如何创造一个迷你地球? - 中外对话
The Biosphere 2 facility in southern Arizona. The white domed structure is one of two “lungs” (expansion chambers) connected to the main structure by air tunnels. In the distance is the Biospheric Research and Development complex where much of the initial system research, training for participants, and raising of plants, animals and insects occurred. Biosphere 2 included 30,000 tonnes of soil, 3800 species of plants and animals, and eight humans (Image: Gill C Kenny).
气候

如何创造一个迷你地球?

马克·尼尔森教授与伊莎贝拉·卡明斯基聊了聊在人造生态群落中的生存体验,以及维持生命所面临的挑战。
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25年前,8个人从一个与外界隔离的人造玻璃圆顶建筑网络中走了出来。这个雄心勃勃的项目名叫“生物圈2号”(Biosphere 2),位于美国亚利桑那州。这8个人在这里度过了2年的时间,他们试图构建一个微型版本的地球,并通过它研究地球生命系统及其与人类之间的互动关系。

这个人造生物圈中由许多满是动植物的野生栖息地组成。在这个封闭的生态系统中,有微型热带草原、雾漠、红树林沼泽、热带雨林、长有珊瑚礁的海洋,以及供人类居住者工作、学习和生活的农场、实验室和工作室。

人们认为我们种不出活体珊瑚礁……但是,我们做到了

这个实验得到了全世界的关注。它能够让我们更加科学地了解气候变化的影响,并为开发太空旅行所需的长期生命维持系统提供了很多帮助。该实验仍然是迄今为止全球规模最大、持续最长的封闭式生物圈实验。

但是,这个实验试图强调的很多重大环境问题仍没有得到解决。马克·尼尔森博士是1991年到1993年首批进驻“生物圈2号”试验的8位成员之一。在一本名为《挑战极限》(Pushing Our Limits)的新书中,他回顾了这个项目面临的挑战和取得的成就,同时提出了今天我们可以从这个项目中汲取的教训。

1991-1993年进入生物圈的首批人员,图片由作者提供。

生态圈的构建

尼尔森从一开始就参与了这个项目。从达特茅斯学院毕业后,尼尔森就加入了刚刚成立的生态科技研究所,该机构希望将生态学与先进科技结合起来,让两者更好地共同为生态系统提供支持。生态科技研究所参与了系统生态学家约翰·艾伦牵头的一个项目,这个项目最早的研究方向是研究封闭生态系统如何支持和维持人类在外太空的生命活动。

尼尔森解释称,这个针对人造生物圈的研究思路同样适用于对自然生态系统运作模式的研究。“鉴于目前人类正在对于全球生物圈进行着一个无规划、无控制和看起来不乐观的‘试验’,所以我们希望各个生物圈实验室能够研究生物圈的基本进程,而不是直接对地球进行破坏性测试。”

环境’这个词强调了它是我们人类之外的一种存在​

这个项目之所以叫“生物圈2号”,原因有两点。首先,它是地球这个“生物圈1号”之外第二个能够自给自足的生物圈。其次,按照计划,它是一个更大项目的开始,之后可能会包含一系列其他生物圈。

一些全球顶尖的生态学家和最具创新意识的工程师都参与了这个项目的设计。项目包括一个巨大的人造玻璃穹顶钢架结构,以及一个为整个系统提供供热、制冷和电力服务的复杂技术基底。

历时10年,这个耗资2亿美元的工程终于完工。尼尔森称之为一个“极具冒险精神”的项目。“毫无疑问,这简直太疯狂大胆了。我们以前也曾建立过其他的生物群落,但是“生物圈2号”的规模、成本、工程量和所需人力都是其他项目难以匹敌的。”

在“生物圈2号”之外,尼尔森担任该项目的环境与空间应用主管。而在项目环境中,他则负责管理废水回收再利用系统、地下农业和饲料作物系统,同时还要协助运营和研究土地生态系统。

在一个气泡中生存

尼尔森在书中解释了“生物圈2号”团队应对多项挑战的方法,比如如何维持稳定、且符合人类生存需要的二氧化碳浓度,如何在没有化肥或杀虫剂的前提下进行耕种并生产出足够项目居民所需的食物,如何维持大气、土壤和水源质量,以及如何处理污水等。其中,二氧化碳浓度的问题最具挑战,因为“生物圈2号”的规模较小,二氧化碳的累积速度要比外界地球环境快得多。

尼尔森表示:“‘生物圈2号’毕竟是一个实验,我们希望借此了解到我们不知道的东西。令人惊讶的是,有不少元素都能像预期的那样正常运转。比如,人们不相信我们能种出活体珊瑚礁,但是我们做到了。”

不过项目最终还是很快就结束了,因为整个过程中遇到了不少难以克服的问题,比如人类居住者的氧气与食物不足,以及大量动植物的死亡。1994年,又有实验人员进驻该穹顶环境进行后续试验,不过并未建立更多生物圈。

生物圈2号外观全景,图片由作者提供。

有价值的研究

不过尼尔森表示,这个试验为我们了解生态系统和大气系统运作提供了许多重要的见解。参与项目的工程师开发的不少创新技术甚至得到了商业运用,比如生物过滤功能就是使用专门设计的室内植物容器,利用气泵将空气打入土壤,通过土壤进行空气净化

进驻人员离开后,该实验先后由哥伦比亚大学和亚利桑那大学接管。 “这不再是一个封闭的系统,因为哥伦比亚大学的研究人员可以人为控制其中的二氧化碳含量,”尼尔森说道。“正是通过这些人们原本以为我们无法种植的活体珊瑚礁,研究人员完成了不少有关全球变暖和大气二氧化碳浓度升高的具有里程碑意义的论文研究。”

但是尼尔森也指出,关于地球生物圈的工作原理我们仍然还有许多需要学习和了解的。

在这25年里,尼尔森一直深入参与环境研究,取得了环境工程学博士学位,建立了一家开发和推广人工湿地的废水花园国际公司(Wastewater Gardens International),并担任生态技术研究所的主席。他经常发表有关生态系统研究和工程的论文,并组织国际空间研究委员会有关封闭系统和居住空间的会议。

他甚至受邀与中国科学家探讨当地生物圈以及太空旅行生态再生生命支持系统的研究。他解释称,“也就是说利用自然过程,以植物为食,用土壤清洁大气和水质,而不是带着包装好的食物和罐装氧气踏上太空旅程。”

生物圈内部的农场。摄影:C. Alan Morgan

环境问题再思考

在书中,尼尔森概述了当今世界面临的主要环境挑战,包括气候变化,大气、水质和土壤污染,土壤退化和有限资源的过度利用等。他相信,我们在解决这些问题上所做的还是太少,他承认自己对目前的情况“越来越担忧”。

但是,他对年轻一代的确抱有希望。“整个世界正在迎头赶上。我想,若是我们现在建造‘生物圈2号’,就不需要再费那么多口舌来解释为什么这个项目如此重要了。”尼尔森的这本《挑战极限》(Pushing Our Limits) 获得了今年的自然保护常青奖章。尼尔森写道,他的乐观主要源于自己在“生物圈2号”中的经历。“[这个项目]告诉我们,任何一个举动,无论多小,都很重要。如果我们放弃了希望,我们就不再有动力积极地做出改变。”

他还探讨了如何通过改变技术来支持、而非破坏自然的想法。他告诉中外对话:“我反对‘技术修复’这个理念,因为它意味着被动。我坚决主张通过修复我们的技术来让生命主导一切。”

他还说,相比于技术进步,改变对自然的态度可能更重要。

“我不喜欢‘环境’这个词,因为这个词强调了它是我们人类之外的东西。但是从进化和代谢的角度来看,我们都是自然的一部分。那些不了解自己与生物圈联系的人显然是生活在幻想之中。”

他说,“生物圈2号”的经历让他与身处的世界有了更深的联系。“以前我曾立志要终身从事于环境有益的项目,但那时它只不过是我的一个想法。当你真正认识到从代谢角度来说,自己就是生物圈的一部分的时候,这真令人感到充实而美妙。”

当然,并不是所有人都有机会生活在人造生物群落里。那么我们该如何重建这种联系呢?“我有义务,因为我曾经有幸生活在这样一个系统中,我有义务与人们分享这个经验。从人类角度来看,城市绿化非常重要。一旦你知道有这种联系,并开始接受它、实现它,一切就没那么难了。”

二氧化碳动力学研究的设备受星球大战电影中机器人的启发,被命名为“R2D2”。 这一设备测量了土壤中释放的二氧化碳量。 我们将这些数据与土壤水分含量联系起来,图为我要用土壤取芯器在R2D2中提取样本。图片由作者提供
生物圈2号里的主要农场区域,图片显示了16个种植区域中的一部分。(摄影:Abigail Alling,1991-1993年)
莎莉抱着小山羊。生物圈2号中两年内繁育了五只山羊。图片由作者提供
盖伊查看珊瑚礁的状况,并清除海藻以确保珊瑚礁获得所需的阳光。图片由作者提供
加泽科是俄罗斯宇航员的非官方心理学家。他通过观察认为,生物圈2号提供了适宜的生活环境。摄影:Marie Harding
“生物圈2号”位于美国亚利桑那州的南部。白色的圆顶结构是通过空气轨道连接到主结构的两“肺”之一。 在远处的是生物圈研究与开发中心,中心进行了大量的初步系统研究,生物圈训练以及动植物和昆虫的繁殖。 生物圈2号里的种群:3万吨土壤,3800种植物和动物,以及8个人。摄影:Gill C. Kenny

挑战极限:洞察“生物圈2》已由亚利桑那大学出版社出版发行。

翻译:Estelle