈二號的內部壓力略高於周圍的大氣壓力。眾所周知，溫度的變化必然導致壓力的變化，而這種膨脹和收縮的壓力變化足以損壞玻璃窗板(計算值很容易超過kPa)。為了解決這壹矛盾，沒有采取通常的措施來抵抗壓力，而是為圓裝配了兩個稱為“肺”的可變容積室。從而使大氣在恒定壓力下膨脹和收縮。兩個“肺”就像壹個巨大的活塞，通過密封膜與氣缸相連，垂直運動距離約為15m。活塞的重量產生相對於周圍大氣壓力的內部正壓。正壓有兩個好處:無論哪裏有泄漏，內部大氣都會向外擴散，保證排除外部汙染；活塞持續滑動說明某處有泄漏。兩個“肺”的體積占圓圈閉合體積的30%。
除上述設施外，還包括分析、醫療、獸醫、監測、維修、鍛煉、影視室，分布在不同的部位。
生物圈二號和地球生物圈類似，在物質上是閉環的，禁止用工程手段與外界大氣和地下土壤進行物質轉化。它在能量上是開環的，讓陽光透過玻璃結構進行植物的光合作用，同時引入電能供技術系統運行。它在信息上也是開環的，通過計算機系統、電話、照相機和電視與外界交換數據和信息。妳可以通過電視與外面的工人和親戚進行面對面的交談，也可以放映電影和觀看商業電視節目。電能和熱控能量通過密閉裝置從外部輸送。傳遞能量時，不允許內外流體交換或混合。
表2圓圈內的大氣溫度、壓力和重量範圍
生物群落溫度下的最大和最小大氣成分壓力是多少(°C)？(kPa)百分比？(%)總重量？(千克)
熱帶雨林35 13 O2 18？10 20?51 31800
熱帶草原/38 13 N2 67？51 76?51 103775
海洋/沼澤公司？2 0?03 0?03 67
沙漠43 2 H？2O 1？78 2?02 1761
集約農業區30 13 Ar 0？81 0?92 1782
住宅區35 15總金額88？24 100?00 139185
生物圈二號的“神經系統”是壹個完整的計算機數據采集和控制系統。這是壹個從位於住宅區的指揮室輻射出來的微處理器網絡系統。這個內部“神經系統”通過信息通道與附近“飛控”大樓的計算中心相連。作為壹個分析中心，這個建築成為生物圈1和生物圈2之間獲取分析數據和交流的主要窗口。居民區指揮室由遍布全圈的5000多個傳感器(每15分鐘)記錄和讀入2濃度、土壤濕度、儀器運行狀態等。，並能顯示數據傳感器和所有報警裝置的狀態。每個設備都有壹個手動控制開關，以防止“神經系統”的任何部分出現故障。
雖然整個圈子都是熱帶氣候，但是不同的生物群落有不同的冷暖要求，所以有相對獨立的溫度。因為生物圈2號位於海拔1200m的沙漠中，所以它的外圍大氣壓力不是標準的101.3 kPa，而只有88.2kPa左右，所以它的內部壓力只能略高。即88.24kPa，詳見表2。利用機械系統模擬地球自然環境，如制造海浪、潮汐、溪流、瀑布，根據季節要求控制風、雨、濕度，控制鹽分梯度和養分循環速度，海水淡化等。
第二，生態社區
生物圈2號有五個野生動物群落(熱帶雨林、稀樹草原、海洋、沼澤和沙漠)和兩個人工生物群落(集約農業區和居住區)。它們分別由美國和英國的生物學家和生態學家根據北回歸線和南回歸線之間的生態系統設計而成。
圈內約有4000種，包括動物(包括浮遊生物、軟體動物、節肢動物、昆蟲、魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類、哺乳動物等。)、植物(包括浮遊生物、苔蘚、蕨類植物、裸子植物和被子植物等。)和微生物(包括細菌、黏菌、真菌、微藻等。).
該系統既有高大的樹木(如紅樹林)，也有矮小的灌木和草類植物，錯落有致，寧靜而美麗。各種野生動物群落中的生境並不壹致，有4、6、4、4、6種生境，如海灘、淺水鹽湖、珊瑚礁、海水等。有相對獨立的生態區將它們相互隔開。比如熱帶草原和沙漠之間有壹簇灌木叢，比較孤立。為了保護每個群落免受環境脅迫，在其周圍種植耐受性強的植物，例如熱帶雨林被茂密的姜科植物包圍，從而保護內部樹種免受強烈的側光，而在與海洋的界面種植竹子以抵抗鹽的滲透。
為了盡量貼近自然環境，圈內的土壤、草皮、海水、淡水都取自外界不同的地理區域，經過壹定的人工處理後再利用。比如實驗用的海水，就是由海水和淡水按照適當的比例帶入的。
生物圈2號選擇植物的標準主要考慮動物消費者的生命支持、分類多樣性、物理參數、植物的可用性和美學價值。為了適應達爾文的自然選擇過程，壹開始就有超過系統所能支持的植物物種，可以彌補物種的損失或滅絕，最終促進系統的可持續穩定。
三、研究範圍和主要成果
首批8位科學家根據各自的研究範圍，在封閉的人工生態環境中進行了21個月的廣泛、細致、深入的觀察、記錄和分析。研究項目包括生物地球化學、土壤、水、海洋、“全球”生物質、農業、遺傳學、生理學、營養學、醫學、心理學、技術和工程等。本文只關註幾個比較重要的研究成果。
1?大氣動力學和大氣泄漏
在壹個微小的封閉生態系統中，生物地球化學循環速率顯著增加，這是由於其缺乏地球生物圈的巨大儲存功能和生物與無機物比例的大幅增加。即使在生物圈2號這麽大的裝置中，大氣CO2的平均滯留時間也只有1 ~ 4天，而在地球生物圈中大約是3年。
生物圈2號大氣CO2濃度為1500 ppm(約為地球大氣CO2的4倍)，相當於100kg碳。這個量與圈內生物量和土壤中有機碳相比大大減少，分別為100:1和5000:1。
生物圈2號中CO2的波動範圍為700 ~ 800 ppm/d，壹般為500 ~ 600 ppm/d，有時更低，這與季節、晝夜循環和天氣變化引起的光合作用和呼吸作用的動態波動有直接關系。當光照強度(光合光通量，PPF)達到壹年最低值(16.8mol·m)時相反，當PPF達到最高值(53.7mol·m-2d-1)時，CO2濃度達到壹年最低值1060ppm。
為了在第壹個冬天的低光照下緩沖該系統的高CO2濃度水平，使用CO2循環系統通過化學反應形成CaCO3。如有必要，將後者加熱到950°C會將CO2釋放到大氣中。在四個月[DK10]中，通過定期使用這壹物理化學系統，約有53880mol(相當於9450ppm)的CO2以CaCO3的形式沈積下來。這種沈澱可以間接解釋約65，438+0%的大氣O2的下降(通過有機碳氧化和隨後的CaCO3分離)。相反，加入19910年10%外大氣，用於補償2月份大氣泄漏，影響不大，CO2濃度暫時下降200ppm，為日正常變化的1/3。
CO2濃度的增加會導致海水酸度的增加。為了避免這種現象，在海水中分階段加入碳酸鈉和碳酸氫鈉，使pH值保持在7.7以上。
表3。生物圈二號壹年農業總產量(公斤)蔬菜:蕓豆8、甜菜葉273、甜菜根308、辣椒13、胡蘿蔔88、辣椒63、甘藍83、黃瓜17、茄子155、甘藍16544。雪豆1，南瓜子8，西葫蘆287，瑞士Chard58，紅薯葉64，番茄288，冬瓜261；糧食:水稻196，高粱131，小麥113；澱粉類蔬菜:紅薯198，紅薯1335，馬蘭加84，薯蕷20；高脂豆類:花生24，大豆14；低脂豆類:蠶豆63，豌豆15；水果:蘋果1、香蕉1024、無花果39、番石榴41、金桔4、檸檬10、酸橙4、柑橘6、木瓜639；畜產品:羊奶407，山羊羊肉8，豬肉35，魚10，雞蛋6，雞肉8，共計6630。
氧氣動力學令人費解。從1991的9月到1992的6月，生物圈2號的氧濃度從20.51%下降到16.95%，1993年6月中旬為1。在1992年6月之後的幾周內，不斷向圈內泵入純氧，使其濃度回到19%。O2濃度下降主要發生在密封後的前4個月，為65438±08%。4月1992後，O2濃度每月線性下降0.25%。O2濃度降低的真正原因是
生物圈二號的氣密性非常高。根據泄漏率與壓力的關系，年泄漏率為6%，而根據標記微量氣體(SF6)逐漸稀釋的測量結果，年泄漏率不超過10%。前四個月(19 91九月~ 12二月)大氣外泄。對應的外氣在1991結束時註入壹次。其他封閉的人工生態系統(如肯尼迪航天中心制造的生物質生產艙)的日泄漏率在1%-10%之間。
2、食品生產和廢棄物處理
生物圈2號的農業系統必須滿足三個主要要求，即無汙染、集約和可持續。太空生物圈風險投資公司及其在農業領域的主要顧問——亞利桑那大學環境研究實驗室，最初試驗的是水培和霧培種植技術，最後由於種種原因不得不轉向基於土壤的農藝技術。原因之壹是水培必須依靠化學營養液的輸入。這在太空中很難解決。另壹個原因是，如果沒有能力堆肥或利用植物/微生物系統再生廢水，將更難解決促進動物和人類廢物以及作物不可食用生物質的回收利用的相關問題。此外，堆肥或沼澤廢水處理系統比濕式氧化或焚燒等物理系統更節能。
集約農區* * 150品種50種，每輪種植30種左右，主要有糧食、蔬菜、水果，以及飼養動物和魚類(稻田種植)。動物飼料包括苜蓿、象草、水葫蘆和各種作物(利用其不可食用的生物質)，如表3和圖2所示。
圖2生物圈2號集約農業區壹些作物的生長情況
封後建立的農業體系平均提供了8個人80%的營養需求，包括谷物、豆類和蔬菜，但封前種植的食物是封後頭幾個月需要的(剩下的20%營養需求)。由於圈內紫外線輻射不足，必須補充維生素B12和D。每人每周壹個雞蛋。前10個月食物的平均熱量值限制在2000 cal/d(1Cal = 4.18J)，之後增加到2200 cal/d，進食前所有食物均稱重並記錄。
農業區不使用農藥，而是使用益蟲和噴霧器(如肥皂水、硫磺、芽孢桿菌)來控制病蟲害的發生。廢物循環利用是將動物糞便和植物的不可食用生物質堆肥，利用水生植物鹹水湖系統處理“常駐”廢水，利用“土壤床反應器”減少微量氣體的積累，利用大氣水分冷凝系統提供飲用水。
3?物種種群的動態變化
野生地區的植物生長旺盛，前9個月生物量增加了60% ~ 75%。在熱帶雨林中，樹冠又大又密，連成陰影，從而抑制了小型植物，尤其是肉質植物的生長。沙漠中的多年生草本植物生長迅速，這也證明了沙質土壤在幹燥條件下有利於多年生草本植物的生長。
起初，野生物種數量減少，其中植物不到65，438+00%，陸地動物和昆蟲不到30%，海洋物種約為65，438+00% ~ 20%。當食物網變得更加完整，樹冠成熟時，物種流失的數量減緩，許多動物和植物在此期間都有不同程度的繁殖。自從生態系統建立以來，人類壹直是控制雜草和害蟲的主要天敵。
4?生理學、營養學和醫學實驗
生物圈二號生產的食物基本上可以達到RDA的要求，但是什麽都沒有了。入站的人自從被封後體重下降了10% ~ 20%左右，這是他們最初對新環境不適應的結果。1992年4月以後，他們停止了減肥，有些人甚至體重增加了。這種低脂肪、營養豐富的食物能顯著降低膽固醇(從平均約195降至125)、血壓、白細胞數和血糖含量。之前在老鼠身上的實驗也有類似的結果，已經證明可以延緩衰老，延長壽命。
降低的氧濃度相當於海拔2900m·m的O2分壓，通過連續監測紅細胞的數量和形態、生理生化指標和呼吸頻率，可以知道低O2濃度對健康的不利影響。壹旦O2濃度繼續降低，有望適應海拔4600m m的O2分壓，此外，圈內人畜無傳染病。
第四，結論
大量證據表明，火星土壤和月球表土經過壹定的生物和化學技術處理後，可以作為潛在的植物栽培基質，這使得生物再生生命保障系統在太空居住中的應用比需要地球資源的裝置要經濟得多。但到目前為止，生物再生生命保障系統的土基技術實驗還很少。生物圈2號是第壹個建立並運行的基於土壤的生物再生生命支持系統。因此，關於其操作性能的數據對應於空間中使用的類似系統。
生物圈二號無論從規模、技術難度和復雜程度，還是所取得的成果，都是人類科學史上的傑作，在世界範圍內引起了廣泛的關註和贊賞，但最近也遭到了壹些公眾的嚴厲批評。
眾矢之的主要是主客觀原因造成的:(1)商業投資造成了參觀郵局的遊客絡繹不絕，給人壹種缺乏科學嚴肅性的印象；(2)遇到嚴重的陰雨天氣和病蟲害，導致初收不暢，大氣泄漏；(3)人們對自己的科學實驗了解不多；(4)缺乏理論和實踐經驗；(5)管理不善導致能做而不能做。
與其100年的設計壽命相比，生物圈二號只是處於搖籃時代，所以有這樣的問題和異議是合理的。只要我們不斷總結經驗，吸取教訓，勤於實踐，勇於探索，就壹定會取得豐碩的成果。去宇宙可以看作是人類生存不可避免的問題。如果我們想在那裏建立居民區，我們必須發展壹個生態生命支持系統。創造壹個舒適的類似地球的小環境，從而為未來的宇航員提供多樣而營養的食物、氧氣和水，並將CO2、廢水和廢物作為有效資源進行回收。生物圈二號正好可以教人這種技能。另外，通過了解它:(1)生態系統逐漸成熟的結果；(2)部件在各種應力環境下的穩定性；(3)遺傳群體的連續性；(4)生物地球化學循環有望為惡化的地球生態系統找到出路。
被視為反面教材的生物圈二號現狀如何？還是“奢侈的偽科學”嗎？美國石油大王投入的巨額資金打擊了水漂嗎？
生物圈二號，妳還好嗎？
若幹年前，在美國亞利桑那州的沙漠中再造壹個“迷妳地球”的實驗失敗後，耗資兩億美元的生物圈二號在短時間內成為笑柄，甚至被斥為“奢侈的偽科學”。直到今天，生物圈二號仍然被很多人視為鄙視自然的反面教材。然而，也許很少有人註意到，生物圈二號近年來正在悄然發生變化:它吸引了大量的遊客和學生。更重要的是，它逐漸贏得了科學界的尊重，成為非常罕見的全球氣候變化影響研究中心。
“奢侈偽科學”
曾經有人提出壹個看似不可能的想法，在我們居住的地球上再造壹個“迷妳地球”，探索人類在這個現代“南泥灣”自給自足的可能性，以及未來在月球或火星建立生存空間的可能性。美國得克薩斯州的石油巨頭愛德華·巴斯(Edward Bass)很期待。
從1984到1991，巴斯個人投資2億美元，在美國亞利桑那州圖森市北部的沙漠中建造了“生物圈2號”。生物圈2號占地13000平方米，像壹個巨大的溫室、雨林、沙漠、草原和海洋。“生物圈2號”。38860 . 68686868686
9月26日，1991，生物圈二號迎來了第壹批誌願者，四男四女開始了為期兩年的隔離生活。盡管這些居民預先花了幾年時間接受工程、農業等方面的良好訓練。(其中壹人甚至接受了牙科培訓)並擁有每年花費數百萬美元的技術支持，各種災難依然接踵而至:大量動植物死亡。更糟糕的是，到了6月1993 1，生物圈二號的含氧量從21%下降到14%，自給自足的幻想徹底破滅。
實驗失敗了。短暫休息後，生物圈二號迎來了第二批居民。五個半月後，五男兩女因壹氧化二氮積累過多，於1994年9月17日被迫離開，實驗再次以失敗告終。從那以後，沒有人在生物圈二號生活過。
壹個“烏托邦”的科研計劃破產了。生物圈二號遭到了壹些人的無情嘲諷，甚至有人斥之為“奢侈的偽科學”。
當然，生物圈二號也讓人們明白了壹個看似簡單的道理:“目前，地球仍然是人類唯壹的家園。”不僅如此，它還在不經意間給人們留下了壹些佳話。
生物圈二號被稱為“小聯合國”，居民來自美國、英國、墨西哥、尼泊爾等七個國家。在這個“小聯合國”裏，培育出了壹朵愛的花朵。實驗結束幾個月後，兩組居民中的壹組結婚了。這可能是壹句老話:患難見真情。
此外，由於收成不好，生物圈2號的居民不得不控制飲食。結果，第壹批居民中的四男四女平均體重下降了18%，平均膽固醇從195下降到正常值125，給平時正在減肥的人增加了壹份驚喜。
走出烏托邦
痛定思痛後，巴斯決定調整生物圈二號的定位。所以他求助於哥倫比亞大學的科學家，看看生物圈2號能用2億美元做些什麽。
1996 65438+10月，巴斯幹脆把生物圈二號交給了哥倫比亞大學，並投入4000萬美元用於未來五年的改造和運營費用。經過壹番考慮，哥倫比亞大學計劃將生物圈二號改造成壹個致力於地球系統科學的研究中心，並邀請威廉·哈裏斯擔任新主任。哈裏斯在美國國家科學基金會工作多年，是管理大型科研項目的專家。
事實上，花費在生物圈2號建設上的2億美元並沒有像壹些媒體所說的那樣“完全打擊了水漂”。以378萬升的人工海洋為例，無疑是研究海洋科學的好平臺。這大概也是哥大和哈裏斯願意接手這個爛攤子的原因之壹。
在過渡時期，生物圈2號首先面臨痛苦和困惑。科學家們對生物圈2號的用途有分歧。有人想把生物圈2號打造成生物多樣性的研究中心，也有人想專註於全球變化效應的研究。再加上技術上的困難，改造計劃壹度受挫，士氣大受影響。壹些科學家相繼離開生物圈二號。
俗話說，峰回路轉。兩年後，人工海洋終於“潑了點水”。2月1998日發表在美國《科學》雜誌上的壹篇論文稱，隨著生物圈2號中溫室氣體二氧化碳含量的增加，人造海洋中珊瑚的生存受到威脅。
這樣壹篇論文在外人看來可能沒什麽大不了，但對於生物圈二號來說，它很可能是壹個轉折點。今天，隨著全球變暖越來越受到國際社會的關註，那篇論文清楚地表明，生物圈2號是研究全球變暖如何影響生態系統的理想平臺。
2001年4月，世界著名植物學家貝裏·奧斯蒙德接替哈裏斯領導生物圈二號。生物圈二號研究中心的林光輝博士告訴本報記者，生物圈二號正在開展許多與全球氣候變化相關的研究項目，吸引了許多世界級的科學家。
新夢想
生物圈二號過去失敗的陰影正在逐漸消失，壹個全新的形象逐漸樹立。
據林光輝博士介紹，2001年2月在生物圈2號召開了壹次由世界各國科學家和美國能源部官員參加的學術會議。與會專家高度評價了生物圈二號五年來的科研成果，並提出了未來的研究計劃。
如今，生物圈二號已經成為哥倫比亞大學手中的壹張王牌。“我們的目標是將生物圈2號發展成為地球系統科學、政策和管理方面的教育、研究和交流的首選，”該校副校長邁克爾·克羅說。與被嘲諷的目標相比，這個目標更加務實，但也雄心勃勃。
因為生物圈二號過去五年的表現得到了各方的認可，哥倫比亞大學在合同到期後與巴斯續簽了10年的合同。哥大董事會決定從2006年5438+0到2005年投資2000萬美元，巴斯也表示要追加3000萬美元。
曾經被嘲笑為不懂科學的巴斯，在科研上可以說是“忍無可忍”了。在2002年6月5438+10月的《科學美國人》雜誌上，哥倫比亞大學的Gretel holloway寫道，到2010年，Bass很可能最終將生物圈2號及其周圍地區轉化為100萬美元。
生物圈二號的風暴過後，會給人類生活帶來哪些新的夢想？新的努力會再次失敗嗎？也許，洛克菲勒大學的喬爾·科恩和明尼蘇達大學的大衛·蒂爾曼的話能給我們信心。
兩位科學家認為生物圈二號和哈勃望遠鏡有壹些相似之處。昂貴的哈勃望遠鏡在剛發射上天時曾因照片模糊而飽受詬病，但如今它已成為天文研究不可或缺的工具。同樣，生物圈2號有望成為未來進壹步了解地球的重要基地。
在科研中，恐怕沒有人能保證只要有投入就會有回報。在任何時候、任何國家，都有許多上億投資回流的例子。問題是我們是否理解科研計劃失敗的真正原因，是否真正理解“失敗是成功之母”。生物圈2號的過去和現在為我們提供了壹個極好的模型。