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

1、.：.；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发动 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1.5亿美圆. 1991年9月26日4男4女共8名科研人员初次进驻生物圈2号,1993年6月26日走出 ,停留合计21个月,在各自的研讨领域内均积累了丰富的科学数据和实际阅历.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展评 估并改良技术后,于1994年3月6日二次进驻,任务10个月后于1995年1月走出.他们在这期间 对大气,水和废

2、物循环利用及食物消费进展了广泛而系统的科学研讨. 生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统.它使人类初次可以在整体程度上研讨生态学,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安装而有能够运用于人类未来的地外星 球定居和宇宙载人探险. 一,概略 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备 .其外观及有关构造参数如表1和

3、图1所示. 为了减轻立体构造的负荷,生物圈2号的内部压力略高于周围大气压.众所周知,温 度改动必然导致压力变化,而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板(计算值极易超越kPa ).为理处理这一矛盾,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.两肺就好像宏大活塞经过密封膜衔接在气 缸上一样,上下垂直运动间隔 约达15m.活塞分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:不论什么地方有走漏,内部大气就会向外分散从而保证排除外界污染;活塞的 继续下滑那么阐明某处出现走漏.两肺的体积占到该圈密闭体积的30%. 除上述设备外,其内部还包括分

4、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,经过工程手段制止它与外界大气和地 下 土壤进展物量变换.在能量上开环,允许太阳光经过玻璃构造供植物进展光协作用,同时引入 电能供技术系统操作运转.在信息上也同样开环,经过计算机系统,摄像,电视与外 界进 行数据信息交换,并经过电视可以与外界任务人员及亲属进展面对面的交谈,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经过气密安装保送进来,当进展能量转移时,不允 许内外流体进展任何方式的交换或混合. 表2 圈内大气温度,压力及分量范围 生物群落 温度(C) 最高 最低 大气成分 压力

5、(kPa) 百分比(%) 总分量(kg) 热带雨林 35 13 O2 1810 2051 31800 热带草原/ 38 13 N2 6751 7651 103775 海洋/沼泽 CO2 003 003 67 沙漠 43 2 H2O 178 202 1761 集约农业区 30 13 Ar 081 092 1782 居住区 35 15 总量 8824 10000 185 生物圈2号的神经系统是一个完好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置机网络系统.这一内部神经系统经过信息通路与外界 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

6、数据及通讯的主要窗口.居住区内的指挥室经过遍及圈内的5000 多个传感器(每15分钟记录一次并读入无限增长数据库)可以有效地控制一切主要的操作参数 ,如温度,湿度,光强,水流量,pH值,CO2浓度,土壤湿度,仪器运作形状等,并能进展 数据传感器及一切报警安装的形状显示.每件安装均有手动控制开关以防神经系统任何 部位的失灵. 虽然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,其外围大气压不是规范压力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

7、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展海水淡化. 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,它们分别澳大利亚,非洲,南美,北美等地.

8、该系统既有高大的树木(如红树),也有矮小的灌木草丛植物,参差有致,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相互隔开,例如,热带草 原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离.为了维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,从而维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,经过 一定的人工处置再利用.例如,实验用的海水是将运

9、进来的海水和淡水按照适当比例配制而 成的. 生物圈2号中选择植物的规范主要思索动物消费者的生命保证,分类多样性,物理 参数,植物的可利用程度和美学价值.为了顺应达尔文的自然选择过程,植物种类开场时比 系统能支撑的要多一些,这样可以补偿物种的遗失或灭绝,并最终促进系统的继续稳定. 三,研讨范围与主要结果 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讨范围进展了广泛,细致,深 入的察看,记录,分析,研讨工程包括生物地球化学,土壤,水,海洋,全球生物量, 农 业,遗传,生理,营养,医学,心思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大气动力学与大气走漏 在微小

10、的闭式生态系统中生物地球化学循环速率显著加大,这是由于它缺乏地球生物圈所具有的宏大储存作用以及有机体与无机物的比率大大添加的缘故.即使在生物圈2号这样大的安装中,大气CO2的平均滞留时间仅为14天,而地球生物圈中那么约为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的动摇范围为700800ppm/d,普通为500600ppm/d,有时会更低,这与季节,昼夜循环和天气变化导致的光协作用和

11、呼吸作用的动态消长有直 接关系.当光强(光合成光通量,PPF)到达一年的最低值时(16.8molm-2d- 1),CO2的平均浓度为2466ppm;相反,当PPF到达最高值时(53.7molm-2d-1),CO2浓度那么到达一年中的最低值1060ppm. 为了缓冲这一系统在第一年冬季低光照时的高CO2浓度程度,利用一套CO2循环系统首 先将它经过化学反响构成CaCO3,如需求时把后者加热到950C便可释放CO2进入大气 .4个月间DK10约有53880mol(相当于9450ppm)的CO2经过定期运用这一物化系统以CaCO3的方式堆积下来.这一沉淀可以间接阐明约1%大气O2的下降(经过有机碳氧

12、化和随后的CaCO3分别).相反,1991年12月用来补偿大气走漏的10%外部大气的参与影响较小,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添加.为了防止此景象发生,在海水中分期参与碳酸钠和 碳酸氢钠,这样可以坚持pH值在7.7以上. 表3, 生物圈2号一年内总的农业消费量(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;

13、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月中旬时那么为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

14、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浓度那么以每月0.25%的线性程度下降.O2浓度下降的真正缘由并不非常清楚,利用几种方法的氧气动力学研讨仍在进展,包括研讨圈内氧同位素的分布. 生物圈2号气密性非常高.根据走漏率和压力间的关系推知,年走漏率为6%,而根据标志微量气体(SF6)逐渐稀释的丈量结果证明,年走漏率不超越10%.在最初的4个月中(19 91年912月),大气走漏约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消费舱)每天的走漏率就在1%10%之间 . 2,食物消费与废物处置 生物圈2号中的农

15、业系统必需满足3个主要要求,即无污染,集约型和可继续性.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讨实验室,起初实验水培和气培的种植技术,最后由于种种缘由而不得不转向以土壤为根底的农艺技术.缘由之一就是水培必需依赖于化学营养液的输入,而这在空间是难以处理的.另外一个缘由是假设没有才干做堆肥或利用植物/微生物系统进展废水再生,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处理.此外,堆肥或沼泽废水处置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个种类,每轮种植约30种,主要有粮食,蔬菜,水果,此外还有豢养动 物和鱼(稻田中养殖),动

16、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%的营养需求,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(其他20%的营养需求).由于圈内缺乏紫外线辐射,因此,必需补充维生素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),后来添加到2200Cal/d.食用前,食物均进展了称重和记录. 农业区内不运用杀虫剂,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

17、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展进驻人员废水处置.利用土壤床反响堆降低微量气体的积累.运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个月生物量就添加了60%75%.在热带雨林,树冠庞大茂 密,相连成荫,因此抑制了小型植物,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,物种遗失的数量那么减慢,且许多动植物在此时期 均有不同程度的繁衍.

18、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 生并坚持生物多样性.假设没有人的直接干涉,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,营养及医学实验 生物圈2号中消费的食物根本上能满足每日引荐饮食配额(RDA)的需求,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顺应的结果.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著降低胆固醇(从平均值约195降到125),血压,白细胞数量和血糖含量.以前对小鼠的实验也有类似结果,并证明因此而可以延缓衰老,添加寿命. 上述下降后的氧浓度相当于海拔2

19、900m处的O2分压,经过不断监测红细胞数量,形状及其生理生化目的和呼吸率等那么可获知低O2浓度对安康产生的不良影响.一旦O2浓度继续下降时,可望能顺应相当于海拔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,终了语 大量证听阐明,火星土壤和月球表土经过一定的生物和化学技术处置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证系统在空间居住地的运用比需求地球资源的安装要经济得多.但是到目前为止,在生物再生式生命保证系统中很少有以土壤为根底的技术实验 .生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为根底的生物再生式生命保证系统.因此,有关其操作性能的数据对运用于空间的

20、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,以及所获得的效果来看,均堪称人类科学史上的一大杰作,遭到国际上的普遍关注与赞赏.但近来也遭到某些公众的严峻批判 . 引起公众非议主要是由于主客观两方面的缘由:(1)商业投资呵斥游人络驿不绝,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,呵斥欠收,开场时曾出现大气走漏;(3)人们对他们的科学实验活动了解不多;(4)实际和实际阅历缺乏;(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.只需不断总结阅历,汲取教训,勤于实际,勇

21、于探求,一定可以获得丰盛成果.向宇宙进发可以看作是人类要生存下去不可防止的问题.欲在那里建立居 民区,必 须开发生态生命保证系统,发明一个温馨的小地球样环境,从而为未来的太空人提供种类多样,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反复利用 .生物圈2号恰恰可以教给人们这一身手.此外,经过了解其中:(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)遗传种群的延续性;(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能否打了水漂 生物圈2号,

22、他还好吗 假设干年前,在美国亚利桑那州的沙漠中再造一个迷他地球的实验失败后,耗资2亿美圆的生物圈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号依然被很多人看作是藐视自然的反面教材.然而,或许很少有人留意到,这些年来生物圈2号正在悄然发生变化: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,它渐渐博得了科学界的尊重,成为一个非常难得的关于全球气候变化效应的研讨中心. 奢侈的伪科学 曾经有人提出过一个看似天方夜谭的想象,在我们生活的地球上再造一个迷他地球,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能够性.美国得克萨斯州的石

23、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2亿美圆,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,仿佛一个宏大的温室,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号就是一个迷他地球. 1991年9月26日,生物圈2号迎来第一批志愿者,4男4女开场了为期两年,与世隔绝的生活.虽然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圆的技术支持,各种各样的灾难依然接踵而来: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

24、,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,自给自足的梦想彻底破灭. 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日被迫分开,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方案宣告破产.生物圈2号遭到了一些人无情的讪笑,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粗浅的道理:目前地球依然是人类的独一家园.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号称得上是一个小结合国,居民分别美国,英国,墨西哥,尼泊尔等7个国家

25、.在这个小结合国里,培育出了爱情之花.实验终了几个月后,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苦楚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,由于那样有助于安康. 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2亿美圆打造出来的生物圈2号究竟能做些什么.

26、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4000万美圆作为今后5年的改造和运转费用.经过一番思索,哥伦比亚大学方案把生物圈2号改造为一个努力于地球系统科学的研讨中心,同时请来威廉哈里斯担任新的担任人.哈里斯曾在美国国家科学基金会任务多年,是一位管理大型科研工程的高手. 其实,建造生物圈2号的2亿美圆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,无疑是研讨海洋科学的一个很好的平台.这大约也是哥伦比亚大学和哈里斯情愿接手烂摊子的缘由之一. 处于转型期的生物圈2号,首先迎来的是苦楚和迷惑.关于生物圈2号终究可以派上什么用场,科学家们就出现了分歧,有人希望把生物圈2号打呵斥一个生物多样性的研讨中心,有人那么希望着力于全球变化效应研讨.再加上技术方面存在的困难,转型方案一度受挫,士气因此大受影响,一些科学家先后分开了生物圈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添加,人造海洋中珊瑚的生存遭到了要挟. 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号来说却大约算得上一个转机点.在全球变暖日益遭到国际社会高度注重的今天,那篇论文清楚地阐明:生物圈2号恰恰是研