美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是壹座微型人工 生態循環系統,因把地球本身稱作生物圈1號而得此名.它由美國前橄欖球運動員 約翰·艾倫發起,並與幾家財團聯手出資,委托空間生物圈風險投資公司承建,歷時8年,耗資1.5億美元.
1991年9月26日4男4女***8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出 ,停留***計21個月,在各自的研究領域內均積累了豐富的科學數據和實踐經驗.來自英國,墨 西哥,尼泊爾,南斯拉夫和美國等5國的4男3女***7位實驗人員在對首批結果進行評 估並改進技術後,於1994年3月6日二次進駐,工作10個月後於1995年1月走出.他們在這期間 對大氣,水和廢物循環利用及食物生產進行了廣泛而系統的科學研究. 生物圈2號是世界上最大的閉式人工生態系統.它使人類首次能夠在整體水平上研 究生態學,從而開辟了了解目前地球生物圈全球範圍生態變化過程的新途徑.更為重要的是, 它將作為首例永久性生物再生式生保系統的地面模擬裝置而有可能應用於人類未來的地外星 球定居和宇宙載人探險.
壹,概況
占地1.28公頃的生物圈2號的地上部分為塗有粉劑的立體鋼架構型,配有雙層玻璃 窗板;地面部分為焊接不銹鋼板,並用鋼墊密封.總體積約為180000m3.其內部主要由7種 生態群落區和兩個大氣擴張室(也稱作"肺")組成.此外,還設有能量中心和冷卻塔等設施 .其外觀及有關結構參數如表1和圖1所示.
為了減輕立體結構的負荷,生物圈2號的內部壓力略高於周圍大氣壓.眾所周知,溫 度改變必然導致壓力變化,而這種伸縮中的壓力變化足以破壞玻璃窗板(計算值極易超過kPa ).為了解決這壹矛盾,沒有像通常那樣采取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為" 肺"的體積可變室,以使大氣在恒壓下脹縮.兩"肺"就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣 缸上壹樣,上下垂直運動距離約達15m.活塞重量產生相對於周圍大氣壓力的內部正壓.正壓 具有兩大優點:不論什麽地方有泄漏,內部大氣就會向外擴散從而保證排除外界汙染;活塞的 持續下滑則表明某處出現泄漏.兩"肺"的體積占到該圈密閉體積的30%.
除上述設施外,其內部還包括分析,醫療,獸醫,監控,維修,鍛煉,影視等室,分布在不同 部位.
與地球生物圈類同,生物圈2號在物質上閉環,通過工程手段禁止它與外界大氣和地 下 土壤進行物質變換.在能量上開環,允許太陽光通過玻璃結構供植物進行光合作用,同時引入 電能供技術系統操作運轉.在信息上也同樣開環,通過計算機系統,電話,攝像,電視與外 界進 行數據信息交換,並通過電視可以與外界工作人員及親屬進行面對面的交談,還可放映電影和 收看商業電視節目.電能及熱控能源從外界通過氣密裝置輸送進來,當進行能量轉移時,不允 許內外流體進行任何形式的交換或混合.
表2 圈內大氣溫度,壓力及重量範圍
生物群落 溫度(°C) 最高 最低 大氣成分 壓力?(kPa) 百分比?(%) 總重量?(kg)
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 CO?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
居住區 35 15 總量 88?24 100?00 139185
生物圈2號的"神經系統"是壹個完整的計算機數據采集和控制系統,它是從位 於居住區的指揮室輻射出的微處理機網絡系統.這壹內部"神經系統"通過信息通路與外界 附近的"飛行控制"樓內的計算中心相聯通.該樓作為分析中心而成為生物圈1號 和2號間獲取分析數據及通訊的主要窗口.居住區內的指揮室通過遍布圈內的5000 多個傳感器(每15分鐘記錄壹次並讀入無限增長數據庫)能夠有效地控制所有主要的操作參數 ,如溫度,濕度,光強,水流量,pH值,CO?2濃度,土壤濕度,儀器運作狀態等,並能進行 數據傳感器及所有報警裝置的狀態顯示.每件裝置均有手動控制開關以防"神經系統"任何 部位的失靈.
盡管整個圈內為熱帶氣候,但由於不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相對獨立的 溫度.由於生物圈2號位於海拔1200m的沙漠上,其外圍大氣壓不是標準壓力101.3 kPa,而僅約為88.2kPa,因此,其內壓只能略高,即為88.24kPa.詳細情況見表2.利用機械 系統模擬地球自然環境,例如制造海洋波浪,潮汐,溪流,瀑布以及按照季節要求控制風, 雨,濕度等,並控制鹽分梯度及營養循環速度和進行海水淡化.
二,生態群落
生物圈2號有5個野生生物群落(熱帶雨林,熱帶草原,海洋,沼澤,沙漠)和兩個 人工生物群落(集約農業區和居住區).它們以地球北回歸線和南回歸線間的生態系統為樣板 ,分別由美英生物和生態學家設計而成.
圈內***有約4000個物種,其中動物(包括浮遊,軟體,節肢,昆蟲,魚類,兩棲,爬行,鳥類 ,哺乳等),植物(包括浮遊,苔蘚,蕨類,裸子和被子等)約3000種,微生物(包括細菌,粘 菌,真菌,微藻等)約1000種,它們分別來自澳大利亞,非洲,南美,北美等地.
該系統既有高大的樹木(如紅樹),也有矮小的灌木草叢植物,錯落有致,憩靜秀美.各個野生 生物群落中的生境並不壹致,它們分別有4,6,4,4,6種生境,如海洋有海灘,淺鹹水湖, 珊瑚礁和海水等4種類型.生物群落間均有相對獨立的生態區將它們互相隔開,例如,熱帶草 原和沙漠間有壹簇灌木叢而相對隔離.為了保護各個群落不受環境脅迫,在其周圍種植了耐 性強的植物,例如,熱帶雨林的三周圍是濃密的姜科植物,從而保護內部樹種免遭側面強光照 射,而與海洋的界面間種有竹子來抵禦鹽分滲入.
為了盡量貼近自然環境,該圈中的土壤,草皮,海水,淡水均取自外界的不同地理區間,通過 壹定的人工處理再利用.例如,實驗用的海水是將運進來的海水和淡水按照適當比例配制而 成的.
生物圈2號中選擇植物的標準主要考慮動物消費者的生命保障,分類多樣性,物理 參數,植物的可利用程度和美學價值.為了適應達爾文的自然選擇過程,植物種類開始時比 系統能支撐的要多壹些,這樣可以補償物種的遺失或滅絕,並最終促進系統的持續穩定.
三,研究範圍與主要結果
首批8名科學家在21個月的密閉人工生態環境中按照各自的研究範圍進行了廣泛,細致,深 入的觀察,記錄,分析,研究項目包括生物地球化學,土壤,水,海洋,"全球"生物量, 農 業,遺傳,生理,營養,醫學,心理以及技術和工程學等內容.本文僅就幾個較為重要的研 究結果概括如下:
1?大氣動力學與大氣泄漏
在微小的閉式生態系統中生物地球化學循環速率顯著加大,這是由於它缺乏地球生物圈所具有的巨大貯存作用以及有機體與無機物的比率大大增加的緣故.即使在生物圈2號這樣大的裝置中,大氣CO2的平均滯留時間僅為1～4天,而地球生物圈中則約為3年.
生物圈2號中濃度為1500ppm的大氣CO2(約為地球大氣CO2濃度的4倍),約相 當於100kg的碳,這壹數量與圈內的生物量和土壤中的有機碳相比大大降低,分別為100:1 和5000:1,而地球中的相應比例分別為1:1和2:1.
生物圈2號中CO2的波動範圍為700～800ppm/d,壹般為500～600ppm/d,有時會更低,這與季節,晝夜循環和天氣變化導致的光合作用和呼吸作用的動態消長有直 接關系.當光強(光合成光通量,PPF)達到壹年的最低值時(16.8mol·m-2d- 1),CO2的平均濃度為2466ppm;相反,當PPF達到最高值時(53.7mol·m-2d-1),CO2濃度則達到壹年中的最低值1060ppm.
為了緩沖這壹系統在第壹年冬季低光照時的高CO2濃度水平,利用壹套CO2循環系統首 先將它通過化學反應形成CaCO3,如需要時把後者加熱到950°C便可釋放CO2進入大氣 .4個月間[DK10]約有53880mol(相當於9450ppm)的CO2通過定期使用這壹物化系統以CaCO3的形式沈積下來.這壹沈澱可以間接說明約1%大氣O2的下降(通過有機碳氧化和隨後的CaCO3分離).相反,1991年12月用來補償大氣泄漏的10%外部大氣的加入影響較小,CO2濃度暫時下降了200ppm,即為每天正常變化的1/3.
CO2的濃度升高可導致海水酸度增加.為了避免此現象發生,在海水中分期加入碳酸鈉和 碳酸氫鈉,這樣可以保持pH值在7.7以上.
表3, 生物圈2號壹年內總的農業生產量(kg) 蔬菜: 菜豆8,甜菜葉273,甜菜根308,胡椒13,胡蘿蔔88,辣椒63,甘藍83,黃瓜17,茄子155,羽衣甘藍11,生菜90, 洋蔥107,Bok choy12,雪豆1, 南瓜籽8,西葫蘆287,Swiss Chard58,甘薯葉64,番茄288,冬瓜261;糧食:水稻196,高粱131,小麥113;澱粉類蔬菜: 白薯198,甘薯1335, Malanga84,薯蕷20;高脂肪豆類:花生24,大豆14;低脂肪豆類:蠶豆63,豌豆15 ;水果:蘋果1,香蕉1024,無花果39,番石榴41,金柑4,檸檬10,酸橙4,柑桔6,番木瓜639;動物產品:山羊奶407,山羊肉8,豬肉35,魚10,蛋6,雞肉8,總計6630 .
氧氣動力學令人困惑不解.1991年9月到1992年6月間,生物圈2號中氧濃度從20.51%下降到16.95%,到1993年1月中旬時則為14.5%.基於醫學忠告,1992年6月後的幾個星期 在圈內不斷輸入純氧,使其濃度回到19%.O2濃度下降主要發生在密閉後的前4個月,此時為18%,1 9 92年4月以後,O2濃度則以每月0.25%的線性水平下降.O2濃度下降的真正原因並不十分清楚,利用幾種方法的氧氣動力學研究仍在進行,包括研究圈內氧同位素的分布.
生物圈2號氣密性非常高.根據泄漏率和壓力間的關系推知,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證明,年泄漏率不超過10%.在最初的4個月中(19 91年9～12月),大氣泄漏約10%,相應的外界氣體於1991年末壹次性註入.其它閉式人工生態系統(如肯尼迪航天中心制造的生物量生產艙)每天的泄漏率就在1%～10%之間 .
2,食物生產與廢物處理
生物圈2號中的農業系統必須滿足3個主要要求,即無汙染,集約型和可持續性.空間生物圈風險投資公司和其農業區的主要顧問亞利桑那大學環境研究實驗室,起初試驗水培和氣培的種植技術,最後由於種種原因而不得不轉向以土壤為基礎的農藝技術.原因之壹就是水培必須依賴於化學營養液的輸入,而這在空間是難以解決的.另外壹個原因是如果沒有能力做堆肥或利用植物/微生物系統進行廢水再生,那麽促使動物和人的廢物及作物不可食生物量部分等循環利用的相關問題就更難以解決.此外,堆肥或沼澤廢水處理系統較濕氧化或焚化等物理系統更省能.
集約農業區***有50種150個品種,每輪種植約30種,主要有糧食,蔬菜,水果,此外還有飼養動 物和魚(稻田中養殖),動物飼料包括苜蓿,象草,水風信子及各種農作物(利用其不可食生物 量),見表3和圖2.
圖2 生物圈2號集約農業區的部分作 物生長情況
密閉後建立的農業系統平均提供8人80%的營養需要,包括谷物,豆類和蔬菜,但密閉後的前幾個月需食用密閉前種植的食物(其余20%的營養需要).由於圈內缺乏紫外線輻射,因此,必須補充維生素B12和維生素D.肉類很少,蛋每人每周平均壹個.前10個月的平均食物熱量卡值限制在2000Cal/d(1Cal合4.18J),後來增加到2200Cal/d.食用前,食物均進行了稱重和記錄.
農業區內不使用殺蟲劑,而是利用有益昆蟲和噴霧器(如肥皂水和硫磺,芽孢桿菌)來控制病蟲害的發生.廢物循環是把動物廢物和植物不可食生物量做成堆肥,並利用水生植物鹹水湖系統進行"進駐人員"廢水處理.利用"土壤床反應堆"降低微量氣體的積累.使用大氣水分冷凝系統提供飲用水.
3?物種種群的動態變化
野生區域內的植物生長旺盛,前9個月生物量就增加了60%～75%.在熱帶雨林,樹冠龐大茂 密,相連成蔭,因而抑制了小型植物,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,這也證明幹旱條件下沙土有利於多年生草本的生長.
野生種數量起初有所下降,其中植物不到10%,陸地動物和昆蟲不到30%,海洋種約為10%～20%.當食物網更為壹體化且株冠成熟後,物種遺失的數量則減慢,且許多動植物在此時期 均有不同程度的繁殖.自從建立了生態系統後,人就作為主要捕食者來控制雜草和病蟲害發 生並保持生物多樣性.如果沒有人的直接幹預,在生物圈2號的初期運轉期間,生物 多樣性必然會下降.
4?生理,營養及醫學試驗
生物圈2號中生產的食物基本上能滿足"每日推薦飲食配額"(RDA)的需要,但沒有什麽剩余.進駐人員自從密閉後體重減輕了約10%～20%,這是對新環境初時不適應的結果.1992年4月後,體重不再下降,有人甚至還胖了壹些.這種低脂肪,低熱量,富營養的食物可以顯著降低膽固醇(從平均值約195降到125),血壓,白細胞數量和血糖含量.以前對小鼠的試驗也有類似結果,並證實因此而可以延緩衰老,增加壽命.
上述下降後的氧濃度相當於海拔2900m處的O2分壓,通過不斷監測紅細胞數量,形態及其生理生化指標和呼吸率等則可獲知低O2濃度對健康產生的不良影響.壹旦O2濃度繼續下降時,可望能適應相當於海拔4600m處的O2分壓.此外,在圈內的人和動物間,沒有發生傳染性疾病.
四,結束語
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用作潛在的植物栽培基質,這樣就使得生物再生式生命保障系統在空間居住地的應用比需要地球資源的裝置要經濟得多.但是到目前為止,在生物再生式生命保障系統中很少有以土壤為基礎的技術實驗 .生物圈2號是第壹個建成並運作的以土壤為基礎的生物再生式生命保障系統.因此,有關其操作性能的數據對應用於空間的類似系統是非常有用的.
生物圈2號無論從規模,技術難度和復雜程度,以及所取得的效果來看,均堪稱人類科學史上的壹大傑作,受到國際上的普遍關註與贊賞.但近來也遭到某些公眾的嚴厲批評 .
引起公眾非議主要是由於主客觀兩方面的原因:(1)商業投資造成遊人絡驛不絕,給人壹種缺 少科學嚴肅性的印象;(2)遇到嚴重的陰雨天氣和病蟲害,造成欠收,開始時曾出現大氣泄漏;(3)人們對他們的科學試驗活動了解不多;(4)理論和實踐經驗不足;(5)行政管理不善,導致可以做的而沒有去做.
生物圈2號與其100年的設計壽命相比,現僅處於搖籃時代,出現這樣那樣的問題和異議均在情理之中.只要不斷總結經驗,汲取教訓,勤於實踐,勇於探索,壹定能夠取得豐碩成果.向宇宙進發可以看作是人類要生存下去不可避免的問題.欲在那裏建立居 民區,必 須開發生態生命保障系統,創造壹個舒適的小地球樣環境,從而為未來的太空人提供品種多樣,營養豐富的食品以及氧氣和水,並將CO2,廢水和廢物等再生為有效資源而重復利用 .生物圈2號恰恰能夠教給人們這壹本領.此外,通過了解其中:(1)生態系統逐漸 成熟的結果;(2)處於各種脅迫環境中的部件的穩定性;(3)遺傳種群的連續性;(4)生物地球化 學的循環作用,可望為每況愈下的地球生態系統找到出路.
被視為反面教材的生物圈2號現狀如何 它還是"奢移的偽科學嗎" 美國石油大王所投的巨資是否打了水漂
生物圈2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2億美元的"生物圈2號"壹時間成為笑柄,甚至被斥之為"奢侈的偽科學".直到今天,生物圈2號仍然被很多人看作是藐視自然的反面教材.然而,或許很少有人註意到,這些年來生物圈2號正在悄悄發生變化:它吸引了大量遊客和學生,成為壹個絕佳的旅遊勝地和教育基地;尤其重要的是,它漸漸贏得了科學界的尊重,成為壹個非常難得的關於全球氣候變化效應的研究中心.
"奢侈的偽科學"
曾經有人提出過壹個看似天方夜譚的設想,在我們生活的地球上再造壹個"迷妳地球",探求人類在這個現代"南泥灣"之中自給自足,以及未來在月球或火星上建立生存空間的可能性.美國得克薩斯州的石油大王愛德華·巴斯為此憧憬不已.
從1984年到1991年,巴斯個人出資2億美元,在美國亞利桑那州圖森市以北的沙漠中建起了"生物圈2號".生物圈2號占地13000平方米,仿佛壹個巨大的溫室,雨林,沙漠,草原和海洋應有盡有."生物圈1號"是我們生活的地球,顧名思義,生物圈2號就是壹個"迷妳地球".
1991年9月26日,生物圈2號迎來第壹批誌願者,4男4女開始了為期兩年,與世隔絕的生活.盡管這些居民事先花去幾年時間接受了工程,農業等方面的良好培訓(其中壹位甚至接受了牙科訓練),擁有每年耗資百萬美元的技術支持,各種各樣的災難仍然接踵而來:各種動植物大量死亡,蟑螂和螞蟻卻兒孫滿堂;更為糟糕的是,到了1993年1月,生物圈2號內的氧氣含量從21%下降到14%,不得不從外界補充氧氣,自給自足的幻想徹底破滅.
實驗失敗了.經過短暫的休整,生物圈2號又迎來了第二批居民.5男2女住了個半月後,由於笑氣(N2O)積累過多,在1994年9月17日被迫離開,實驗再度以失敗告終.打那以後,再也沒人在生物圈2號中過日子了.
壹個"烏托邦"式的科研計劃宣告破產.生物圈2號遭到了壹些人無情的嘲笑,有人甚至斥之為"奢侈的偽科學".
當然,生物圈2號也使人們更加明白壹個看似淺顯的道理:"目前地球仍然是人類的惟壹家園."不僅如此,它還在不經意間給人們留下了壹些佳話.
生物圈2號稱得上是壹個"小聯合國",居民分別來自美國,英國,墨西哥,尼泊爾等7個國家.在這個"小聯合國"裏,培育出了愛情之花.實驗結束幾個月後,兩批居民中分別有壹對結成伉儷.這或許應了壹句古話:患難見真情.
另外,由於糧食歉收,生物圈2號的居民不得不控制飲食.結果第壹批居民中的4名男性體重平均下降18%,4名女性體重平均下降10%,膽固醇的平均值由195下降到正常值125,使得這些平常為減肥而痛苦不已的人平添壹份驚喜,真可謂無心插柳柳成蔭.當時的壹位居民,加利福尼亞大學洛杉磯分校的羅伊·沃爾福德教授甚至繼續維持當時的食量,"因為那樣有助於健康".
走出烏托邦
痛定思痛,巴斯決心調整生物圈2號的定位.於是,他求助於哥倫比亞大學的科學家,看看用2億美元打造出來的生物圈2號到底能做些什麽.
1996年1月,巴斯幹脆把生物圈2另交給哥倫比亞大學打理,並投入4000萬美元作為今後5年的改造和運行費用.經過壹番考慮,哥倫比亞大學計劃把生物圈2號改造為壹個致力於地球系統科學的研究中心,同時請來威廉·哈裏斯擔任新的負責人.哈裏斯曾在美國國家科學基金會工作多年,是壹位管理大型科研項目的高手.
其實,建造生物圈2號的2億美元並不像壹些媒體所說的那樣"全打了水漂".就拿容量高達378萬升的人造海洋來說,無疑是研究海洋科學的壹個很好的平臺.這大概也是哥倫比亞大學和哈裏斯願意接手爛攤子的原因之壹.
處於轉型期的生物圈2號,首先迎來的是痛苦和迷惑.關於生物圈2號究竟可以派上什麽用場,科學家們就出現了分歧,有人希望把生物圈2號打造成壹個生物多樣性的研究中心,有人則希望著力於全球變化效應研究.再加上技術方面存在的困難,轉型計劃壹度受挫,士氣因此大受影響,壹些科學家先後離開了生物圈2號.
有道是,峰回路轉.兩年後,人造海洋終於"濺起了壹些水花".發表在1998年2月13日美國《科學》雜誌上的壹篇論文稱,隨著生物圈2號內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了威脅.
這樣壹篇論文,對外行來說或許沒什麽大不了的,對生物圈2號來說卻大概算得上壹個轉折點.在全球變暖日益受到國際社會高度重視的今天,那篇論文清楚地表明:生物圈2號恰恰是研究全球變暖如何影響生態系統的壹個理想平臺.
2001年4月,世界著名植物學家貝瑞·奧斯蒙德接替哈裏斯領銜生物圈2號.生物圈2號研究中心的林光輝博士告訴本報記者,目前已有多項與全球氣候變化有關的研究項目正在生物圈2號開展,吸引了不少世界壹流的科學家.
新的夢想
生物圈2號昔日失敗的陰影正在逐漸消失,全新的形象也逐漸樹立起來.
據林光輝博士介紹,2001年12月,在生物圈2號召開了壹次有世界各國科學家和美國能源部官員參加的學術會議.與會專家對生物圈2號過去5年的科學研究成果做出高度評價,也提出了未來的研究計劃.
如今,生物圈2號已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號發展成對地球系統的科學,政策和管理事務進行教育,研究和交流的首選."該校副校長邁克爾·克羅說.與當初那個受人嘲笑的目標相比,這個目標更為務實,但同樣是野心勃勃.
由於生物圈2號過去5年的表現得到了各方的認可,合同期滿後,哥倫比亞大學又與巴斯續簽了10年.哥倫比亞大學董事會決定從2001年到2005年投入2000萬美元,巴斯也表示要追加3000萬美元.
當初曾被人譏諷為不懂科學的巴斯,對科學研究可說是"仁至義盡".在2002年1月的《科學美國人》雜誌上,哥倫比亞大學的格麗特·霍洛韋撰文稱,到2010年,巴斯很可能最終以象征性的100萬美元,將生物圈2號及周圍100公頃土地賣給哥倫比亞大學.
歷經風雨的生物圈2號,它究竟會給人類的生活帶來什麽 新的夢想會實現嗎 新的努力會再次遭受失敗嗎 或許,洛克菲勒大學喬爾·科恩和明尼蘇達大學戴維·蒂爾曼的話能給我們以信心.
這兩位科學家認為,生物圈2號與哈勃望遠鏡有某些相似之處.耗資巨大的哈勃望遠鏡剛剛上天之時,由於所拍照片模糊不清而備受批評,但時至今日它已成為天文學研究不可或缺的重要工具.同樣地.生物圈2號也有望在今後成為人類進壹步認識地球的重要基地.
在科學研究上,恐怕沒有人能夠保證,只要有投入就壹定會有回報,古今中外都不乏數以億計的投資有去無回的實例.問題在於,我們是否明白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號的今昔,為我們提供了壹個極好的範本.