美国生物圈2号及其研究elrw.docx

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1、美国生物物圈2号号及其研研究图1生生物圈22号的外外观图表1WB圈内各各个组成成部分及及结构参参数一览览表区域面积(m2)体积(m3)土壤(m3)水分(m3)大气(m3)集约农业业区200003800002720060352220居住区1000011000021109997热带雨林林2000035000060000100289000热带草原原/海洋洋/沼泽泽250004900004000034000416000沙漠1400022000040000400176000“西肺”1800015000000150000“南肺”180001575500750150000注:上述述两“肺肺”的体体积仅为为其

2、完全全膨胀的的50%美国建于于亚利桑桑那州图图森市以以北沙漠漠中的生生物圈22号是一一座微型型人工生生态循环环系统,因把地地球本身身称作生生物圈11号而得得此名。它它由美国国前橄榄榄球运动动员约翰翰艾伦伦发起,并与几几家财团团联手出出资,委委托空间间生物圈圈风险投投资公司司承建,历时88年,耗耗资155亿美元元。19911年9月月26日日4男44女共88名科研研人员首首次进驻驻生物圈圈2号,19993年66月266日走出出,停留留共计221个月月,在各各自的研研究领域域内均积积累了丰丰富的科科学数据据和实践践经验。来来自英国国、墨西西哥、尼尼泊尔、南南斯拉夫夫和美国国等5国国的4男男3女共共7

3、位实实验人员员在对首首批结果果进行评评估并改改进技术术后,于于19994年33月6日日二次进进驻,工工作100个月后后于19995年年1月走走出。他他们在这这期间对对大气、水水和废物物循环利利用及食食物生产产进行了了广泛而而系统的的科学研研究。生生物圈22号是世世界上最最大的闭闭式人工工生态系系统。它它使人类类首次能能够在整整体水平平上研究究生态学学,从而而开辟了了了解目目前地球球生物圈圈全球范范围生态态变化过过程的新新途径。更更为重要要的是,它将作作为首例例永久性性生物再再生式生生保系统统的地面面模拟装装置而有有可能应应用于人人类未来来的地外外星球定定居和宇宇宙载人人探险。一、概况况占地12

4、28公顷顷的生物物圈2号号的地上上部分为为涂有粉粉剂的立立体钢架架构型,配有双双层玻璃璃窗板;地面部部分为焊焊接不锈锈钢板,并用钢钢垫密封封。总体体积约为为18000000m3。其内内部主要要由7种种生态群群落区和和两个大大气扩张张室(也也称作“肺肺”)组组成。此此外,还还设有能能量中心心和冷却却塔等设设施。其其外观及及有关结结构参数数如表11和图11所示。为了减轻轻立体结结构的负负荷,生生物圈22号的内内部压力力略高于于周围大大气压。众众所周知知,温度度改变必必然导致致压力变变化,而而这种伸伸缩中的的压力变变化足以以破坏玻玻璃窗板板(计算算值极易易超过kkPa）。为为了解决决这一矛矛盾,没没

5、有像通通常那样样采取抵抵抗压力力的措施施,而是是为该圈圈装配了了两个称称为“肺肺”的体体积可变变室，以以使大气气在恒压压下胀缩缩。两“肺肺”就如如同巨大大活塞通通过密封封膜连接接在气缸缸上一样样,上下下垂直运运动距离离约达115m。活活塞重量量产生相相对于周周围大气气压力的的内部正正压。正正压具有有两大优优点:不不论什么么地方有有泄漏,内部大大气就会会向外扩扩散从而而保证排排除外界界污染；活塞的的持续下下滑则表表明某处处出现泄泄漏。两两“肺”的的体积占占到该圈圈密闭体体积的330%。除上述设设施外,其内部部还包括括分析、医医疗、兽兽医、监监控、维维修、锻锻炼、影影视等室室,分布布在不同同部位。

6、与地球生生物圈类类同,生生物圈22号在物物质上闭闭环,通通过工程程手段禁禁止它与与外界大大气和地地下土壤壤进行物物质变换换。在能能量上开开环,允允许太阳阳光通过过玻璃结结构供植植物进行行光合作作用,同同时引入入电能供供技术系系统操作作运转。在在信息上上也同样样开环,通过计计算机系系统、电电话、摄摄像、电电视与外外界进行行数据信信息交换换,并通通过电视视可以与与外界工工作人员员及亲属属进行面面对面的的交谈,还可放放映电影影和收看看商业电电视节目目。电能能及热控控能源从从外界通通过气密密装置输输送进来来,当进进行能量量转移时时,不允允许内外外流体进进行任何何形式的的交换或或混合。表2圈圈内大气气温

7、度、压压力及重重量范围围生物群落落温度(C)最高最低大气成分分压力(kPaa)百分比(%)总重量(kgg)热带雨林林3513O21810020511318000热带草原原3813N67511765111037775海洋/沼沼泽CO200300367沙漠432HO17820217611集约农业业区3013Ar08109217822居住区3515总量882441000001391185生物圈22号的“神神经系统统”是一一个完整整的计算算机数据据采集和和控制系系统,它它是从位位于居住住区的指指挥室辐辐射出的的微处理理机网络络系统。这这一内部部“神经经系统”通通过信息息通路与与外界附附近的“飞飞行控制

8、制”楼内内的计算算中心相相联通。该该楼作为为分析中中心而成成为生物物圈1号号和2号号间获取取分析数数据及通通讯的主主要窗口口。居住住区内的的指挥室室通过遍遍布圈内内的50000多多个传感感器(每每15分分钟记录录一次并并读入无无限增长长数据库库)能够够有效地地控制所所有主要要的操作作参数,如温度度、湿度度、光强强、水流流量、ppH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。尽管整个个圈内为为热带气气候,但但由于不不同生物物群落的的冷暖要要求不同同,因此此,各自自又有相相对独立立的温度度。由于于生物

9、圈圈2号位位于海拔拔12000m的的沙漠上上,其外外围大气气压不是是标准压压力10013kkPa，而而仅约为为8822kPaa,因此此,其内内压只能能略高,即为888244kPaa。详细细情况见见表2。利利用机械械系统模模拟地球球自然环环境,例例如制造造海洋波波浪、潮潮汐、溪溪流、瀑瀑布以及及按照季季节要求求控制风风、雨、湿湿度等,并控制制盐分梯梯度及营营养循环环速度和和进行海海水淡化化。二、生态态群落生物圈22号有55个野生生生物群群落(热热带雨林林、热带带草原、海海洋、沼沼泽、沙沙漠)和和两个人人工生物物群落(集约农农业区和和居住区区)。它它们以地地球北回回归线和和南回归归线间的的生态系系

10、统为样样板,分分别由美美英生物物和生态态学家设设计而成成。圈内共有有约40000个个物种,其中动动物(包包括浮游游、软体体、节肢肢、昆虫虫、鱼类类、两栖栖、爬行行、鸟类类、哺乳乳等)、植植物(包包括浮游游、苔藓藓、蕨类类、裸子子和被子子等)约约30000种,微生物物(包括括细菌、粘粘菌、真真菌、微微藻等)约10000种种,它们们分别来来自澳大大利亚、非非洲、南南美、北北美等地地。该系统既既有高大大的树木木(如红红树),也有矮矮小的灌灌木草丛丛植物,错落有有致、憩憩静秀美美。各个个野生生生物群落落中的生生境并不不一致,它们分分别有44、6、44、4、66种生境境,如海海洋有海海滩、浅浅咸水湖湖、

11、珊瑚瑚礁和海海水等44种类型型。生物物群落间间均有相相对独立立的生态态区将它它们互相相隔开,例如,热带草草原和沙沙漠间有有一簇灌灌木丛而而相对隔隔离。为为了保护护各个群群落不受受环境胁胁迫,在在其周围围种植了了耐性强强的植物物,例如如,热带带雨林的的三周围围是浓密密的姜科科植物，从从而保护护内部树树种免遭遭侧面强强光照射射,而与与海洋的的界面间间种有竹竹子来抵抵御盐分分渗入。为了尽量量贴近自自然环境境,该圈圈中的土土壤、草草皮、海海水、淡淡水均取取自外界界的不同同地理区区间,通通过一定定的人工工处理再再利用。例例如,实实验用的的海水是是将运进进来的海海水和淡淡水按照照适当比比例配制制而成的的。

12、生物圈22号中选选择植物物的标准准主要考考虑动物物消费者者的生命命保障、分分类多样样性、物物理参数数、植物物的可利利用程度度和美学学价值。为为了适应应达尔文文的自然然选择过过程,植植物种类类开始时时比系统统能支撑撑的要多多一些,这样可可以补偿偿物种的的遗失或或灭绝，并并最终促促进系统统的持续续稳定。三、研究究范围与与主要结结果首批8名名科学家家在211个月的的密闭人人工生态态环境中中按照各各自的研研究范围围进行了了广泛、细细致、深深入的观观察、记记录、分分析,研研究项目目包括生生物地球球化学、土土壤、水水、海洋洋、“全全球”生生物量、农农业、遗遗传、生生理、营营养、医医学、心心理以及及技术和和

13、工程学学等内容容。本文文仅就几几个较为为重要的的研究结结果概括括如下:1大气动动力学与与大气泄泄漏在微小的的闭式生生态系统统中生物物地球化化学循环环速率显显著加大大,这是是由于它它缺乏地地球生物物圈所具具有的巨巨大贮存存作用以以及有机机体与无无机物的的比率大大大增加加的缘故故。即使使在生物物圈2号号这样大大的装置置中,大大气COO2的平均均滞留时时间仅为为1天,而而地球生生物圈中中则约为为3年。生物圈22号中浓浓度为115000ppmm的大气气CO2(约为为地球大大气COO2浓度的的4倍),约相相当于1100kkg的碳碳,这一一数量与与圈内的的生物量量和土壤壤中的有有机碳相相比大大大降低,分别

14、为为10001和和5000011,而地地球中的的相应比比例分别别为11和221。生物圈22号中CCO2的波动动范围为为70008000pppm/dd,一般般为50006600pppm/d,有有时会更更低,这这与季节节、昼夜夜循环和和天气变变化导致致的光合合作用和和呼吸作作用的动动态消长长有直接接关系。当当光强(光合成成光通量量,PPPF)达达到一年年的最低低值时(1688mollm-2d-1）,COO2的平均均浓度为为24666pppm;相相反,当当PPFF达到最最高值时时(5337moolm-2d-1）,COO2浓度则则达到一一年中的的最低值值10660pppm。为了缓冲冲这一系系统在第第一

15、年冬冬季低光光照时的的高COO2浓度水水平,利利用一套套CO2循环系系统首先先将它通通过化学学反应形形成CaaCO,如需需要时把把后者加加热到9950C便可可释放CCO2进入大大气。44个月间间DKK10约有5538880mool(相相当于994500ppmm)的CO2通过定定期使用用这一物物化系统统以CaaCO33的形式式沉积下下来。这这一沉淀淀可以间间接说明明约1%大气OO2的下降降(通过过有机碳碳氧化和和随后的的CaCCO3分离)。相反反,19991年年12月月用来补补偿大气气泄漏的的10%外部大大气的加加入影响响较小,CO2浓度暂暂时下降降了2000pppm,即即为每天天正常变变化的1

16、1/3。CO2的的浓度升升高可导导致海水水酸度增增加。为为了避免免此现象象发生,在海水水中分期期加入碳碳酸钠和和碳酸氢氢钠,这这样可以以保持ppH值在在77以上。表3,生生物圈22号一年年内总的的农业生生产量(kg)蔬菜菜豆88甜菜叶叶2733甜菜根根3088胡椒113胡萝卜卜88辣椒663甘蓝883黄瓜117茄子1155羽衣甘甘蓝111生菜990洋葱1107Bokkchooy122雪豆11南瓜籽籽8西葫芦芦2877SwiissCCharrd588甘薯叶叶64番茄2288冬瓜2261粮粮食水稻稻1966高粱1131小麦1113淀粉粉类蔬菜菜白薯1198甘薯113355Mallangga844薯

17、蓣220高脂肪肪豆类花生224大豆114低脂肪肪豆类蚕蚕豆633豌豆115水果果苹果11香蕉110244无花果果39番石榴榴41金柑44柠檬110酸橙44柑桔66番木瓜瓜6399动物物产品山羊奶奶4077山羊肉肉8猪肉335鱼100蛋6鸡肉88总计666300氧气动力力学令人人困惑不不解。119911年9月月到19992年年6月间间,生物物圈2号号中氧浓浓度从220511%下降降到16695%,到119933年1月月中旬时时则为1145%。基于于医学忠忠告,119922年6月月后的几几个星期期在圈内内不断输输入纯氧氧,使其其浓度回回到199%。OO2浓度下下降主要要发生在在密闭后后的前44个月

18、,此时为为18%,19992年年4月以以后,OO2浓度则则以每月月0255%的线线性水平平下降。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22号气密密性非常常高。根根据泄漏漏率和压压力间的的关系推推知，年年泄漏率率为6%,而根根据标记记微量气气体(SSF6)逐渐稀稀释的测测量结果果证明，年年泄漏率率不超过过10%。在最最初的44个月中中(19991年年9112月),大气气泄漏约约10%,相应应的外界界气体于于19991年末末一次性性注入。其其它闭式式人工生生态系统统(如肯肯尼迪航航天中心心制造的的生物量量生产舱舱)每天天的泄漏漏

19、率就在在1%10之之间。2食物生生产与废废物处理理生物圈22号中的的农业系系统必须须满足33个主要要要求,即无污污染、集集约型和和可持续续性。空空间生物物圈风险险投资公公司和其其农业区区的主要要顾问亚亚利桑那那大学环环境研究究实验室室,起初初试验水水培和气气培的种种植技术术，最后后由于种种种原因因而不得得不转向向以土壤壤为基础础的农艺艺技术。原原因之一一就是水水培必须须依赖于于化学营营养液的的输入,而这在在空间是是难以解解决的。另另外一个个原因是是如果没没有能力力做堆肥肥或利用用植物/微生物物系统进进行废水水再生,那么促促使动物物和人的的废物及及作物不不可食生生物量部部分等循循环利用用的相关关

20、问题就就更难以以解决。此此外,堆堆肥或沼沼泽废水水处理系系统较湿湿氧化或或焚化等等物理系系统更省省能。集约农业业区共有有50种种1500个品种种,每轮轮种植约约30种种,主要要有粮食食、蔬菜菜、水果果,此外外还有饲饲养动物物和鱼(稻田中中养殖),动物物饲料包包括苜蓿蓿、象草草、水风风信子及及各种农农作物(利用其其不可食食生物量量),见见表3和和图2。图2生生物圈22号集约约农业区区的部分分作物生生长情况况密闭后建建立的农农业系统统平均提提供8人人80%的营养养需要,包括谷谷物、豆豆类和蔬蔬菜,但但密闭后后的前几几个月需需食用密密闭前种种植的食食物(其其余200%的营营养需要要)。由由于圈内内缺

21、乏紫紫外线辐辐射,因因此,必必须补充充维生素素B122和维生生素D。肉肉类很少少,蛋每每人每周周平均一一个。前前10个个月的平平均食物物热量卡卡值限制制在20000CCal/d(11Call合4118J),后来来增加到到22000Caal/dd。食用用前,食食物均进进行了称称重和记记录。农业区内内不使用用杀虫剂剂,而是是利用有有益昆虫虫和喷雾雾器(如如肥皂水水和硫磺磺、芽孢孢杆菌)来控制制病虫害害的发生生。废物物循环是是把动物物废物和和植物不不可食生生物量做做成堆肥肥,并利利用水生生植物咸咸水湖系系统进行行“进驻驻人员”废废水处理理。利用用“土壤壤床反应应堆”降降低微量量气体的的积累。使使用大

22、气气水分冷冷凝系统统提供饮饮用水。3物种种种群的动动态变化化野生区域域内的植植物生长长旺盛,前9个个月生物物量就增增加了660%75。在在热带雨雨林,树树冠庞大大茂密,相连成成荫,因因而抑制制了小型型植物,尤其是是肉质植植物的生生长。沙沙漠中的的多年生生草本植植物生长长迅速,这也证证明干旱旱条件下下沙土有有利于多多年生草草本的生生长。野生种数数量起初初有所下下降,其其中植物物不到110%，陆陆地动物物和昆虫虫不到330%，海海洋种约约为100%220。当当食物网网更为一一体化且且株冠成成熟后,物种遗遗失的数数量则减减慢，且且许多动动植物在在此时期期均有不不同程度度的繁殖殖。自从从建立了了生态系

23、系统后,人就作作为主要要捕食者者来控制制杂草和和病虫害害发生并并保持生生物多样样性。如如果没有有人的直直接干预预,在生生物圈22号的初初期运转转期间,生物多多样性必必然会下下降。4生理、营营养及医医学试验验生物圈22号中生生产的食食物基本本上能满满足“每每日推荐荐饮食配配额”(RDAA)的需需要,但但没有什什么剩余余。进驻驻人员自自从密闭闭后体重重减轻了了约100%220,这是对对新环境境初时不不适应的的结果。119922年4月月后,体体重不再再下降,有人甚甚至还胖胖了一些些。这种种低脂肪肪、低热热量、富富营养的的食物可可以显著著降低胆胆固醇(从平均均值约1195降降到1225)、血血压、白白

24、细胞数数量和血血糖含量量。以前前对小鼠鼠的试验验也有类类似结果果,并证证实因此此而可以以延缓衰衰老、增增加寿命命。上述下降降后的氧氧浓度相相当于海海拔29900mm处的O2分压,通过不不断监测测红细胞胞数量、形形态及其其生理生生化指标标和呼吸吸率等则则可获知知低O2浓度对对健康产产生的不不良影响响。一旦旦O2浓度继继续下降降时,可可望能适适应相当当于海拔拔46000m处处的O2分压。此此外,在在圈内的的人和动动物间,没有发发生传染染性疾病病。四、结束束语大量证据据表明,火星土土壤和月月球表土土经过一一定的生生物和化化学技术术处理后后可以用用作潜在在的植物物栽培基基质,这这样就使使得生物物再生式

25、式生命保保障系统统在空间间居住地地的应用用比需要要地球资资源的装装置要经经济得多多。但是是到目前前为止,在生物物再生式式生命保保障系统统中很少少有以土土壤为基基础的技技术实验验。生物物圈2号号是第一一个建成成并运作作的以土土壤为基基础的生生物再生生式生命命保障系系统。因因此,有有关其操操作性能能的数据据对应用用于空间间的类似似系统是是非常有有用的。生物圈22号无论论从规模模、技术术难度和和复杂程程度，以以及所取取得的效效果来看看，均堪堪称人类类科学史史上的一一大杰作作,受到到国际上上的普遍遍关注与与赞赏。但但近来也也遭到某某些公众众的严厉厉批评。引起公众众非议主主要是由由于主客客观两方方面的原

26、原因:(1)商商业投资资造成游游人络绎绎不绝,给人一一种缺少少科学严严肃性的的印象;(2)遇到严严重的阴阴雨天气气和病虫虫害,造造成欠收收，开始始时曾出出现大气气泄漏;(3)人们对对他们的的科学试试验活动动了解不不多;(4)理理论和实实践经验验不足;(5)行政管管理不善善,导致致可以做做的而没没有去做做。生物圈22号与其其1000年的设设计寿命命相比,现仅处处于摇篮篮时代,出现这这样那样样的问题题和异议议均在情情理之中中。只要要不断总总结经验验、汲取取教训、勤勤于实践践、勇于于探索,一定能能够取得得丰硕成成果。向向宇宙进进发可以以看作是是人类要要生存下下去不可可避免的的问题。欲欲在那里里建立居居民区,必须开开发生态态生命保保障系统统,创造造一个舒舒适的小小地球样样环境，从从而为未未来的太太空人提提供品种种多样、营营养丰富富的食品品以及氧氧气和水水,并将将CO22、废水水和废物物等再生生为有效效资源而而重复利利用。生生物圈22号恰恰恰能够教教给人们们这一本本领。此此外,通通过了解解其中:(1)生态系系统逐渐渐成熟的的结果;(2)处于各各种胁迫迫环境中中的部件件的稳定定性;(3)遗遗传种群群的连续续性;(4)生生物地球球化学的的循环作作用,可可望为每每况愈下下的地球球生态系系统找到到出路。