科技日报记者 李禾
生物圈2号是迄今为止规模最大、最具生物多样性的密闭生态系统，它为人类地球生活及长期空间生存提供了经验。1991至1994年间，生物圈2号成功运行，改变了空间生命保障学家和公众对空间生存所需微型生物圈的认识。美国生态技术研究所Mark Nelson近日总结了生物圈2号的研究背景、发展现状，指出目前挑战与未来发展方向，相关成果发表在期刊《Space：Science & Technology （空间科学与技术）》上。
世界上第一个微型生物圈实验室
论文《生物圈2号对地球及空间生存提供的经验（Biosphere 2’s Lessons about Living on Earth and in Space）》指出，生物圈2号项目始创于1984年，经多年设计规划、生态研究和工程研究，1987年开始施工建设。其中，空间生命保障技术和封闭生态系统研究主要由俄罗斯生物物理研究所(IBP)和莫斯科生物医学问题研究所(IBMP)负责。他们将生物圈2号发展为维尔纳茨基式生物圈（Vernadskian biospheric）。该封闭系统实现能量开放和信息开放，因此可实施精确监控，追踪系统的细微变化。
生物圈2号包括基于主要生物群落的陆地和海洋区域、农业区、人类居住地。该项目面临的困境包括：能否在不超过0.2公顷的生物群落中创建一个包含食物网的人造弹性生态系统，能否维持适当条件以囊括热带雨林、热带草原、海岸荒漠、雾漠、红树林、沼泽、珊瑚礁海洋系统、食物种植区等环境区域，以及大气含氧量下降等。
生物圈2号组成示意图。
生物圈2号的建筑师们融合阶梯金字塔、巴比伦穹顶等传统形式和空间结构、网格球顶等现代风格，为世界上第一个微型生物圈实验室打造了精美外观。
生物圈2号位于亚利桑那州南部的Santa Catalina山麓，占地面积为1.27公顷。
通过多种创新技术维持生物圈2号良好运
论文提出，生命保障技术方面，工程师和生物学家紧密合作使生物圈2号能够良好运行。生态技术研究所启动了许多创新示范项目，涉及世界各地具有挑战性的生物群落及生态文化危机区域。这些项目目标在于改善生态，并保证系统实现自我维持。生物圈2号通过多种创新技术维持生物群落的健康、实现水和空气的再生、防止污染、设计不使用有毒化学品的高产农业、回收营养物质和废水等。
在环境资源方面，1988年，第一位测试对象John P. Allen进行了为期三天的封闭实验。自1991-1993年，8名测试者进行了为期两年的封闭实验。实验结果显示：在微小闭式生态系统中，生物地球化学循环速率显著加大；由于缓冲层(大气、土壤/水培介质、水库)体积极小，大气循环加快、波动剧烈。在生物圈2号中，大气中二氧化碳日变化量可达500-700ppm (百万分之一)。在特定情况下，水循环也加速了几个数量级。
1991-1993年封闭实验期间，生物圈2号大气二氧化碳浓度变化呈现明显季节性。
生物圈2号大气中二氧化碳浓度和夏季/冬季入射光。
生物圈2号为空间生存提供经验。Tsiolkovsky认为人类注定要离开地球去太空生存。研究如何设计、建造生物圈，进而在其中生存，这些知识对人类在地球及空间生存都至关重要。通过开展地面实验项目，反复试错、学习经验，人类才能开始了解微型生物圈运作方式。第一次封闭实验后研究者发现，生物圈2号气密性可控制在小于10%的年泄漏率。
美国国家太空委员会在报告《Pioneering the Space Frontier》中提到建设生物圈2号的必要性：为了探索和定居在内太阳系，必须开发更微型的生物圈，研究针对生物圈的建造和维护方法。建造者希望生物圈2号能提高对生物圈认识，开发生物圈的试验版本，为在空间和行星表面建造生物圈做准备。
不同泄漏率对降低生物圈2号大气氧含量影响。
论文指出，由于从地球发射至太空成本过高，空间生物再生生命保障系统的体积和重量严重受限。对植物生长和人类生存而言，失去氧气都是致命的。因此生物圈2号高密封性极为重要。生物圈2号系统工程师William F. Dempster开发了密封和检漏技术，该技术能防止由于内部温度、湿度变化、外部大气压波动导致的密封结构爆炸。生物圈2号内的宜居大气与火星地表低压存在较大压差，因此，微小空洞也会导致大量大气损失。同时，充足的光合有效辐射(PAR)对生产极为重要，使用高强度照明来提高作物产量能压缩农业规模，降低照明电力成本。
光能供给所需电力与居民生存所需农场面积间关系。
针对空间生物再生生命保障系统(BLSS)所开展的研究，专注于简化生态的自然复杂性，从而最大限度提高生命保障的效率，减小系统体积和重量，实现严格控制。在苏联和美国宇航局空间计划中，最早采用的是藻类水箱——该系统支持再生空气和水，但不能满足食物需求。西伯利亚生物圈3号是20世纪70年代最先进的BLSS，该系统能生产食物，回收人类液体废物，调节二氧化碳水平。建立生物圈2号后，日本建立了封闭式生态实验设施（CEEF）。中国航天员科研训练中心教授郭双生团队及北京航空航天大学教授刘红领导团队开发了“月宫”系统。
作为世界上第一个微型生物圈，生物圈2号在生物圈学和封闭生态系统领域具有里程碑意义。随着空间生物再生生命保障技术发展，可以逐步建成更具生态多样性的生物圈，最终实现人类在太空长期生存。因此，在地球上开展各种规模实验至关重要，这使人们深入了解综合生态系统运作方式，加深对地球生物圈的理解。
据悉，《Space：Science & Technology (空间科学与技术)》是北京理工大学(BIT)、中国空间技术研究院(CAST)和美国科学促进会(AAAS)/ Science共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊，采用开放获取(OPEN ACCESS，OA)平台出版，是美国科学促进会(AAAS)自1880年创建Science期刊以来的第一本航天领域的伙伴期刊，由工业和信息化部主管，美国科学促进会(AAAS)和北京理工大学出版社联合出版发行。
（Space: Science & Technology期刊编辑部供图）
