失敗的“生物圈二號”工程

最近，英國政府首席科學顧問戴維·金爵士宣稱，地球大氣中二氧化碳的濃度將在本世紀末達到19世紀工業革命前的兩倍，從而使地球平均氣溫上升3℃。美國科學家馬克，萊納斯悲觀地預計，當地球溫度升高6℃時，地球上99真的物種將消失，這將嚴重危及人類自身的生存，人類怎樣保護地球呢?我們能到天外建造一個適合人類居住的家園嗎?

上世紀末，舉世聞名的“生物圈二號”實驗在遭遇到種種意想不到的困難后被迫宣布失敗，有專家稱這次失敗是由于人類自作聰明地妄圖改造自然所致，作為世界上首次進行的運用生態系統原理而維持時間最長的封閉住人實驗，它給我們帶來了諸多經驗與教訓，筆者試就在“生物圈二號”的親身經歷對此談一些自己的看法。

“生物圈二號”的背景

諾亞方舟是《圣經》中拯救人類于洪澇之中的神舟，現代的諾亞方舟則是人們對位于美國亞利桑那州的生物圈二號工程的美稱。

“生物暖二號”的命名，是相對于地球生物圈(生物圈一號)而獲名的，它位于美國亞利桑那州沃洛克鎮，這里光照強烈，生境相對荒涼，有些類似于太空的環境，“生物圈二號”建成于1991年5月，占地面積1.28公頃，內部填土體積20.4萬立方米，封閉空間20.4萬立方米，工程建造經費約2億美元，運轉費用每年約600萬美，它是根據地球生態系統中能量流動和物質循環的原理模擬運行的，其簡要的過程可以用美國市場上出售的“生態球”演示。這個特制的密封玻璃球里裝著淡水，空氣、綠藻植物、一種似蝦狀節肢動物、蝸牛及一些浮游類動物和植物，當然還有微生物，這些生物及其所在環境與外界完全隔絕。其中，綠色植物利用空氣中的二氧化碳和水分在陽光下進行光合作用合成有機物質并釋放氧氣，動物以植物或其碎屑為食，微生物及浮游動物將死亡的動植物或排泄物分解，生成二氧化碳和礦物質。這種密封玻璃球式的生態系統，就是地球生態系統工作的原理，也是未來人類在太空建造長期生存空間的必然模式，但模擬的地球環境在上天之前必須在地球上先進行密封住人實驗，德克薩斯州年輕的石油億萬富翁巴斯將這一大膽的設想付諸實施，建造了“生物圈二號”。

“生物圈二號”在社會上招募的“生物圈人”包括海洋學家、植物學家、氣象學家、機械工程專家及醫學專家等，第一階段的實驗持續了兩年，第二階段換人后進行了半年被迫停止。

隨后，關于“生物圈二號”失敗的消息不經而非，“科學笑話”、“有錢人吃飽了撐的”等尖刻的言語不絕于耳。

“生物圈二號”緣何失敗

科學輿論界對“生物圈二號”的批評主要包括：作為一個生態系統，它和外界真正的生態系統不可同日而語，如土壤是非自然的，光線不足；野生動植物數量遠遠不夠，尤其是動物，只剩下螞蟻和蟑螂等少數種；它的封閉也是不完全的，電力、信息、藥品等要從外界輸入。更關鍵的是僅有這么一個實驗場所，缺少重復，數據的科學性無從確定。

盡管如此，作為在地球上首例利用生態系統原理進行的大規模封閉住人實驗，“生物圈二號”的意義遠遠超過了輿論界對它的批評，兩年半的實驗為人類今后在太空成地面上進行類似的實驗積累了大量數據。

實驗結束后，科學家們對“生物圈二號”的失敗原因進行了總結。這些因素主要包括；

元素化學循環平衡失調。封閉以后，人類一切生命活動都依賴里面的綠色植物及其與光、土壤、大氣、海洋、動物、微生物組成的生態系統，不幸的是，由于設計時的缺陷——土壤、大氣、海洋的比例與“生物圈一號”的比例相去甚遠，土壤及其微生物，連同里面的動物和人呼吸釋放的二氧化碳大大超過了植物所能利用的數量，而海洋來不及將多余的碳以無機鹽的形式固定下來；植物制造的寶貴氧氣又被大量的呼吸及分解過程迅速消耗。同樣原因，笑氣(N₂O)的濃度也在上升，氧氣降低、氧化亞氮和二氧化碳升高的程度幾度超過警戒水平，以CO₂為例，1991年6月為500ppm，到1992年2月達2500ppm，1993年2月升至4000ppm，以后基本維持在1000(夏季)～4000ppm(冬季)之間。而地球上的二氧化碳濃度僅為350ppm。氧氣濃度從21％～度下降到14％。這個濃度相當于地球上海拔5300米高度上的氧濃度，以至于最后必須從外界補充氧氣，N₂O也增加了79ppm。氧、碳、氮、氫等是最重要的幾大生命元素，它們的平衡失調是設計者們始料不及的。

物種關系失調。“生物圈二號”內的生態系統是由“生物圈一號”(地球生物圈)充分簡化而來，雖然設計者們把地球上的熱帶南林、熱帶荒漠、薩王那群落、紅樹林、溫帶農田、海洋等類型的生態系統都“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，并未把相應的動物、真菌、微生物等群落也按比例搬入。如熱帶雨林中沒有大型動物，倒是引進土壤時帶來的螞蟻及蟑螂卵大量繁殖，動物及科學家們雖是植物的消費者，然而人只能吃農作物和動物蛋白，飼養動物的食物也多來自作物秸稈，而幾個主要類型的生態系統尤其是熱帶雨林植物，在高二氧化碳濃度下生長得非常繁茂，表現出異常強的光合能力。由于缺乏相應的消費者和分解者，大量枯枝落葉面臨清理問題。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)的目的是為了用作固定二氧化碳的匯，卻不料這些植物在高二氧化碳濃度環境下瘋長，危及其他檀物與農田，所有花粉傳播動物消失，使一些依靠昆蟲傳粉的植物不能正常授粉。引入的25種脊椎動物中有19種消失。

水循環失調，為去除水體中的過量營養元素，設計者們采用了藻類植物，但大量生長的藻類植物處理起來非常困難，因為內部“雨”量調節的失調，“荒漠區”變成了“草原區”，加重了水分循環的失調，而且球內頂部溫度比預想的高的多，促使水循環加快，使可飲用水的凈化跟不上，內部海洋面積在減少，最后出現了水危機。

食物短缺，盡管第一批進住的“生物圈人”都是各路精英，唯獨缺少種地的“農民”，雖然“生物圈二號”中農田區占了很大比例，但種出的小麥、水稻卻不結籽，糧食供給成了問題，最后餓的“生物圈”人到了食紅薯根的地步。其實，并不是里面的環境條件不適合作物種植，而是因為這些人不善種地，在第二次實驗中，指揮部門特意從尼泊爾物色了一名農學院畢業的大學生，該名人員進駐后，情況大為改觀，生產出的糧食吃不完了。由此，這位尼泊爾人成了“生物圈人”中的大英雄。

完美“生物圈一號”難模仿

盡管“生物圈二號”的設計原理是正確的，但是，地球生物圈的大氣、土壤、海洋、生物群落之間是經歷了非常漫長的歲月后才達到高度和諧的，“生物圈二號”的失敗也從另一方面反證出保持地球生態平衡的重大意義。

其實，上述問題在生態學研究者看來是非常簡單的，完全能夠避免，遺憾的是實驗者并沒有做到。

“生物圈二號”實驗后，科學界達成這樣一種共識，即使用最好的生態學知識，用最新的現代高新技術知識和充足的資金做后盾，營造完全封閉的像地球那樣完美的人工生態系統仍是十分困難的，甚至是不可能的。

雖然地球上存在一些惡劣環境，如干旱區面臨比濕潤地區干旱貧瘠的自然環境，但它仍在地球的大氣環流圈內，僅是個別生態因子如水的循環出現局部失調，其他一些生態因子如光照等還處于優勢狀態，只要遵循生態系統的原則，加以合理的人工措施，是能夠實現農業生態系統高效、持續發展的良性循環的。

另外，任何大規模的生態環境工程與人類改變自然的活動都要慎重。人類雖然能夠局部改善環境，或試圖靠高技術與投資徹底改善環境。但這樣做都是有代價的。比如，“生物圈二號”使地球上不同地理起源的i000多種植物和無數種土壤動物和微生物在沙漠上安了家。然而，種間的競爭、互利、協調發展等關系卻是人工所難以改變的，也因此出現了諸多“始料不及”。

無論世人對“生物圈二號”封閉實驗的成敗如何看待，“生物圈二號”的設計思想及其對未來人類生存環境的超前憂患意識，都是不容抹殺的。“生物圈二號”無時不在向人們宣傳這樣一個道理：我們只有一個地球，在太空找到或建造出適應人類生存的空間并非人類真正的愿望，如果那一天出現，將是地球末日的來臨。

盡管人類創造了文明，但這些文明又對地球產生了巨大的威脅。全球氣候變化(溫室效應引起)、臭氧洞擴大、酸雨與生物多樣性危機(環境污染引起)等重大環境問題的出現，都是人類破壞了地球生物圈中生態系統物質循環與能量流動的固有規律而造成的惡果。

[責任編輯] 趙 菲