自然地理生物圈二号研究报告

2013.10.13 实验探究 生物圈2号

一、生物圈2号的基本资料

生物圈2号是美国建于亚利桑那那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态系统。因把地球成为生物圈1号而得名，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。

二、有关生物圈2号的简述

1. 试验计划和目的

生物圈2号计划在密闭状态下进行生态与环境研究，帮助人类了解地球是如何运作，并研究仿真地球生态环境的条件。

2. 实验方式和详细数据

①占地

生物圈2号占地1.28公顷，位于美国亚利桑那州图森市以北沙漠中。

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。

三、生物圈2号的内部生态群落和物种

①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。

②物种

圈内共有约4000个物种，其中动物（包括：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。

③生存环境

该系统内既有高大的树木（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。

生物圈2号中的实验用试剂和材料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比例配制而成。

④试验用生物选择标准

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。

四、实验详情

①首次进驻

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，离开了生物圈ll 号。

②再次进驻

1994年3月6日，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。

③神经系统

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、CO2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。

④实验地点

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101.3 kPa，而仅约为88.2kPa ，因此，其内压只能略高，即为88.24kPa 。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。 最初，生物圈2号实验目的是研究人类及多种生物（植物和动物），在密封且与外界隔绝的人造系统中，是否可以经由系统内的空气、水、营养物的循环与重复使用下而能够健康、快乐的生存下来。

⑤实验失败

在1991至1993年的实验中，由于研究人员发现：生物圈2号的氧气与二氧化碳的大气组成比例，无法自行达到平衡；生物圈2号内的水泥建筑物影响到正常的碳循环；多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论，确认“生物圈2号”实验失败，未达到原先设计者的预定目标。 ⑥实验结论

这证明了在已知的科学技术条件下，人类离开了地球将难以永续生存。同时证明：地球目前仍是人类唯一能依赖与信赖的维生系统。1996年，巴斯将生物圈2号交由美国哥伦比亚大学管理与规划未来的走向，做为生态学、环境变迁研究及教学的基地。哥伦比亚大学开始将生物圈2号既存的生态系统仿真实验及新的研究计划整合于一体并对外界开放，做为研究及学习中心，以探索我们人类生活与环境生态的互动影响。

五、涉及范围及领域

首批8名科学家在24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动力学与泄露

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CO2（二氧化碳）的平均滞留时间仅为1～4天，而地球生物圈中则约为3年。

信子及各种农作物（利用其不可食生物量）。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B12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。

④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。 ⑤其他实验

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。

六、实验失败

氧气未能顺利循环是导致生物圈二号失败的重要原因。由于细菌在分解土壤中大量有机质的过程中，耗费了大量的氧气；而细菌所释放出的二氧化碳经过化学作用，被生物圈二号的混凝土墙所吸收，又打破了循环，致使氧气含量下降，不足以维持研究者的生命。此外生物圈二号中降雨失控、多数动物灭绝、为植物传播花粉的昆虫全部死亡、还有黑蚂蚁爬满建筑物等也是生物圈二号失败的原因。

七、评价

①操作性数据

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。

②科学史上的意义

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。但近年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。

虽然生物圈2号计划实验目标并未达成，但是这也给人类上了很好的一课：大自然并非我们想象得那样简单，复杂巨大的系统关联中，可能每一缕轻风都是于生命所不可或缺的；人不是万能的，人类要依赖地球存活；人类要懂得顺其自然，要珍惜大自然的一切；才能与地球万物持续发展。

③种类关系失调 这个实验为什么会失败呢？科学家对此做出了总结：除了二氧化碳多、氧气少、水循环失调等原因以外，生物种类关系的失调也是重要的原因。

原来，设计者虽然在“生物圈II 号”内模拟了多种生态系统，但引进的生物却主要是生产者，动物、真菌和细菌的种类和数量都较少。传粉的昆虫死去了，有些植物就只开花不结果了。由于动物的种类和数量减少了，植物很少被动物取食，加之缺少细菌和真菌的分解，导致枯枝落叶大量堆积，物质循环不能正常进行。

④环境资源与人比例严重偏小

在真的生物圈中平均每人所对应的大气, 水, 植物等是那么的广阔, 而二号呢? 环境资源与人的比例严重偏小, 就那点大气, 水, 植物等, 哪怕就是生活一个人也已严重不够了, 更何况是几个人。

二氧化碳多、氧气少是结果而非原因, 二氧化碳多、氧气少是因为植物相对太少了, 不足以将人和植物自身产生的那么多二氧化碳转化并释放氧气. 氧气的消耗速度高于产生速度, 而二氧化碳的产生高于消耗。

八、总结

多年来，人类梦寐以求地憧憬着冲出地球，向宇宙进军。随着地球环境的恶化，这种愿望里似乎又加进了欲逃离的色彩，人们上下求索，加快了寻找“诺亚方舟”的步伐。也许“生物圈2号”的失败有技术上的失误或设备上的欠缺，也许人们今后还会向“生物圈3号”、“生物圈4号”挑战。然而从“生物圈2号”失败的深层反映出来的信息远比其本身更冷酷无情。它向人们证明：大像无形，大青息声。地球环境是在经历了几十亿年的风风雨雨后形成的，对这种异常可靠的结构，人们渴望窥其脉络，望其项背，但却绝不是简单的人工模仿再造能够完成的。

据科学家调查，在350至700年之后（以2010年为计，即2360至2710年），人类将很有可能灭绝。地球不是实验室，我们输不起，只有善待和保护它才是我们真正的出路。

自评：资料查找的比较详细准确，总结比较全面，对生物圈2号的成功之处和失败之因都做了详细的分析和解读。对于生物圈二号的实验和成果做出了较为客观的评价。