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生物圈2号重生

原打算为殖民火星提供蓝图,最终却差一点被推土机夷为平地——曾经名噪一时的生物圈2号,将迎来怎样的未来?图片来源:《新科学家》

(文/ Tiffany O’Callaghan)上午10点左右,雨开始下。这场雨不是特别大,却下个不停。持续倾泻数小时的雨水,都渗入了深黑色的土壤。午夜之后,整座小山都喝饱了,水开始在地表聚集奔腾,冲出一条水沟,随着雨的持续不断加宽加深。

几个星期之后,我站在了这座小山的山脚下。抬头望去,阳光穿过白色金属网格照了下来。我面前是一堆冲到混凝土地面上的黑色淤泥,这让实施“降雨”的人们大吃了一惊。他们并不打算削去那么大的一片山坡——毕竟,他们才刚刚把它建好。

在这场暴雨发生的地方,这座巨大的玻璃房子里曾经满是甘薯田和稻田。这是一座巨型封闭式复杂温室的一部分,坐落于美国亚利桑那州图森市北部圣卡塔利娜山(Santa Catalina)的山脚下,里面布置着热带雨林、热带草原,甚至还有一片迷你海洋。这就是生物圈2号,一座用来证明人类在封闭环境中,再加上一些阳光的帮助,就有可能生存下去的建筑设施。

1991年,当8个人进入封闭的生物圈2号时,这个工程被誉为开创性的科学试验。这些“生物圈人”吃的食物全是自己种的,喝的是循环水,呼吸的氧气则来源于植物。按照计划,它将为宇宙飞船和外星殖民提供一张蓝图,同时也能增进我们对自己居住的这颗星球的了解。

至少,原本计划如此。第一期“任务”遭遇到了很多问题,其中包括氧含量的下降。几年后,科研团队又进行了另一次尝试,但也早早夭折。再然后,这座昂贵的设施被弃用了。2007年,这个建筑差一点就被改造成了公寓楼。不过现在,生物圈2号再次成为了科学活动的枢纽。我到这儿来,就是想看看究竟发生了什么。

生物圈2号的想法,最初来自于一个名为“协作者”(Synergist)的组织,这是一个有些剑走偏锋的环保团体,领导者是富有魅力、有时又喜怒无常的约翰·艾伦(John Allen)。

艾伦的生物圈2号计划成形于1982年的一场会议,这场会议在法国乡村召开,出席者包括一些世界顶尖的科学家。(之所以取名生物圈2号,是因为我们所在的地球便是生物圈1号。)之后不久,协作者组织开始起草关于封闭结构的计划,这个封闭结构可以作为火星殖民的实验基地、潜在核大战后的庇护所,也可以用作居住型实验室,对整个生态系统进行大尺度研究。

这个项目被炒得沸沸扬扬。1987年《发现》杂志上的一篇文章,将生物圈2号宣扬为“继肯尼迪总统启动登月计划后美国最激动人心的科学工程”。那些生物圈人,全然如宇航员一般,被视作英雄。

在美国得克萨斯州一位名叫艾德·巴斯(Ed Bass)的亿万富翁的资助下,这一工程开始成形,在亚利桑那州的沙漠中建起玻璃拱顶。这个富有野心的计划需要建造前所未有的巨大封闭环境,大到能容纳热带雨林、红树林沼泽、热带草原、沙漠,甚至还有一片可容纳珊瑚礁、能掀起阵阵海浪的“海洋”。封闭环境中还有大量空间用来种植食物,配备有完善的农业设备,包括一台打谷机。1991年,首次任务开始仅10天,生物圈人简·珀英特(Jane Poynter)就不小心把手伸了进去,削掉了一截中指。

如今,为了一个新项目,这片田地已经被小山取代。在每一个玻璃穹顶之下,都有一个网球场大小的黑色斜坡,由一米厚的碎火山岩组成。不同寻常之处在于,每一个“山坡”都放置于巨大的金属托盘之上,因此可以被称重。从下面看,你只能看到淡黄绿色的金属框架。

生物圈人过去用于栽种粮食的农业区域,如今被巨大的人工山坡所占据。图片来源:《新科学家》

生物圈2号的其他部分,大体上还是跟过去一样,不过这座设施的副主管约翰·亚当斯(John Adams)给我看了一些幕后的东西,指出哪里做出过少量的改进。比如在热带雨林,他拉开一块大金属板,暴露出一个深孔,这是为了方便采集土壤样本而设的。我们沿着森林边缘往前走,穿过那些顶到玻璃拱顶的香蕉树,就在我们快把身子探出观景台边缘时,前方出现了一条安全的小道,让我们这些观光者颇感惊讶。

能耗大户

我们慢慢走向海边的那一小块沙滩。空气潮湿,带有咸味。暗绿色的水中有一些鱼,不过珊瑚和许多原先高价引入的其他物种已经消失了很久。随后,我们站在了热带草原之上,这里是海洋上的一座山脊。不远处,就在红树林沼泽的那一边,一大片塑料布将沙漠生物群区与其它生物群区分隔开来。亚当斯从悬垂在路上的巴巴多斯樱桃树上拽下一颗亮红色的果子递给我。这颗苹果形状的小樱桃很好吃,甜得正好。他又递给我一颗,告诉我可以把种子吐在地里。

亚当斯还带我穿过了生物圈2号的“腹部”——这是一个迷宫,满是管道、通风口、水箱,还有曾用来处理人类排泄物的大空桶。有些管道是冷却系统的一部分:要在沙漠中使这个密闭的温室保持凉爽,需要耗费大量的能量。这就是生物圈2号无休无止地耗费大量电力和金钱的原因——它离自给自足还差得很远。

虽然我们看到的大部分设施仍是原来的规划,但生物圈2号开始建造时,它的设计还尚未定稿。当时还有一些独特的挑战需要应对。比如,为了防止由于内部空气在白天变热膨胀而导致建筑被撑破,人们建造了两个包含了大量橡胶膜的房间以向外膨胀,被称为“肺”。完工后的这座建筑堪称工程学的壮举,但是设计和建造同时进行,导致了许多耗资巨大的调整。最初的预算为3000万美元,最后飙升到了惊人的2.5亿美元。

1991年9月26日,生物圈2号的大门被关闭,8名生物圈人,全部装备了类似电影《星际迷航》中的制服,要在里面封闭生活两年之久。但是,问题并没有随着大门的关闭而而终结。最主要的问题可能是,他们并不清楚需要做些什么。他们从未起草过正式的研究计划。相反,管理方面强调的目标是“两年内不会有任何东西进出”——与其说这是科学目标,不如说这是夸张的戏剧表演。

所以,在最初“封闭”没多久之后,当珀英特不得不离开几个小时处理她的伤口时,生物圈2号便蒙上了一层阴影。“我们的指定目标是两年内不得有任何东西出入,然后一切都能完美运转,这显然是荒唐的,”她说,“这不是一个科学目标。我们的失败是注定的,是愚蠢的。”

从二氧化碳浓度的大幅度波动到病虫害肆虐,生物圈2号还遇到了许多其他问题。媒体的蜜月期很快就结束了,取而代之的是不断增加的批判性报道。最严重的问题在于,生物圈人努力种植足够的食物,氧含量却在下降。他们忍受着慢性饥饿和窒息之苦。

氧含量的下降令人困惑。如果这是由生物活动导致的,那么二氧化碳含量就应该随之上升,但这种情况并没有发生。后来人们找出了两个原因。农业区的土壤满是堆肥,其中充满了微生物,它们分解有机物时会吸收大量氧气。但是,它们如此剧烈的活动被隐藏了,因为它们产生的二氧化碳与内墙的混凝土发生反应形成了碳酸盐。珀英特说:“我们没有严格在生物圈2号所处的真实环境中检验其中的各个方面,有些材料会以我们没能想到的方式发生反应。”

回顾起来,人们可以得到宝贵的见解。“他们一开始遭遇到的空气问题,告诉我们许多关于地球系统前所未知的秘密,还告诉了我们地表与大气层是怎样协作的,”特拉维斯·哈克斯曼(Travis Huxman)说。从2007年到2012年,哈克斯曼都是生物圈2号的主管。

事实上,由于气候变化,陆地-大气圈的相互作用已成为研究热点。随着二氧化碳浓度上升和地球变暖,植物和土壤是否会吸收更多的二氧化碳来减缓这个过程?还是说,它们会开始释放二氧化碳,使情况更加恶化?这正是那些盛装着黑色尘土的巨型托盘出现在这里的原因。

这些尘土是粉末状的火山岩,形成于大约1.8万年前发生的一场火山爆发。“对地质学家来说,这就是昨天爆发的,”美国地质勘探局震科学研究中心的史蒂夫·德隆(Steve DeLong)说。截至2012年12月,他一直是这个新项目的首席科学家。选择这些岩石是因为它们风化很快,也就是跟大气层反应很快。3年后,它们会变成土壤,然后计划引入植物。再过两年,3个托盘会被分别置于不同的环境中。

比方说,一条斜坡可以从夏天降雨的索诺兰沙漠环境,转换成冬天下雨的地中海环境。“观察生态系统对于气候突变的反应,光是这一点就相当惊人了,”生物圈2号现任科学主管、水文学家彼特·特洛奇(Peter Troch)说,“而这只是其中的一个想法而已。”

这3个托盘每一个都安装了1300个传感器,它们的作用很多,包括精确计算有多少碳进入或离开山坡。这些发现随后能代入气候模型,也有助于修改气候模型。

因此,新项目和原本的任务非常一致,是把生态系统不作一个整体来理解。生物圈2号早期得到的一些教训,有助于人们重新认识当初建立它的初衷,包括掌控太空和地外殖民的想法。比如说,计划在月球或火星岩石上建立基地的人,现在就会意识到,这些岩石可能与地表以上的空气发生反应。

珀英特和她的生物圈人同伴,也是现在的丈夫塔贝尔·麦克卡鲁姆(Taber MacCallum),则直接应用了他们艰苦获得的知识。他们创立了Paragon太空开发公司,总部位于图森市,为NASA和其他客户开发生命维持系统。珀英特说:“生命维持的方法和宇宙飞船的设计,确实来自于我们在生物圈2号的日子。”

但是退回到1992年,保持生物圈2号处于封闭状态的目标意味着,不断下降的氧含量被看作是失败,而不是一个机会。媒体和科学咨询委员会直到后来才被告知这些问题。当委员会起草更为严密研究的建议时,艾伦表示不屑一顾。

1991年9月26日,生物圈2号的大门被关闭,8名生物圈人,全部装备了类似电影《星际迷航》中的制服,要在里面封闭生活两年之久。图片来源:photobucket.com

饥饿和窒息

到1993年1月,氧含量已经很低了,不得不向设施内注入额外的氧气。接下来一个月,由于意见仍然不被理会,整个科学委员会在挫败感中辞职。“实验中出现意外很有意思,你可以从中学到东西,”哈克斯曼说,“但是如果实验设备出意外,工程出意外,人事出意外,就很难产出知识了。”

与此同时,不再忍受缺氧之苦的生物圈人,仍在尽力去处理挨饿的问题。最初的紧张被新闻报道和科学目标的不一致所放大。最终,8个人形成了两个阵营,每边4人,阵营之间几乎一句话都不说。(这出意想不到的“肥皂剧”启迪了电视人的灵感,创作出了大获成功的真人秀节目《老大哥》——这大概是生物圈2号对世界最有争议的贡献了。)

尽管他们完成了为期两年的首次实验,但生物圈2号的科学合法性已经被严重破坏。第二次封闭实验开始于1994年3月,但刚进行了一个月,由于对不断增加的开支和缺少沟通感到灰心,资助人巴斯在联邦警察局长的帮助下夺回了产业。数天后,2名首批生物圈人试图打开大门以破坏实验。仅仅过了7个月,第二次实验结束。协作者组织的时代结束了。

1995年12月,美国哥伦比亚大学接管了租约。稻田和甘薯田被铲平,种上了棉白杨树。研究人员把这个巨型温室分隔开,改变每一个区域的环境——因为对原项目的一项批评就是,实验没有对照组。他们研究树冠不同高度温度的变化如何影响叶片的呼吸作用,研究潜入的蚂蚁这类入侵物种,检测海洋中珊瑚礁的建造。

但到了2003年,研究人员刚进入状态,大学就结束了租约。不仅仅是因为运行这个设施过于昂贵(光是电费一年就要60万美元,绝大部分用于冷却),而且大学得不到许可做任何重大的改变。“你不能把它弄坏,”当时在生物圈2号工作的生态学家格雷格·巴伦-加福特(Greg Barron-Gafford)说,“那不是我们的,而是从艾德·巴斯那里租来的。”如今,他又回到了这里,正在参与新项目。

之后的4年,生物圈2号就跟一个观光胜地差不多。实验都被搁置了。巴伦-加福特回忆起2007年重回这个地方的情景,“我们的很多东西都还在那里——钢笔在桌上,东西还是我们离开时的样子。”

2007年,这座设施差一点被推平用来建造公寓,好在美国亚利桑那大学适时介入,接手了租约。2011年,巴斯把这座建筑捐赠给了这所大学,同时还捐助2000万美元来启动新项目。

不过,生物圈2号的新主人还是得削减开支。之前的农业区域现在与外界空气相通,生物群区仍保持封闭,但减少了冷却程度。雨林的上部树冠则任由它们茂盛生长,也允许它们在夏日下枯萎,以减少维护费用。热带草原的降雨频率也降低了。这些改变使每年的电费降低了25万美元。

新项目由位于原农业区域的巨型人工山坡构成,现在它被称为地貌演化观测台。这个项目至少要运行10年。他们有一个宏伟目标,要把这里建成地球科学的“圣地”,就像物理学家眼中的欧洲核子研究中心一样。特洛奇说:“我希望能够一劳永逸地解决‘生物圈2号等同于失败’这个历史遗留问题。”

开头并不完美。根据电脑模型,对于每小时12毫米的降水,山坡至少应该能吸收24小时。现实明显差得很远。亚当斯承认:“没想到第一天才过了一半,我们就收获了这么大一个‘惊喜’。”

不过这一回,没有人想要掩盖这些问题。他们甚至允许我旁听了一场电话会议,内部科学家在会议上跟外面的研究人员讨论第一次实验中没有预料到的结果。巴斯也在线。他在质疑降雨“势头过猛”时,你几乎能听出他在摇头。用他的话来说,“就好像你新造了一架飞机,第一次试飞就想让它环球飞行。”

幸运的是,飞机可以修好,旅途也将继续。当我驾车离开这座沙漠中的迷人建筑时,我很想知道,从生物圈2号学到的教训,能否拯救生物圈1号。

 

编译自:《新科学家》,Biosphere 2: Saving the world within a world

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发布于2013-08-22, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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