美国生物圈2号及其研究

郭双生/孙金镖

图1〓生物圈2号的外观图

表1〓〖WB〗圈内各个组成部分及结构参数一览表

区域	面积(m2)	体积(m3)	土壤(m3)	水分(m3)	大气(m3)
集约农业区	2000	38000	2720	60	35220
居住区	1000	11000	2	1	10997
热带雨林	2000	35000	6000	100	28900
热带草原/海洋/沼泽	2500	49000	4000	3400	41600
沙漠	1400	22000	4000	400	17600
“西肺”	1800	15000	0	0	15000
“南肺”	1800	15750	0	750	15000

注:上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的50%

美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的生物圈2号是一座微型人工生态循环系统,因把地球本身称作生物圈1号而得此名。它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起,并与几家财团联手出资,委托空间生物圈风险投资公司承建,历时8年,耗资15亿美元。

1991年9月26日4男4女共8名科研人员首次进驻生物圈2号,1993年6月26日走出,停留共计21个月,在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验。来自英国、墨西哥、尼泊尔、南斯拉夫和美国等5国的4男3女共7位实验人员在对首批结果进行评估并改进技术后,于1994年3月6日二次进驻,工作10个月后于1995年1月走出。他们在这期间对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统。它使人类首次能够在整体水平上研究生态学,从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径。更为重要的是,它将作为首例永久性生物再生式生保系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星球定居和宇宙载人探险。

一、概况

占地128公顷的生物圈2号的地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型,配有双层玻璃窗板;地面部分为焊接不锈钢板,并用钢垫密封。总体积约为180000m３。其内部主要由7种生态群落区和两个大气扩张室(也称作“肺”)组成。此外,还设有能量中心和冷却塔等设施。其外观及有关结构参数如表1和图1所示。

为了减轻立体结构的负荷,生物圈2号的内部压力略高于周围大气压。众所周知,温度改变必然导致压力变化,而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板(计算值极易超过kPa）。为了解决这一矛盾,没有像通常那样采取抵抗压力的措施,而是为该圈装配了两个称为“肺”的体积可变室，以使大气在恒压下胀缩。两“肺”就如同巨大活塞通过密封膜连接在气缸上一样,上下垂直运动距离约达15m。活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压具有两大优点:不论什么地方有泄漏,内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染；活塞的持续下滑则表明某处出现泄漏。两“肺”的体积占到该圈密闭体积的30%。

除上述设施外,其内部还包括分析、医疗、兽医、监控、维修、锻炼、影视等室,分布在不同部位。

与地球生物圈类同,生物圈2号在物质上闭环,通过工程手段禁止它与外界大气和地下土壤进行物质变换。在能量上开环,允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用,同时引入电能供技术系统操作运转。在信息上也同样开环,通过计算机系统、电话、摄像、电视与外界进行数据信息交换,并通过电视可以与外界工作人员及亲属进行面对面的交谈,还可放映电影和收看商业电视节目。电能及热控能源从外界通过气密装置输送进来,当进行能量转移时,不允许内外流体进行任何形式的交换或混合。

表2〓圈内大气温度、压力及重量范围

生物群落	温度(°C)	最高	最低	大气成分	压力(kPa)	百分比(%)	总重量(kg)
热带雨林	35	13	O2	1810	2051	31800
热带草原/	38	13	N２	6751	7651	103775
海洋/沼泽			CO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
居住区	35	15	总量	8824	10000	139185

生物圈2号的“神经系统”是一个完整的计算机数据采集和控制系统,它是从位于居住区的指挥室辐射出的微处理机网络系统。这一内部“神经系统”通过信息通路与外界附近的“飞行控制”楼内的计算中心相联通。该楼作为分析中心而成为生物圈1号和2号间获取分析数据及通讯的主要窗口。居住区内的指挥室通过遍布圈内的5000多个传感器(每15分钟记录一次并读入无限增长数据库)能够有效地控制所有主要的操作参数,如温度、湿度、光强、水流量、pH值、CO２浓度、土壤湿度、仪器运作状态等,并能进行数据传感器及所有报警装置的状态显示。每件装置均有手动控制开关以防“神经系统”任何部位的失灵。

尽管整个圈内为热带气候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相对独立的温度。由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上,其外围大气压不是标准压力1013kPa，而仅约为882kPa,因此,其内压只能略高,即为8824kPa。详细情况见表2。利用机械系统模拟地球自然环境,例如制造海洋波浪、潮汐、溪流、瀑布以及按照季节要求控制风、雨、湿度等,并控制盐分梯度及营养循环速度和进行海水淡化。

二、生态群落

生物圈2号有5个野生生物群落(热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠)和两个人工生物群落(集约农业区和居住区)。它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板,分别由美英生物和生态学家设计而成。

圈内共有约4000个物种,其中动物(包括浮游、软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、鸟类、哺乳等)、植物(包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等)约3000种,微生物(包括细菌、粘菌、真菌、微藻等)约1000种,它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。

该系统既有高大的树木(如红树),也有矮小的灌木草丛植物,错落有致、憩静秀美。各个野生生物群落中的生境并不一致,它们分别有4、6、4、4、6种生境,如海洋有海滩、浅咸水湖、珊瑚礁和海水等4种类型。生物群落间均有相对独立的生态区将它们互相隔开,例如,热带草原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离。为了保护各个群落不受环境胁迫,在其周围种植了耐性强的植物,例如,热带雨林的三周围是浓密的姜科植物，从而保护内部树种免遭侧面强光照射,而与海洋的界面间种有竹子来抵御盐分渗入。

为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间,通过一定的人工处理再利用。例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。

生物圈2号中选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命保障、分类多样性、物理参数、植物的可利用程度和美学价值。为了适应达尔文的自然选择过程,植物种类开始时比系统能支撑的要多一些,这样可以补偿物种的遗失或灭绝，并最终促进系统的持续稳定。

三、研究范围与主要结果

首批8名科学家在21个月的密闭人工生态环境中按照各自的研究范围进行了广泛、细致、深入的观察、记录、分析,研究项目包括生物地球化学、土壤、水、海洋、“全球”生物量、农业、遗传、生理、营养、医学、心理以及技术和工程学等内容。本文仅就几个较为重要的研究结果概括如下:

1大气动力学与大气泄漏

在微小的闭式生态系统中生物地球化学循环速率显著加大,这是由于它缺乏地球生物圈所具有的巨大贮存作用以及有机体与无机物的比率大大增加的缘故。即使在生物圈2号这样大的装置中,大气CO２的平均滞留时间仅为1～４天,而地球生物圈中则约为3年。

生物圈2号中浓度为1500ppm的大气CO２(约为地球大气CO２浓度的4倍),约相当于100kg的碳,这一数量与圈内的生物量和土壤中的有机碳相比大大降低,分别为100∶1和5000∶1,而地球中的相应比例分别为1∶1和2∶1。

生物圈2号中CO２的波动范围为700～８００ppm/d,一般为500～６００ｐｐｍ／ｄ,有时会更低,这与季节、昼夜循环和天气变化导致的光合作用和呼吸作用的动态消长有直接关系。当光强(光合成光通量,PPF)达到一年的最低值时(168mol·m－２ｄ－１）,CO２的平均浓度为2466ppm;相反,当PPF达到最高值时(537mol·m－２ｄ－１）,CO２浓度则达到一年中的最低值1060ppm。

为了缓冲这一系统在第一年冬季低光照时的高CO２浓度水平,利用一套CO２循环系统首先将它通过化学反应形成CaCO３,如需要时把后者加热到950°C便可释放CO２进入大气。4个月间[DK10]约有53880mol(相当于9450ppm)的CO２通过定期使用这一物化系统以CaCO３的形式沉积下来。这一沉淀可以间接说明约1%大气O２的下降(通过有机碳氧化和随后的CaCO３分离)。相反,1991年12月用来补偿大气泄漏的10%外部大气的加入影响较小,CO２浓度暂时下降了200ppm,即为每天正常变化的1/3。

CO２的浓度升高可导致海水酸度增加。为了避免此现象发生,在海水中分期加入碳酸钠和碳酸氢钠,这样可以保持pH值在77以上。

表3, 生物圈2号一年内总的农业生产量(kg)蔬菜菜豆8甜菜叶273甜菜根308胡椒13胡萝卜88辣椒63甘蓝83黄瓜17茄子155羽衣甘蓝11生菜90洋葱107Bok choy12雪豆1南瓜籽8西葫芦287Swiss Chard58甘薯叶64番茄288冬瓜261粮食水稻196高粱131小麦113淀粉类蔬菜白薯198甘薯1335Malanga84薯蓣20高脂肪豆类花生24大豆14低脂肪豆类蚕豆63豌豆15水果苹果1香蕉1024无花果39番石榴41金柑4柠檬10酸橙4柑桔6番木瓜639动物产品山羊奶407山羊肉8猪肉35鱼10蛋6鸡肉8总计6630

氧气动力学令人困惑不解。1991年9月到1992年6月间,生物圈2号中氧浓度从2051%下降到1695%,到1993年1月中旬时则为145%。基于医学忠告,1992年6月后的几个星期在圈内不断输入纯氧,使其浓度回到19%。O２浓度下降主要发生在密闭后的前4个月,此时为18%,1992年4月以后,O２浓度则以每月025%的线性水平下降。O２浓度下降的真正原因并不十分清楚,利用几种方法的氧气动力学研究仍在进行,包括研究圈内氧同位素的分布。

生物圈2号气密性非常高。根据泄漏率和压力间的关系推知，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证明，年泄漏率不超过10%。在最初的4个月中(1991年9～12月),大气泄漏约10%,相应的外界气体于1991年末一次性注入。其它闭式人工生态系统(如肯尼迪航天中心制造的生物量生产舱)每天的泄漏率就在1%～１０％之间。

2食物生产与废物处理

生物圈2号中的农业系统必须满足3个主要要求,即无污染、集约型和可持续性。空间生物圈风险投资公司和其农业区的主要顾问亚利桑那大学环境研究实验室,起初试验水培和气培的种植技术，最后由于种种原因而不得不转向以土壤为基础的农艺技术。原因之一就是水培必须依赖于化学营养液的输入,而这在空间是难以解决的。另外一个原因是如果没有能力做堆肥或利用植物/微生物系统进行废水再生,那么促使动物和人的废物及作物不可食生物量部分等循环利用的相关问题就更难以解决。此外,堆肥或沼泽废水处理系统较湿氧化或焚化等物理系统更省能。

集约农业区共有50种150个品种,每轮种植约30种,主要有粮食、蔬菜、水果,此外还有饲养动物和鱼(稻田中养殖),动物饲料包括苜蓿、象草、水风信子及各种农作物(利用其不可食生物量),见表3和图2。

图2〓生物圈2号集约农业区的部分作物生长情况

密闭后建立的农业系统平均提供8人80%的营养需要,包括谷物、豆类和蔬菜,但密闭后的前几个月需食用密闭前种植的食物(其余20%的营养需要)。由于圈内缺乏紫外线辐射,因此,必须补充维生素B１２和维生素D。肉类很少,蛋每人每周平均一个。前10个月的平均食物热量卡值限制在2000Cal/d(1Cal合418J),后来增加到2200Cal/d。食用前,食物均进行了称重和记录。

农业区内不使用杀虫剂,而是利用有益昆虫和喷雾器(如肥皂水和硫磺、芽孢杆菌)来控制病虫害的发生。废物循环是把动物废物和植物不可食生物量做成堆肥,并利用水生植物咸水湖系统进行“进驻人员”废水处理。利用“土壤床反应堆”降低微量气体的积累。使用大气水分冷凝系统提供饮用水。

3物种种群的动态变化

野生区域内的植物生长旺盛,前9个月生物量就增加了60%～７５％。在热带雨林,树冠庞大茂密,相连成荫,因而抑制了小型植物,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,这也证明干旱条件下沙土有利于多年生草本的生长。

野生种数量起初有所下降,其中植物不到10%，陆地动物和昆虫不到30%，海洋种约为10%～２０％。当食物网更为一体化且株冠成熟后,物种遗失的数量则减慢，且许多动植物在此时期均有不同程度的繁殖。自从建立了生态系统后,人就作为主要捕食者来控制杂草和病虫害发生并保持生物多样性。如果没有人的直接干预,在生物圈2号的初期运转期间,生物多样性必然会下降。4生理、营养及医学试验

生物圈2号中生产的食物基本上能满足“每日推荐饮食配额”(RDA)的需要,但没有什么剩余。进驻人员自从密闭后体重减轻了约10%～２０％,这是对新环境初时不适应的结果。1992年4月后,体重不再下降,有人甚至还胖了一些。这种低脂肪、低热量、富营养的食物可以显著降低胆固醇(从平均值约195降到125)、血压、白细胞数量和血糖含量。以前对小鼠的试验也有类似结果,并证实因此而可以延缓衰老、增加寿命。

上述下降后的氧浓度相当于海拔2900m处的O２分压,通过不断监测红细胞数量、形态及其生理生化指标和呼吸率等则可获知低O２浓度对健康产生的不良影响。一旦O２浓度继续下降时,可望能适应相当于海拔4600m处的O２分压。此外,在圈内的人和动物间,没有发生传染性疾病。

四、结束语

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用作潜在的植物栽培基质,这样就使得生物再生式生命保障系统在空间居住地的应用比需要地球资源的装置要经济得多。但是到目前为止,在生物再生式生命保障系统中很少有以土壤为基础的技术实验。生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为基础的生物再生式生命保障系统。因此,有关其操作性能的数据对应用于空间的类似系统是非常有用的。

生物圈2号无论从规模、技术难度和复杂程度，以及所取得的效果来看，均堪称人类科学史上的一大杰作,受到国际上的普遍关注与赞赏。但近来也遭到某些公众的严厉批评。

引起公众非议主要是由于主客观两方面的原因:(1)商业投资造成游人络驿不绝,给人一种缺少科学严肃性的印象;(2)遇到严重的阴雨天气和病虫害,造成欠收，开始时曾出现大气泄漏;(3)人们对他们的科学试验活动了解不多;(4)理论和实践经验不足;(5)行政管理不善,导致可以做的而没有去做。

生物圈2号与其100年的设计寿命相比,现仅处于摇篮时代,出现这样那样的问题和异议均在情理之中。只要不断总结经验、汲取教训、勤于实践、勇于探索,一定能够取得丰硕成果。向宇宙进发可以看作是人类要生存下去不可避免的问题。欲在那里建立居民区,必须开发生态生命保障系统,创造一个舒适的小地球样环境，从而为未来的太空人提供品种多样、营养丰富的食品以及氧气和水,并将CO２、废水和废物等再生为有效资源而重复利用。生物圈2号恰恰能够教给人们这一本领。此外,通过了解其中:(1)生态系统逐渐成熟的结果;(2)处于各种胁迫环境中的部件的稳定性;(3)遗传种群的连续性;(4)生物地球化学的循环作用,可望为每况愈下的地球生态系统找到出路。