生物圈2號的5個群落是哪些

1. 生物圈二號實驗

國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是一座微型人工 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,委託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女共8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出 ,停留共計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女共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范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.
一,概況
佔地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 ).為了解決這一矛盾,沒有像通常那樣採取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為" 肺"的體積可變室,以使大氣在恆壓下脹縮.兩"肺"就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣 缸上一樣,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:不論什麼地方有泄漏,內部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染;活塞的 持續下滑則表明某處出現泄漏.兩"肺"的體積佔到該圈密閉體積的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,壓力及重量范圍
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"是一個完整的計算機數據採集和控制系統,它是從位 於居住區的指揮室輻射出的微處理機網路系統.這一內部"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 多個感測器(每15分鍾記錄一次並讀入無限增長資料庫)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 數據感測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准壓力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,例如製造海洋波浪,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.
圈內共有約4000個物種,其中動物(包括浮游,軟體,節肢,昆蟲,魚類,兩棲,爬行,鳥類 ,哺乳等),植物(包括浮游,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一致,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 原和沙漠間有一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 一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製而 成的.
生物圈2號中選擇植物的標准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 系統能支撐的要多一些,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,研究范圍與主要結果
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范圍進行了廣泛,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,這一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的波動范圍為700～800ppm/d,一般為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)達到一年的最低值時(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濃度則達到一年中的最低值1060ppm.
為了緩沖這一系統在第一年冬季低光照時的高CO2濃度水平,利用一套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通過定期使用這一物化系統以CaCO3的形式沉積下來.這一沉澱可以間接說明約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號一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,胡蘿卜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年末一次性注入.其它閉式人工生態系統(如肯尼迪航天中心製造的生物量生產艙)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,即無污染,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.原因之一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.另外一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,那麼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.
集約農業區共有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,包括穀物,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(其餘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,蛋每人每周平均一個.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,這也證明乾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%.當食物網更為一體化且株冠成熟後,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.如果沒有人的直接干預,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,但沒有什麼剩餘.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,有人甚至還胖了一些.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.一旦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一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號是第一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一大傑作,受到國際上的普遍關注與贊賞.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,給人一種缺 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,一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.欲在那裡建立居 民區,必 須開發生態生命保障系統,創造一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一本領.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,你還好嗎
若干年前,在美國亞利桑那州的沙漠中再造一個"迷你地球"的實驗失敗後,耗資2億美元的"生物圈2號"一時間成為笑柄,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,或許很少有人注意到,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,成為一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,成為一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"
曾經有人提出過一個看似天方夜譚的設想,在我們生活的地球上再造一個"迷你地球",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號佔地13000平方米,彷彿一個巨大的溫室,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號就是一個"迷你地球".
1991年9月26日,生物圈2號迎來第一批志願者,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(其中一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.
一個"烏托邦"式的科研計劃宣告破產.生物圈2號遭到了一些人無情的嘲笑,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一個看似淺顯的道理:"目前地球仍然是人類的惟一家園."不僅如此,它還在不經意間給人們留下了一些佳話.
生物圈2號稱得上是一個"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"里,培育出了愛情之花.實驗結束幾個月後,兩批居民中分別有一對結成伉儷.這或許應了一句古話: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.結果第一批居民中的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一份驚喜,真可謂無心插柳柳成蔭.當時的一位居民,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號到底能做些什麼.
1996年1月,巴斯乾脆把生物圈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.經過一番考慮,哥倫比亞大學計劃把生物圈2號改造為一個致力於地球系統科學的研究中心,同時請來威廉·哈里斯擔任新的負責人.哈里斯曾在美國國家科學基金會工作多年,是一位管理大型科研項目的高手.
其實,建造生物圈2號的2億美元並不像一些媒體所說的那樣"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一個很好的平台.這大概也是哥倫比亞大學和哈里斯願意接手爛攤子的原因之一.
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號究竟可以派上什麼用場,科學家們就出現了分歧,有人希望把生物圈2號打造成一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,轉型計劃一度受挫,士氣因此大受影響,一些科學家先後離開了生物圈2號.
有道是,峰迴路轉.兩年後,人造海洋終於"濺起了一些水花".發表在1998年2月13日美國《科學》雜志上的一篇論文稱,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.
這樣一篇論文,對外行來說或許沒什麼大不了的,對生物圈2號來說卻大概算得上一個轉折點.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一個理想平台.
2001年4月,世界著名植物學家貝瑞·奧斯蒙德接替哈里斯領銜生物圈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,吸引了不少世界一流的科學家.
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號召開了一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一張王牌."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》雜志上,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徵性的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麼 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一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,只要有投入就一定會有回報,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,為我們提供了一個極好的範本.

2. 什麼是生物圈2號

科學家把地球生物圈稱作「生物圈1號」。為了更好地研究生態失去平衡的現象，美國在20世紀80年代，花費巨資建造了一個模擬地球生物圈的完全封閉的實驗基地，這就是著名的「生物圈2號」。

地點

「生物圈2號」建在美國亞利桑那州的沙漠里。它是一座佔地約1公頃的鋼架結構的玻璃建築，裡面設有多個獨立的生態系統：

有一片小型的海洋，幾塊沼澤地、潟湖，一片沙質的海灘，一片熱帶雨林及一片草場。

「生物圈2號」與外界完全隔絕，只有太陽光可進入。這樣，在這個生物圈內，植物可為動物提供生存所需的氧氣和養料，動物為植物提供二氧化碳，人則靠耕種作物、飼養動物獲取食物，而泥土中的微生物又可分解動、植物的屍體及排泄物。這樣不斷循環，可形成相對穩定的生態系統。

實驗

1993年1月，8名科學家進入「生物圈2號」。按計劃，他們將在裡面呆2年，一邊從事科學研究，一邊過完全自給自足的生活。2年中，除了最初帶入一批物品外，其餘的一切，都要靠他們自己來獲取。他們還得設法調節和控制圈內的氣溫和氣候。

結果

實驗結果很不理想，由於缺乏堅定的實驗理論，使得在一年後，土壤中的碳，溫室中的氧氣，建築材料中的鈣發生了一系列的化學反應。導致生物2號圈中的氧含量從21%下降到14%。

由於沒有調節好內部氣候，使得糧食產量不足，科學家只好吃食物種子充飢，最後不得不撤離出這個生物2號圈。實驗以失敗告終。

3. 生物圈2號是什麼

生物圈二號
1991年，美國科學家進行了一個耗資巨大規模空前的「生物圈二號」實驗。「生物圈二號」是一個巨大的封閉的生態系統，位於美國亞利桑拿州，大約有兩個足球場大小。從外觀看，它很像科幻片里建在月球上的空間站。依照設計，這個封閉生態系統盡可能模擬自然的生態體系，有土壤、水、空氣與動植物，甚至還有森林、湖泊河流和海洋。1991年，8個人被送進「生物圈二號」，本來預期他們與世隔絕兩年，可以靠吃自己生產的糧食，呼吸植物釋放的氧氣，飲用生態系統自然凈化的水生存。但18個月之後，「生物圈二號」系統嚴重失去平衡：氧氣濃度從21%降至14%，不足以維持研究者的生命，輸入氧氣加以補救也無濟於事；原有的25種小動物，19種滅絕；為植物傳播花粉的昆蟲全部死亡，植物也無法繁殖。事後的研究發現：細菌在分解土壤中大量有機質的過程中，耗費了大量的氧氣；而細菌所釋放出的二氧化碳經過化學作用，被「生物圈二號」的混凝土牆所吸收，又打破了循環。

此次失敗的實驗項目在社會上引起了廣泛的爭論，從事此項實驗的科研機構的威信大受影響。1994年3月，7名科學家再次進入「生物圈二號」進行第二次實驗，這種努力在1年半之後再次以失敗告終。「生物圈二號」還有用嗎？公眾再一次表示了疑慮。

1996年1月1日，哥倫比亞大學接管了「生物圈2號」。9月，由數名科學家組成的委員會對實驗進行了總結，他們認為，在現有技術條件下，人類還無法模擬出一個類似地球一樣的、可供人類生存的生態環境。同時，哥倫比亞大學加強了對實驗的研究力度。實驗的內容有所擴大，從2000年開始，利用數碼相機技術分分秒秒地記錄葉片的生長情況，以得到圖片合成影像以便確定植物和生長過程。實驗還增加了學生實驗內容。實驗還要進行10年，以便有充足時間觀察「生物圈二號」內的野生動植物的生長規律。

目前，「生物圈二號」已經成為亞利桑那州沙漠中的一道風景線，每年到此旅遊的人數超過18萬人。遊客交上13美元，就可以到「生物圈二號」外的各種設施上走一遭。如果再添上10美元，還可以進入「生物圈二號」呢

4. 什麼是生物圈2號

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美國生物圈2號及其研究
郭雙生/孫金鏢

圖1〓生物圈2號的外觀圖

表1〓〖WB〗圈內各個組成部分及結構參數一覽表 區域 面積�(m2) 體積�(m3) 土壤�(m3) 水分�(m3) 大氣�(m3)
集約農業區 2000 38000 2720 60 35220
居住區 1000 11000 2 1 10997
熱帶雨林 2000 35000 6000 100 28900
熱帶草原/�海洋/沼澤 2500� 49000 4000� 3400 41600
沙漠 1400 22000 4000 400 17600
「西肺」 1800 15000 0 0 15000
「南肺」 1800 15750 0 750 15000
注:上述兩「肺」的體積僅為其完全膨脹的50%

美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是一座微型人工 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,委託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女共8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出 ,停留共計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女共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范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。

一、概況
�佔地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180000m�3。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 ）。為了解決這一矛盾,沒有像通常那樣採取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為「 肺」的體積可變室，以使大氣在恆壓下脹縮。兩「肺」就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣 缸上一樣,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:不論什麼地方有泄漏,內部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染；活塞的 持續下滑則表明某處出現泄漏。兩「肺」的體積佔到該圈密閉體積的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、壓力及重量范圍

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 O�2 18�10 20�51 31800
熱帶草原/ 38 13 N�2 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」是一個完整的計算機數據採集和控制系統,它是從位 於居住區的指揮室輻射出的微處理機網路系統。這一內部「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 多個感測器(每15分鍾記錄一次並讀入無限增長資料庫)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 數據感測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准壓力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,例如製造海洋波浪、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。
圈內共有約4000個物種,其中動物(包括浮游、軟體、節肢、昆蟲、魚類、兩棲、爬行、鳥類 、哺乳等)、植物(包括浮游、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一致,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 原和沙漠間有一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 一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製而 成的。

生物圈2號中選擇植物的標准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 系統能支撐的要多一些,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、研究范圍與主要結果
�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范圍進行了廣泛、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CO�2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CO�2(約為地球大氣CO�2濃度的4倍),約相 當於100kg的碳,這一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CO�2的波動范圍為700～800ppm/d,一般為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)達到一年的最低值時(16�8mol·m��－2�d��－ 1�）,CO�2的平均濃度為2466ppm;相反,當PPF達到最高值時(53�7mol·m��－2�d ��－1�）,CO�2濃度則達到一年中的最低值1060ppm。

為了緩沖這一系統在第一年冬季低光照時的高CO�2濃度水平,利用一套CO�2循環系統首 先將它通過化學反應形成CaCO�3,如需要時把後者加熱到950°C便可釋放CO�2進入大氣 。4個月間[DK10]�約有53880mol(相當於9450ppm)�的CO�2通過定期使用這一物化系統以 CaCO�3的 形式沉積下來。這一沉澱可以間接說明約1%大氣O�2的下降(通過有機碳氧化和隨後的CaCO �3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,CO�2濃度 暫時下降了200ppm,即為每天正常變化的1/3。

CO�2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號一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� 胡蘿卜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�5 1%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%。O�2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,O�2濃度則以每月0�25%的線性水平下降。O�2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年末一次性注入。其它閉 式人工生態系統(如肯尼迪航天中心製造的生物量生產艙)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,即無污染、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。原因之一就 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。另外一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,那麼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。

集約農業區共有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,包括穀物、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(其餘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B��12�和維生素D。肉類很少,蛋每人每周平均一個。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,這也證明乾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%～2 0％。當食物網更為一體化且株冠成熟後,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。如果沒有人的直接干預,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 什麼剩餘。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,有人甚至還胖了一些。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O�2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O�2濃度對健康產生的不良影響。一旦O�2濃度繼續下 降時,可望能適應相當於海拔4600m處的O�2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一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號是第一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 類科學史上的一大傑作,受到國際上的普遍關注與贊賞。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,給人一種缺 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,一定能夠取得豐 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。欲在那裡建立居 民區,必 須開發生態生命保障系統,創造一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CO�2、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一本領。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。

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版權所有，1996。5
航天信息研究所

5. 生物圈二號

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。
約4000個物種
圈內共有約4000個物種，其中動物（包括：軟體、節肢、昆蟲、魚類、兩棲、爬行、鳥類 、哺乳等）、植物（包括浮游、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。
各個野生生物群落中的生境並不一致
該系統內既有高大的樹木（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一致，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一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 一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製而成的。 生物圈2號中選擇植物的標准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 系統能支撐的要多一些，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。

6. 生物圈2號實驗結果如何

失敗了，詳細情況如下：
美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是一座微型人工 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,委託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女共8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出 ,停留共計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女共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范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.
一,概況
佔地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 ).為了解決這一矛盾,沒有像通常那樣採取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為" 肺"的體積可變室,以使大氣在恆壓下脹縮.兩"肺"就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣 缸上一樣,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:不論什麼地方有泄漏,內部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染;活塞的 持續下滑則表明某處出現泄漏.兩"肺"的體積佔到該圈密閉體積的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,壓力及重量范圍
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"是一個完整的計算機數據採集和控制系統,它是從位 於居住區的指揮室輻射出的微處理機網路系統.這一內部"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 多個感測器(每15分鍾記錄一次並讀入無限增長資料庫)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 數據感測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准壓力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,例如製造海洋波浪,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.
圈內共有約4000個物種,其中動物(包括浮游,軟體,節肢,昆蟲,魚類,兩棲,爬行,鳥類 ,哺乳等),植物(包括浮游,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一致,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 原和沙漠間有一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 一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製而 成的.
生物圈2號中選擇植物的標准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 系統能支撐的要多一些,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,研究范圍與主要結果
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范圍進行了廣泛,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,這一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的波動范圍為700～800ppm/d,一般為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)達到一年的最低值時(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濃度則達到一年中的最低值1060ppm.
為了緩沖這一系統在第一年冬季低光照時的高CO2濃度水平,利用一套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通過定期使用這一物化系統以CaCO3的形式沉積下來.這一沉澱可以間接說明約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號一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,胡蘿卜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年末一次性注入.其它閉式人工生態系統(如肯尼迪航天中心製造的生物量生產艙)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,即無污染,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.原因之一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.另外一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,那麼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.
集約農業區共有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,包括穀物,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(其餘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,蛋每人每周平均一個.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,這也證明乾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%.當食物網更為一體化且株冠成熟後,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.如果沒有人的直接干預,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,但沒有什麼剩餘.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,有人甚至還胖了一些.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.一旦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一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號是第一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一大傑作,受到國際上的普遍關注與贊賞.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,給人一種缺 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,一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.欲在那裡建立居 民區,必 須開發生態生命保障系統,創造一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一本領.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,你還好嗎
若干年前,在美國亞利桑那州的沙漠中再造一個"迷你地球"的實驗失敗後,耗資2億美元的"生物圈2號"一時間成為笑柄,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,或許很少有人注意到,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,成為一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,成為一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"
曾經有人提出過一個看似天方夜譚的設想,在我們生活的地球上再造一個"迷你地球",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號佔地13000平方米,彷彿一個巨大的溫室,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號就是一個"迷你地球".
1991年9月26日,生物圈2號迎來第一批志願者,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(其中一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.
一個"烏托邦"式的科研計劃宣告破產.生物圈2號遭到了一些人無情的嘲笑,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一個看似淺顯的道理:"目前地球仍然是人類的惟一家園."不僅如此,它還在不經意間給人們留下了一些佳話.
生物圈2號稱得上是一個"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"里,培育出了愛情之花.實驗結束幾個月後,兩批居民中分別有一對結成伉儷.這或許應了一句古話: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.結果第一批居民中的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一份驚喜,真可謂無心插柳柳成蔭.當時的一位居民,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號到底能做些什麼.
1996年1月,巴斯乾脆把生物圈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.經過一番考慮,哥倫比亞大學計劃把生物圈2號改造為一個致力於地球系統科學的研究中心,同時請來威廉·哈里斯擔任新的負責人.哈里斯曾在美國國家科學基金會工作多年,是一位管理大型科研項目的高手.
其實,建造生物圈2號的2億美元並不像一些媒體所說的那樣"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一個很好的平台.這大概也是哥倫比亞大學和哈里斯願意接手爛攤子的原因之一.
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號究竟可以派上什麼用場,科學家們就出現了分歧,有人希望把生物圈2號打造成一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,轉型計劃一度受挫,士氣因此大受影響,一些科學家先後離開了生物圈2號.
有道是,峰迴路轉.兩年後,人造海洋終於"濺起了一些水花".發表在1998年2月13日美國《科學》雜志上的一篇論文稱,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.
這樣一篇論文,對外行來說或許沒什麼大不了的,對生物圈2號來說卻大概算得上一個轉折點.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一個理想平台.
2001年4月,世界著名植物學家貝瑞·奧斯蒙德接替哈里斯領銜生物圈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,吸引了不少世界一流的科學家.
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號召開了一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一張王牌."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》雜志上,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徵性的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麼 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一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,只要有投入就一定會有回報,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,為我們提供了一個極好的範本.

7. 生物圈2號是什麼東西

名稱: 「生物圈」2號構想
簡介

1991年9月27日，來自美、英、德和比利時等國的4男4女進入「生物圈」2號，進行兩年的全封閉研究。這8位志願者在兩年中除依靠外界3.7兆瓦發電廠供電外，其餘一切都要按「生態系統」的「循環」准則，實行完全的自給自足。兩年中，除伯恩特被脫粒機劃傷手指暫離治病外，無一人離開過這玻璃城堡一步。這項計劃的第二批研究人員已經進入。
生物圈二號位於美國亞利桑那州圖森市南部，是愛德華·P·巴斯及其他人員主持建造的人造封閉生態系統。佔地1.3萬平方米，大約有8層樓高，為圓頂形密封鋼架結構玻璃建築物。「生物圈二號」建造於1987年到1989年之間，它被用於測試人類是否能在以及如何在一個封閉的生物圈中生活和工作，也探索了在未來的太空殖民中封閉生態系統可能的用途。「生物圈二號」使得人們能在不傷害地球的前提下，對生物圈進行研究與控制。「生物圈二號」的名字來源於它的原始模型「生物圈一號」，即地球。

建築概況

•佔地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 . 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.為了解決這一矛盾,為該圈裝配了兩個稱為" 肺"的體積可變室,以使大氣在恆壓下脹縮.兩"肺"就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣 缸上一樣,活塞重量產生相對於周圍大氣壓力的內部正壓.不論什麼地方有泄漏,內部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染.
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.

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.
圈內共有約4000個物種,其中動物(包括浮游,軟體,節肢,昆蟲,魚類,兩棲,爬行,鳥類 ,哺乳等),植物(包括浮游,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一致,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 原和沙漠間有一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 一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製而成的.
生物圈2號中選擇植物的標准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一些,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.

前期試驗

整個計劃中共有兩次任務；第一次任務計劃從1991年9月26日起至1993年9月26日結束，第二次任務在1994年進行了6個月。在第一次任務中，氧氣濃度以每月0.5%的穩定速率不斷下降，一直持續到內部大氣成分與海拔超過1200m的地區相似。最終，氧氣濃度降低到了危險水平，不得不從外界泵入純氧。
•氧氣濃度下降的元兇被懷疑是土壤中生存的微生物。農業區、熱帶草原區和雨林區都在任務前引入了微生物以支持植物生長。直到後來才發現這些微生物消耗了太多的氧氣。
•這個推測存在的一個問題是：既然微生物大量地消耗了氧氣，那同時也應該產生大量的二氧化碳，但在大氣成分分析中並未發現二氧化碳成分有明顯的增加。調查顯示，位於基部的混凝土在硬化過程中吸收了這些二氧化碳。然而，由於後來又重新補充了氧氣和其他的一些支持，該計劃失掉了一些可信度。

研究范圍與主要結果

•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范圍進行了廣泛,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.

走出烏托邦

1991年9月26日,生物圈2號迎來第一批志願者,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(其中一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.
•當然,生物圈2號也使人們更加明白一個看似淺顯的道理:"目前地球仍然是人類的惟一家園."

總結

從現實看，「生物圈」計劃的構想，與大型航天器的密閉生態型生命保障系統有不謀而合之處。所以美國政府對「生物圈」2號極為關注，並進行了嚴格的督察。
專家普遍認為，在太空中，生物圈肯定要比冷冰冰的全金屬軌道站要舒適得多，而且最大的優越性是不需或極少需要物資補給。
美國加州大學病學家沃爾福特教授，是進入「生物圈」2號第一批研究者之一，他說：「我們需要進行這樣的研究，這是為以後某個時候地球上無居住地而作準備。現在開始並不為期過早。」
遺憾的是，由於種種原因「生物圈」二號未能完成科學家們設想的試驗計劃，並在1996年宣布提前結束了實驗。看來，人造生命環境的嘗試，要想取得成功，還要十分漫長的道路需要探索。

8. 大家誰知道關於生物圈二號的資料，請告訴我。謝謝！

「生物圈二號」

對密閉生態循環系統的研究，不僅只有理論上的探討，在美國、日本和俄羅斯等國的科學家，還建有大型實驗基地進行實驗驗證，如美國的「生物圈二號」。

為什麼是「生物圈二號」？難道還有「生物圈一號」嗎？有。那就是地球這個大生物圈。

1984年，美國科學家滿懷熱情地在亞利桑那州的沙漠中挑選了一處地方，在那裡修造了人工海洋、淡水和鹹水沼澤，栽植了熱帶雨林和熱帶草原，各種植物達3500種，然後，用鋼架、琺琅和玻璃把它們封密起來。面積約1.3萬平方米，容積為20.4萬立方米。

在這個巨大的封閉建築內，自然少不了動物，科學家挑選了豬、羊、雞、蜂鳥和各種魚類，總數達300種，還有各種有益的昆蟲和微生物等。

裡面的空氣與外面的完全相同。陽光也自然採集。

現在這個生態系統中缺少的就是人了。

1991年9月26日，第一批8名科學家躊躇滿志地進駐其中，進行自給自足的生活實驗。人們對此也給予了極大的關注，希望他們一舉成功，促使月球基地、火星基地和太空城早日誕生。

但是，進駐其中的8名科學家，不久就發現存在不少問題，如空氣的含氧量減少，二氧化碳濃度增加等。這年12月9日，打開吸氣口，換了17000立方米的空氣，占其中空氣總量約1/3。即使這樣，8名科學仍然只在其中生活了470多天，於1993年1月提前撤出，沒有達到預計在其中生活兩年的時間。而且後來透露，他們還違反初衷，暗地裡帶入3個月的口糧和夠用兩年的動物飼料；一名女科學家出外治好手指刀傷返回時，又帶進一大箱行李，以及電腦文件等。

1993年3月6日，第二批7名科學家進駐，計劃在其中生活10個月。他們面臨的問題更多，如氧含量由原來的21％降到14％；由於二氧化碳和一氧化碳猛增，使人體合成維生素B12的能力減弱，危害大腦健康。而藤本植物和小草等卻趁勢猛長，非常繁茂，沙漠變成了草地。但高大喬木則因上層溫度超高、下層溫度超低而枯萎；蜜蜂等有益的昆蟲大部分死亡，造成靠花粉傳播而繁殖的植物幾乎滅絕；相反，白蟻、蟑螂等有害的昆蟲卻生存了下來。

第二批科學家被迫於當年9月17日撤出。

「生物圈二號」的實驗失敗了，這說明建立生態循環系統包含著許多復雜的深刻的科學問題，將生命融入太空決不是簡單的事情；反過來看，保護地球的生態平衡顯得多麼意義重大。

◆生物圈與生物圈二號

生物圈就是地球表面生物能夠生存的區域，它是經過幾十億年漫長歲月的進化而逐步形成的。生物圈是由大氣圈的下層、岩石圈的表層以及整個水圈三個地理圈的總和所組成的。生物圈的范圍，上限可達海平面以上10公里的高度，陸地上可達2-3公里深的岩石，下限達海平面以下12公里的深處。在這個范圍內，生物最活躍，其中綠色植物的光合作用，使地球各自然圈之間，發生物質和能量的相互滲透，形成地球表面生物能量轉化和物質循環。

人類就是生活居住在地球的生物圈裡，人們所需要的食物、能量、氧氣全部是由生物圈提供。然而，自從有了人類，地球上人口的數量在逐年遞增，環境污染在逐步加劇，人們賴以生存的環境---生物圈，正在受著嚴重的威脅。不少科學家估計，地球最多能養活150億人左右，按現在人口增長的速度，達到這個數字已不是十分久遠的事情，那麼從現在起，我們就應該探討人類生存的新空間。帶著這一研究課題，1991年9月26日，4男4女8位科學家進入了「生物圈二號」，開始了與世界隔絕的實驗。

生物圈二號是美國亞利桑那州乾燥地區的一座由玻璃和鋼鐵組成的巨大溫室，其中包括海洋、草原、沼澤、熱帶雨林、沙漠等5種生物群落區，除此之外還有居住區和農業區。8名生物圈人在其中可以自己供應糧食，除了能源（陽光和電力）與通訊之外，在不需要依賴外界的情況下可維持兩年，因為空氣、水、排泄物都是利用大自然的循環系統重復使用。

生物圈二號是模仿地球生物圈的「迷你地球」，實驗結果將應用於太空站或火星上。因此也稱為「太空殖民地的原型」。

兩年過去了，1993年9月26日，8位科學家滿面春風地從生物圈二號中走了出來，結束了在那裡度過的「世外桃源式」的生活。此舉被國內外數家報刊和通訊社評為「93世界10大科技新聞」之一。

參加這項實驗的科學家稱：「這項科研活動是成功的。8位科學家搜集到許多很有價值的資料」。「這是一種異乎尋常的挑戰，這是人類在地球生物圈以外維持生存所走出的成功的第一步」。「我們的實踐證明，人造生物圈能使從事生態研究和太空活動的人員維持生存。」

生物圈二號將在關閉5個月後，由另一批科學家帶著新的科研項目進去從事一年的試驗。組織者們希望通他們的研究和實驗，進一點弄清維持地球生命的過程和消除威脅地球的環境污染問題，以便為將來在太空建立永久性居住區提供一個真實的模型。

隨著生物圈計劃的推行，美、俄、日等國最近正在討論將於2010年前後聯合向火星發射一艘載人宇宙飛船。在這次飛行之後，人類將在火星上建造一個長期有人駐守的國際基地，那將是人類在另一個星球上的第一個立足點！

原載陝版《中學地理報》1994年7月21日總181期

9. 為什麼稱為「生物圈二號」試驗的目的實驗是怎樣進行的

1.稱為「生物圈二號」是因為地球本身被稱作生物圈1號，而生物圈二號又是世界上最大的閉式人造生態系統。 2.生物圈2號計劃設計在密閉狀態下進行生態與環境研究，幫助人類了解地球是如何運作，並研究在模擬地球生態環境的條件下，人類是否適合生存的問題。 3. 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。生物圈2號佔地1.28公頃，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。 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 一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製而成的。圈內共有約4000個物種，其中動物（包括、軟體、節肢、昆蟲、魚類、兩棲、爬行、鳥類 、哺乳等）、植物（包括浮游、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。該系統內既有高大的樹木（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一致，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一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。 1991年9月26日4男4女共8名科研人員首次進駐生物圈2號，1993年6月26日走出 ，停留共計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女共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。在1991至1993年的實驗中，由於研究人員發現：生物圈2號的氧氣與二氧化碳的大氣組成比例，無法自行達到平衡；生物圈2號內的水泥建築物影響到正常的碳循環；多數動植物無法正常生長或生殖，其滅絕的速度比預期的還要快。經廣泛討論，確認「生物圈2號」實驗失敗，未達到原先設計者的預定目標，這證明了在已知的科學技術條件下，人類離開了地球將難以永續生存。同時證明：目前地球仍是人類唯一能依賴與信賴的維生系統。

10. 生物圈2號是什麼

美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是一座微型人工 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,委託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女共8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出 ,停留共計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女共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范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

不過實踐證明，該計劃失敗了

然而事實表明，「生物圈2號」的設想是不現實的。1993年1月，8名科學家進入「生物圈2號」一年多後，由於土壤中的碳與氧氣反應生成二氧化碳，部分二氧化碳又與建「生物圈2號」用的混凝土中的鈣反應，生成碳酸鈣，導致其中氧氣含量從21%降到14%；二氧化碳含量猛增。另一個意外是，「生物圈之號」運行3年後，其中的一氧化氮含量劇增到了79%，足以使人體合成維生素B12的能力減弱，危害大腦健康。

科學家還發現，除了藤本植物比較繁榮外，所有靠花粉傳播繁殖的植物都滅絕了，大樹也搖搖欲墜；昆蟲除了白蟻、蟑螂和蟈蟈外，幾乎都死了，人造海洋中生物生存情況略好於陸地；人造沙漠由於沒有控制好降雨，變成了草地；「生物圈2號」下層的溫度又大大低干預計的數字。1996年衛月衛日，哥倫比亞大學接管了「生物圈2號」。

科學又一次證明，地球是唯一孕育生命的星球。20多億年間，地球上生物繁衍生息，存優汰劣，留存至今的動物約有數百萬種·人類從誕生起，衣、食、住、行以及經濟活動，無一不依賴這個星球，地球上的森林、湖泊、草原、海岸等自然系統，是人類賴以生存的基本環境。目前，人類還無法用人工方法保持地球的活力，沒有人知道怎樣建造一個脫離地球自然環境，而又能讓人類休養生息的生態系統。