生物圈二号使人们能够在不伤害地球的情况下研究和控制生物圈。
文章来源：IOZ建筑异想
ID：ioz2016
作者：曾吴静霆
编辑：捌条
生物圈2号现状
因为疫情的原因继续在家进行自我隔离，从而想到了生物圈二号这样一个和隔离有关的项目，找来些资料聊聊。介于这是一篇搜集资料的学习文，所以先贴出机构官网，以示尊敬
同时贴出试验参与者Jane Poynter 的TED演讲视频
01
项目由来
用最简单的语言来描述生物圈2号试验，就是科学家希望通过完全人工的方式再造一个地球的生物圈出来，并维持这个生态系统的平稳运行。
这个试验的初衷是为了证明封闭生态系统在外层空间支持和维持人类生命的可行性。被用于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作，也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。“生物圈2号”使得人们能在不伤害地球的前提下，对生物圈进行研究与控制。“生物圈2号”的名字源于它的原始模型“生物圈1号”，即地球。它的任务是一个有8志愿者（“生物圈人 （biospherians）”）参与的为期两年的封闭实验。
参与进驻试验的科学家合影，在试验开始的时候，大家还笑得出来
为了完成这个宏大的实验计划，科学家于1987到1989年间，在美国亚利桑那州图森市北部的Oracle地区建造了一个人造封闭生态系统及生态箱，占地1.3万平方米，拥有3.14-英亩（1.27-公顷）的结构，大约有8层楼高，建筑主体为密封钢架结构的玻璃建筑物，是有史以来最大的封闭系统。系统中模拟了地球生态系统中具有代表性的区域，包括沙漠，沼泽，荆棘丛，雨林，热带草原，甚至是海洋。同时为人类居住者分配了一个生活区和一个农业区。
同时为了模拟地球的生态环境，圈内共引入了约4000个物种，其中动物（包括：软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、鸟类、哺乳等）、植物（包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等）约3000种，微生物（包括细菌、粘菌、真菌、微藻等）约1000种，它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。
生物圈2号刚建成时的鸟瞰照片
02
试验过程
在经历了初期的废物循环系统测试后，1991年9月26日，任务的第一次试验计划开始实施。来自英国、墨西哥、尼泊尔、南斯拉夫和美国等5国的8 名科学家进驻到生物圈2号中，开始隔离试验。
科学家首次进驻的场景
根据计划，生物圈2号中的生态系统会与外面的世界完全隔离，纯粹利用内部环境实现生态平衡，为此所有门窗都进行了严格的密封处理，就连地面之下也浇筑了厚达两米的混泥土，这让生物圈2号的气密性非常高，年泄漏率不超过10%。（在之前的类似科学试验中，单日泄漏率为1%到10%）
农场中的科学家们
按照设想，生物圈2号会完全独立运行，能源取自于试验场地周边的太阳能电池板；氧气来自于由生物圈2号内的植物；而粮食蔬菜与肉类则来自于试验人员在其中经营的巨大农场。参与试验的科学家遵循8小时的工作制度，上午的4小时用于维护这个生态系统的和谐，如检查每一个小系统、播种收割庄稼等，下午的4小时则是进行各项科研试验分析。而在其余的休息时间里，他们可以做一切自己想做的事情，看书、看电影、看新闻。虽然严格与外界隔离，但他们仍能用通讯工具与外界联系，与亲朋好友通电话等。他们的家人也能来到馆外，隔着玻璃探望。
玻璃窗内侧的科学家们
但随着时间的推移，事情并没有大家想象的那样顺利。在这次任务中其农业系统生产了近83%全数组员的饮食，包括不同种类的谷物与水果。但因第一年试验期间缺乏经验，八名的组员均处于长期的饥饿状态，体重大量减轻，直到第二年食物生产量成长之后，八名组员的体重才有所回升。
在营地内就餐的科学家，看起来有些营养不良
除了食物问题之外，生物圈2号还遭遇氧气与二氧化碳浓度变化的问题；在实验期间，其内部氧气浓度以每月0.5%的稳定速率不断下降，一直持续到内部大气成分与海拔超过1200m的地区相似，最终氧气浓度降低到了危险水平，部分实验员的生理产生不良反应，因此外界管理团队不得不于1993年1月与1993年8月从外界泵入纯氧。氧气浓度下降的元凶被怀疑是土壤中生存的微生物，此外农业区、热带草原区和雨林区都在任务前引入了微生物以支持植物生长，直到后来才发现这些微生物消耗了太多的氧气。
这个推测存在的一个问题是：既然微生物大量地消耗了氧气，那同时也应该产生大量的二氧化碳，但在大气成分分析中并未发现二氧化碳成分有明显的增加；进一步的调查显示，位于基部的混凝土在硬化过程中吸收了这些二氧化碳，这个过程有效地吸收掉了微生物产生的大部分二氧化碳，从而间接导致了整个环境中氧气的衰竭。后来由于受伤组员的离开和返回又重新补充了氧气和其他的一些所需物品，该计划失掉了一些可信度，小组澄清他们只带来用于供水的塑料袋，但有指控认为他们带来食物和其他物品。
与此同时，生物圈2号的内部生态发生许多改变。大量的授粉昆虫灭绝，一种热带蚂蚁与蟑螂大量孳生成为优势物种，并负起一部分授粉的责任；又因二氧化碳浓度升高，部分热带雨林区的先驱物种快速成长，导致其枝干支撑力薄弱，变得容易坍塌。
参与试验的Roy Lee Walford医生
最终在第一次试验由于实验室内部的环境与科学家的生命健康难以得到维系，在经历了多次妥协（向内供应氧气以维持科学家的生命）后，于1993年9月26日结束。为期两年零20小时（数据来自Jane Poynter 的TED演讲）
试验初期田园牧歌式的景象已不复存在
后来针对第一次试验中出现的问题，生物圈2号针进行了大规模的改善工程与研究。由于混凝土是吸附二氧化碳的元凶，因此所有混凝土的表面都加以涂封，以防止其吸收二氧化碳；同时增加了一名农业学家参与到实验中。不同于第一次任务时八名组员一开始无法生产足够的食物，任务二的组员已有能力达成足量食物生产的目标。
但由于种种原因，第二次试验只维系了十个月。后来便是由于资金原因带来的漫长争执。在1994年第二次试验结束后，项目临时周转给已签约的金融合作伙伴Decisions投资公司。1995年，生物圈二号业主将管理权转让给哥伦比亚大学。2007年6月，CDO牧场与发展组织以5000万美元买下，准备进行建造1500房屋和度假酒店的计划，生物圈二号的主体结构则提供给亚利桑那大学研究和教育使用。2011年7月，亚利桑那大学承担生物圈二号的所有权，作为进行科学研究的用途至今。
03
试验建筑
作为一个建筑师，我最关注的当然是为进行生物圈2号试验，所设计的革命性的实验建筑。
生物圈2号的鸟瞰分析
生物圈的实验系统由一家名为Space Biosphere Ventures的公司建造，由 约翰·艾伦（John P. Allen）所带头设计。项目施工于1989年完成，主体由三个主要部分组成：地上气密玻璃封闭区域，地下技术区和一个居住区。地上的主要结构由将近204,000立方米的密封玻璃制成，并由钢框架支撑，最高处为27.7米。
热带雨林和沙漠生态系统是利用轻质塑料窗帘其它生态系统分离。通过人行道与主要生物群落区域相连的是三个圆形的玻璃外壳，用于容纳农业区域。地下技术区拥有1.27公顷（3.14英亩）的设施，包含超过二十个空气处理器单元，它们控制生物圈中的空气温度和湿度，从而实现冷却，加热，冷凝和除湿。空气从能量中心循环到空气处理机，能量中心是玻璃封闭区域外部的建筑物。能源中心还提供用于调节温度的热水和冷水，并提供发电机，这些发电机可作为生物圈2的附加电源。
生物圈2号总体鸟瞰
人员居住区
Living quarters
试验参与人员提供住宿与休闲的空间。外观看起来蛮有那个时代的科技感。
居住区公共空间
厨房
个人房间
观景塔
观景塔顶部的室内区域，充满古早风格的装饰
农场温室区域
farming quarters
三个拱形玻璃大棚组成的种植空间，用以满足试验人员的食物需要。
现状照片
试验期间的种植情况
在“农场”合影的科学家
肺
Lungs
用以调节生物圈2号内部压力差的空气储存室。
迷你生态系统
Mini ecosystems
玻璃结构的主要部分是矩形，末端类似于金字塔，包含五个生态系统：沙漠和热带雨林分布在金字塔的末端，中部地区则是热带草原，红树林，湿地和模拟海洋。
项目早期的剖面图，注意其建筑形式与最终建设的有很大不同
插画师Ken Godat的插图用更加艺术化的手法表达了各个区域间的相对关系
沙漠
海洋
在不大的水池内安装了造浪系统，可以模拟海浪潮汐等自然现象
湿地，灌木与草地
围绕在模拟海洋的周围
雨林
04
建筑影响
作为开创性的室内模拟生态系统，生物圈2号革命性的设计已经超越了普通室内温室的概念。多样性的室内生态景观也启迪着后来的诸多建筑，尤其是后来植物园温室等项目的设计。
英国的伊甸园植物园
利用张拉膜构造覆盖的室内植物园空间也设置了多样化的室内自然景观。
亚马逊的Spheres复合体
将办公空间与室内生态系统相结合
加州科学院博物馆
伦佐皮亚诺设计的加州科学院博物馆中的雨林温室在一定程度上再现了自然环境中的森林与海洋生态系统，创造性的结合了海洋馆与植物馆两种展示形式。由于不是需要严格密闭的实验条件，所以设计者也引入了自动天窗等技术手段，来维持内部的生态系统稳定。
上文所有图片均来自网络，版权归其所有
05
后 话
尽管后来的诸多建筑都都在一定程度上借鉴了生物圈2的设计思路，但作为密闭生态系统这一试验本身，却没有任何的突破。在近三十年的时间里，生物圈2号这一试验成为了最具影响力的科学试验之一。它对后世的影响不只是试验的结果，而是改变了人们对于自然生态的观念，加深了保护地球的意识。这一试验的失败某种意义上也是刘慈欣会写出《流浪地球》的原因。在刘慈欣的一段自述里，他这样说道：
“生物圈二号的失败有多种原因，其中很重要的一点就是：它不够大。’ ……只有像地球这样规模的生态系统，这样气势磅礴的生态循环，才能是生命万代不惜。’（选自拙作《流浪地球》），这也就决定了未来恒星际航行很可能是超大规模的”
而有一部分的人把生物圈2号的失败总结为一种人类终究无法再造自然生态系统的宿命论，从而号召人们放弃宇航探索，将保护地球生态作为唯一关注点。这样的理论显然也是极度偏颇的。
最近的历史，出现了一些奇特的巧合，每当我们拓展星辰大海的时候，总会在自然生态上摔一个跟头，03年的神舟五号送了第一个航天员上天，却又爆发了非典；20年计划全面开工空间站，却又爆发了新冠肺炎。
然而
探索太空的步伐一步也不会停，
保护生态的神经一刻也不能松。
注意：本文含有投票，请到设计癖官网（）参加投票。
