為了減輕立體結(jié)構(gòu)的負荷,生物圈2號的內(nèi)部壓力略高于周圍大氣壓。眾所周知,溫度改變必然導致壓力變化,而這種伸縮中的壓力變化足以破壞玻璃窗板(計算值極易超過kPa）。為了解決這一矛盾,沒有像通常那樣采取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為“肺”的體積可變室，以使大氣在恒壓下脹縮。兩“肺”就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣缸上一樣,上下垂直運動距離約達15m。活塞重量產(chǎn)生相對于周圍大氣壓力的內(nèi)部正壓。正壓具有兩大優(yōu)點:不論什么地方有泄漏,內(nèi)部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染；活塞的持續(xù)下滑則表明某處出現(xiàn)泄漏。兩“肺”的體積占到該圈密閉體積的30%。

除上述設施外,其內(nèi)部還包括分析、醫(yī)療、獸醫(yī)、監(jiān)控、維修、鍛煉、影視等室,分布在不同部位。

與地球生物圈類同,生物圈2號在物質(zhì)上閉環(huán),通過工程手段禁止它與外界大氣和地下土壤進行物質(zhì)變換。在能量上開環(huán),允許太陽光通過玻璃結(jié)構(gòu)供植物進行光合作用,同時引入電能供技術(shù)系統(tǒng)操作運轉(zhuǎn)。在信息上也同樣開環(huán),通過計算機系統(tǒng)、電話、攝像、電視與外界進行數(shù)據(jù)信息交換,并通過電視可以與外界工作人員及親屬進行面對面的交談,還可放映電影和收看商業(yè)電視節(jié)目。電能及熱控能源從外界通過氣密裝置輸送進來,當進行能量轉(zhuǎn)移時,不允許內(nèi)外流體進行任何形式的交換或混合。

表2〓圈內(nèi)大氣溫度、壓力及重量范圍

盡管整個圈內(nèi)為熱帶氣候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相對獨立的溫度。由于生物圈2號位于海拔1200m的沙漠上,其外圍大氣壓不是標準壓力1013kPa，而僅約為882kPa,因此,其內(nèi)壓只能略高,即為8824kPa。詳細情況見表2。利用機械系統(tǒng)模擬地球自然環(huán)境,例如制造海洋波浪、潮汐、溪流、瀑布以及按照季節(jié)要求控制風、雨、濕度等,并控制鹽分梯度及營養(yǎng)循環(huán)速度和進行海水淡化。

二、生態(tài)群落

圈內(nèi)共有約4000個物種,其中動物(包括浮游、軟體、節(jié)肢、昆蟲、魚類、兩棲、爬行、鳥類、哺乳等)、植物(包括浮游、苔蘚、蕨類、裸子和被子等)約3000種,微生物(包括細菌、粘菌、真菌、微藻等)約1000種,它們分別來自澳大利亞、非洲、南美、北美等地。

該系統(tǒng)既有高大的樹木(如紅樹),也有矮小的灌木草叢植物,錯落有致、憩靜秀美。各個野生生物群落中的生境并不一致,它們分別有4、6、4、4、6種生境,如海洋有海灘、淺咸水湖、珊瑚礁和海水等4種類型。生物群落間均有相對獨立的生態(tài)區(qū)將它們互相隔開,例如,熱帶草原和沙漠間有一簇灌木叢而相對隔離。為了保護各個群落不受環(huán)境脅迫,在其周圍種植了耐性強的植物,例如,熱帶雨林的三周圍是濃密的姜科植物，從而保護內(nèi)部樹種免遭側(cè)面強光照射,而與海洋的界面間種有竹子來抵御鹽分滲入。

為了盡量貼近自然環(huán)境,該圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理區(qū)間,通過一定的人工處理再利用。例如,實驗用的海水是將運進來的海水和淡水按照適當比例配制而成的。

生物圈2號中選擇植物的標準主要考慮動物消費者的生命保障、分類多樣性、物理參數(shù)、植物的可利用程度和美學價值。為了適應達爾文的自然選擇過程,植物種類開始時比系統(tǒng)能支撐的要多一些,這樣可以補償物種的遺失或滅絕，并最終促進系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定。

三、研究范圍與主要結(jié)果

1大氣動力學與大氣泄漏

在微小的閉式生態(tài)系統(tǒng)中生物地球化學循環(huán)速率顯著加大,這是由于它缺乏地球生物圈所具有的巨大貯存作用以及有機體與無機物的比率大大增加的緣故。即使在生物圈2號這樣大的裝置中,大氣CO２的平均滯留時間僅為1～４天,而地球生物圈中則約為3年。

生物圈2號中濃度為1500ppm的大氣CO２(約為地球大氣CO２濃度的4倍),約相當于100kg的碳,這一數(shù)量與圈內(nèi)的生物量和土壤中的有機碳相比大大降低,分別為100∶1和5000∶1,而地球中的相應比例分別為1∶1和2∶1。

生物圈2號中CO２的波動范圍為700～８００ppm/d,一般為500～６００ｐｐｍ／ｄ,有時會更低,這與季節(jié)、晝夜循環(huán)和天氣變化導致的光合作用和呼吸作用的動態(tài)消長有直接關(guān)系。當光強(光合成光通量,PPF)達到一年的最低值時(168mol·m－２ｄ－１）,CO２的平均濃度為2466ppm;相反,當PPF達到最高值時(537mol·m－２ｄ－１）,CO２濃度則達到一年中的最低值1060ppm。

為了緩沖這一系統(tǒng)在第一年冬季低光照時的高CO２濃度水平,利用一套CO２循環(huán)系統(tǒng)首先將它通過化學反應形成CaCO３,如需要時把后者加熱到950°C便可釋放CO２進入大氣。4個月間[DK10]約有53880mol(相當于9450ppm)的CO２通過定期使用這一物化系統(tǒng)以CaCO３的形式沉積下來。這一沉淀可以間接說明約1%大氣O２的下降(通過有機碳氧化和隨后的CaCO３分離)。相反,1991年12月用來補償大氣泄漏的10%外部大氣的加入影響較小,CO２濃度暫時下降了200ppm,即為每天正常變化的1/3。

CO２的濃度升高可導致海水酸度增加。為了避免此現(xiàn)象發(fā)生,在海水中分期加入碳酸鈉和碳酸氫鈉,這樣可以保持pH值在77以上。

表3, 生物圈2號一年內(nèi)總的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量(kg)蔬菜菜豆8甜菜葉273甜菜根308胡椒13胡蘿卜88辣椒63甘藍83黃瓜17茄子155羽衣甘藍11生菜90洋蔥107Bok choy12雪豆1南瓜籽8西葫蘆287Swiss Chard58甘薯葉64番茄288冬瓜261糧食水稻196高粱131小麥113淀粉類蔬菜白薯198甘薯1335Malanga84薯蕷20高脂肪豆類花生24大豆14低脂肪豆類蠶豆63豌豆15水果蘋果1香蕉1024無花果39番石榴41金柑4檸檬10酸橙4柑桔6番木瓜639動物產(chǎn)品山羊奶407山羊肉8豬肉35魚10蛋6雞肉8總計6630

氧氣動力學令人困惑不解。1991年9月到1992年6月間,生物圈2號中氧濃度從2051%下降到1695%,到1993年1月中旬時則為145%。基于醫(yī)學忠告,1992年6月后的幾個星期在圈內(nèi)不斷輸入純氧,使其濃度回到19%。O２濃度下降主要發(fā)生在密閉后的前4個月,此時為18%,1992年4月以后,O２濃度則以每月025%的線性水平下降。O２濃度下降的真正原因并不十分清楚,利用幾種方法的氧氣動力學研究仍在進行,包括研究圈內(nèi)氧同位素的分布。

生物圈2號氣密性非常高。根據(jù)泄漏率和壓力間的關(guān)系推知，年泄漏率為6%,而根據(jù)標記微量氣體(SF6)逐漸稀釋的測量結(jié)果證明，年泄漏率不超過10%。在最初的4個月中(1991年9～12月),大氣泄漏約10%,相應的外界氣體于1991年末一次性注入。其它閉式人工生態(tài)系統(tǒng)(如肯尼迪航天中心制造的生物量生產(chǎn)艙)每天的泄漏率就在1%～１０％之間。

2食物生產(chǎn)與廢物處理

生物圈2號中的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)必須滿足3個主要要求,即無污染、集約型和可持續(xù)性。空間生物圈風險投資公司和其農(nóng)業(yè)區(qū)的主要顧問亞利桑那大學環(huán)境研究實驗室,起初試驗水培和氣培的種植技術(shù)，最后由于種種原因而不得不轉(zhuǎn)向以土壤為基礎的農(nóng)藝技術(shù)。原因之一就是水培必須依賴于化學營養(yǎng)液的輸入,而這在空間是難以解決的。另外一個原因是如果沒有能力做堆肥或利用植物/微生物系統(tǒng)進行廢水再生,那么促使動物和人的廢物及作物不可食生物量部分等循環(huán)利用的相關(guān)問題就更難以解決。此外,堆肥或沼澤廢水處理系統(tǒng)較濕氧化或焚化等物理系統(tǒng)更省能。

集約農(nóng)業(yè)區(qū)共有50種150個品種,每輪種植約30種,主要有糧食、蔬菜、水果,此外還有飼養(yǎng)動物和魚(稻田中養(yǎng)殖),動物飼料包括苜蓿、象草、水風信子及各種農(nóng)作物(利用其不可食生物量),見表3和圖2。

圖2〓生物圈2號集約農(nóng)業(yè)區(qū)的部分作物生長情況

密閉后建立的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)平均提供8人80%的營養(yǎng)需要,包括谷物、豆類和蔬菜,但密閉后的前幾個月需食用密閉前種植的食物(其余20%的營養(yǎng)需要)。由于圈內(nèi)缺乏紫外線輻射,因此,必須補充維生素B１２和維生素D。肉類很少,蛋每人每周平均一個。前10個月的平均食物熱量卡值限制在2000Cal/d(1Cal合418J),后來增加到2200Cal/d。食用前,食物均進行了稱重和記錄。

農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)不使用殺蟲劑,而是利用有益昆蟲和噴霧器(如肥皂水和硫磺、芽孢桿菌)來控制病蟲害的發(fā)生。廢物循環(huán)是把動物廢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統(tǒng)進行“進駐人員”廢水處理。利用“土壤床反應堆”降低微量氣體的積累。使用大氣水分冷凝系統(tǒng)提供飲用水。

3物種種群的動態(tài)變化

野生區(qū)域內(nèi)的植物生長旺盛,前9個月生物量就增加了60%～７５％。在熱帶雨林,樹冠龐大茂密,相連成蔭,因而抑制了小型植物,尤其是肉質(zhì)植物的生長。沙漠中的多年生草本植物生長迅速,這也證明干旱條件下沙土有利于多年生草本的生長。

野生種數(shù)量起初有所下降,其中植物不到10%，陸地動物和昆蟲不到30%，海洋種約為10%～２０％。當食物網(wǎng)更為一體化且株冠成熟后,物種遺失的數(shù)量則減慢，且許多動植物在此時期均有不同程度的繁殖。自從建立了生態(tài)系統(tǒng)后,人就作為主要捕食者來控制雜草和病蟲害發(fā)生并保持生物多樣性。如果沒有人的直接干預,在生物圈2號的初期運轉(zhuǎn)期間,生物多樣性必然會下降。4生理、營養(yǎng)及醫(yī)學試驗

生物圈2號中生產(chǎn)的食物基本上能滿足“每日推薦飲食配額”(RDA)的需要,但沒有什么剩余。進駐人員自從密閉后體重減輕了約10%～２０％,這是對新環(huán)境初時不適應的結(jié)果。1992年4月后,體重不再下降,有人甚至還胖了一些。這種低脂肪、低熱量、富營養(yǎng)的食物可以顯著降低膽固醇(從平均值約195降到125)、血壓、白細胞數(shù)量和血糖含量。以前對小鼠的試驗也有類似結(jié)果,并證實因此而可以延緩衰老、增加壽命。

上述下降后的氧濃度相當于海拔2900m處的O２分壓,通過不斷監(jiān)測紅細胞數(shù)量、形態(tài)及其生理生化指標和呼吸率等則可獲知低O２濃度對健康產(chǎn)生的不良影響。一旦O２濃度繼續(xù)下降時,可望能適應相當于海拔4600m處的O２分壓。此外,在圈內(nèi)的人和動物間,沒有發(fā)生傳染性疾病。

四、結(jié)束語

生物圈2號無論從規(guī)模、技術(shù)難度和復雜程度，以及所取得的效果來看，均堪稱人類科學史上的一大杰作,受到國際上的普遍關(guān)注與贊賞。但近來也遭到某些公眾的嚴厲批評。

引起公眾非議主要是由于主客觀兩方面的原因:(1)商業(yè)投資造成游人絡驛不絕,給人一種缺少科學嚴肅性的印象;(2)遇到嚴重的陰雨天氣和病蟲害,造成欠收，開始時曾出現(xiàn)大氣泄漏;(3)人們對他們的科學試驗活動了解不多;(4)理論和實踐經(jīng)驗不足;(5)行政管理不善,導致可以做的而沒有去做。

生物圈2號與其100年的設計壽命相比,現(xiàn)僅處于搖籃時代,出現(xiàn)這樣那樣的問題和異議均在情理之中。只要不斷總結(jié)經(jīng)驗、汲取教訓、勤于實踐、勇于探索,一定能夠取得豐碩成果。向宇宙進發(fā)可以看作是人類要生存下去不可避免的問題。欲在那里建立居民區(qū),必須開發(fā)生態(tài)生命保障系統(tǒng),創(chuàng)造一個舒適的小地球樣環(huán)境，從而為未來的太空人提供品種多樣、營養(yǎng)豐富的食品以及氧氣和水,并將CO２、廢水和廢物等再生為有效資源而重復利用。生物圈2號恰恰能夠教給人們這一本領(lǐng)。此外,通過了解其中:(1)生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟的結(jié)果;(2)處于各種脅迫環(huán)境中的部件的穩(wěn)定性;(3)遺傳種群的連續(xù)性;(4)生物地球化學的循環(huán)作用,可望為每況愈下的地球生態(tài)系統(tǒng)找到出路。