A. 「生物圈二號」實驗成功了還是失敗了為什麼對我們的啟示是什麼
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。
「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。
B. 生物圈二號失敗的啟示！
失敗，詳見↓
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.
C. 生物圈二號失敗原因
生物圈2號是美國建於亞利桑那州圖森市以北沙漠中的一座微型人工生態循環系統，為了與生物圈1號（地球本身）區分而得此名，它由美國前橄欖球運動員約翰·艾倫發起，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。
氧氣未能順利循環是導致生物圈二號失敗的重要原因。由於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，致使氧氣含量下降，不足以維持研究者的生命。
此外生物圈二號中降雨失控、多數動物滅絕、為植物傳播花粉的昆蟲全部死亡、還有黑螞蟻爬滿建築物等也是生物圈二號失敗的原因。
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。
D. .生物圈二號實驗失敗證明了什麼
證明了人類現在還無法模擬出象地球一樣的生態環境，所以地球是人類生存的基礎，是生命的搖籃。
打字累，望採納
E. 從生物圈與人類的關系來看，生物圈2號的失敗說明的科學道理是
【答案】D
【答案解析】試題分析：生物圈是最大的生態系統，它為生物提供了營養物質、陽光、空氣、水、適宜的溫度和一定的生存空間等生存的基本條件，適合生物的生存，科學家將它稱為生物圈Ⅰ號，生物圈Ⅱ號是科學家模擬生物圈Ⅰ號建造的一個實驗基地，該實驗最後以失敗告終，它用事實告訴我們，迄今為止，生物圈仍是人類和其它生物的唯一家園，故選D。
考點：本題考查的是保護生物圈的意義。
F. 生物圈二號的啟示
生物圈2號是人類歷史上的一次偉大嘗試，是對封閉生態系統在外層空間支持和維持人類生命的可行性的探索，盡管這一嘗試最終不了了之。但作為擁有好奇心的人類，我們有必要研究一下為什麼會不了了之？從而更好地理解這個世界的運作方式。
首先，我們來看一下它的結構。生物圈2號佔地面積約1.3萬平方米，建築最高點可達到27.7米，主體建築包含5個生態系統：沿海沙漠、熱帶雨林、稀樹草原、紅樹林濕地和珊瑚礁海洋；還有兩座圓頂輔助結構，其屋頂通過上升和下降來調節由於晝夜溫度交替造成的內外壓強差；還有一個地下技術圈，用來運行和維護生物圈環境；還有20多個空氣處理單元，用來調控生物圈中空氣的溫度和濕度。
僅從它的結構出發，我們很容易斷言人類身處其中能夠生存一相當長的時間，畢竟一切都設計得那麼精緻、完美。但事實上，沒過多久，生物圈二號內二氧化碳濃度大幅度波動，高峰時二氧化碳的平均濃度為2466ppm，到低谷時二氧化碳濃度只有1060ppm；還有植物的光合作用也並不強烈，因而產生的氧氣無法滿足生物呼吸的需要，因為二氧化碳能夠與鋼筋混凝土發生反應而被固定成鹽；另外還出現了許多如魚類繁殖過快、沙漠區濕度過高、螞蟻和蟑螂爆炸增長、授粉昆蟲全滅、脊椎動物大部分死去、牽牛花覆蓋整個雨林區、實驗人員持續飢餓等破壞生物圈二號穩定性的事件。而如果依然保持封閉，實驗人員和其他生物可能都得死亡，因此，不久就有氧氣和其他物質輸入其中，而這就代表著，這個計劃的破產。
我們如果仔細地研究生物圈二號的結構，我們還是會發現一些不合理之處的，我們如果將它的結構與大自然進行比較的話，我們會發現，它的結構與作用關系遠遠沒有大自然那麼復雜，就像人造器官始終無法取代甚至媲美自然器官。例如，生物圈二號內各個生態系統的大小以及比例設計得不合理，如海洋和陸地的比例不對，海洋佔比太少了；各個生態系統間的數據反饋系統不成熟；沒有考慮混凝土建築對大氣的影響；各個生態系統之間的位置關系及排布方式不合理。
生物圈的結構和其具有的物質循環、能量流動和信息傳遞是很難模仿的，生物圈二號的失敗正說明了這一點，而我們人類的健康生存依賴於生態系統良好的結構和功能。這就意味著：現在，只有在生物圈一號上我們才能持久地生存，如果生物圈一號像生物圈二號那樣出現了這樣那樣的問題，等待我們的可能就只有滅亡。所以，現在我們還是要好好珍惜我們腳下的土地、頭頂的天空。
不過，我們還是會繼續探索人類在外層空間居住的可能。
G. 生物圈二號為什麼會失敗
原因:氧氣總量因為土壤中有機質被氧化而下降,而產生的二氧化碳被建造建築的混凝土吸收了,沒有進入循環.
生物圈內光合作用能力不夠,密閉容器內的二氧化碳含量上升,比地球上正常含量高出10倍以上
一年多以後,「生物圈2號」的生態狀況急轉直下,氧氣（O2）含量從21％迅速下降到14％,而二氧化碳（CO2）和二氧化氮（NO2）的含量卻直線上升,大氣和海水變酸,很多物種死去,而用來吸收二氧化碳的牽牛花卻瘋長.大部分脊椎動物死亡,所有的傳粉昆蟲的死亡造成靠花粉傳播繁殖的植物也全部死亡.由於降雨失控,人造沙漠變成了叢林和草地.「生物圈2號」內空氣的惡化直接危及了居民們的健康,科學家們被迫提前撤出這個「伊甸園」.二氧化碳多、氧氣少（因為植物相對太少了,不足以將人和植物自身產生的那麼多二氧化碳轉化並釋放氧氣.氧氣的消耗速度高於產生速度,而二氧化碳的產生高於消耗）、水循環失調、生物種類關系的失調等.「生物圈2號」的實驗以失敗告終.
H. 「生物圈二號」失敗的啟示
生物圈是指地球上所有生態系統的統合整體，它包括大氣圈、水圈、岩石圈與生態圈。生物圈是一個封閉且能自我調控的系統，地球目前是整個宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。未來，人類移民外星球，就必須適應新的生物圈。
1982年，一些科學家開始提出在地球上建立一個封閉的小型生物圈的計劃，這個小型生物圈可以作為火星殖民的實驗基地、核大戰後的庇護所，也可以用作居住型實驗室，對整個生態系統進行各項研究。人們把這個迷你型生物圈稱為「生物圈二號」，其名字源於它的原始模型「生物圈一號」，即地球。
被寄予厚望的人造生態系統
「生物圈二號」位於美國亞利桑那州沃洛克鎮，這里光照強烈，生態環境相對荒涼，有些類似於太空的環境。它建造於1987年到1991年之間，佔地面積約1.3萬平方米，建築最高點可達到27.7米，主體建築包含5個生態系統：沿海沙漠、熱帶雨林、稀樹草原、紅樹林濕地和珊瑚礁海洋；還有兩座圓頂輔助建築，那便是生物圈的「肺部」，其屋頂通過上升和下降，來調節由於晝夜溫度交替造成的內外氣壓差。此外，還有一個地下技術圈，主要是用於運行和維護生物圈環境。有20多個空氣處理器單元，用於調控生物圈中空氣的溫度和濕度。
生物圈二號的工程建造經費約2億美元，運轉費用每年約600萬美元。她運轉的原理是模擬目前生態學家發現的地球生態系統中能量流動和物質循環的原理，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。當時一篇文章稱它為「繼肯尼迪總統啟動登月計劃後美國最激動人心的科學工程」，參與生物圈二號計劃的人，和宇航員一樣被視作英雄。
生物圈二號建設之時，招募進入其中的志願者的工作也在同步進行，報名者趨之若鶩，但對體能、心理等素質的「苛刻」要求使眾多來試者望而卻步。志願者要在一個模擬的小圈內單獨測試忍耐力。該小圈是個僅能放下一張小床外帶小得可憐活動空間(其中植物佔了大半)的玻璃小屋，有的實驗者僅呆了四五個小時就嚷著要出去，而有的住了幾天，最久的連續住了三個月。
難以解決的問題
然而，盡管這些居民事先花去幾年時間接受了相關培訓，擁有每年耗資百萬美元的技術支持，各種各樣的問題仍然接踵而至。比如技術問題、人與 社會 問題、生物問題、管理問題等，這些問題最終也導致了此次任務的失敗。
1、技術問題
志願者進入生物圈二號不久，圈內含氧量開始下降，並最終低於14.5%，而正常水平為21%。含氧量低會導致疲勞，並威脅到圈內居民的 健康 ，這相當於高原反應。而一氧化二氮和二氧化碳的含量卻在增加。所以這個設備很快就難以運作。為了解決這些問題，科學家們決定向設備注入氧氣，並且每天打開「肺部」以允許來自外部環境的空氣流入。缺氧的主要原因似乎是因為氧氣被生物圈二號的一些混凝土結構吸收了，隨後科學家們又通過密封混凝土來克服這個問題。然而，氧氣降低或者二氧化碳增加還有一個可能的原因是生物圈內土壤中的微生物過多，它們會將氧氣轉化為二氧化碳。
此外，還有一個問題沒有被預見到——厄爾尼諾現象。1991-1992年期間，厄爾尼諾現象使生物圈二號所處之地異常多雲。雲層覆蓋可能限制了植物內部的光合作用，從而致使圈內二氧化碳含量大大高於正常水平。
除此之外，還存在空氣泄露。有人指出，這種泄露是不可避免的。但是這引起一些人的質疑，密閉的環境是整個項目實施的基礎。如果存在空氣泄露或者利用外界的地球環境來交換空氣，那這個實驗還有效嗎？還有意義嗎？
2、人與 社會 問題
進入生物圈二號不久，8位居民很快發現他們無法生產足夠的食物來養活自己。他們帶來了各種用來種植的種子，比如花生、玉米、蔬菜等。然而他們卻遇到了各種各樣的問題，比如蟲害、植物病害，畢竟他們不是專業的種植人員。隨著食物危機的加深，他們不得不吃掉一些帶來的種子。雞、豬等家禽也因為面臨與居民競爭食物而被吃掉。如此一來，便形成惡性循環，自給自足的幻想破滅。在最初的6個月，他們一直處於飢餓狀態，平均體重下降16％。
人際關系問題也是不可避免的。根據參與者之一簡·波因特後來發表的文章稱，8個人在居住6個月後便分成兩派。雖然兩個小組一起工作，但是卻無法相處。這也導致他們難以齊心協力來解決所面臨的問題。
3、生物問題
生物圈二號內的生態系統是由生物圈一號(地球生物圈)過分簡化而來的。雖然設計者們把地球上各種類型的生態系統「搬進」了「生物圈」，然而所搬進的主要是生態系統的第一性生產者植被，並未把相應的動物、真菌、微生物等群落也按比例搬來。如熱帶雨林中沒有大型動物，倒是引進土壤時帶來了螞蟻及蟑螂的卵，這些生物在此大量繁殖。還有，幾個主要類型的生態系統尤其是熱帶雨林植物在很高的二氧化碳濃度下生長的非常繁茂, 表現出異常高的光合能力。由於缺乏相應的消費者和分解者而迅速積累，大量的枯落物面臨清理問題。過度生長的熱帶雨林喬木觸及了頂部玻璃，大有穿破玻璃之虞。引進藤本植物(如牽牛等)的目的是為了用做固定二氧化碳的匯，卻不料這些植物在高二氧化碳濃度環境下瘋長，危及其它植物與農田。所有花粉傳播動物消失，使一些有賴於此的有花植物不能正常授粉。同時引入的25種脊椎動物中有19種消失。
4、管理問題
也許生物圈二號最嚴重的問題之一是缺乏高水平的科學管理。在這次任務即將結束時，一個專家團隊專門做了一個分析報告。該報告指出該項目的幾點不足之處，比如缺乏一個完善的書面的科學計劃、缺少科學信息交流和互動等。該報告建議任命一名科學研究主任監督項目的進展，並確保管理人員公開討論他們的任務進展情況。
生物圈二號的成敗得失
1993年9月，這8名居民終於從生物圈二號中走出來了，這也許對他們來說是一種解脫，畢竟「與世隔絕」的生活可能沒那麼美好。
1994年3月，經過短期修整之後，生物圈二號又迎來了第二批居民，共7人。但是在第二次任務期間，由於生物圈內一氧化二氮（N₂O，俗稱笑氣，有麻醉作用）積累過多以及項目管理問題，任務不到一年便匆忙結束了。實驗再度以失敗告終。從此，再也沒有人在「迷你地球」上過日子了。
1994年6月，生物圈二號的管理公司解散，其管理工作先後被移交給哥倫比亞大學和亞利桑那大學，用於科學項目研究。
從最初的媒體寵兒到後來被批「偽科學」，生物圈二號彷彿經歷了天堂到地獄的兩重天。科學輿論界對生物圈二號的批評主要有：作為一個生態系統，它和外界真正的生態系統不能同日而語，如土壤是非自然的；野生動植物數量遠遠減少，尤其只剩下螞蟻和蟑螂等幾種動物。此外，這個迷你生物圈的封閉也是不完全的，電力、信息、葯品等要從外界輸入，作為一個超大溫室又太暗了，維持費用太高。
而支持者則說，它是成功的，是我們太空 探索 的一項偉大實驗。在嚴格的科學評估中，生物圈二號也許是失敗的，但它給了我們很多啟示。比如，生物圈二號實驗中發現的內部幾大重要生命元素如碳、氮、氧循環的不平衡，為以後的太空城探險提供非常難得的資料；它證實了人類能夠通過高 科技 的手段在任意惡劣的環境下創造出適於生命生存的空間；它也揭示了生物種群之間的競爭、互利、協調發展等關系是人工所難以改變的。
生物圈二號可作為地球的一個縮影來思考。地球面臨的環境污染、全球氣候變化、生物多樣性喪失等問題，其後果可在生物圈二號的實驗中看到或體驗到。像生物圈二號這樣類似地球工作原理的人工生態系統內部生物面臨的問題，同樣可能會是我們地球人類所要面對的。
今天，生物圈二號已經是一個 旅遊 景點，供遊人參觀。如果你有機會去美國的話，說不定還能親眼看看這個全球最大的生態實驗室。
I. 4男4女關進封閉空間兩年，「生物圈2號」試驗失敗說明了什麼
然而要想實現星際移民，光能夠登上新的星球肯定還不夠，星際環境錯綜復雜，不可能和地球環境一模一樣，而人類早已習慣了地球的一草一木，如何在新的星球上重新建造起一個適宜人類長久生存的環境也是一個重要的問題。
為了驗證人類能否能建造一個新的環境並在其中生活，美國科學家做了一項激動人心的試驗：「生物圈2號」。一旦成功，那就意味著，人類是上帝，擁有再造地球的能力。
生物圈2號實驗是一個封閉的人工生態系統，花費了2億美元的建造費，並且每年還需要600萬美元，它佔地約12140平方米，主體建築包含5個生態系統：沿海沙漠、熱帶雨林、稀樹草原、紅樹林濕地和珊瑚礁海洋；還有兩座圓頂輔助建築，那便是生物圈的「肺部」，其屋頂通過上升和下降，來調節由於晝夜溫度交替造成的內外氣壓差。
此外，還有一個地下技術圈，主要是用於運行和維護生物圈環境。有20多個空氣處理器單元，用於調控生物圈中空氣的溫度和濕度。可以說，生物圈2號就是一個小型的地球，至少當時人們是這么認為的。
封閉的試驗基地建造完畢以後，科學家就開始招聘實驗者，最終經過嚴格的篩選，形成了4男4女組成的科學家隊伍，裡麵包括了海洋學家、植物學家、氣象學家、機械工程專家及醫學專家等，可以說陣容非常強大了，生物圈二號建成之後，1991年9月，8名人員進入其中，在全世界的熱切關注下開始為期兩年與世隔絕的生活。
在實驗室裡面，它們一切都要自給自足，食物需要種植，氧氣要通過植物的光合作用生成，而喝的水也都是需要循環利用的。
在實驗開始的第10天，一位科學家因為不會使用打穀機，在操作過程中把手指切斷了，不得不聯系外界去包紮傷口，按照原計劃它們進去之後，兩年內不能開啟與外界的大門的，因為打開基本意味著失敗。不過它們還是把試驗繼續了下去。
沒過多久，實驗室裡面的二氧化碳濃度越來越高，而氧氣濃度越來越低，漸漸地感覺到呼吸困難，這樣它們不得不又與外界聯系，讓外界注入氧氣以維持它們的生存。
解決了氧氣的問題，它們還面臨著飢餓的問題，裡面種植出來的農作物單一而且數量有限，而且有蟲害、植物病害等問題，雞、豬等家禽也很快被吃掉，在最初的6個月，他們一直處於飢餓狀態，平均體重下降16％。
除了這些以外，最嚴重問題可能還是人與人之間的相處問題，根據參與者之一簡·波因特後來發表的文章稱，8個人在居住6個月後便分成兩派。雖然兩個小組一起工作，但是卻無法和平相處。男人和女人在一起少不了爭風吃醋，而如果他們長期生理需求無法得到解決，必然也會導致脾氣更加暴躁。
最終，面臨一系列問題的實驗者們忍無可忍，隨著兩名實驗者強行破壞了大門走了出來，實驗也徹底宣告失敗。
實驗失敗有很多的原因，比如缺氧未能循環問題，後來分析是氧氣被混泥土結構吸收了很多，而且土壤內的微生物過多也把很大一部分氧氣轉化為了二氧化碳，破壞了平衡。
又比如一個小型 社會 所面對的人際關系問題、階級問題，它們面對一個看似很原始的沒有制約的 社會 卻又無法像原始 社會 那樣擺脫法律和道德的束縛，沒有明確的階級也就很難形成一致的意見，自然就會產生各種無法協調的矛盾。
試驗雖然是失敗了，但是也給了人類很多啟示：大自然並非我們想像得那樣簡單，復雜巨大的系統關聯中，可能每一縷輕風都是於生命所不可或缺的；人類要懂得順應自然，要珍愛大自然的一切，才能與地球萬物持續發展。
試驗失敗了可以重新來，但如果這是一場實戰，那麼結果是無法想像的，與其把希望寄託在浩瀚的宇宙中，不如珍惜眼前美好的地球，很有可能在茫茫宇宙中人類只有地球這一處家園，只有善待和保護她才是我們真正的出路。