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30年前,人類做了一場復制地球的美夢

我們首次接觸到生態系統這一名詞時,是在生物課本中。

在這一章內容里,最讓人心神向往的莫過于那個宏大而又失敗的工程——生物圈2號。

“人類能離開地球生活嗎?”

生物圈2號,正是人類為實現外太空殖民邁出的第一步。

當時,它還被認為是繼登月計劃以后,美國實施的最令人激動的科學研究項目。

生物圈2號內景,一方世外桃源

生物圈2號內景,一方世外桃源

只是天不遂人愿,被捧得多高就摔得有多重。

原本設計者自信地認為,這個人工生態系統至少可以維系個上百年。

結果卻連兩年都撐不住,志愿者們就從里面倉皇出逃。

隨著計劃的失敗,這個實驗也成了科學笑柄,甚至被嘲諷為“奢侈的科學幻想”。

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直至今日,生物圈2號仍被當做是藐視自然反面教材。

課本中,也只告訴我們它失敗了,這讓生物圈2號充滿了神秘感。

那么當年在圈內究竟發生了什么事情,現在的生物圈2號又怎么樣了?

20世紀60年代,人類開始走進了宇航時代。

在這個宏大的工程開始前,宇航員在太空中生活的最長記錄已經達到了200多天。
但維系宇航員生活的必需品,全都來自于地球。

吃的是帶上去的食物,吸的也是人工氧氣。

太空站的宇航員

太空站的宇航員

所以,人們很早想在外太空模擬一個地球生態系統了。

這樣,宇航員在太空便過上自給自足的生活。

當然,這只是現下最基礎的構想。

而科學家們,更想知道人類能否復制地球。

在環境不斷變差的當下,如果成功了那將意味著還有后路可退,殖民外星就不是夢了。

BIOS-3

BIOS-3

事實上,生物圈2號并非首創。

前蘇聯花了7年時間,就在1972年打造出了一個類似的封閉式生物實驗基地BIOS-3。

這個315立方米的空間頂多容納3個人,前后共進行了10次載人模擬實驗。

其中3名研究員在艙內待的時間最長為180天。

不過,BIOS-3也并未嚴格遵守“完全封閉”的條件。

里面產生的垃圾并未得到重復利用,而是搬出了密閉空間。

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而這個項目,很快也在1984年因資金缺乏等原因轉型了。

所以,想要打造個微縮版的地球并非易事,資金就是個大問題。

但蘇聯這頭剛結束,美國的石油大王愛德華·巴斯(Edward Bass),卻對此蠢蠢欲動了起來。

愛德華·巴斯(Edward Bass)

愛德華·巴斯(Edward Bass)

他一向熱衷于各種不同凡響的生態項目,并不惜為此一擲千金。

現在的他,也想打造一個類似于BIOS-3的人造封閉系統。

光從他為這個項目取的名字“生物圈2號”,就能看出他的勃勃野心了。

地球,是這個世界上這個最大的生態系統,稱為“生物圈1號”

作為克隆版的地球,“生物圈2號”則是世界上最大的人工生態系統。

從1984年起,這位土豪就為生物圈2號怒投了2億美元。

匯聚大批頂級的科學家與工程師,歷史7年的設計和施工,生物圈2號終于在美國亞利桑那州的荒漠中拔地而起。

生物圈2號的總占地面積為13000平方米,總體積約為180000立方米。

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遠遠看上去,這只是個巨大的玻璃溫室。

但里面卻暗藏玄機。

圈內共包含著5大生態系統:雨林、海洋、荒漠、草原、沼澤。

此外,還有面積約達2020平方米的農場土地,種植著各種能提供糧食的農作物。

生物圈2號的分區

生物圈2號的分區

說這里完全與世隔絕,是一點都不夸張。

不但所有門窗都進行了嚴格的密封處理,就連地面之下也澆筑了厚達兩米的混泥土。

這讓生物圈2號的氣密性非常高,年泄漏率不超過10%。

而其他閉式人工生態系統,如前面提到的BIOS-3每天的泄漏率就已經達到了1%~10%之間。

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1991年9月26日,隨著一扇大門緩緩關上,一個宏大的計劃正式開始了。

在此之前,已有8名科學家(4男4女)被嚴格挑選出來,成為這艘諾亞方舟的第一批乘客。

他們每個人都有自己熟悉的科學研究領域,如生物學、海洋學、醫學、心理學、工程學等。

當然,這8名科學家也并不孤單,隨他們一起入住的還有一大批生物。

整個生物圈2號內,共有4000個物種。

其中動物(包括軟體、節肢、昆蟲、魚類、兩棲、爬行、鳥類 、哺乳等)、植物(包括浮游、苔蘚、蕨類、裸子和被子植物等)約3000種,微生物(包括細菌、粘菌、真菌、微藻等)約1000種 。

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最初,這批科學家都滿懷激情地進入圈內,心情不亞于邁向月球。

他們都盼望著,這個模擬地球中所有生物都能和諧共存,各司其職。

早上4小時,他們會用來維護這個生態系統的和諧,如檢查每一個小系統、播種收割莊家等。

午后的4小時,則是各種實驗與研究的時間,如分析空氣成分、研究水和土壤的性質與照料動植物等。

生物圈2號里的人造海洋

生物圈2號里的人造海洋

而生物圈2號對他們的限制只有一點,那就是禁止圈內人戀愛造人。

在其余的休息時間里,他們可以做一切自己想做的事情,看書、看電影、看新聞等。

雖然身體與外界隔離,但他們仍能用通訊工具與外界聯系,與親朋好友通電話等。

他們的家人也能來到館外,隔著玻璃探望。

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所以說,除了不能光明正大談戀愛以外(事實上,這8人里面產生了兩對地下情侶),他們的生活與普通人差別并不大。

甚至,這種自給自足的田園牧歌式生活,更讓人艷羨。

能源,取自于太陽能;

氧氣,由生物圈2號內的植物制造;

糧食,則來自每個人的辛勤播種;

肉類和蛋白質,可以寄往于他們養的牲畜。

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但,這不過是實驗初期的情景罷了。隨著時間的推移,讓人焦頭爛額的難題是一個接著一個

他們首先面對的,便是極度影響生活質量的糧食減產。

這第一批進住的生物圈人可謂匯聚了八方英雄,但唯獨就缺少了會種地的“農民”。

盡管耕作區占了很大的比例,但因缺乏耕作技術他們種出來的麥子、水稻總是不結籽。

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不過,更讓他們發愁的還是蟲害。

因為這是個完全封閉的系統,那些帶有毒性的殺蟲劑和除草劑,是萬萬不能帶進去的。

所以他們只能用生物防治或比較原始的方法(如噴肥皂水和硫磺、芽孢桿菌)來控制蟲害的發生。

但這些治理手段的效果都不太理想,大片的天地被害蟲侵占。

再加上那年的光照量不足,這直接導致了糧食供應成了問題。

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他們一個星期,只會吃一次肉。

而密閉后建立的農業系統,平均提供8人80%的營養需求。

為了應對糧食減產,科學家們也自覺節食。

每天攝于的能量大大降低,有時低于一千卡路里,餓肚子是常有的事。

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到最后的日子里,他們只能靠食紅薯根充饑。

這比《火星救援》中只能靠土豆為生的日子還要苦,個個瘦得皮包骨頭。

即便是已經離開生物圈2號,有些人談起紅薯的都覺得心慌。

在兩年內,這4名男性體重平均下降了18%,4名女性體重則平均下降了10%。

其中一名男子進去時還是個200斤的“胖子”,到出來時已經減掉了50斤的肉。

其中一位“圈內人”Roy Lee Walford醫生

其中一位“圈內人”Roy Lee Walford醫生

吃少點也能活,問題不大,但后面的問題則是真正的危及生命。

從住進生物圈2號開始,圈內的大氣就一直處于不太穩定的狀態。

除了每日的波動很大之外,生物圈2號內的氧氣含量一直在緩慢下降,而二氧化碳量不斷上升。

從實驗開始后的9個月內,生物圈2號氧濃度就從20.51%降至16.95%。

再過3個月,到1993年的1月中旬,這個數值更直接降為14.5%。

這時,生活在這個迷你地球中的8位志愿者生命,可以用岌岌可危來形容。

任何含氧量低于19.5%的環境,都會被職業安全和健康管理局定義為缺氧。

而14.5%的含氧量什么水平?

這相當于地球上海拔4000米高度的空氣含氧量。

海拔高度與空氣中理論含氧量的關系一覽表

海拔高度與空氣中理論含氧量的關系一覽表

明明生活在平原,但所有人都高原反應嚴重。

首先,缺氧讓所有人都變得昏昏入睡,精神不振。

他們已經幾個月無法正常睡眠了,經常一閉上眼睛就因窒息而驚醒。

然而拖著備受摧殘的身體,他們還需尋找原因,“氧氣到底都去哪了?”

因為按照理論來說,就算圈內生平再不平衡,氧氣也不至于跑得那么快。

有機物在吸收氧氣的同時,會釋放大量二氧化碳。

可是檢測器在測出氧氣含量顯著降低時,卻沒有顯示二氧化碳含量對應的增加。

直到離開,他們都沒能找到這些氧原子究竟藏在哪里,只能眼睜睜看著氧氣一點點流失。

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后來,研究人員才發現這與混凝土有關。

為了保證氣密性,生物圈的地面埋了一層厚厚的混凝土。

而內部裸露出來的混泥土面積更是達10000多平方米,比兩個足球場還要大。

細菌在呼吸作用中所產生的二氧化碳,會與混凝土中的氫氧化鈣反應生成了碳酸鈣。

經過測量發現,這混泥土結構內外側碳酸鈣的含量明顯不同,內側竟比外側高10倍以上。

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不過,即便不是混凝土這一疏忽,生物圈2號設計時土壤、空氣、海洋的比例就與“生物圈1號”的比例相去甚遠。

盡管擁有4000種生物,但科學家仍無法調控其中的微妙平衡。

除了氧氣降低以外,二氧化碳和氧化亞氮也幾度升高到超出警戒水平。

就拿二氧化碳為例子,到1993年2月它的濃度就超過了地球上的十倍。

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這真是一場生態大災難。

看似完美的生物圈2號,仿佛一夜之間崩塌,這個小地球已經亂作一團。

高濃度的二氧化碳,使人造海洋中的酸度不斷升高,導致大量的魚類與珊瑚死亡。

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此外,生物圈2號內的25種脊椎動物,只有6中存活了下來。

絕大多數昆蟲也都滅絕了。

更糟糕的是,蜜蜂、蜂鳥和其他所有可以傳授花粉的益蟲,都無一幸免。

這也就意味著,許多植物根本無法繁衍后代。

由于降雨失控,人造沙漠也變成了叢林與草地。

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不過,在這種新的環境下,有幾種物種卻混得特別好。

其中之一便是牽牛花。

研究人員就是看在它固定二氧化碳的效率才將其引進生物圈2號。

卻不料,這種植物在高濃度的二氧化碳下開始瘋狂生長。

它們的藤蔓已經伸向了玻璃穹頂,更危機其他植物和農田。

圈里人每天都需要花大量時間來修剪除草。

為了保證8位科學家的人身安全,生物圈2號的管理不得不妥協。

短短兩年的時間內,生物圈2號的大門就開啟逾24次。

其中一次是由外向內輸送空氣,有兩次則是補充純氧以平衡里面的空氣。

做到這一步,基本已經可以宣布生物圈2號這個項目破產了。

堅持了近兩年時間,八名成員也終于扛不住了,一起離開了生物圈2號。

而從他們踏出大門的那一刻起,人類復制地球的美夢也徹底破碎了。

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后來,愛德華·巴斯還是不死心,在1994年3月繼續開啟了第二輪實驗。

這次他們也已吸取了教訓,開始規避第一次實驗中遇到的難題。

例如,新增了一位32歲的農學院畢業的大學生。

確實,入住后種出來的糧食是多得吃不完了。

但結果還是一樣的糟糕,依舊無法控制大氣的平衡。

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而且,這次結束來得更快,只堅持了6個月左右實驗人員就已人心渙散。

其中兩名男性成員就以缺氧為由,砸毀了生物圈2號的玻璃,功虧一簣。

兩輪的失敗,也總算讓人看清了現實。

最后,這座耗資2億美元的工程也被移交給了哥倫比亞大學.

現在生物圈二號已經轉型成為研究環境的實驗室,也算是物盡其用。

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現在,每年仍會有無數旅客,來到這種龐然大物面前“朝圣”。

而生物圈2號,也一直在向人類傳達一個最普通的道理。

經歷了幾十億年的風霜,地球才變成了現在的模樣。

人們渴望窺探這種精妙的平衡,只是以人類現有的認知水平還無法望其項背。

建設適合人類生存的空間,確實是人類最美好的愿望。

但現下方舟未成,我們只擁有一個地球。

參考資料

BIOS-3.Wikipedia

Biosphere 2.Wikipedia

Jordan Fisher Smith.Life Under the Bubble.Discover.2010.12.20

MARK NELSON.Biosphere 2: What Really Happened? 2018.05-06

蔣高明.我在“生物圈二號”里的親歷[J].科技潮

郭雙生,孫金鏢.美國生物圈2號及其研究[J].中國航天.1996

文章來源:剛好公社

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