1991年9月26日，来自世界各地的记者涌入了美国亚利桑那州南部的奥拉克尔，一个隐藏在卡特琳娜山脉中的小镇。他们是来见证一项前所未有的实验正式启动：八位科学家将在有史以来最大的人造封闭生态系统“生物圈二号”中，过上与世隔绝的生活。
接下来的两年中，这些科学家将共同生活在这个大型生态园中，不与外部世界发生任何身体上的接触。在这处占地一万两千多平米的设施里，他们要自己种植瓜果蔬菜，做实验，并尽力维持五个生物群落（沙漠、热带草原、海洋、热带雨林和湿地）的正常运转。科学家的主要目标是要测试，把生物圈用作执行长期太空任务的生活空间是否可行。如果我们将来要认真考虑殖民火星，我们就必须找到办法来创建可持续栖息地，以满足我们作为一个物种的需求。
从很多方面来说，“生物圈二号”八位原始居民进行的实验都是完全失败的。这项为期两年的实验暴露出了各种科学、社会和环境上的问题。但26年过后，“生物圈二号”仍在运转，尽管它发挥的作用已有很大差别。虽然这里已不再容纳任何居民，但“生物圈二号”仍在承载前所未有的地球系统实验，并且在人类创建“微型地球”的征程中，它已然成为一座纪念碑。人类踏上这趟征途已有数十年，而且今后也不会止步。
这趟征程的故事是离经叛道的数学家和百万富翁生存主义者的故事，是空间站和地下堡垒的故事。它始于我们对地球独特性的认知，而它之所以能够维持下去，靠的则是让人类成为星际物种的坚定梦想。这个故事里，有成功，也有失败，但在此过程中学到的经验教训，或许掌握着我们通向未来的钥匙。
富勒与他的“地球号”太空飞船
可以说，创建“微型地球”的梦想真正始于1968年，当时，巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）出版了《地球号太空飞船操作手册》（Operating Manual for Spaceship Earth），这是一部关于可持续性和未来的开创性著作。
大家都说，富勒不是那种典型的科学家，他的特质在生命早期就已经显现出来。他曾两度被哈佛大学开除，第一次是因为在一家杂耍剧团里玩乐，花光了所有的钱，第二次是因为“不负责任和缺乏兴趣”。虽然富勒可能跟大学生活格格不入，但在第二次被开除后，他凭借自己广泛的涉猎，从地图制作到实验性汽车，再到建筑和数学，无所不包，很快闯出了“20世纪博学之士”的名声。
富勒在北卡罗来纳州的黑山学院。
尽管富勒在很多领域都取得了成功，但能够定义这位杰出原创思想家毕生成就的，仍然是《操作手册》这本书。他在书中概述了“地球号太空飞船”以及人类作为船员的概念。按照富勒的说法，地球是一艘独特的太空飞船，如果它无法补充物资，如果没有适当维护，它就会损坏，而且无法修复。
有鉴于此，富勒创造了“协同学”这样一门学问，其基础概念，是“系统”要大于其组成部分的总和。这也意味着，仅仅考虑孤立的组成部分是无法理解一个特定系统的。简而言之，富勒的协同学主张对系统做整体分析，尤其是对我们的地球以及寄居其上的人类社会来说，更应如此。
如今，协同学被认为是科学研究的一个边缘领域，尽管它在实践和理论方面都有很多应用。其中最有趣的一个应用是由富勒自己开发的，他把协同学理论用于建造著名的网格状球顶。这些建筑看上去就像由三角形构成的圆顶小屋，富勒设计它们的目的是替代人们熟知的立方体建筑，成为一种新的生活空间。
哈佛大学领导学和管理学教授艾米·埃德蒙森（Amy Edmondson）曾在富勒晚年时与他密切合作，埃德蒙森指出，这些圆顶本质上是把协同学应用在了几何学中，富勒试图帮助我们更好地与事物的自然节奏保持一致。
“富勒认为，协同几何学的基本思想是去理解大自然的运作机制。”埃德蒙森说，“他认为，立方体的叠加或者立方体式的思维方式是人类创造的，大自然的建构方式不一定是这样的。大自然建造物体的方式，是利用最少的能量来达到效果。”
从这个意义上说，富勒的网格状球顶达到了预期的目标。从工程学角度来说，这些圆顶不需要多少建筑材料，这意味着，它们具有重量轻、成本效益高的优点，而且强度也大得惊人。富勒曾设想把这种结构作为人类住房危机的潜在解决方案，虽然这个想法从未得到广泛接纳，但这些圆顶的确受到了一些人群的喜爱和追捧。
“生物圈二号”的生长室。
小盒子里的地球
直到上世纪60年代中期，协同学理论的广泛影响才真正开始显现，首批建造封闭维生系统的科研项目在那时启动了。大多数情况下，科学家建造这些系统的目的，是用于长时间的载人太空任务。
苏联在1965年率先启动了这类项目，代号BIOS-1。这个位于西伯利亚的小型地下结构能够循环制造满足一个人生活所需的氧气。在接下来的七年中，苏联科学家进一步完善该系统，并在上世纪70年代初升级到BIOS-3，这是它最完善的一代。这套维生系统分为四个隔间：一个最多可容纳三人的生活区；一个用于回收二氧化碳的藻类培养室；两个用于种植蔬菜的生长室，这些蔬菜也为系统提供了维持生命所需的约四分之一的氧气。
BIOS-3只进行了三次载人实验，最长的一次只持续了六个月。尽管如此，苏联的这套系统颇具开创性，且非常高效，在很大程度上证明了设计一种封闭维生系统的可行性。与“生物圈二号”这些数十年后进行的实验类似，居住在BIOS-3中的人几乎完全与世隔绝。
苏联的BIOS实验在上世纪80年代中期结束，此后不久，美国宇航局（NASA）开始进行自己的有机维生实验。该实验名为“生态之家”（BioHome），这是一处长约14米的设施，看起来更像是移动房屋，而不是地堡。“生态之家”是美国宇航局“清洁空气研究”项目的组成部分，该项目旨在收集可过滤空气的植物，以抵消“病态建筑综合症”的影响，或是解决封闭空间容易积聚空气污染物的问题。
“室内空气净化系统用到了盆栽植物和活性炭。”——“生态之家”备忘录
随后，环境科学家比尔·沃尔弗顿（Bill Wolverton）1989年发表的一份报告，为“生态之家”项目画上了句号。“人类在地球上的生存有赖于一种维生系统，在这套系统中，人类与植物以及微生物之间有着复杂的关系，因此很明显，当一个人试图远离该系统，在封闭的建筑中自我隔绝时，问题就会出现。”沃尔弗顿在报告中写道，“要解决这些问题，答案很明显。如果一个人要进入密闭环境，无论是在地球还是太空，他（或她）都必须带上大自然式的维生系统。不过，这种方式并不容易实现。”
正如沃尔弗顿在研究报告结尾处指出，“美国宇航局尝试让人类和大量植物共同生活在密闭的空间站或月球基地中，面对这种新情况，我们必须对这类封闭环境的生态学（人、植物、微生物、土壤等之间的相互作用）做进一步的评估。”
在“生态之家”实验启动后的30年间，对于研究受控生态维生系统（也就是如何“把地球装进小盒子”）这件事，美国宇航局的兴趣并没有减弱。如今，这项任务反倒比以往任何时候都更加紧迫，因为美国宇航局已开始筹划飞往火星的长期太空任务，那可能需要把人类隔离在封闭环境中长达数年时间。
就在“清洁空气研究”项目结束后不久，1989年，欧洲航天局（ESA）启动了名为“微生态维生系统替代方案”（简称MELiSSA）的研究项目，旨在为长期载人太空任务开发一种再生式维生系统。受到陆源湖生态系统功能的启发，MELiSSA可以为系统中的人类居民提供维持生存所需的水、食物和氧气，同时只需向系统提供能量即可（而不是必须从系统外部引入食物或氧气）。
从本质上说，MELiSSA是由五个“隔间”组成的封闭回路，在这套人造生态系统的运转中，每个隔间都发挥着至关重要的作用。其中一个是乘员舱，它要消耗水、食物和氧气，然后根据消耗量产生垃圾。源自食物和水的有机废物（即粪便和尿液）会被送入“1号隔间”，由那里的细菌进行分解。乘员呼出的二氧化碳则输送至“4号隔间”，被光合细菌和高等植物用作原料，为乘员产生更多的食物、水和氧气。
在“1号隔间”的细菌完成了分解工作后，所得物料会进入“2号隔间”，由不同类型的细菌去除“1号隔间”细菌产生的碳化合物。接着，这个过程的产物被送入“3号隔间”，供另一种类型的细菌制造富氮培养基，用于维持“4号隔间”中的高等植物。
最终，“有机废物和二氧化碳几乎全部被转化为氧气、水和食物。”2009年，欧洲航天局在巴塞罗那设立了一处MELiSSA试点项目。八年来，研究人员一直在努力提升该系统的效率，希望为人类未来定居月球或火星建立一种再生式维生系统。
生物圈二号
在欧洲航天局实施MELiSSA项目的同一时间，美国亚利桑那州的一位百万富翁也在酝酿自己的计划，他打算建造一处前所未有的再生式维生设施。此人名叫艾德·巴斯（Ed Bass），他同意投资3,000万美元与约翰·艾伦（John Allen）合作，艾伦一直梦想着创建一个微型地球。就这样，太空生物圈公司（Space Biosphere Ventures）诞生了。
此前，艾伦在美国新墨西哥州经营着一家名为“协同牧场”（Synergia Ranch）的生态度假村，这是他上世纪60年代末创立的。正如牧场名称所暗示的那样，艾伦对富勒提出的理论颇为推崇，他曾在哈佛大学见过富勒本人。
上世纪70年代，巴斯参加了在协同牧场举行的一场戏剧研讨会，在那里，他头一次见到了艾伦。巴斯对艾伦的生态哲学产生了浓厚的兴趣，他开始更多地接触协同牧场，并最终成为生态技术研究所（Institute for Ecotechnics）的所长——这是一家致力于推进前沿生态项目的机构，艾伦是创始人，巴斯负责提供资金支持。生态技术研究所为后来的“生物圈二号”打下了基础，1984年时，这个创建再生式封闭生态系统的项目启动了——用巴斯的话说，其目的是为了“理解地球生物圈的运转方式。”
起初，巴斯向“生物圈二号”投入了2,000万美元，创建了一个占地一万两千多平米的生活空间，以帮助人类未来移居火星。然而，艾伦的想法略有不同，他构想了一种名为“避难所”的生物圈“列岛”，用以在核战争或大规模生态灾难爆发后，为精英人群提供庇护。
尽管存在这些分歧，但巴斯和艾伦都很认同富勒的协同思想。他们一致认为，“生物圈二号”将提供前所未有的洞见，揭示地球系统复杂的互联网络。经过七年的建设和严重的预算超支（巴斯最终投入了约1.5亿美元），1991年，“生物圈二号”向首支研究团队打开了大门。
该团队由拥有不同学术背景的四男四女组成，他们同意在“生物圈二号”待上两年，期间不与外界发生任何身体上的接触。他们想证明，我们有可能创建一个完全封闭的自我维持生态系统——换句话说，就是要证明，我们有可能重建一种人工生物圈。他们要自己种植农作物，并在设施内的五个生物群落中开展实验，这些生物群落是为了模拟地球上的主要生物群落，即海洋、热带草原、湿地、热带雨林以及沙漠。
尽管这个项目雄心勃勃，但事情很快就出了岔子。就实验本身来说，海洋系统中有大量鱼类死亡，导致过滤系统被堵塞；生物圈中的本地物种——蟑螂和蚂蚁——则出现了数量暴增。此外，植物的呼吸速率超过了光合作用的速度，造成氧气含量逐渐下降，造成生物圈里的居民一度严重缺氧，这迫使管理人员在实验期的最后一年，向“生物圈二号”注入了外部氧气，从而违背了实验的初衷，即证明这个生物圈有能力维持一个封闭的生态系统。
此外，还有一位居民由于受伤暂时离开，后来又带着新物资重新进驻。尽管这位居民表示，带回的物资仅限于塑料袋，但有数位记者声称，其中还包括食品。考虑到生物圈居民的自给农业并不算成功，他们只能执行热量严格受限的饮食方案，因此，记者的说法也有一定道理。在距离实验结束还剩十个月时，居民们不得不动用应急食品储备。
然而，即便实验中的科研部分全都按照计划进行，也仍然有人性因素需要应对。执行首次实验任务的八位居民之一简·波因特（Jane Poynter）称，任务开始前，八位成员已经为长期与世隔绝的生活做了各种准备。波因特说，虽然她感觉自己准备好了，但只过了几个月时间，实验成员之间就开始出现矛盾。紧张关系愈演愈烈，最终他们分裂成两派，彼此之间不再说话。
“生物圈二号”第二次、也是最后一次有人类参与的实验开始于1994年。实验原本计划持续十个月，但第二次实验的结果比第一次更糟糕，最后受到各种外部因素影响，提前四个月就草草结束。
“到最后，与科研部分相比，生物圈实验更多地被人类因素主宰了。”“生物圈二号”副主任约翰·亚当斯（John Adams）说，“他们从未在这个规模上取得过成功。如果我们必须指出哪些地方出了错，大概是在沟通方面。不过，这些实验得出的研究成果在更大范围的科学界激起了浓厚的兴趣。”
经历了两次被媒体频繁曝光、但却颇为尴尬的失败后，太空生物圈公司解散了，建筑设施将何去何从也处于不确定状态。1995年时，哥伦比亚大学买下了“生物圈二号”，并将其用于地球系统实验，一直持续到2005年。此时，“生物圈二号”再一次前途未卜，这一次，它面临着被拆除和改建成购物中心的危险。所幸，亚利桑那大学在2007年接手，继续将其用于科学研究，直至今日。
生物圈二号2.0
过去十年间，“生物圈二号”发生了很大变化，在地球及其居住者的未来比以往任何时候都更加不确定的时候，它已经在生态科学研究领域建立起了领导者的地位。亚当斯表示，“生物圈二号”最引以为傲的地方之一是“景观演化观测站”（简称LEO），这是世界上规模最大的地球科学实验项目。
LEO在“生物圈二号”内占据着三个厅的空间，它们原本是实验居民收获粮食的地方。观测站由三个盛放火山玄武岩的巨大托盘组成，它们以稍稍倾斜的角度悬挂在空中。每一个托盘都配备了2,000个传感器，用于收集水循环数据。安装在托盘上方的喷洒器会定期开启，模拟小雨、暴雨等各种强度的降雨，从而帮助科学家了解雨水在十年时间内是如何改变景观面貌的。
除了LEO之外，“生物圈二号”的其他生物群落几乎还是原来的样子。树木长得更高了，很多灌木丛已经消失，但这些生物群落仍然为使用该设施的国际科学家团队提供了非常有用的数据。例如，海洋生物群落很好地展示了，海洋酸度上升——由大气中二氧化碳含量增加所导致——会对珊瑚礁和其他易于钙化的生物（如牡蛎或蛤蜊）造成怎样的破坏。
亚当斯及其同事正在利用“生物圈二号”内的其他设施，来探索未来的可持续性发展方向。例如，“生物圈二号”的一个“肺”——这是一个能够在人类居民入住时，自动调节内部气压的巨大网格状圆顶——正被改造成一处垂直农场，这里种植的农产品将用于出售、研究、公共宣传和教育。
亚当斯已经在“生物圈二号”工作了20年，他一开始只是这里的实习生，慢慢晋升到了如今管理者的位置。据亚当斯称，他对“生物圈二号”及其意图模拟的环境进行了独特的长期观察，这对他思考“地球号”太空飞船产生了深远的影响。
“当你开始看到地球系统的敏感性，当你意识到我们对这些系统的了解是何等微不足道，那真的会让人心生谦卑。”亚当斯说，“这里面有太多太多的变量，你开始意识到，任何一个变量的微妙变化都可能对整个系统造成巨大影响。从某种意义上说，在这里发生的事情，也会发生在外面。你会明白，我们对自己赖以生存的系统有着如此重要的影响。”
正如亚当斯指出的，除了各种有价值的研究之外，“生物圈二号”最重要的特点之一就是，它以一种非常直观的方式展示了自然世界的复杂性。鉴于人类实验的失败，我们很容易认为，对“地球号”太空飞船的整体、协同性理解也许是一个不可能实现的目标，或许事实就是如此。但不管怎样，我们不应该因此感到绝望。
相反，承认这艘“星球飞船”高深莫测的复杂性，会迫使我们思考自己的生存方式，以及我们应如何探索太空。这抑制了人类的自负——我们曾认为，有了足够的研究经费和工程技术知识，我们就能完美复刻早于人类亿万年的“地球号”太空飞船。
情况很有可能是，由于气候变化的惊人力量，我们最终将遭遇类似“忒修斯之船”的情境（译注：也称忒修斯悖论，假定物体的构成要素被置换后，它依旧是原来的物体吗？），我们对“地球号”太空飞船进行拆卸和重建，它最终将变成一艘兼具自然和人工属性的飞船——与其说是有意为之，不如说是不得已为之。
不管怎样，从BIOS-3到MELiSSA，再到“生物圈二号”，我们学到的最重要一课是，人类与生态系统之间有着不可分割的联系，我们不能脱离系统本身来思考人类与系统的互动方式。无论是好是坏，我们注定既是地球这艘太空飞船的机械师，也是它的飞行员和乘客。现在，是时候开始操控好这艘飞船了。
翻译：何无鱼
来源：Motherboard
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