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“生物圈二号”失败的启示

生物圈是指地球上所有生态系统的统合整体,它包括大气圈、水圈、岩石圈与生态圈。生物圈是一个封闭且能自我调控的系统,地球目前是整个宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。未来,人类移民外星球,就必须适应新的生物圈。

1982年,一些科学家开始提出在地球上建立一个封闭的小型生物圈的计划,这个小型生物圈可以作为火星殖民的实验基地、核大战后的庇护所,也可以用作居住型实验室,对整个生态系统进行各项研究。人们把这个迷你型生物圈称为“生物圈二号”,其名字源于它的原始模型“生物圈一号”,即地球。

被寄予厚望的人造生态系统

“生物圈二号”位于美国亚利桑那州沃洛克镇,这里光照强烈,生态环境相对荒凉,有些类似于太空的环境。它建造于1987年到1991年之间,占地面积约1.3万平方米,建筑最高点可达到27.7米,主体建筑包含5个生态系统:沿海沙漠、热带雨林、稀树草原、红树林湿地和珊瑚礁海洋;还有两座圆顶辅助建筑,那便是生物圈的“肺部”,其屋顶通过上升和下降,来调节由于昼夜温度交替造成的内外气压差。此外,还有一个地下技术圈,主要是用于运行和维护生物圈环境。有20多个空气处理器单元,用于调控生物圈中空气的温度和湿度。

生物圈二号的工程建造经费约2亿美元,运转费用每年约600万美元。她运转的原理是模拟目前生态学家发现的地球生态系统中能量流动和物质循环的原理,被用于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作,也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。当时一篇文章称它为“继肯尼迪总统启动登月计划后美国最激动人心的科学工程”,参与生物圈二号计划的人,和宇航员一样被视作英雄。

生物圈二号建设之时,招募进入其中的志愿者的工作也在同步进行,报名者趋之若鹜,但对体能、心理等素质的“苛刻”要求使众多来试者望而却步。志愿者要在一个模拟的小圈内单独测试忍耐力。该小圈是个仅能放下一张小床外带小得可怜活动空间(其中植物占了大半)的玻璃小屋,有的实验者仅呆了四五个小时就嚷着要出去,而有的住了几天,最久的连续住了三个月。

经过严格的筛选,由四男四女组成的科学家队伍形成了,内有海洋学家、植物学家、气象学家、机械工程专家及医学专家等。生物圈二号建成之后,1991年9月,8名人员进入其中,开始为期两年、与世隔绝的生活。全世界都热切关注着、期待着他们创造出辉煌的成果。

难以解决的问题

然而,尽管这些居民事先花去几年时间接受了相关培训,拥有每年耗资百万美元的技术支持,各种各样的问题仍然接踵而至。比如技术问题、人与社会问题、生物问题、管理问题等,这些问题最终也导致了此次任务的失败。

1、技术问题

志愿者进入生物圈二号不久,圈内含氧量开始下降,并最终低于14.5%,而正常水平为21%。含氧量低会导致疲劳,并威胁到圈内居民的健康,这相当于高原反应。而一氧化二氮和二氧化碳的含量却在增加。所以这个设备很快就难以运作。为了解决这些问题,科学家们决定向设备注入氧气,并且每天打开“肺部”以允许来自外部环境的空气流入。缺氧的主要原因似乎是因为氧气被生物圈二号的一些混凝土结构吸收了,随后科学家们又通过密封混凝土来克服这个问题。然而,氧气降低或者二氧化碳增加还有一个可能的原因是生物圈内土壤中的微生物过多,它们会将氧气转化为二氧化碳。

此外,还有一个问题没有被预见到——厄尔尼诺现象。1991-1992年期间,厄尔尼诺现象使生物圈二号所处之地异常多云。云层覆盖可能限制了植物内部的光合作用,从而致使圈内二氧化碳含量大大高于正常水平。

除此之外,还存在空气泄露。有人指出,这种泄露是不可避免的。但是这引起一些人的质疑,密闭的环境是整个项目实施的基础。如果存在空气泄露或者利用外界的地球环境来交换空气,那这个实验还有效吗?还有意义吗?

2、人与社会问题

进入生物圈二号不久,8位居民很快发现他们无法生产足够的食物来养活自己。他们带来了各种用来种植的种子,比如花生、玉米、蔬菜等。然而他们却遇到了各种各样的问题,比如虫害、植物病害,毕竟他们不是专业的种植人员。随着食物危机的加深,他们不得不吃掉一些带来的种子。鸡、猪等家禽也因为面临与居民竞争食物而被吃掉。如此一来,便形成恶性循环,自给自足的幻想破灭。在最初的6个月,他们一直处于饥饿状态,平均体重下降16%。

人际关系问题也是不可避免的。根据参与者之一简·波因特后来发表的文章称,8个人在居住6个月后便分成两派。虽然两个小组一起工作,但是却无法相处。这也导致他们难以齐心协力来解决所面临的问题。

3、生物问题

生物圈二号内的生态系统是由生物圈一号(地球生物圈)过分简化而来的。虽然设计者们把地球上各种类型的生态系统“搬进”了“生物圈”,然而所搬进的主要是生态系统的第一性生产者植被,并未把相应的动物、真菌、微生物等群落也按比例搬来。如热带雨林中没有大型动物,倒是引进土壤时带来了蚂蚁及蟑螂的卵,这些生物在此大量繁殖。还有,几个主要类型的生态系统尤其是热带雨林植物在很高的二氧化碳浓度下生长的非常繁茂, 表现出异常高的光合能力。由于缺乏相应的消费者和分解者而迅速积累,大量的枯落物面临清理问题。过度生长的热带雨林乔木触及了顶部玻璃,大有穿破玻璃之虞。引进藤本植物(如牵牛等)的目的是为了用做固定二氧化碳的汇,却不料这些植物在高二氧化碳浓度环境下疯长,危及其它植物与农田。所有花粉传播动物消失,使一些有赖于此的有花植物不能正常授粉。同时引入的25种脊椎动物中有19种消失。

4、管理问题

也许生物圈二号最严重的问题之一是缺乏高水平的科学管理。在这次任务即将结束时,一个专家团队专门做了一个分析报告。该报告指出该项目的几点不足之处,比如缺乏一个完善的书面的科学计划、缺少科学信息交流和互动等。该报告建议任命一名科学研究主任监督项目的进展,并确保管理人员公开讨论他们的任务进展情况。

生物圈二号的成败得失

1993年9月,这8名居民终于从生物圈二号中走出来了,这也许对他们来说是一种解脱,毕竟“与世隔绝”的生活可能没那么美好。

1994年3月,经过短期修整之后,生物圈二号又迎来了第二批居民,共7人。但是在第二次任务期间,由于生物圈内一氧化二氮(N₂O,俗称笑气,有麻醉作用)积累过多以及项目管理问题,任务不到一年便匆忙结束了。实验再度以失败告终。从此,再也没有人在“迷你地球”上过日子了。

1994年6月,生物圈二号的管理公司解散,其管理工作先后被移交给哥伦比亚大学和亚利桑那大学,用于科学项目研究。

从最初的媒体宠儿到后来被批“伪科学”,生物圈二号仿佛经历了天堂到地狱的两重天。科学舆论界对生物圈二号的批评主要有:作为一个生态系统,它和外界真正的生态系统不能同日而语,如土壤是非自然的;野生动植物数量远远减少,尤其只剩下蚂蚁和蟑螂等几种动物。此外,这个迷你生物圈的封闭也是不完全的,电力、信息、药品等要从外界输入,作为一个超大温室又太暗了,维持费用太高。

而支持者则说,它是成功的,是我们太空探索的一项伟大实验。在严格的科学评估中,生物圈二号也许是失败的,但它给了我们很多启示。比如,生物圈二号实验中发现的内部几大重要生命元素如碳、氮、氧循环的不平衡,为以后的太空城探险提供非常难得的资料;它证实了人类能够通过高科技的手段在任意恶劣的环境下创造出适于生命生存的空间;它也揭示了生物种群之间的竞争、互利、协调发展等关系是人工所难以改变的。

生物圈二号可作为地球的一个缩影来思考。地球面临的环境污染、全球气候变化、生物多样性丧失等问题,其后果可在生物圈二号的实验中看到或体验到。像生物圈二号这样类似地球工作原理的人工生态系统内部生物面临的问题,同样可能会是我们地球人类所要面对的。

今天,生物圈二号已经是一个旅游景点,供游人参观。如果你有机会去美国的话,说不定还能亲眼看看这个全球最大的生态实验室。

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