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科技界奇聞,美國科學家又造出了一個地球

来源:wikitw.club  2017-1-12 03:30

   

16年聖誕假期開車去隔壁州Arizona參加本科同學的婚禮,順便參觀了世界最生態實驗基地Biosphere 2(生物圈2號)。有人會問,那1號是什麼?答案就是我們的地球。

如果你不想看一大堆文字可以先看讀這段參觀后發在微信朋友圈的簡單感受:Biosphere 2,世界最大人工生態系統環境科學研究中心,集科研科普一體,可進行定量生態學研究,比如濕度溫度二氧化碳濃度等變數對生態系統的影響。其中模擬了雨林、沙漠、濕地等五種生態類型。曾經派了8個人進去這個封閉環境,自給自足生活了2年,最終因為營養攝入不足、感染、低氧而終止。每年需要500萬美元維持系統的運行

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雖然那個自給自足實驗,從結果上看是失敗了。但這類實驗,如科幻般宏大而夢幻,我們也不可能指望一次就成功。其中獲得了非常寶貴的經驗教訓,比如知道系統在設計上還存在哪漏洞這樣就可以繼續改進了。

下方的wiki文字沒提到的有關於實驗失敗原因還有一條:感染。參與封閉實驗的,不是隨便的路人,都是精心挑選過的有各種知識背景專業人士包括醫學、生態、工程學等。但意外還是發生了,其中有一位實驗者在收割農作物時,不小心割破手。原以為沒有什麼特別的,但傷口的感染一直無法得到妥當治療。後來實驗者中的醫生判斷,一定要送到外面就醫,否則可能會危及生命。然而只要有人走出去,就相當於實驗失敗了。

我後來想了一下,這跟營養攝入不足導致免疫力下降可能有些關係,同時這個系統暫時還不能自產抗生素藥物無論怎麼說,失敗就是失敗,但經驗值到手了。我們不能因實驗結果的失敗否認這個基地凝聚著的智慧和心血,更何況,在沒有自己自足實驗的時候,這個基地還承擔著其他定量生態學研究的角色。比如利用這個基地,就可以知道,大氣中二氧化碳的濃度升高多少,就可以導致海洋pH下降從而造成生態崩潰。具體數值,我忘記了,但當時聽到還是挺嚇人的,只要升高一點點就足夠了。

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當時遊客還不少,手機很難拍到什麼好的角度,直接從google上盜幾張圖過來好了

生物圈二號的想法最初來自於「協作者組織」(Synergist),一個有些偏激的環保團體,由約翰·艾倫(John Allen)領導,生物圈二號計劃成形於1982年的一場在法國鄉村召開的會議,出席者包括一些世界頂尖科學家之後不久,協作者組織開始起草關於封閉結構的計劃,這個封閉結構可以作為火星殖民的實驗基地、潛在核大戰後的庇護所,也可以用作居住實驗室,對整個生態系統進行大尺度研究。

1987年《發現》雜誌上的一篇文章稱生物圈二號是「繼肯尼迪總統啟動登月計劃后美國最激動人心的科學工程」。參與生物圈二號計劃的人,和宇航員一般被視作英雄

建設

在美國得克薩斯州的億萬富翁艾德·巴斯(Ed Bass)的資助下,這一工程開始成形,這個富有野心的計劃需要建造前所未有的巨大封閉環境,大到能容納熱帶雨林、紅樹林沼澤、熱帶草原、沙漠,甚至還有一片可容納珊瑚礁、能掀起陣陣海浪的「海洋」。封閉環境中還有大量空間用來種植食物,配備完善農業設備,包括一台打穀機。

前期試驗

在生物圈閉合前,在測試模塊(一個更小的封閉系統)內完成了三個小型任務。這些測試的目標相當有限,主要是對廢物循環系統進行測試。整個計劃總共有兩次任務;第一次任務計劃從1991年9月26日起至1993年9月26日結束,第二次任務在1994年起至1994年9月6日結束。

任務一

在第一次任務中,其農業系統生產了近83%全數組員的飲食,包括不同種類的穀物與水果。然而,由於缺乏經驗,第一年試驗期間八名的組員均處於長期的飢餓狀態,體重大量減輕。此狀態一直到第二年才有所改善,在食物生產量成長之後,八名組員的體重皆有所回升。

除食物問題之外,生物圈2號亦遭遇氧氣與二氧化碳濃度變化的問題。在實驗期間,其內部氧氣濃度以每月0.5%的穩定速率不斷下降,一直持續到內部大氣成分與海拔超過1200m的地區相似。最終,氧氣濃度降低到了危險水平部分實驗員生理產生不良反應因此外界管理團隊不得不于1993年1月與1993年8月從外界泵入純氧。氧氣濃度下降的元兇被懷疑是土壤中生存的微生物農業區、熱帶草原區和雨林區都在任務前引入了微生物以支持植物生長。直到後來才發現這些微生物消耗了太多的氧氣。

這個推測存在的一個問題是:既然微生物大量地消耗了氧氣,那同時也應該產生大量的二氧化碳,但在大氣成分分析中並未發現二氧化碳成分有明顯的增加。進一步的調查顯示,位於基部混凝土硬化過程中吸收了這些二氧化碳。這個過程有效地吸收掉了微生物產生的大部分二氧化碳,從而間接導致了整個環境中氧氣的衰竭。然而後來由於受傷組員的離開和返回重新補充了氧氣和其他的一些所需物品,該計劃失掉了一些可信度,小組聲稱他們只帶來用於供水的塑料袋,但別人卻指責他們帶來食物和其他物品。

與此同時,生物圈2號內部的生態亦發生許多改變。大量的授粉昆蟲滅絕,同時一種熱帶螞蟻,與蟑螂大量孳生成為優勢物種,並負起一部分授粉的責任。同時間,由於二氧化碳濃度升高,部分熱帶雨林區的先驅物種快速成長,導致其枝幹支撐力薄弱,變的容易坍塌。

任務二

在任務一結束,任務二尚未開始之前,生物圈2號針對任務一時所發現的種種問題進行了規模的改善工程與研究。由於混凝土是吸附二氧化碳的元兇,因此所有混凝土的表面都加以塗封,以防止其吸收二氧化碳。不同於第一次任務時八名組員一開始無法生產足夠的食物,任務二的組員已有能力達成足量食物生產的目標。

1994年4月1日,在管理團隊內出現嚴重的爭端,導致現場管理權被美國法警的臨時禁制令推翻,剩下的任務改由加州比佛利山莊的Bannon & Co.團隊的管理。

1994年4月5日,兩名前生物圈成員涉嫌從外破壞生物圈,將一扇雙門氣閘和三個單門緊急出口開放大約十五分鐘,同時也導致五個均衡氣壓(如控制人工大氣膨脹或收縮與溫度變化)的窗格玻璃出現碎裂。其中一位涉案的奧林小姐聲稱她是基於道德判斷,要將新形勢轉告給組員,再由他們決定是要選擇離開還是繼續實驗,而她唯一的辦法就是必須透過打破密封的結構,最後小組決定繼續實驗,生物圈2號也在一小時內重新密封,然而這項事件造成了大約10%的生物圈的空氣與外界交換的情況。不久之後,任務二歷經兩次組員更動。

1994年9月6日,由於管理公司財務困難,結束了生物圈2號最後一次的封閉環境住人試驗,隨後臨時周轉給已簽約的金融合作夥伴Decisions投資公司。

哥倫比亞大學

1995年,Bannon & Co.團隊將管理權轉讓給哥倫比亞大學。

1996年起,被哥倫比亞大學作為實習跟校園,稻田和甘薯田被鏟平,種上了棉白楊樹。研究人員把這個巨型溫室分隔開,改變每一個區域的環境——因為對原項目的一項批評就是實驗沒有對照組。他們研究樹冠不同高度溫度的變化如何影葉片的呼吸作用,研究潛入的螞蟻這類入侵物種檢測海洋中珊瑚礁的建造。直到2003年,管理權收歸業主。

出售

2005年1月10日,Decisions投資公司宣布生物圈二號及其周圍的土地1600英畝(650公頃)的土地將予以出售。他們希望將這座綜合建築用於研究用途,但也不拒絕其他目的的買主,例如大學、教堂、休假中心、療養中心等。在出售的這段時間內仍然允許遊客參觀,參觀者會被帶領穿過職員廚房,在玻璃圓頂下參觀各種不同的生境,並向下穿過走廊進入「肺部」——用於為封閉的建築按溫度高低調節氣壓的裝置

2007年6月,CDO牧場與發展以5000萬美元買下,準備進行建造1500房屋度假酒店的計劃,生物圈二號的主體結構則提供給亞利桑那大學研究和教育使用。

2011年7月,亞利桑那大學承擔生物圈二號的所有權,作為進行科學研究的用途至今,目前正在研究大氣二氧化碳失控的暖化條件下,生物會如何反應的相關研究

自然科學和工程學

阿波羅計劃」、「生物圈二號」在工程學上的成就遠大於自然科學,這與大自然難以複製到人造環境有關,同樣的情況發生在近年已經成功飼養魚類海洋水族館中,即使用上了最精良的設備,人們依舊只能勉力謹慎才能與大自然匹敵,更有許多尚未探知的情況是未解之謎。「生物圈二號」的地面建築採用了鋼管高效玻璃和鋼架結構。結構和玻璃材料由巴克敏斯特·富勒和彼得·皮爾斯(皮爾斯和他的同事)曾經的一名學生設計並進強度測驗確定牢固程度。

由B·D·V·馬利諾與霍華德·T·奧德姆于1999年編輯的一期特別版《生態工程》雜誌收錄了最全面的有關「生物圈二號」的論文與發現。論文從對系統代謝、水文平衡、溫度與濕度進行描述的標準模型,論述及在富二氧化碳環境中雨林、紅樹林、海洋及農業生態系統的發展的內容

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