探索生态乌托邦：生物圈2号

随着人口增长，资源和能源不断地被消耗，我们生活的生物圈逐渐有无法承受的迹象。地球生态学家们出于对未来的考虑，希望通过人工的办法，在荒芜的土地上建立一个封闭的、类似于地球生物圈的新环境。这样，生物圈2号的实验就闪亮登场了。

生物圈2号

最早建立生物圈2号的想法，来自美国亚利桑那大学环境研究室主任，也是后来生物圈2号的顾问之一霍奇斯^[1]。霍奇斯发现，即使当前全球变暖已经成为不争的事实，但人们在争论温室效应的成因时，还是会为“是否是二氧化碳含量增加引起的”争论不休。于是霍奇斯就想，如果能建造一个地球生物圈模型，通过调控其内部的气候、降水、食物链和污染程度等，以观察每次环境因子变动后的结果，就能轻而易举地研究出我们想要知道的问题。这种想法获得了许多生态学家的支持，其中就有生物圈2号的发明者艾伦^[2]。艾伦在1987年至1991年和他的志同道合者们组成了一个称为“太空生物圈风险投资公司”的合资公司，来管理生物圈2号。这个项目资金主要来自德克萨斯州的石油大王巴斯^[3]。巴斯是位金融家和慈善家，也是一名环境保护主义者，他对生物圈2号憧憬不已。在这个项目中，巴斯共出资2亿美元，最终建起了1.28公顷的“生物圈2号”。

生物圈2号座落在美国亚利桑那州图森市以北30英里（48.280千米）处，由热带雨林、沼泽、人工海洋、密集农业区等7个生态系统组成，内有3800种动植物。每一个生态子系统的建立都历尽千辛万苦。比如要建立一个热带雨林的生态子系统，由于美国亚利桑那州处于亚热带大陆性干旱、半干旱气候区，年降水量一般都会少于250毫米。在这样的环境下，根本没有形成热带雨林的条件，所以生物圈2号的建造者们先要在10英尺（3.048米）厚的极干涸土壤上铺上3英尺厚的偏碱性土壤，再用泥炭苔鲜和肥料进行酸化，使它们接近热带雨林土壤表层上的化学特征。但当地并没有这样的土壤，所以要从遥远的地方运输而来。但即便如此艰难，热带雨林子生态系统还是建成了。建造者们还从委内瑞拉搬来了被侵蚀的砂石山峰实物标本，在山顶种上苔藓和羊齿科植物，山脚则是从密苏里植物园移植来的亚马逊树林，林层高达35英尺，树下是喜阴的羊齿科植物和橡胶树。此外，还在热带雨林的四周种上生姜、香蕉等，以避免沙漠热气和阳光损伤下层的植物。工作人员为了配齐热带雨林里的物种，跑遍了委内瑞拉、波多黎各、伯利兹、圭亚那及巴西等地。

生物圈2号内部的热带雨林生物群系，摄于2017年2月

生物圈2号内部场景。可看到热带草原区（前景）和海洋区（背景）

要使被选择的生物能够适应新的生存环境，首先要进行实验。为此，生物圈2号的建造者们又建了两个15000立方英尺的生物圈试验模型，7个生态系统中的大部分动植物都在其中进行过生存试验。生态系统的可持续发展，最关键的是其内的生物具有可持续发展的能力，它们能自发地繁衍后代，自我更新。以植物传粉为例，生物圈2号的建造者们起先认为蜂类不适合作为传粉的媒介，但通过试验后发现结果并非如此，所以在生物圈2号里，引入了各种各样的蜂类昆虫。生物圈2号总共引进200多种昆虫，以帮助完成生态系统里的物质循环。像白蚁、蟑螂和甲壳虫等，都能迅速地分解腐败的动植物残体，而成为生态系统中的另类分解者。当然，还要考虑生物圈2号内的各种动植物的数量平衡，比如为避免昆虫的过度繁殖，就培育了许多鸟类、蟾蜍和蜥蜴。为了使生物圈2号能成为真正的适合人类生存的环境，建造者们为生物圈2号精心挑选了处于食物链顶端的动植物，以供人类食用。在生物圈2号内，有一个24000平方英尺（约223平方米）的密集型农业生态系统，这里一年四季轮流种着百来种瓜果蔬菜，如西红柿、花椰菜、莴苣、玉米、豌豆、稻子、小麦、土豆、香蕉、无花果、木瓜、甘蔗等；还饲养供人类食用的家禽、猪、山羊以及鱼类等。为了使这个农业生态系统能健康发展，这里不使用任何农药。

生物圈2号内部的农业区

生物圈2号参与者合影

能否挑选好生活在生物圈2号的志愿者，是生物圈2号试验能否成功的关键。许多人对生物圈2号抱有强烈的好奇心，他们都想试一试，来这个乌托邦式的生物圈里生活会是一种什么样的体验。所以，虽然只能有8名志愿者入驻生物圈2号，但有7男7女共14名候选人参加了应征。这些人大多40岁不到，他们就像受训的宇航员一样，对未知生存空间充满憧憬。许多应征者都有生物学、海洋学、医学、心理学、工程学等专业背景，但仅仅具有探索未知生活的激情明显是不够的，因为志愿者要在放弃自己原有的工作、放弃家庭生活，切断与外界交流的情况下进入生物圈2号，这就像一场历时两年的生态探险历程，对候选人的要求还是非常严苛的。幸运的是，这14名候选人都还是单身，没有家庭之累，而且都放弃了原来的工作。在生物圈2号建设的3年期间，对14名候选人的培训是整个生物圈2号建设工程的重要一部分。这14名候选人与建设生物圈2号的员工们一样，每天都要参加其中的工作，他们也有自己的收入，收入会自动存入他们在外界的账号中。

1991年9月26日，4男4女8名志愿者正式入驻生物圈2号，其余6名候选人则在外面作为工程的控制人员为各部门服务。

生物圈2号内的志愿者厨房

生物圈2号内的志愿者起居室

在半干旱的沙漠地区建这么一个纯人工的生态系统，确实不是件容易的事，这需要生物圈2号的工作人员们尽可能地维持生态系统的正常运转。生物圈2号的生态平衡遭受破坏的最大威胁来自外界的动植物入侵。生物圈2号的工作人员成为这个系统里的“秩序维持”的最高执行者。他们每天上午工作4小时，主要进行播种之类的农业生产活动，也要清洗生活区，保养好生物圈2号内的每一个小系统。而午后的4小时工作，则是进行实验研究，比如分析生物圈2号内的空气化学成分、水和土壤的性质，还要饲养动物，栽培植物等。而8小时工作之外的时间，8名志愿者都有自己个性化的安排：有坚持写日记的，有学俄语的，还有在写减肥节食养生类书籍的。在生物圈2号内，还为每一名“居民”配备了卧室。卧室的上层是卧房，下层是起居室。所有的套房都安装可与外界联系的电话、收音机、电视机、录像机，以及能用来收发邮件、传真、电报和新闻的计算机。此外，8名“居民”中还有一位是医生，他建立了一个包括心电图、X光机、手术台等医疗设备的微型医院，以保证其内人员的身体健康。当然，为了在紧急情况下，保证人员的安全，有时也不得不打开生物圈2号，以便把出现意外情况者送到图森市里的医院进行处理。其实对生物圈2号的8名志愿者来说，他们是这个新世界的新居民，他们与外界处于物理上的隔绝状态，他们的精神状态比他们的身体状态更让人担忧。而且最让人担心的是，在其中生活了两年的志愿者，他们的精神状态很难界定与评价，特别是传统的心理健康检查已经不符合他们生活的实际情况。4男4女在与世隔绝的环境中，他们之间在情感上相互依赖，谈恋爱等现象也是常有的。为了使生物圈2号能顺利地继续下去，建造者们不干涉志愿者的“私人生活”。

作为一个独立的生态系统，生物圈2号的运行，要遵循生态平衡规律。生物圈2号是玻璃密封体，它可以吸收70%的太阳光，但不能散热。亚利桑那沙漠每天的阳光都非常充足，一天的阳光就足以使生物圈2号的气温达到65 ℃，长期这样的环境下几乎不可能有生物生存。为了控制生物圈2号内的冷热空气流动，生物圈2号装了两叶“肺”，即在紧靠生物圈2号的西墙和东墙建了两座高50英尺（15.24米）的建筑，这两座建筑覆盖着橡胶膜，由地下通道与生物圈2号相连。当生物圈2号内的气温升高时，热空气会冲入“肺”，使橡胶膜顶膨胀；但气温下降时，热空气又会被压回。这样，生物圈2号就像生命体一样可以进行“呼吸”。但很明显，“肺”并没有增减整个生物圈2号的热量，只是相当于一个空调：生物圈2号内的热空气会被抽入地下的风扇和通道网络，再通过热交换器，用热交换器内装有4000加仑（15.142立方米）水的弯曲管道让热空气降温；降温后的冷空气再通过空气槽返回生物圈2号内。虽然生物圈2号是密闭的，其内的热空气不能流通到外界，但热量还是可以传递出去的。生物圈2号的建造者们利用两种方式，可以非常有效地将圈内的热量传递出来：一部分水流到圈外的“能源中心”，水温可降到27℃左右；这样的温度并不能大幅度降低生物圈2号内的温度，所以还有另一部分水流到“能源中心”的传统冷却系统，可将水温降到7℃左右。这样，就能根据季节、区域、早晚时间等随意地将生物圈2号的温度控制在19℃～35℃的范围内。

生物圈2号内的水也是非常重要的。由于生物圈2号内的水量有限，第1批8名志愿者生活两年时间的水，仅仅在内部进行了水循环，而没有与外界之间进行交换。而且，空调系统还必须保证生物圈2号是湿润状态。在生物圈2号内，湿润的空气经过冷却后，水蒸气会凝结在冷凝管上，并滴入集水槽中，从而重返生态系统。像在热带雨林区，水被人工压到山顶的水池中，流入后成为瀑布，再蜿蜒穿过丛林，越过热带草原，再俯冲下悬崖，最终通过河口汇入海洋。因为有了这些水，处于悬崖边缘的植物获得了滋润，干涸的沙漠成为了绿洲。

生物圈2号里的海洋水是由人工盐化而成的，它的盐度接近天然海水。生物圈2号里的海水与其他水一样，也会蒸发，只是人工海洋表面积太小，并不能模拟真实的地球表面情况，因为在生物圈2号内，由河流进入海洋的水量远远多于蒸发量。为防止生物圈2号内的海水泛滥，一部分海水被引出脱盐后，用管道输回淡水循环中，脱出的盐则重新投入海洋。

生物圈2号内的人类居住区，是一个相对独立的系统。“居民们”用冷凝管滴下的水来做饭、洗漱、喂动物，以及供应实验室研究之用。人们的饮用水都要用沙滤器净化后，再经过紫外线杀菌，以确保饮用水安全。所有的生活垃圾都要输入到一个小型的沼气池中，这个沼气池内有许多微生物、植物、昆虫和青蛙等，它们以沼气池里的垃圾为生，这样就起到物质循环的作用。(www.xing528.com)

生物圈2号内部的人工海洋

生物圈2号内部的人工沙漠

整个生物圈2号内的降温、启动泵和计算机、照明、烧饭等一切所需要的电力，都来自一座3.7兆瓦的天然气发电厂。设计者原来是想利用当地原有的电力来供电，但考虑到万一出差错，风险太大，所以倾向于使用太阳能电池。但是，太阳能电池的费用太过昂贵，最终只能选择天然气。

在生物圈2号的运行过程中，尽管建造者和志愿者们接受了专业训练，每年也花费了百万美元来维持它的正常运转，但是生物圈2号生态系统的灾难接踵而至，由于食物链和食物网太过简单，致使各种动植物大量死亡，蟑螂和蚂蚁却大量繁殖，成为物种不平衡的最大隐患。最糟糕的是，在1993年1月，生物圈2号内的氧气含量从21%下降到14%。这无疑说明，生物圈2号已经失败了。为了延续生物圈2号的“生命”，建造者们不得不从外界补充氧气。

投入如此大的资金，最终换来失败的结果，生物圈2号的建造者们哪能就此善罢甘休！经过了短暂的休整，生物圈2号又迎来了第二批居民，共5男2女。但遗憾的是，还是因为空气中氧气含量逐渐降低，他们住了10个月后，在1995年1月被迫撤离，实验再度以失败告终。至此，再也没人入驻生物圈2号，这个乌托邦式的克隆生物圈就这样破产了，而且也成为人们嘲笑的对象。各大媒体争相报道他们的失败，嘲笑他们是“奢侈的伪科学”，异想天开，不遵循生态科学规律。

生物圈2号并非是人类历史上第一次进行人工生物圈的试验，其实在美国进行生物圈2号试验之前，苏联已经进行过类似的试验，只是由于宣传、资金投入等的限制，知名度远远不如生物圈2号。苏联的这个克隆生物圈叫BIOS-3，它是1972年建在蛮荒之地的西伯利亚，3名苏联研究人员在里面住了6个月。但显然BIOS-3没有生物圈2号这么“彻底”，它里面的空气和水虽然都得到重复利用，但生产的食物只够1.5个人吃，垃圾也不能被自然分解进行物质循环，只能被搬运出密闭的空间。这样的实验当然算是失败的。

继生物圈2号失败之后，人们对建立一个人工生物圈的想法还是非常强烈的，并不心甘情愿地接受失败的事实。从2009年4月6日开始，在日本北部沿海的青森县六所村进行了“迷你地球”的试验，这个试验的目的是调查食物等所含的碳是如何在生态系统中循环的。“迷你地球”总面积约5000平方米，不过全部密封的空间只占10%，在这个占全部空间10%的空间里，除了栽培植物外，还建有羊圈，以及供给两名研究人员居住的一室一厅。这两名研究人员和两只山羊靠吃在植物栽培室收获的大米和蔬菜生活了一周。

生物圈2号是失败了，但它留给人们的“教训”是非常深刻的：目前地球还是人们唯一的家园，人们要善待地球。

当然，“意外”的收获并不止这些。生物圈2号的志愿者分别来自美国、英国、墨西哥、尼泊尔等7个国家。在这个“小联合国”里，也培育出了爱情之花：试验结束后，就有一对恋人结为伉俪（kàng lì，指夫妻），真可谓“患难见真情”。同时，由于粮食欠收，生物圈2号内的居民不得不控制饮食，结果造成第一批居民中4名男性的体重平均下降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。这对志愿者们来说，也算是“无心插柳”地减肥了。甚至还有志愿者在实验后，继续维持在生物圈2号里的饮食习惯，认为这样更有利于个人健康。

实验失败，当时最受伤的是投资者巴斯，良好的心愿没能达成自不必说，那2亿美元，就此“打水漂”了。于是，巴斯重新调整生物圈2号的定位，向哥伦比亚大学的科学家请教，看看这个自己已经投入2亿美元的失败的“乌托邦”还可以用来做什么。1996年1月，巴斯干脆把生物圈2号交给哥伦比亚大学打理，并重新投入了4000万美元对它进行转型，作为今后5年的改造和运行的费用。这样，经过全面的打理，哥伦比亚大学把生物圈2号改造为一个致力于地球系统科学的研究中心。现在看来，建造生物圈2号的巨额资金，并不像一些媒体所嘲笑的一样“血本无归”，很多遗留的事物都有很好的研究价值，如378万升的人造海洋，就可以作为研究海洋科学的好平台。科学家们根据这个海洋模型进行了研究，发现随着生物圈2号内二氧化碳气体含量的增加，人造海洋中的珊瑚受到了威胁，并根据这个发现写成了一篇论文，发表在1998年2月13日的美国《科学》杂志上。这样的论文在全球变暖日益严重的环境下，受到国际社会高度的重视，也成为二氧化碳使全球变暖有力的证据。而如今，生物圈2号内进行着多项与全球气候变化有关的研究项目，吸引了许多世界上一流的科学家来此工作。

虽然生物圈2号是失败的，但它存在的意义和后续的功能，却并不失败。这就像美国哈勃空间望远镜刚刚升空时一样，许多人都在嘲笑美国政府花那么多钱发射了一个只能拍模糊不清照片的庞然大物，但结果表明，哈勃空间望远镜对天文学发展具有不可代替的作用。生物圈2号也是如此，它有望成为人类进一步认识地球的重要基地。

如今，生物圈2号还是非常著名的旅游和教育基地，它每年都吸引大量的游客和学生到此驻足观光。此外，它也渐渐地赢得科学界的尊重，成为必不可少的全球气候变化效应的研究中心。

【注释】

[1]卡尔·霍奇斯（Carl Hodges，生卒年未知）美国大气物理学家。

[2]约翰·波尔克·艾伦（John Polk Allen，1929～）是美国生态系统学家和工程师、冶金学家、冒险家和作家。

[3]爱德华·巴斯（Edward Perry Bass，1945～）是美国商人、金融家、慈善家和环保人士。