失衡的现代诺亚方舟生物圈二号启示录

　　蒋高明
　　英国政府首席科学顾问戴维·金爵士宣称，地球大气中二氧化碳的浓度在本世纪末达到19世纪工业革命前的两倍，从而使地球平均气温上升3摄氏度。美国科学家马克•莱纳斯悲观地预计，当地球温度升高6摄氏度时，地球上95%的物种将消失，这将严重危及人类本身。人类怎样保护地球呢？我们能到天外建造一个适合人类居住的家园吗？
　　上世纪末，举世闻名的＂生物圈二号＂实验在遭遇到种种意想不到的困难后被迫宣布失败。有专家称这次失败是由于人类自作聪明地妄图改造自然所致。作为世界上首次进行的运用生态系统原理而维持时间最长的封闭住人实验，它给我们带来了哪些经验与教训？对于在陆地上进行大规模的生态环境建设工程（尤其在作为发展中国家的中国进行这些工程），哪些经验与教训值得重视？人类能否建造一种完全脱离地球环境的生态系统？怎样才能使生态系统持续地为人类造福？作者试就在＂生物圈二号＂的亲身经历对上述问题谈一些粗浅认识。
　　＂生物圈二号＂的背景
　　＂生物圈二号＂的命名，是相对于地球生物圈（生物圈一号）而获名的。它位于美国亚利桑那州沃洛克镇，这里光照强烈，生境相对荒凉，有些类似于太空的环境。＂生物圈二号＂建成于1991年5月，占地面积1.28公顷，封闭空间20.4万立方米。工程建造经费约2亿美元，运转费用每年约600万美元。
　　它是根据地球生态系统中能量流动和物质循环的原理模拟运行的，其简要的过程可以用美国市场上出售的＂生态球＂演示。这个特制的密封玻璃球里装着淡水、空气、绿藻植物、一种似虾状节肢动物、蜗牛，及一些浮游类动物和植物，当然还有微生物。这些生命及其所在环境与外界完全隔绝。其中，绿色植物利用空气中的二氧化碳和水分在太阳光下进行光合作用合成有机物质并供给氧气，动物食植物或其碎屑，微生物及浮游动物将死亡的动植物或排泄物分解，生成二氧化碳和矿物质。这种密封玻璃球式的生态系统，就是地球生态系统工作的原理，也是未来人类在太空建造长期生存空间的必然模式。但模拟的地球环境在上天之前必须在地球上先进行密封住人实验。德克萨斯州年轻的石油亿万富翁巴斯将这一大胆的设想付诸实施，建造了＂生物圈二号＂。
　　＂生物圈二号＂在社会上招募的＂生物圈人＂包括海洋学家、植物学家、气象学家、机械工程专家及医学专家等。第一阶段的实验持续了两年，第二阶段换人后进行了半年被迫停止。
　　于是，舆论界一片哗然：关于＂生物圈二号＂失败的消息不胫而飞，＂科学笑话＂、＂有钱人吃饱了撑的＂等尖刻的言语不绝于耳。
　　＂生物圈二号＂缘何失败
　　科学舆论界对＂生物圈二号＂的批评主要包括：作为一个生态系统，它和外界真正的生态系统不能同日而语，如土壤是非自然的，光线减少；野生动植物数量远远减少，尤其是动物，只剩下蚂蚁和蟑螂等少数种；它的封闭也是不完全的，电力、信息、药品等要从外界输入；作为一个超大温室太暗了，维持费用过高；更关键的是仅有这么一个实验场所，缺少重复，数据的科学性无从确定。
　　尽管如此，作为在地球上首例利用生态系统原理进行的大规模封闭住人实验，＂生物圈二号＂的意义远远超过了舆论界对它的批评，两年半的实验为人类今后在太空或地面上进行类似的实验积累了大量数据。
　　实验结束后，科学家们对＂生物圈二号＂的失败原因进行了总结，主要有：
　　第一，元素化学循环平衡失调。封闭以后，人类一切生命活动都依赖里面的绿色植物及其与光、土壤、大气、海洋、动物、微生物组成的生态系统。不幸的是，由于设计时的缺陷——土壤、大气、海洋的比例与＂生物圈一号＂的比例相去甚远，土壤及其微生物连同里面的动物和人呼吸释放的二氧化碳大大超过了植物所能利用的数量，而海洋来不及将多余的碳以无机盐的形式固定下来；植物制造的宝贵氧气又被大量的呼吸及分解过程迅速消耗。同样原因，笑气（N2O）的浓度也在上升。氧气降低、氧化亚氮和二氧化碳升高的程度几度超过警戒水平。以CO2为例，1991年6月为500ppm，到1992年2月达2500 ppm，1993年2月升至4000 ppm，以后基本维持在1000（夏季）~4000ppm（冬季）之间。而地球上的二氧化碳浓度仅为350ppm。氧气浓度从21%一度下降到14%。这个浓度相当于地球上海拔5300米高度上的氧浓度，以至于最后必须从外界补充氧气。N2O也增加了79ppm。氧、碳、氮、氢等是最重要的几大生命元素，它们的平衡失调是设计者们始料不及的。
　　第二，物种关系失调。＂生物圈二号＂内的生态系统是由＂生物圈一号＂（地球生物圈）充分简化而来。虽然设计者们把地球上的热带雨林、热带荒漠、萨王那群落、红树林、温带农田、海洋等类型的生态系统＂搬进＂了＂生物圈＂，然而所搬进的主要是生态系统的第一性生产者——植被，并未把相应的动物、真菌、微生物等群落也按比例搬入。如热带雨林中没有大型动物，倒是引进土壤时带来的蚂蚁及蟑螂卵大量繁殖。动物及科学家们虽是植物的消费者，然而人只能吃农作物和动物蛋白，饲养动物的食物也多来自作物秸秆。而几个主要类型的生态系统尤其是热带雨林植物，在很高的二氧化碳浓度下生长的非常繁茂, 表现出异常高的光合能力。由于缺乏相应的消费者和分解者，大量枯枝落叶面临清理问题。过度生长的热带雨林乔木触及了顶部玻璃，大有穿破玻璃之虞。引进藤本植物（如牵牛等）的目的是为了用做固定二氧化碳的汇，却不料这些植物在高二氧化碳浓度环境下疯长，危及其他植物与农田。所有花粉传播动物消失，使一些依靠昆虫传粉的植物不能正常授粉。引入的25种脊椎动物中有19种消失。
　　第三，水循环失调。为去除水体中的过量营养元素，设计者们采用了藻类植物，但大量生长的藻类植物处理起来非常困难。因为内部＂雨＂量调节的失调，＂荒漠区＂变成了＂草原区＂，加重了水分循环的失调。而且球内顶部温度比预想的高的多，促使水循环加快，使可饮用水的净化跟不上。内部海洋面积在减少，最后出现了水危机。
　　第四，食物短缺。尽管第一批进住的＂生物圈人＂都是各路精英，唯独缺少种地的＂农民＂。虽然＂生物圈二号＂中农田区占了很大比例，但种出的小麦、水稻却不结籽。粮食供给成了问题，最后饿的＂生物圈＂人到了食红薯根的地步。其实，并不是里面的环境条件不适合作物种植，而是因为这些人不善种地。在第二次实验中，指挥部门特意从尼泊尔物色了一名农学院毕业的大学生。该名人员进驻后，情况大为改观，生产出的粮食吃不完了。由此，这位尼泊尔人成了＂生物圈人＂中的大英雄。
　　完美＂生物圈一号＂难模仿
　　尽管＂生物圈二号＂设计的原理是正确的，但是，地球生物圈的大气、土壤、海洋、生物群落之间是经历了非常漫长的岁月后达到高度和谐的。＂生物圈二号＂的失败也反证出保持地球生态平衡的重大意义。
　　其实，上述问题在生态学研究中其实是非常简单的，完全能够避免，遗憾的是实验者并没有做到。
　　＂生物圈二号＂实验后，科学界达成的共识是，即使用最好的生态学知识，用最新的现代高新技术知识，用充足的资金做后盾，营造完全封闭的像地球那样完美的人工生态系统仍是十分困难的，甚至是不可能的。
　　虽然地球上一些恶劣环境，如干旱区面临比湿润地区干旱贫瘠的自然环境，但它仍在地球的大气环流圈内，仅个别生态因子如水的循环出现局部失调，其他一些生态因子如光照等还处于优势状态。只要遵守生态系统的原则，加以合理的人工措施，在理论上（如＂生物圈二号＂的工作原理）和实践上（如以色列在沙漠上实现的高效农业）是能够实现农业生态系统高效、持续发展的良性循环的。
　　另外，任何大规模的生态环境工程与人类改变自然的活动都要慎重。人类虽然能够局部改善环境，或靠高技术与投资试图彻底改善环境，但都是有代价的。＂生物圈二号＂使地球上不同地理起源的1000多种植物和无数种土壤动物和微生物在沙漠上安了家。然而，种间的竞争、互利、协调发展等关系却是人工所难以改变的，也因此出现了诸多＂始料不及＂。
　　无论世人对＂生物圈二号＂封闭实验的成败如何看待，＂生物圈二号＂的设计思想及其对未来人类生存环境的超前忧患意识，都是不容抹杀的。＂生物圈二号＂无时不在向人们宣传这样一个道理：我们只有一个地球，在天上找到或建造出适应人类生存的空间并非人类真正的愿望。那一天果真出现，将是地球末日的来临。人类创造了文明，但这些文明又对地球产生了巨大的威胁。全球气候变化（温室效应引起）、臭氧洞扩大、酸雨与生物多样性危机（环境污染引起）等重大环境问题的出现，都是人类破坏了地球生物圈中生态系统物质循环与能量流动的固有规律而造成的恶果。这也正是今天＂生物圈二号＂存在的真正价值所在。
　　图1 生物圈二号外景 （林光辉提供）