对生物圈2号的看法
生物圈2号，建于美国亚利桑那州图森市北部的沙漠中，是一个微型的人工生态循环系统。它被命名是因为地球本身被称为生物圈1。它由前美国橄榄球运动员约翰·艾伦发起，由多个财团共同出资。历时八年，耗资1.5亿美元。
1991年9月26日，四男四女* * 8名研究人员首次进入生物圈2号，于1993年6月26日离开，在* * *停留了21个月，他们都在各自的研究领域积累了丰富的科学数据和实践经验。他们来自英国、墨西哥和尼泊尔。在对第一批结果进行评估和改进技术后，来自南斯拉夫和美国等五个国家的七名实验人员于1994年3月6日重新进入，并在1995工作后于6月10日外出。在此期间，他们对大气产生了兴趣，对水和废物回收以及食品生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈2号是世界上最大的封闭人工生态系统。它使人类第一次能够在整体水平上研究生态学，从而为理解地球生物圈的全球生态变化过程开辟了新的途径。更重要的是，它将被用作第一个永久性生物再生生命支持系统的地面模拟装置，并可能应用于未来的地外球定居和载人探索宇宙。
首先，概述
生物圈二号的地上部分，占地1.28公顷，为立体钢架结构，涂有粉末，配有双层玻璃百叶窗。接地部分为焊接不锈钢板，并用钢垫片密封。总体积约为180000m3。其内部主要由七个生态群落和两个大气膨胀室(也称“肺”)组成。此外，还有能源中心、冷却塔等设施。其外形及相关结构参数见表1和图1。
为了减轻三维结构的负荷，生物圈二号的内部压力略高于周围的大气压力。众所周知，温度的变化必然导致压力的变化，而这种膨胀和收缩的压力变化足以损坏玻璃窗板(计算值很容易超过kPa)。为了解决这一矛盾，没有采取通常的措施来抵抗压力，而是为圆装配了两个称为“肺”的可变容积室。从而使大气在恒定压力下膨胀和收缩。两个“肺”就像一个巨大的活塞，通过密封膜与气缸相连，垂直运动距离约为15m。活塞的重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压有两个好处:无论哪里有泄漏，内部大气都会向外扩散，保证排除外部污染；活塞持续滑动说明某处有泄漏。两个“肺”的体积占圆圈闭合体积的30%。
除上述设施外，还包括分析、医疗、兽医、监测、维修、锻炼、影视室，分布在不同的部位。
生物圈二号和地球生物圈类似，在物质上是闭环的，禁止用工程手段与外界大气和地下土壤进行物质转化。它在能量上是开环的，让阳光透过玻璃结构进行植物的光合作用，同时引入电能供技术系统运行。它在信息上也是开环的，通过计算机系统、电话、照相机和电视与外界交换数据和信息。你可以通过电视与外面的工人和亲戚进行面对面的交谈，也可以放映电影和观看商业电视节目。电能和热控能量通过密闭装置从外部输送。传递能量时，不允许内外流体交换或混合。
表2圆圈内的大气温度、压力和重量范围
生物群落温度下的最大和最小大气成分压力是多少(°C)？(kPa)百分比？(%)总重量？(千克)
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/沼泽公司？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
住宅区35 15总金额88？24 100?00 139185
生物圈二号的“神经系统”是一个完整的计算机数据采集和控制系统。这是一个从位于住宅区的指挥室辐射出来的微处理器网络系统。这个内部“神经系统”通过信息通道与附近“飞控”大楼的计算中心相连。作为一个分析中心，这个建筑成为了生物圈1和生物圈2之间获取分析数据和交流的主要窗口。居民区指挥室由遍布全圈的5000多个传感器(每15分钟)记录和读入2浓度、土壤湿度、仪器运行状态等。，并能显示数据传感器和所有报警装置的状态。每个设备都有一个手动控制开关，以防止“神经系统”的任何部分出现故障。
虽然整个圈子都是热带气候，但是不同的生物群落有不同的冷暖要求，所以有相对独立的温度。因为生物圈2号位于海拔1200m的沙漠中，所以它的外围大气压力不是标准的101.3 kPa，而只有88.2kPa左右，所以它的内部压力只能略高。即88.24kPa，详见表2。利用机械系统模拟地球自然环境，如制造海浪、潮汐、溪流、瀑布，根据季节要求控制风、雨、湿度，控制盐分梯度和养分循环速度，海水淡化等。
第二，生态社区
生物圈2号有五个野生动物群落(热带雨林、稀树草原、海洋、沼泽和沙漠)和两个人工生物群落(集约农业区和居住区)。它们分别由美国和英国的生物学家和生态学家根据北回归线和南回归线之间的生态系统设计而成。
圈内约有4000种，包括动物(包括浮游生物、软体动物、节肢动物、昆虫、鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物等。)、植物(包括浮游生物、苔藓、蕨类植物、裸子植物和被子植物等。)和微生物(包括细菌、黏菌、真菌、微藻等。).
该系统既有高大的树木(如红树林)，也有矮小的灌木和草类植物，错落有致，宁静而美丽。各种野生动物群落中的生境并不一致，有4、6、4、4、6种生境，如海滩、浅水盐湖、珊瑚礁、海水等。有相对独立的生态区将它们相互隔开。比如热带草原和沙漠之间有一簇灌木丛，比较孤立。为了保护每个群落免受环境胁迫，在其周围种植耐受性强的植物，例如热带雨林被茂密的姜科植物包围，从而保护内部树种免受强烈的侧光，而在与海洋的界面种植竹子以抵抗盐的渗透。
为了尽量贴近自然环境，圈内的土壤、草皮、海水、淡水都取自外界不同的地理区域，经过一定的人工处理后再利用。比如实验用的海水，就是由海水和淡水按照适当的比例带入的。
生物圈2号选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命支持、分类多样性、物理参数、植物的可用性和美学价值。为了适应达尔文的自然选择过程，一开始就有超过系统所能支持的植物物种，可以弥补物种的损失或灭绝，最终促进系统的可持续稳定。
三、研究范围和主要成果
首批8位科学家根据各自的研究范围，在封闭的人工生态环境中进行了21个月的广泛、细致、深入的观察、记录和分析。研究项目包括生物地球化学、土壤、水、海洋、“全球”生物质、农业、遗传学、生理学、营养学、医学、心理学、技术和工程等。本文只关注几个比较重要的研究成果。
1?大气动力学和大气泄漏
在一个微小的封闭生态系统中，生物地球化学循环速率显著增加，这是由于其缺乏地球生物圈的巨大储存功能和生物与无机物比例的大幅增加。即使在生物圈2号这么大的装置中，大气CO2的平均滞留时间也只有1 ~ 4天，而在地球生物圈中大约是3年。
生物圈2号大气CO2浓度为1500 ppm(约为地球大气CO2的4倍)，相当于100kg碳。这个量与圈内生物量和土壤中有机碳相比大大减少，分别为100:1和5000:1。
生物圈2号中CO2的波动范围为700 ~ 800 ppm/d，一般为500 ~ 600 ppm/d，有时更低，这与季节、昼夜循环和天气变化引起的光合作用和呼吸作用的动态波动有直接关系。当光照强度(光合光通量，PPF)达到一年最低值(16.8mol·m)时相反，当PPF达到最高值(53.7mol·m-2d-1)时，CO2浓度达到一年最低值1060ppm。
为了在第一个冬天的低光照下缓冲该系统的高CO2浓度水平，使用CO2循环系统通过化学反应形成CaCO3。如有必要，将后者加热到950°C会将CO2释放到大气中。在四个月[DK10]中，通过定期使用这一物理化学系统，约有53880mol(相当于9450ppm)的CO2以CaCO3的形式沉积下来。这种沉淀可以间接解释约65，438+0%的大气O2的下降(通过有机碳氧化和随后的CaCO3分离)。相反，加入19910年10%外大气，用于补偿2月份大气泄漏，影响不大，CO2浓度暂时下降200ppm，为日正常变化的1/3。
CO2浓度的增加会导致海水酸度的增加。为了避免这种现象，在海水中分阶段加入碳酸钠和碳酸氢钠，使pH值保持在7.7以上。
表3。生物圈二号一年农业总产量(公斤)蔬菜:芸豆8、甜菜叶273、甜菜根308、辣椒13、胡萝卜88、辣椒63、甘蓝83、黄瓜17、茄子155、甘蓝16544。雪豆1，南瓜子8，西葫芦287，瑞士Chard58，红薯叶64，番茄288，冬瓜261；粮食:水稻196，高粱131，小麦113；淀粉类蔬菜:红薯198，红薯1335，马兰加84，薯蓣20；高脂豆类:花生24，大豆14；低脂豆类:蚕豆63，豌豆15；水果:苹果1、香蕉1024、无花果39、番石榴41、金桔4、柠檬10、酸橙4、柑橘6、木瓜639；畜产品:羊奶407，山羊羊肉8，猪肉35，鱼10，鸡蛋6，鸡肉8，共计6630。
氧气动力学令人费解。从1991的9月到1992的6月，生物圈2号的氧浓度从20.51%下降到16.95%，1993年6月中旬为1。在1992年6月之后的几周内，不断向圈内泵入纯氧，使其浓度回到19%。O2浓度下降主要发生在密封后的前4个月，为65438±08%。4月1992后，O2浓度每月线性下降0.25%。O2浓度降低的真正原因是
生物圈二号的气密性非常高。根据泄漏率与压力的关系，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，年泄漏率不超过10%。前四个月(19 91九月~ 12二月)大气外泄。对应的外气在1991结束时注入一次。其他封闭的人工生态系统(如肯尼迪航天中心制造的生物质生产舱)的日泄漏率在1%-10%之间。
2、食品生产和废弃物处理
生物圈2号的农业系统必须满足三个主要要求，即无污染、集约和可持续。太空生物圈风险投资公司及其在农业领域的主要顾问——亚利桑那大学环境研究实验室，最初试验的是水培和雾培种植技术，最后由于种种原因不得不转向基于土壤的农艺技术。原因之一是水培必须依靠化学营养液的输入。这在太空中很难解决。另一个原因是，如果没有能力堆肥或利用植物/微生物系统再生废水，将更难解决促进动物和人类废物以及作物不可食用生物质的回收利用的相关问题。此外，堆肥或沼泽废水处理系统比湿式氧化或焚烧等物理系统更节能。
集约农区* * 150品种50种，每轮种植30种左右，主要有粮食、蔬菜、水果，以及饲养动物和鱼类(稻田种植)。动物饲料包括苜蓿、象草、水葫芦和各种作物(利用其不可食用的生物质)，如表3和图2所示。
图2生物圈2号集约农业区一些作物的生长情况
封后建立的农业体系平均提供了8个人80%的营养需求，包括谷物、豆类和蔬菜，但封前种植的食物是封后头几个月需要的(剩下的20%营养需求)。由于圈内紫外线辐射不足，必须补充维生素B12和D。每人每周一个鸡蛋。前10个月食物的平均热量值限制在2000 cal/d(1Cal = 4.18J)，之后增加到2200 cal/d，进食前所有食物均称重并记录。
农业区不使用农药，而是使用益虫和喷雾器(如肥皂水、硫磺、芽孢杆菌)来控制病虫害的发生。废物循环利用是将动物粪便和植物的不可食用生物质堆肥，利用水生植物咸水湖系统处理“常驻”废水，利用“土壤床反应器”减少微量气体的积累，利用大气水分冷凝系统提供饮用水。
3?物种种群的动态变化
野生地区的植物生长旺盛，前9个月生物量增加了60% ~ 75%。在热带雨林中，树冠又大又密，连成阴影，从而抑制了小型植物，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，这也证明了沙质土壤在干燥条件下有利于多年生草本植物的生长。
起初，野生物种数量减少，其中植物不到65，438+00%，陆地动物和昆虫不到30%，海洋物种约为65，438+00% ~ 20%。当食物网变得更加完整，树冠成熟时，物种流失的数量减缓，许多动物和植物在此期间都有不同程度的繁殖。自从生态系统建立以来，人类一直是控制杂草和害虫的主要天敌。
4?生理学、营养学和医学实验
生物圈二号生产的食物基本上可以达到RDA的要求，但是什么都没有了。入站的人自从被封后体重下降了10% ~ 20%左右，这是他们最初对新环境不适应的结果。1992年4月以后，他们停止了减肥，有些人甚至体重增加了。这种低脂肪、营养丰富的食物能显著降低胆固醇(从平均约195降至125)、血压、白细胞数和血糖含量。之前在老鼠身上的实验也有类似的结果，已经证明可以延缓衰老，延长寿命。
降低的氧浓度相当于海拔2900m·m的O2分压，通过连续监测红细胞的数量和形态、生理生化指标和呼吸频率，可以知道低O2浓度对健康的不利影响。一旦O2浓度持续降低，有望适应海拔4600m m的O2分压，此外，圈内人畜无传染病。
第四，结论
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，可以作为潜在的植物栽培基质，这使得生物再生生命保障系统在太空居住中的应用比需要地球资源的装置要经济得多。但到目前为止，生物再生生命保障系统的土基技术实验还很少。生物圈2号是第一个建立并运行的基于土壤的生物再生生命支持系统。因此，关于其操作性能的数据对应于空间中使用的类似系统。
生物圈二号无论从规模、技术难度和复杂程度，还是所取得的成果，都是人类科学史上的杰作，在世界范围内引起了广泛的关注和赞赏，但最近也遭到了一些公众的严厉批评。
众矢之的主要是主客观原因造成的:(1)商业投资造成了参观邮局的游客络绎不绝，给人一种缺乏科学严肃性的印象；(2)遇到严重的阴雨天气和病虫害，导致初收不畅，大气泄漏；(3)人们对自己的科学实验了解不多；(4)缺乏理论和实践经验；(5)管理不善导致做不到能做的事。
与其100年的设计寿命相比，生物圈二号只是处于摇篮时代，所以有这样的问题和异议是合理的。只要我们不断总结经验，吸取教训，勤于实践，勇于探索，就一定会取得丰硕的成果。去宇宙可以看作是人类生存不可避免的问题。如果我们想在那里建立居民区，我们必须发展一个生态生命支持系统。创造一个舒适的类似地球的小环境，从而为未来的宇航员提供多样而营养的食物、氧气和水，并将CO2、废水和废物作为有效资源进行回收。生物圈二号正好可以教人这种技能。另外，通过了解它:(1)生态系统逐渐成熟的结果；(2)部件在各种应力环境下的稳定性；(3)遗传群体的连续性；(4)生物地球化学循环有望为恶化的地球生态系统找到出路。
被视为反面教材的生物圈二号现状如何？还是“奢侈的伪科学”吗？美国石油大王投入的巨额资金打击了水漂吗？
生物圈二号，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，耗资两亿美元的生物圈二号在短时间内成为笑柄，甚至被斥为“奢侈的伪科学”。直到今天，生物圈二号仍然被很多人视为鄙视自然的反面教材。然而，也许很少有人注意到，生物圈二号近年来正在悄然发生变化:它吸引了大量的游客和学生。更重要的是，它逐渐赢得了科学界的尊重，成为非常罕见的全球气候变化影响研究中心。
“奢侈伪科学”
曾经有人提出一个看似不可能的想法，在我们居住的地球上再造一个“迷你地球”，探索人类在这个现代“南泥湾”自给自足的可能性，以及未来在月球或火星建立生存空间的可能性。美国得克萨斯州的石油巨头爱德华·巴斯(Edward Bass)很期待。
从1984到1991，巴斯个人投资2亿美元，在美国亚利桑那州图森市北部的沙漠中建造了“生物圈2号”。生物圈2号占地13000平方米，像一个巨大的温室、雨林、沙漠、草原和海洋。“生物圈2号”。38860 . 68686868686
9月26日，1991，生物圈二号迎来了第一批志愿者，四男四女开始了为期两年的隔离生活。尽管这些居民预先花了几年时间接受工程、农业等方面的良好训练。(其中一人甚至接受了牙科培训)并拥有每年花费数百万美元的技术支持，各种灾难依然接踵而至:大量动植物死亡。更糟糕的是，到了6月1993 1，生物圈二号的含氧量从21%下降到14%，自给自足的幻想彻底破灭。
实验失败了。短暂休息后，生物圈二号迎来了第二批居民。五个半月后，五男两女因一氧化二氮积累过多，于1994年9月17日被迫离开，实验再次以失败告终。从那以后，没有人在生物圈二号生活过。
一个“乌托邦”的科研计划破产了。生物圈二号遭到了一些人的无情嘲讽，甚至有人斥之为“奢侈的伪科学”。
当然，生物圈二号也让人们明白了一个看似简单的道理:“目前，地球仍然是人类唯一的家园。”不仅如此，它还在不经意间给人们留下了一些佳话。
生物圈二号被称为“小联合国”，居民来自美国、英国、墨西哥、尼泊尔等七个国家。在这个“小联合国”里，培育出了一朵爱的花朵。实验结束几个月后，两组居民中的一组结婚了。这可能是一句老话:患难见真情。
此外，由于收成不好，生物圈2号的居民不得不控制饮食。结果，第一批居民中的四男四女平均体重下降了18%，平均胆固醇从195下降到正常值125，给那些平时正在减肥的人增加了一份惊喜。真的是无意的。
走出乌托邦
痛定思痛后，巴斯决定调整生物圈二号的定位。所以他求助于哥伦比亚大学的科学家，看看生物圈2号能用2亿美元做些什么。
1996 65438+10月，巴斯干脆把生物圈二号交给了哥伦比亚大学，并投入4000万美元用于未来五年的改造和运营费用。经过一番考虑，哥伦比亚大学计划将生物圈二号改造成一个致力于地球系统科学的研究中心，并邀请威廉·哈里斯担任新主任。哈里斯在美国国家科学基金会工作多年，是管理大型科研项目的专家。
事实上，花费在生物圈2号建设上的2亿美元并没有像一些媒体所说的那样“完全打击了水漂”。以378万升的人工海洋为例，无疑是研究海洋科学的好平台。这大概也是哥大和哈里斯愿意接手这个烂摊子的原因之一。
在过渡时期，生物圈2号首先面临痛苦和困惑。科学家们对生物圈2号的用途有分歧。有人想把生物圈2号打造成生物多样性的研究中心，也有人想专注于全球变化效应的研究。再加上技术上的困难，改造计划一度受挫，士气大受影响。一些科学家相继离开生物圈二号。
俗话说，峰回路转。两年后，人工海洋终于“泼了点水”。2月1998日发表在美国《科学》杂志上的一篇论文称，随着生物圈2号中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威胁。
这样一篇论文在外人看来可能没什么大不了，但对于生物圈二号来说，它很可能是一个转折点。今天，随着全球变暖越来越受到国际社会的关注，那篇论文清楚地表明，生物圈2号是研究全球变暖如何影响生态系统的理想平台。
2001年4月，世界著名植物学家贝里·奥斯蒙德接替哈里斯领导生物圈二号。生物圈二号研究中心的林光辉博士告诉本报记者，生物圈二号正在开展许多与全球气候变化相关的研究项目，吸引了许多世界级的科学家。
新梦想
生物圈二号过去失败的阴影正在逐渐消失，一个全新的形象逐渐树立。
据林光辉博士介绍，2001年2月在生物圈2号召开了一次由世界各国科学家和美国能源部官员参加的学术会议。与会专家高度评价了生物圈二号五年来的科研成果，并提出了未来的研究计划。
如今，生物圈二号已经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号发展成为地球系统科学、政策和管理方面的教育、研究和交流的首选，”该校副校长迈克尔·克罗说。与被嘲讽的目标相比，这个目标更加务实，但也雄心勃勃。
因为生物圈二号过去五年的表现得到了各方的认可，哥伦比亚大学在合同到期后与巴斯续签了10年的合同。哥大董事会决定从2006年5438+0到2005年投资2000万美元，巴斯也表示要追加3000万美元。
曾经被嘲笑为不懂科学的巴斯，在科研上可以说是“忍无可忍”了。在2002年6月5438+10月的《科学美国人》杂志上，哥伦比亚大学的Gretel holloway写道，到2010年，Bass很可能最终将生物圈2号及其周围地区转化为100万美元。
生物圈二号的风暴过后，会给人类生活带来哪些新的梦想？新的努力会再次失败吗？也许，洛克菲勒大学的乔尔·科恩和明尼苏达大学的大卫·蒂尔曼的话能给我们信心。
两位科学家认为生物圈二号和哈勃望远镜有一些相似之处。昂贵的哈勃望远镜在刚发射上天时曾因照片模糊而饱受诟病，但如今它已成为天文研究不可或缺的工具。同样，生物圈2号有望成为未来进一步了解地球的重要基地。
在科研中，恐怕没有人能保证只要有投入就会有回报。在任何时候、任何国家，都有许多上亿投资回流的例子。问题是我们是否理解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号的过去和现在为我们提供了一个极好的模型。