A. “生物圈二号”实验成功了还是失败了为什么对我们的启示是什么
1993年3月6日，第二批7名科学家进驻，计划在其中生活10个月。他们面临的问题更多，如氧含量由原来的21％降到14％；由于二氧化碳和一氧化碳猛增，使人体合成维生素B12的能力减弱，危害大脑健康。而藤本植物和小草等却趁势猛长，非常繁茂，沙漠变成了草地。但高大乔木则因上层温度超高、下层温度超低而枯萎；蜜蜂等有益的昆虫大部分死亡，造成靠花粉传播而繁殖的植物几乎灭绝；相反，白蚁、蟑螂等有害的昆虫却生存了下来。
“生物圈二号”的实验失败了，这说明建立生态循环系统包含着许多复杂的深刻的科学问题，将生命融入太空决不是简单的事情；反过来看，保护地球的生态平衡显得多么意义重大。
B. 生物圈二号失败的启示！
失败，详见↓
美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的生物圈2号是一座微型人工 生态循环系统,因把地球本身称作生物圈1号而得此名.它由美国前橄榄球运动员 约翰·艾伦发起,并与几家财团联手出资,委托空间生物圈风险投资公司承建,历时8年,耗资1.5亿美元.
1991年9月26日4男4女共8名科研人员首次进驻生物圈2号,1993年6月26日走出 ,停留共计21个月,在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验.来自英国,墨 西哥,尼泊尔,南斯拉夫和美国等5国的4男3女共7位实验人员在对首批结果进行评 估并改进技术后,于1994年3月6日二次进驻,工作10个月后于1995年1月走出.他们在这期间 对大气,水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究. 生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统.它使人类首次能够在整体水平上研 究生态学,从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径.更为重要的是, 它将作为首例永久性生物再生式生保系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星 球定居和宇宙载人探险.
一,概况
占地1.28公顷的生物圈2号的地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型,配有双层玻璃 窗板;地面部分为焊接不锈钢板,并用钢垫密封.总体积约为180000m3.其内部主要由7种 生态群落区和两个大气扩张室(也称作"肺")组成.此外,还设有能量中心和冷却塔等设施 .其外观及有关结构参数如表1和图1所示.
为了减轻立体结构的负荷,生物圈2号的内部压力略高于周围大气压.众所周知,温 度改变必然导致压力变化,而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板(计算值极易超过kPa ).为了解决这一矛盾,没有像通常那样采取抵抗压力的措施,而是为该圈装配了两个称为" 肺"的体积可变室,以使大气在恒压下胀缩.两"肺"就如同巨大活塞通过密封膜连接在气 缸上一样,上下垂直运动距离约达15m.活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压.正压 具有两大优点:不论什么地方有泄漏,内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染;活塞的 持续下滑则表明某处出现泄漏.两"肺"的体积占到该圈密闭体积的30%.
除上述设施外,其内部还包括分析,医疗,兽医,监控,维修,锻炼,影视等室,分布在不同 部位.
与地球生物圈类同,生物圈2号在物质上闭环,通过工程手段禁止它与外界大气和地 下 土壤进行物质变换.在能量上开环,允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用,同时引入 电能供技术系统操作运转.在信息上也同样开环,通过计算机系统,电话,摄像,电视与外 界进 行数据信息交换,并通过电视可以与外界工作人员及亲属进行面对面的交谈,还可放映电影和 收看商业电视节目.电能及热控能源从外界通过气密装置输送进来,当进行能量转移时,不允 许内外流体进行任何形式的交换或混合.
表2 圈内大气温度,压力及重量范围
生物群落 温度(°C) 最高 最低 大气成分 压力�(kPa) 百分比�(%) 总重量�(kg)
热带雨林 35 13 O2 18�10 20�51 31800
热带草原/ 38 13 N2 67�51 76�51 103775
海洋/沼泽 CO�2 0�03 0�03 67
沙漠 43 2 H�2O 1�78 2�02 1761
集约农业区 30 13 Ar 0�81 0�92 1782
居住区 35 15 总量 88�24 100�00 139185
生物圈2号的"神经系统"是一个完整的计算机数据采集和控制系统,它是从位 于居住区的指挥室辐射出的微处理机网络系统.这一内部"神经系统"通过信息通路与外界 附近的"飞行控制"楼内的计算中心相联通.该楼作为分析中心而成为生物圈1号 和2号间获取分析数据及通讯的主要窗口.居住区内的指挥室通过遍布圈内的5000 多个传感器(每15分钟记录一次并读入无限增长数据库)能够有效地控制所有主要的操作参数 ,如温度,湿度,光强,水流量,pH值,CO�2浓度,土壤湿度,仪器运作状态等,并能进行 数据传感器及所有报警装置的状态显示.每件装置均有手动控制开关以防"神经系统"任何 部位的失灵.
尽管整个圈内为热带气候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相对独立的 温度.由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上,其外围大气压不是标准压力101.3 kPa,而仅约为88.2kPa,因此,其内压只能略高,即为88.24kPa.详细情况见表2.利用机械 系统模拟地球自然环境,例如制造海洋波浪,潮汐,溪流,瀑布以及按照季节要求控制风, 雨,湿度等,并控制盐分梯度及营养循环速度和进行海水淡化.
二,生态群落
生物圈2号有5个野生生物群落(热带雨林,热带草原,海洋,沼泽,沙漠)和两个 人工生物群落(集约农业区和居住区).它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板 ,分别由美英生物和生态学家设计而成.
圈内共有约4000个物种,其中动物(包括浮游,软体,节肢,昆虫,鱼类,两栖,爬行,鸟类 ,哺乳等),植物(包括浮游,苔藓,蕨类,裸子和被子等)约3000种,微生物(包括细菌,粘 菌,真菌,微藻等)约1000种,它们分别来自澳大利亚,非洲,南美,北美等地.
该系统既有高大的树木(如红树),也有矮小的灌木草丛植物,错落有致,憩静秀美.各个野生 生物群落中的生境并不一致,它们分别有4,6,4,4,6种生境,如海洋有海滩,浅咸水湖, 珊瑚礁和海水等4种类型.生物群落间均有相对独立的生态区将它们互相隔开,例如,热带草 原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离.为了保护各个群落不受环境胁迫,在其周围种植了耐 性强的植物,例如,热带雨林的三周围是浓密的姜科植物,从而保护内部树种免遭侧面强光照 射,而与海洋的界面间种有竹子来抵御盐分渗入.
为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤,草皮,海水,淡水均取自外界的不同地理区间,通过 一定的人工处理再利用.例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而 成的.
生物圈2号中选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命保障,分类多样性,物理 参数,植物的可利用程度和美学价值.为了适应达尔文的自然选择过程,植物种类开始时比 系统能支撑的要多一些,这样可以补偿物种的遗失或灭绝,并最终促进系统的持续稳定.
三,研究范围与主要结果
首批8名科学家在21个月的密闭人工生态环境中按照各自的研究范围进行了广泛,细致,深 入的观察,记录,分析,研究项目包括生物地球化学,土壤,水,海洋,"全球"生物量, 农 业,遗传,生理,营养,医学,心理以及技术和工程学等内容.本文仅就几个较为重要的研 究结果概括如下:
1�大气动力学与大气泄漏
在微小的闭式生态系统中生物地球化学循环速率显着加大,这是由于它缺乏地球生物圈所具有的巨大贮存作用以及有机体与无机物的比率大大增加的缘故.即使在生物圈2号这样大的装置中,大气CO2的平均滞留时间仅为1～4天,而地球生物圈中则约为3年.
生物圈2号中浓度为1500ppm的大气CO2(约为地球大气CO2浓度的4倍),约相 当于100kg的碳,这一数量与圈内的生物量和土壤中的有机碳相比大大降低,分别为100:1 和5000:1,而地球中的相应比例分别为1:1和2:1.
生物圈2号中CO2的波动范围为700～800ppm/d,一般为500～600ppm/d,有时会更低,这与季节,昼夜循环和天气变化导致的光合作用和呼吸作用的动态消长有直 接关系.当光强(光合成光通量,PPF)达到一年的最低值时(16.8mol·m-2d- 1),CO2的平均浓度为2466ppm;相反,当PPF达到最高值时(53.7mol·m-2d-1),CO2浓度则达到一年中的最低值1060ppm.
为了缓冲这一系统在第一年冬季低光照时的高CO2浓度水平,利用一套CO2循环系统首 先将它通过化学反应形成CaCO3,如需要时把后者加热到950°C便可释放CO2进入大气 .4个月间[DK10]约有53880mol(相当于9450ppm)的CO2通过定期使用这一物化系统以CaCO3的形式沉积下来.这一沉淀可以间接说明约1%大气O2的下降(通过有机碳氧化和随后的CaCO3分离).相反,1991年12月用来补偿大气泄漏的10%外部大气的加入影响较小,CO2浓度暂时下降了200ppm,即为每天正常变化的1/3.
CO2的浓度升高可导致海水酸度增加.为了避免此现象发生,在海水中分期加入碳酸钠和 碳酸氢钠,这样可以保持pH值在7.7以上.
表3, 生物圈2号一年内总的农业生产量(kg) 蔬菜: 菜豆8,甜菜叶273,甜菜根308,胡椒13,胡萝卜88,辣椒63,甘蓝83,黄瓜17,茄子155,羽衣甘蓝11,生菜90, 洋葱107,Bok choy12,雪豆1, 南瓜籽8,西葫芦287,Swiss Chard58,甘薯叶64,番茄288,冬瓜261;粮食:水稻196,高粱131,小麦113;淀粉类蔬菜: 白薯198,甘薯1335, Malanga84,薯蓣20;高脂肪豆类:花生24,大豆14;低脂肪豆类:蚕豆63,豌豆15 ;水果:苹果1,香蕉1024,无花果39,番石榴41,金柑4,柠檬10,酸橙4,柑桔6,番木瓜639;动物产品:山羊奶407,山羊肉8,猪肉35,鱼10,蛋6,鸡肉8,总计6630 .
氧气动力学令人困惑不解.1991年9月到1992年6月间,生物圈2号中氧浓度从20.51%下降到16.95%,到1993年1月中旬时则为14.5%.基于医学忠告,1992年6月后的几个星期 在圈内不断输入纯氧,使其浓度回到19%.O2浓度下降主要发生在密闭后的前4个月,此时为18%,1 9 92年4月以后,O2浓度则以每月0.25%的线性水平下降.O2浓度下降的真正原因并不十分清楚,利用几种方法的氧气动力学研究仍在进行,包括研究圈内氧同位素的分布.
生物圈2号气密性非常高.根据泄漏率和压力间的关系推知,年泄漏率为6%,而根据标记微量气体(SF6)逐渐稀释的测量结果证明,年泄漏率不超过10%.在最初的4个月中(19 91年9～12月),大气泄漏约10%,相应的外界气体于1991年末一次性注入.其它闭式人工生态系统(如肯尼迪航天中心制造的生物量生产舱)每天的泄漏率就在1%～10%之间 .
2,食物生产与废物处理
生物圈2号中的农业系统必须满足3个主要要求,即无污染,集约型和可持续性.空间生物圈风险投资公司和其农业区的主要顾问亚利桑那大学环境研究实验室,起初试验水培和气培的种植技术,最后由于种种原因而不得不转向以土壤为基础的农艺技术.原因之一就是水培必须依赖于化学营养液的输入,而这在空间是难以解决的.另外一个原因是如果没有能力做堆肥或利用植物/微生物系统进行废水再生,那么促使动物和人的废物及作物不可食生物量部分等循环利用的相关问题就更难以解决.此外,堆肥或沼泽废水处理系统较湿氧化或焚化等物理系统更省能.
集约农业区共有50种150个品种,每轮种植约30种,主要有粮食,蔬菜,水果,此外还有饲养动 物和鱼(稻田中养殖),动物饲料包括苜蓿,象草,水风信子及各种农作物(利用其不可食生物 量),见表3和图2.
图2 生物圈2号集约农业区的部分作 物生长情况
密闭后建立的农业系统平均提供8人80%的营养需要,包括谷物,豆类和蔬菜,但密闭后的前几个月需食用密闭前种植的食物(其余20%的营养需要).由于圈内缺乏紫外线辐射,因此,必须补充维生素B12和维生素D.肉类很少,蛋每人每周平均一个.前10个月的平均食物热量卡值限制在2000Cal/d(1Cal合4.18J),后来增加到2200Cal/d.食用前,食物均进行了称重和记录.
农业区内不使用杀虫剂,而是利用有益昆虫和喷雾器(如肥皂水和硫磺,芽孢杆菌)来控制病虫害的发生.废物循环是把动物废物和植物不可食生物量做成堆肥,并利用水生植物咸水湖系统进行"进驻人员"废水处理.利用"土壤床反应堆"降低微量气体的积累.使用大气水分冷凝系统提供饮用水.
3�物种种群的动态变化
野生区域内的植物生长旺盛,前9个月生物量就增加了60%～75%.在热带雨林,树冠庞大茂 密,相连成荫,因而抑制了小型植物,尤其是肉质植物的生长.沙漠中的多年生草本植物生长 迅速,这也证明干旱条件下沙土有利于多年生草本的生长.
野生种数量起初有所下降,其中植物不到10%,陆地动物和昆虫不到30%,海洋种约为10%～20%.当食物网更为一体化且株冠成熟后,物种遗失的数量则减慢,且许多动植物在此时期 均有不同程度的繁殖.自从建立了生态系统后,人就作为主要捕食者来控制杂草和病虫害发 生并保持生物多样性.如果没有人的直接干预,在生物圈2号的初期运转期间,生物 多样性必然会下降.
4�生理,营养及医学试验
生物圈2号中生产的食物基本上能满足"每日推荐饮食配额"(RDA)的需要,但没有什么剩余.进驻人员自从密闭后体重减轻了约10%～20%,这是对新环境初时不适应的结果.1992年4月后,体重不再下降,有人甚至还胖了一些.这种低脂肪,低热量,富营养的食物可以显着降低胆固醇(从平均值约195降到125),血压,白细胞数量和血糖含量.以前对小鼠的试验也有类似结果,并证实因此而可以延缓衰老,增加寿命.
上述下降后的氧浓度相当于海拔2900m处的O2分压,通过不断监测红细胞数量,形态及其生理生化指标和呼吸率等则可获知低O2浓度对健康产生的不良影响.一旦O2浓度继续下降时,可望能适应相当于海拔4600m处的O2分压.此外,在圈内的人和动物间,没有发生传染性疾病.
四,结束语
大量证据表明,火星土壤和月球表土经过一定的生物和化学技术处理后可以用作潜在的植物栽培基质,这样就使得生物再生式生命保障系统在空间居住地的应用比需要地球资源的装置要经济得多.但是到目前为止,在生物再生式生命保障系统中很少有以土壤为基础的技术实验 .生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为基础的生物再生式生命保障系统.因此,有关其操作性能的数据对应用于空间的类似系统是非常有用的.
生物圈2号无论从规模,技术难度和复杂程度,以及所取得的效果来看,均堪称人类科学史上的一大杰作,受到国际上的普遍关注与赞赏.但近来也遭到某些公众的严厉批评 .
引起公众非议主要是由于主客观两方面的原因:(1)商业投资造成游人络驿不绝,给人一种缺 少科学严肃性的印象;(2)遇到严重的阴雨天气和病虫害,造成欠收,开始时曾出现大气泄漏;(3)人们对他们的科学试验活动了解不多;(4)理论和实践经验不足;(5)行政管理不善,导致可以做的而没有去做.
生物圈2号与其100年的设计寿命相比,现仅处于摇篮时代,出现这样那样的问题和异议均在情理之中.只要不断总结经验,汲取教训,勤于实践,勇于探索,一定能够取得丰硕成果.向宇宙进发可以看作是人类要生存下去不可避免的问题.欲在那里建立居 民区,必 须开发生态生命保障系统,创造一个舒适的小地球样环境,从而为未来的太空人提供品种多样,营养丰富的食品以及氧气和水,并将CO2,废水和废物等再生为有效资源而重复利用 .生物圈2号恰恰能够教给人们这一本领.此外,通过了解其中:(1)生态系统逐渐 成熟的结果;(2)处于各种胁迫环境中的部件的稳定性;(3)遗传种群的连续性;(4)生物地球化 学的循环作用,可望为每况愈下的地球生态系统找到出路.
被视为反面教材的生物圈2号现状如何 它还是"奢移的伪科学吗" 美国石油大王所投的巨资是否打了水漂
生物圈2号,你还好吗
若干年前,在美国亚利桑那州的沙漠中再造一个"迷你地球"的实验失败后,耗资2亿美元的"生物圈2号"一时间成为笑柄,甚至被斥之为"奢侈的伪科学".直到今天,生物圈2号仍然被很多人看作是藐视自然的反面教材.然而,或许很少有人注意到,这些年来生物圈2号正在悄悄发生变化:它吸引了大量游客和学生,成为一个绝佳的旅游胜地和教育基地;尤其重要的是,它渐渐赢得了科学界的尊重,成为一个非常难得的关于全球气候变化效应的研究中心.
"奢侈的伪科学"
曾经有人提出过一个看似天方夜谭的设想,在我们生活的地球上再造一个"迷你地球",探求人类在这个现代"南泥湾"之中自给自足,以及未来在月球或火星上建立生存空间的可能性.美国得克萨斯州的石油大王爱德华·巴斯为此憧憬不已.
从1984年到1991年,巴斯个人出资2亿美元,在美国亚利桑那州图森市以北的沙漠中建起了"生物圈2号".生物圈2号占地13000平方米,仿佛一个巨大的温室,雨林,沙漠,草原和海洋应有尽有."生物圈1号"是我们生活的地球,顾名思义,生物圈2号就是一个"迷你地球".
1991年9月26日,生物圈2号迎来第一批志愿者,4男4女开始了为期两年,与世隔绝的生活.尽管这些居民事先花去几年时间接受了工程,农业等方面的良好培训(其中一位甚至接受了牙科训练),拥有每年耗资百万美元的技术支持,各种各样的灾难仍然接踵而来:各种动植物大量死亡,蟑螂和蚂蚁却儿孙满堂;更为糟糕的是,到了1993年1月,生物圈2号内的氧气含量从21%下降到14%,不得不从外界补充氧气,自给自足的幻想彻底破灭.
实验失败了.经过短暂的休整,生物圈2号又迎来了第二批居民.5男2女住了个半月后,由于笑气(N2O)积累过多,在1994年9月17日被迫离开,实验再度以失败告终.打那以后,再也没人在生物圈2号中过日子了.
一个"乌托邦"式的科研计划宣告破产.生物圈2号遭到了一些人无情的嘲笑,有人甚至斥之为"奢侈的伪科学".
当然,生物圈2号也使人们更加明白一个看似浅显的道理:"目前地球仍然是人类的惟一家园."不仅如此,它还在不经意间给人们留下了一些佳话.
生物圈2号称得上是一个"小联合国",居民分别来自美国,英国,墨西哥,尼泊尔等7个国家.在这个"小联合国"里,培育出了爱情之花.实验结束几个月后,两批居民中分别有一对结成伉俪.这或许应了一句古话:患难见真情.
另外,由于粮食歉收,生物圈2号的居民不得不控制饮食.结果第一批居民中的4名男性体重平均下降18%,4名女性体重平均下降10%,胆固醇的平均值由195下降到正常值125,使得这些平常为减肥而痛苦不已的人平添一份惊喜,真可谓无心插柳柳成荫.当时的一位居民,加利福尼亚大学洛杉矶分校的罗伊·沃尔福德教授甚至继续维持当时的食量,"因为那样有助于健康".
走出乌托邦
痛定思痛,巴斯决心调整生物圈2号的定位.于是,他求助于哥伦比亚大学的科学家,看看用2亿美元打造出来的生物圈2号到底能做些什么.
1996年1月,巴斯干脆把生物圈2另交给哥伦比亚大学打理,并投入4000万美元作为今后5年的改造和运行费用.经过一番考虑,哥伦比亚大学计划把生物圈2号改造为一个致力于地球系统科学的研究中心,同时请来威廉·哈里斯担任新的负责人.哈里斯曾在美国国家科学基金会工作多年,是一位管理大型科研项目的高手.
其实,建造生物圈2号的2亿美元并不像一些媒体所说的那样"全打了水漂".就拿容量高达378万升的人造海洋来说,无疑是研究海洋科学的一个很好的平台.这大概也是哥伦比亚大学和哈里斯愿意接手烂摊子的原因之一.
处于转型期的生物圈2号,首先迎来的是痛苦和迷惑.关于生物圈2号究竟可以派上什么用场,科学家们就出现了分歧,有人希望把生物圈2号打造成一个生物多样性的研究中心,有人则希望着力于全球变化效应研究.再加上技术方面存在的困难,转型计划一度受挫,士气因此大受影响,一些科学家先后离开了生物圈2号.
有道是,峰回路转.两年后,人造海洋终于"溅起了一些水花".发表在1998年2月13日美国《科学》杂志上的一篇论文称,随着生物圈2号内温室气体二氧化碳含量的增加,人造海洋中珊瑚的生存受到了威胁.
这样一篇论文,对外行来说或许没什么大不了的,对生物圈2号来说却大概算得上一个转折点.在全球变暖日益受到国际社会高度重视的今天,那篇论文清楚地表明:生物圈2号恰恰是研究全球变暖如何影响生态系统的一个理想平台.
2001年4月,世界着名植物学家贝瑞·奥斯蒙德接替哈里斯领衔生物圈2号.生物圈2号研究中心的林光辉博士告诉本报记者,目前已有多项与全球气候变化有关的研究项目正在生物圈2号开展,吸引了不少世界一流的科学家.
新的梦想
生物圈2号昔日失败的阴影正在逐渐消失,全新的形象也逐渐树立起来.
据林光辉博士介绍,2001年12月,在生物圈2号召开了一次有世界各国科学家和美国能源部官员参加的学术会议.与会专家对生物圈2号过去5年的科学研究成果做出高度评价,也提出了未来的研究计划.
如今,生物圈2号已成为哥伦比亚大学手中的一张王牌."我们的目标是,将生物圈2号发展成对地球系统的科学,政策和管理事务进行教育,研究和交流的首选."该校副校长迈克尔·克罗说.与当初那个受人嘲笑的目标相比,这个目标更为务实,但同样是野心勃勃.
由于生物圈2号过去5年的表现得到了各方的认可,合同期满后,哥伦比亚大学又与巴斯续签了10年.哥伦比亚大学董事会决定从2001年到2005年投入2000万美元,巴斯也表示要追加3000万美元.
当初曾被人讥讽为不懂科学的巴斯,对科学研究可说是"仁至义尽".在2002年1月的《科学美国人》杂志上,哥伦比亚大学的格丽特·霍洛韦撰文称,到2010年,巴斯很可能最终以象征性的100万美元,将生物圈2号及周围100公顷土地卖给哥伦比亚大学.
历经风雨的生物圈2号,它究竟会给人类的生活带来什么 新的梦想会实现吗 新的努力会再次遭受失败吗 或许,洛克菲勒大学乔尔·科恩和明尼苏达大学戴维·蒂尔曼的话能给我们以信心.
这两位科学家认为,生物圈2号与哈勃望远镜有某些相似之处.耗资巨大的哈勃望远镜刚刚上天之时,由于所拍照片模糊不清而备受批评,但时至今日它已成为天文学研究不可或缺的重要工具.同样地.生物圈2号也有望在今后成为人类进一步认识地球的重要基地.
在科学研究上,恐怕没有人能够保证,只要有投入就一定会有回报,古今中外都不乏数以亿计的投资有去无回的实例.问题在于,我们是否明白科研计划失败的真正原因,是否真正理解"失败是成功之母".生物圈2号的今昔,为我们提供了一个极好的范本.
C. 生物圈二号失败原因
生物圈2号是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，为了与生物圈1号（地球本身）区分而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起，是爱德华·P·巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。
氧气未能顺利循环是导致生物圈二号失败的重要原因。由于细菌在分解土壤中大量有机质的过程中，耗费了大量的氧气；而细菌所释放出的二氧化碳经过化学作用，被生物圈二号的混凝土墙所吸收，又打破了循环，致使氧气含量下降，不足以维持研究者的生命。
此外生物圈二号中降雨失控、多数动物灭绝、为植物传播花粉的昆虫全部死亡、还有黑蚂蚁爬满建筑物等也是生物圈二号失败的原因。
大量证据表明，火星土壤和月球表土经过一定的生物和化学技术处理后可以用作潜在的植物栽培基质，这样就使得生物再生式生命保障系统在空间居住地的应用比需要地球资源的装置要经济得多。
但是到目前为止，在生物再生式生命保障系统中很少有以土壤为基础的技术实验。生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为基础的生物再生式生命保障系统。因此，有关其操作性能的数据对应用于空间的类似系统是非常有用的。
D. .生物圈二号实验失败证明了什么
证明了人类现在还无法模拟出象地球一样的生态环境，所以地球是人类生存的基础，是生命的摇篮。
打字累，望采纳
E. 从生物圈与人类的关系来看，生物圈2号的失败说明的科学道理是
【答案】D
【答案解析】试题分析：生物圈是最大的生态系统，它为生物提供了营养物质、阳光、空气、水、适宜的温度和一定的生存空间等生存的基本条件，适合生物的生存，科学家将它称为生物圈Ⅰ号，生物圈Ⅱ号是科学家模拟生物圈Ⅰ号建造的一个实验基地，该实验最后以失败告终，它用事实告诉我们，迄今为止，生物圈仍是人类和其它生物的唯一家园，故选D。
考点：本题考查的是保护生物圈的意义。
F. 生物圈二号的启示
生物圈2号是人类历史上的一次伟大尝试，是对封闭生态系统在外层空间支持和维持人类生命的可行性的探索，尽管这一尝试最终不了了之。但作为拥有好奇心的人类，我们有必要研究一下为什么会不了了之？从而更好地理解这个世界的运作方式。
首先，我们来看一下它的结构。生物圈2号占地面积约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；还有两座圆顶辅助结构，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压强差；还有一个地下技术圈，用来运行和维护生物圈环境；还有20多个空气处理单元，用来调控生物圈中空气的温度和湿度。
仅从它的结构出发，我们很容易断言人类身处其中能够生存一相当长的时间，毕竟一切都设计得那么精致、完美。但事实上，没过多久，生物圈二号内二氧化碳浓度大幅度波动，高峰时二氧化碳的平均浓度为2466ppm，到低谷时二氧化碳浓度只有1060ppm；还有植物的光合作用也并不强烈，因而产生的氧气无法满足生物呼吸的需要，因为二氧化碳能够与钢筋混凝土发生反应而被固定成盐；另外还出现了许多如鱼类繁殖过快、沙漠区湿度过高、蚂蚁和蟑螂爆炸增长、授粉昆虫全灭、脊椎动物大部分死去、牵牛花覆盖整个雨林区、实验人员持续饥饿等破坏生物圈二号稳定性的事件。而如果依然保持封闭，实验人员和其他生物可能都得死亡，因此，不久就有氧气和其他物质输入其中，而这就代表着，这个计划的破产。
我们如果仔细地研究生物圈二号的结构，我们还是会发现一些不合理之处的，我们如果将它的结构与大自然进行比较的话，我们会发现，它的结构与作用关系远远没有大自然那么复杂，就像人造器官始终无法取代甚至媲美自然器官。例如，生物圈二号内各个生态系统的大小以及比例设计得不合理，如海洋和陆地的比例不对，海洋占比太少了；各个生态系统间的数据反馈系统不成熟；没有考虑混凝土建筑对大气的影响；各个生态系统之间的位置关系及排布方式不合理。
生物圈的结构和其具有的物质循环、能量流动和信息传递是很难模仿的，生物圈二号的失败正说明了这一点，而我们人类的健康生存依赖于生态系统良好的结构和功能。这就意味着：现在，只有在生物圈一号上我们才能持久地生存，如果生物圈一号像生物圈二号那样出现了这样那样的问题，等待我们的可能就只有灭亡。所以，现在我们还是要好好珍惜我们脚下的土地、头顶的天空。
不过，我们还是会继续探索人类在外层空间居住的可能。
G. 生物圈二号为什么会失败
原因:氧气总量因为土壤中有机质被氧化而下降,而产生的二氧化碳被建造建筑的混凝土吸收了,没有进入循环.
生物圈内光合作用能力不够,密闭容器内的二氧化碳含量上升,比地球上正常含量高出10倍以上
一年多以后,“生物圈2号”的生态状况急转直下,氧气（O2）含量从21％迅速下降到14％,而二氧化碳（CO2）和二氧化氮（NO2）的含量却直线上升,大气和海水变酸,很多物种死去,而用来吸收二氧化碳的牵牛花却疯长.大部分脊椎动物死亡,所有的传粉昆虫的死亡造成靠花粉传播繁殖的植物也全部死亡.由于降雨失控,人造沙漠变成了丛林和草地.“生物圈2号”内空气的恶化直接危及了居民们的健康,科学家们被迫提前撤出这个“伊甸园”.二氧化碳多、氧气少（因为植物相对太少了,不足以将人和植物自身产生的那么多二氧化碳转化并释放氧气.氧气的消耗速度高于产生速度,而二氧化碳的产生高于消耗）、水循环失调、生物种类关系的失调等.“生物圈2号”的实验以失败告终.
H. “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。
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。
I. 4男4女关进封闭空间两年，“生物圈2号”试验失败说明了什么
然而要想实现星际移民，光能够登上新的星球肯定还不够，星际环境错综复杂，不可能和地球环境一模一样，而人类早已习惯了地球的一草一木，如何在新的星球上重新建造起一个适宜人类长久生存的环境也是一个重要的问题。
为了验证人类能否能建造一个新的环境并在其中生活，美国科学家做了一项激动人心的试验：“生物圈2号”。一旦成功，那就意味着，人类是上帝，拥有再造地球的能力。
生物圈2号实验是一个封闭的人工生态系统，花费了2亿美元的建造费，并且每年还需要600万美元，它占地约12140平方米，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。可以说，生物圈2号就是一个小型的地球，至少当时人们是这么认为的。
封闭的试验基地建造完毕以后，科学家就开始招聘实验者，最终经过严格的筛选，形成了4男4女组成的科学家队伍，里面包括了海洋学家、植物学家、气象学家、机械工程专家及医学专家等，可以说阵容非常强大了，生物圈二号建成之后，1991年9月，8名人员进入其中，在全世界的热切关注下开始为期两年与世隔绝的生活。
在实验室里面，它们一切都要自给自足，食物需要种植，氧气要通过植物的光合作用生成，而喝的水也都是需要循环利用的。
在实验开始的第10天，一位科学家因为不会使用打谷机，在操作过程中把手指切断了，不得不联系外界去包扎伤口，按照原计划它们进去之后，两年内不能开启与外界的大门的，因为打开基本意味着失败。不过它们还是把试验继续了下去。
没过多久，实验室里面的二氧化碳浓度越来越高，而氧气浓度越来越低，渐渐地感觉到呼吸困难，这样它们不得不又与外界联系，让外界注入氧气以维持它们的生存。
解决了氧气的问题，它们还面临着饥饿的问题，里面种植出来的农作物单一而且数量有限，而且有虫害、植物病害等问题，鸡、猪等家禽也很快被吃掉，在最初的6个月，他们一直处于饥饿状态，平均体重下降16％。
除了这些以外，最严重问题可能还是人与人之间的相处问题，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，但是却无法和平相处。男人和女人在一起少不了争风吃醋，而如果他们长期生理需求无法得到解决，必然也会导致脾气更加暴躁。
最终，面临一系列问题的实验者们忍无可忍，随着两名实验者强行破坏了大门走了出来，实验也彻底宣告失败。
实验失败有很多的原因，比如缺氧未能循环问题，后来分析是氧气被混泥土结构吸收了很多，而且土壤内的微生物过多也把很大一部分氧气转化为了二氧化碳，破坏了平衡。
又比如一个小型 社会 所面对的人际关系问题、阶级问题，它们面对一个看似很原始的没有制约的 社会 却又无法像原始 社会 那样摆脱法律和道德的束缚，没有明确的阶级也就很难形成一致的意见，自然就会产生各种无法协调的矛盾。
试验虽然是失败了，但是也给了人类很多启示：大自然并非我们想象得那样简单，复杂巨大的系统关联中，可能每一缕轻风都是于生命所不可或缺的；人类要懂得顺应自然，要珍爱大自然的一切，才能与地球万物持续发展。
试验失败了可以重新来，但如果这是一场实战，那么结果是无法想象的，与其把希望寄托在浩瀚的宇宙中，不如珍惜眼前美好的地球，很有可能在茫茫宇宙中人类只有地球这一处家园，只有善待和保护她才是我们真正的出路。