生物圈2號，何去何從？

李雯婷

早上10點，雨開始下。這場雨不是特別大，但卻下個不停，持續(xù)不斷的雨水滲進了深黑色的土壤里。午夜之后，整座小山都“喝飽了水”，表面開始出現(xiàn)了涓涓細流。激流涌動，沖出一條小水溝。雨繼續(xù)下，水溝越積越深。

幾周過后，小山的山腳下，是一灘被沖到混凝土地面上的黑色泥漿，這讓“降雨”制造者們驚愕不已。他們并沒打算重新開拓一片山坡——畢竟，他們剛剛才把它建好。

這場“暴雨”發(fā)生的地方是在一個巨大的玻璃房子里。這是一座密封式的、復(fù)雜的巨型溫室的一部分，建造在美國亞利桑那州圖森市北部的圣卡塔利娜島，里面集合了熱帶雨林、熱帶草原，甚至還“附送”了微型海洋。這是生物圈2號：一座試圖用來證明人類在一個全封閉的環(huán)境中，再加上些許陽光，就能夠生存下去的建筑。

該項目被譽為一項開創(chuàng)性的科學(xué)試驗。1991年，8名科學(xué)家入駐生物圈2號，這8個人的生存完全自給自足：食物是自己種的，喝的是再生水，呼吸的氧氣則來源于植物的光合作用。這項計劃，旨在為太空探索和“外星殖民計劃”提供一張模擬地球生態(tài)與環(huán)境的藍圖，同時幫助我們了解地球是如何運作的。

無論如何，原計劃本該如此。但是，第一個“任務(wù)”就宣告失敗了：氧含量下降，即生物圈2號內(nèi)的氧氣與二氧化碳的組成比例無法自行達到平衡；水泥建筑物影響到正常的碳循環(huán)；多數(shù)動植物無法正常生長或繁殖，其滅絕的速度比預(yù)期的還要快。也就是說，生物圈2號并未達到原先設(shè)計者的預(yù)定目標。幾年后，設(shè)計團隊試圖進行改進，但最終也是徒勞。在此之后，這座昂貴的“玻璃金字塔”被迫退出了歷史舞臺。2007年，它差點被改造成公寓。不過現(xiàn)在，生物圈2號重回拯救世界的科學(xué)中心。

建造一個迷你地球

生物圈2號這個想法最初來源于一個相當癡迷環(huán)保的的小型組織，領(lǐng)導(dǎo)者是極富魅力、又有點喜怒無常的約翰·艾倫。

艾倫的生物圈2號計劃誕生于1982年的一場科學(xué)會議。這場會議在法國召開，出席者均是世界上頂尖的科學(xué)家。由于人們習(xí)慣把地球本身作為生物圈1號，所以這個人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)被取名為“生物圈2號”。之后不久，他們開始起草詳細的計劃，幾個財團聯(lián)手出資，由空間生物圈風(fēng)險投資公司承建，實驗的目的是為了考察人類離開地球能否生存。這個與世隔絕的系統(tǒng)可以作為登陸火星的實驗基地、潛在核戰(zhàn)后的掩體，也可以作為生活實驗室，對整個生態(tài)系統(tǒng)進行系統(tǒng)性的研究。

1987年，《發(fā)現(xiàn)》雜志大張旗鼓地宣稱：“生物圈2號是肯尼迪總統(tǒng)自啟動登月計劃以來最令美國人激動不已的科學(xué)項目。”參與這項工程的8位科學(xué)家如宇航員一般，被視作“國民英雄”。在全美國人民的關(guān)注下，這項工程如火如荼地展開了。這個雄心勃勃的計劃需要迄今為止全世界最大的密封環(huán)境，大到足以容納熱帶雨林、紅樹林沼澤、草原、沙漠，甚至還有一片微型珊瑚海。

該系統(tǒng)內(nèi)有大量的空間用以種植植物。那里既有高大的樹木，也有矮小的灌木草叢植物，各個生物群落中的生境也不一樣。生物群落間均有相對獨立的生態(tài)區(qū)將它們互相隔開：如熱帶草原和沙漠之間用灌木叢使二者相對隔離；熱帶雨林的周圍種滿了濃密的姜科植物，從而保護內(nèi)部樹種免遭側(cè)面強光的照射；而在與海洋的隔離區(qū)內(nèi)，科學(xué)家種植了竹子來抵御鹽分的滲入。當然，系統(tǒng)內(nèi)還配有高端的農(nóng)用設(shè)備。

烏托邦式的科研計劃宣告破產(chǎn)

1991年9月26日，8位“國民英雄”進入生物圈2號，他們就像《星際迷航》中的超級明星一般“全副武裝”，因為他們將要在這么一個封閉的空間里生活兩年。但最主要的問題是，他們并不清楚在接下來的兩年里自己應(yīng)該做什么。他們從來沒有制訂正式的研究計劃，相反，他們卻著重強調(diào)管理方面的目標——即兩年內(nèi)不能有任何“進出”。比起科學(xué)性來說，這個項目反而更具戲劇性。

所以，當波因特（進入生物圈2號的8名科學(xué)家中的一位）的手指被弄傷，不得不外出醫(yī)治時，這個巨資項目便被蒙上了一層陰影。“我們有一個‘沒有進出’的既定目標，計劃完美地去工作，但這顯然是荒謬、愚蠢的”，亞當斯（生物圈2號的副主任）說，“這不是一個科學(xué)的目標，這注定了實驗的失敗。”

與此同時，從二氧化碳濃度的大幅波動到害蟲肆虐，生物圈2號的許多其他問題開始浮出水面。與媒體的蜜月期很快就結(jié)束，批判性的報道越來越多。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(xué)”。在第一年試驗期間，由于缺乏經(jīng)驗，他們長期處于饑餓的狀態(tài)，每個人的體重都大幅減輕。最嚴重的問題是，就算那8名科學(xué)家再怎么努力種植足夠多的植物，空氣中的氧含量仍在下降，他們不得不忍受著饑餓和窒息的雙重痛苦。

氧含量下降著實令人感到困惑——既然生物體消耗了大量氧氣，那同時也應(yīng)該產(chǎn)生大量的二氧化碳。但在大氣成分分析中并未發(fā)現(xiàn)二氧化碳成分有明顯的增加。后來人們找到了罪魁禍首——微生物。在農(nóng)業(yè)區(qū)域有豐富的堆肥，在堆肥中生存的微生物消耗了大量的氧氣。但如此劇烈的活動卻被忽略了，因為它們吐出的大部分二氧化碳被位于基部的混凝土吸收了，從而間接導(dǎo)致了整個環(huán)境中氧含量的減少。總的來說，就是微生物消耗了太多的氧氣。

“我們并沒有在檢驗材料方面做到完美。在完全相同的環(huán)境中，有些材料以我們想不到的方式彼此互動著，這是我們?nèi)f萬沒想到的。”波因特說。就算后來科學(xué)家們又重新補充了氧氣和其他的一些所需物質(zhì)，該計劃也失掉了一些可信度。不過，這仍有一定的科學(xué)價值，“早期大氣告訴了我們很多不為人知的地球奧秘，以及地表和大氣是如何協(xié)作的。”生物圈2號的主管特拉維斯說道。

生物圈2號內(nèi)部的氧氣濃度以每月0.5%的穩(wěn)定速率不斷下降。到1993年1月，空氣中的氧含量已經(jīng)非常低了，8位科學(xué)家中的好幾位都開始出現(xiàn)了不良生理反應(yīng)。因此，外界管理團隊不得不開始從外界泵入純氧。接下來的一個月，由于實驗人員的意見沒被領(lǐng)導(dǎo)重視，導(dǎo)致整個科學(xué)委員會在挫折感中集體辭職。第一次進駐生物圈2號的實驗宣告失敗。

二次進駐宣告失敗

“實驗中出現(xiàn)‘意外’是很正常的，你還可以學(xué)到東西，”哈曼說，“但是，如果工程實驗出現(xiàn)意外，規(guī)劃出現(xiàn)意外，員工的生命安全受到了威脅，這就很難獲取什么知識了。”盡管為期兩年的任務(wù)結(jié)束了，但生物圈2號的科學(xué)合理性已經(jīng)嚴重受損。

第二次任務(wù)開始于1994年3月，預(yù)期持續(xù)執(zhí)行10個月。科學(xué)家們針對第一次任務(wù)時所發(fā)現(xiàn)的種種問題進行了大規(guī)模的研究與改善工程。由于混凝土是吸附二氧化碳的元兇，因此所有混凝土的表面都被加以涂封，以防止其吸收二氧化碳。不同于第一次任務(wù)時8名組員一開始無法生產(chǎn)足夠的食物，第二次任務(wù)的組員已有能力達成足量食物生產(chǎn)的目標。但實驗剛進行了一個月，由于投資人就不斷增加的開支以及信心的不足，決定放棄投資。數(shù)天后，2名組員被迫違反原定的完全隔離原則而打開了艙門。此次事件發(fā)生之后，生物圈2號第二次任務(wù)又歷經(jīng)了2次組員變動，并由于管理公司的財務(wù)困難，最終于9個月后結(jié)束。這也是生物圈2號所進行的最后一次封閉環(huán)境住人試驗。

1995年12月，美國哥倫比亞大學(xué)租下了生物圈2號，他們決定將這座綜合建筑用于研究新的課題。研究人員把這個巨大溫室分隔開來，改變了每個區(qū)域的環(huán)境。他們研究了不同高度樹冠的溫度變化是如何影響葉片的呼吸作用，螞蟻如何入侵，并監(jiān)控了海洋中的造礁情況。

但到2003年，研究人員正干得起勁，哥倫比亞大學(xué)卻結(jié)束了租賃，原因之一是運行設(shè)備過于昂貴（光電費每年就要花掉60萬美元，絕大部分用于冷卻）。

在接下來的4年里，生物圈2號就像一個旅游景點似的：參觀者會被帶領(lǐng)著穿過職員廚房，在玻璃圓頂下參觀各種不同的生境，并向下穿過走廊進入“肺部”——用于為封閉的建筑按溫度高低調(diào)節(jié)氣壓的裝置。

2007年，這座建筑甚至差一點被推平用來建造公寓，好在美國亞利桑那大學(xué)適時介入，接手了租約。2011年，投資人把這座建筑捐贈給了亞利桑那大學(xué)，同時還捐助了2000萬美元用以啟動新項目。

不過，新主人仍然不得不削減開支。曾經(jīng)的農(nóng)業(yè)區(qū)域現(xiàn)在與外界空氣相通，其他的生物群落仍保持封閉，但減少了冷卻程度。雨林的樹冠則任由它們茂盛生長，也允許它們在烈日下枯萎，以減少維護費用，大草原的降雨頻率也降到最低。經(jīng)過這樣的調(diào)整，每年可以節(jié)約25萬美元。

現(xiàn)在的生物圈2號

現(xiàn)在的生物圈2號，很大程度上保持著最初的設(shè)計。熱帶雨林區(qū)的另一邊，就是生物圈2號的海邊，那里空氣潮濕，并帶有一股咸味兒。據(jù)悉，這片實驗用的海水是將運進來的海水和淡水按照合適的比例配制，然后經(jīng)過一定的人工處理再利用。如今，墨綠色的海洋中仍有一些魚兒，不過珊瑚和一些高價引進的物種已經(jīng)從這里消失很久了。生物圈2號里面的草原就是海洋旁邊的那座山脊。再往遠處，是一片紅樹林沼澤，這里掛著巨幅塑料布，將沙漠生物群和其他生物群分隔開來。

在生物圈2號的腹地坐落著一個錯綜復(fù)雜的“迷宮”，里面布滿了大大小小的管道、通風(fēng)口、水箱以及一個巨大的空槽（用于處理人類垃圾）。大多數(shù)管道是冷卻系統(tǒng)的一部分，為了避免密封溫室過熱，需要耗費大量的能量。這就是為什么生物圈2號相當耗費電力和財力，而它卻不能自給自足的原因之一。

雖然現(xiàn)在的生物圈2號里有許多場景仍保持了最初的設(shè)計，但還有一些特別的挑戰(zhàn)需要現(xiàn)在的科學(xué)家去應(yīng)對。例如，為了防止內(nèi)部空氣在白天因溫度升高、體積膨脹而將立體結(jié)構(gòu)撐破，科學(xué)家們建造了兩個“肺”。眾所周知，溫度改變必然導(dǎo)致壓力變化，而這種伸縮中的壓力變化足以破壞玻璃窗板。為了解決這一矛盾，科學(xué)家并沒有像往常那樣采取抵抗壓力的措施，而是直接建立了兩個“可變室”。這兩個“肺”就如同巨大的活塞，通過密封膜連接在氣缸上，上下垂直運動距離可達15米。完工后，這項為了減輕立體結(jié)構(gòu)負荷的巨大工程堪稱工程學(xué)上的一個壯舉。但與此同時，后續(xù)的維護費用還將耗資巨大，原本3000萬美元的預(yù)算，后來激增至2.5億美元。

如今的生物圈2號發(fā)生了一些變化——有些生物群已經(jīng)被小山所取代。在玻璃穹頂之下，有許多如網(wǎng)球場般大小的小山，小山的斜坡由一米多厚的碎火山巖鋪就而成。然而，非同一般的是，這些小山都位于幾個巨型的金屬托盤上，所以小山是可以被稱重的。每個金屬托盤上都有深孔，有助于科學(xué)家采集土壤樣品。

事實上，基于第一次進駐生物圈2號失敗的教訓(xùn)，同時也由于當前的氣候變化，陸地與大氣的“協(xié)作”已成為熱點話題。隨著二氧化碳含量的飆升和全球變暖，植物和土壤是否會吸收更多的二氧化碳來減緩這一過程？或者，它們也“學(xué)會了”釋放二氧化碳，使情況變得更糟？這正是那些盛裝著碎火山巖的巨型金屬托盤出現(xiàn)在這里的原因。他們現(xiàn)在肯定意識到了，這些巖石能和地表以上的空氣發(fā)生反應(yīng)。

這些碎火山巖，形成于大約1.8萬年前的一場火山爆發(fā)。這種巖石之所以能夠被科學(xué)家選中，是因為它應(yīng)對氣候變化的速度非常快。3年之后，這些碎火山巖將變成土壤，隨后可用于植物的種植。再過兩年，這幾個托盤將會被相互隔開，并放置于不同的生境中。例如，一條斜坡可以從夏季降雷陣雨的索諾蘭沙漠環(huán)境轉(zhuǎn)換到冬季降雨的地中海環(huán)境。水文專家彼得說道：“只是觀察生態(tài)系統(tǒng)對氣候突然變化的反應(yīng)，光這一點，碎火山巖的作用都是驚人的。”另外，這幾個托盤內(nèi)配備了1300個傳感器，這樣它就可以精確地計算出到底有多少碳進入或離開小山坡，其反饋的結(jié)果，可以幫助改進傳統(tǒng)的氣候模型。

該新項目非常符合對最初生物圈2號任務(wù)的理解——即把生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體來理解。生物圈2號的一些經(jīng)驗教訓(xùn)，或許有助于人們實現(xiàn)最初的愿景，包括在月球或火星巖石上建立基地的想法。

建造生物圈2號的宏偉目標就是希望創(chuàng)建一個類似于歐洲核子研究中心的科學(xué)中心，但經(jīng)歷了一系列失敗的生物圈2號在許多人眼中已經(jīng)“等同于失敗或怪異的科學(xué)歷史遺留問題”。“幸運的是，項目可以重新起航，實驗也將繼續(xù)”。生物圈2號的主管說：“當我駕車駛離沙漠中這座有趣的建筑時，我很想知道，從生物圈2號學(xué)到的教訓(xùn)，能否拯救生物圈1號。”