生物圈2号失败的原因

生物圈2号情景引入地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型，配有双层玻璃窗板；地面部分为焊接不锈钢板，并用钢垫密封。总体积约为180000m3。其内部主要由7种生态群落区和两个大气扩张室（也称作“肺”）组成。此外，还设有能量中心和冷气塔等设施。其有关结构参数如下表所示：表1：生物圈2号内各个组成部分及结构参数一览表区域面积（m2）体积（m3）土壤（m3）水分（m3）大气（m3）集约农业区20003800027206035220居住区1000110002110997热带雨林200035000600010028900热带草原/海洋/沼泽2500?490004000?340041600沙漠140022000400040017600“西肺”1800150000015000“南肺”180015750075015000为了减轻立体结构的负荷，生物圈2号的内部压力略高于周围大气压。众所周知，温度改变必然导致压力变化，而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板（计算值极易超过kPa）。为了解决这一矛盾，没有像通常那样采取抵抗压力的措施，而是为该圈装配了两个称为“肺”的体积可变室，以使大气在恒压下胀缩。两“肺”就如同巨大活塞通过密封膜连接在气缸上一样，上下垂直运动距离约达15m。活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压具有两大优点：不论什么地方有泄漏，内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染；活塞的持续下滑则表明某处出现泄漏。两“肺”的体积占到该圈密闭体积的30%。除上述设施外，其内部还包括分析、医疗、兽医、监控、维修、锻炼、影视等室，分布在不同部位。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等也是生物圈二号失败的原因。“生物圈2号”的失败告诫我们：人类在茫茫宇宙中只有地球这一处家园，逃离和束手待毙都是与事无补的。地球不是实验室，我们输不起，只有善待和保护她才是我们真正的出路。1991年9月26日首次进驻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，于1994年3月6日二次进驻工作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。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侯，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。海拔1200m的沙漠上由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上，其外围大气压不是标准压力101.3kPa，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。蔬菜:菜豆8甜菜叶273甜菜根308胡椒13胡萝卜88辣椒63甘蓝83黄瓜17茄子155羽衣甘蓝11生菜9洋葱107小白菜12雪豆1南瓜籽8西葫芦287瑞士甜菜58甘薯叶6番茄288冬瓜261粮食:水稻196高粱131小麦113淀粉类蔬菜：白薯198甘薯1335马兰加84薯蓣20高脂肪豆类：花生24?大豆14低脂肪豆类：蚕豆63豌豆15水果：苹果1香蕉1024无花果39番石榴41金柑4柠檬10酸橙4柑桔6番木瓜639动物产品：山羊奶407山羊肉8猪肉35鱼10蛋6鸡肉8总计6630氧气动力学令人困惑不解。1991年9月到1992年6月间，生物圈2号中氧浓度从20.51%下降到16.95%，到1993年1月中旬时则为14.5%。基于医学忠告，1992年6月后的几个星期在圈内不断输入纯氧，使其浓度回到19%。氧气浓度下降主要发生在密闭后的前4个月，此时为18%，1992年4月以后，O2浓度则以每月0.25%的线性水平下降。O2浓度下降的真正原因并不十分清楚，利用几种方法的氧气动力学研究仍在进行，包括研究圈内氧同位素的分布。生物圈2号气密性非常高。根据泄漏率和压力间的关系推知，年泄漏率为6%，而根据标记微量气体（SF6）逐渐稀释的测量结果证明，年泄漏率不超过10%。在最初的4个月中（1991年9～12月），大气泄漏约10%，相应的外界气体于1991年末一次性注入。其它闭式人工生态系统（如肯尼迪航天中心制造的生物量生产舱）每天的泄漏率就在1%～10%之间。生物圈2号中的农业系统必须满足3个主要要求，即无污染、集约型和可持续性。空间生物圈风险投资公司和其农业区的主要顾问亚利桑那大学环境研究实验室，起初试验水培和气培的种植技术，最后由于种种原因而不得不转向以土壤为基础的农艺技术。原因之一就是水培必须依赖于化学营养液的输入，而这在空间是难以解决的。另外一个原因是如果没有能力做堆肥或利用植物/微生物系统进行废水再生，那么促使动物和人的废物及作物不可食生物量部分等循环利用的相关问题就更难以解决。此外，堆肥或沼泽废水处理系统较湿氧化或焚化等物理系统更省能。集约农业区共有50种150个品种，每轮种植约30种，主要有粮食、蔬菜、水果，此外还有饲养动物和鱼（稻田中养殖），动物饲料包括苜蓿、象草、水风信子及各种农作物（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。