人类探索史上的一大创举：“生物圈2号”实验

王德华

生物圈是指地球表面生物及其生存环境的总和，如我们人类赖以生存的被称为生物圈1号的地球。人类对太空旅行和能否移居到月球上、火星上生活一直有极大的兴趣和期盼，受私人赞助美国于1984年开始设计并建造了模拟地球环境的一个实验基地，用来研究地球的生态系统，研究生态系统中各因素的相互作用，研究生物圈如何运作，研究植物、动物等，特别是人类是否能够长期在里面生存，这就是 “生物圈2号实验 Biosphere 2”。

“生物圈2号“ 建立在美国亚利桑那州图森市以北的沙漠中，历时8年，耗资1.5亿美元，占地12000平方米。在这个完全封闭的微型地球模型里面，包含海洋、沙漠、稀树草原、雨林和沼泽等五个野生生物群落，以及农场和人类居住区两个人工生物群落。在野生生物群落中引入了3800种生物种类，其中动物（包括软体动物、节肢动物、昆虫、鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物等）、植物（浮游植物、苔藓、蕨类植物、裸子植物和被子植物等）约3000种，以及细菌、粘菌、真菌、微藻等微生物种类，这些生物分别来自澳大利亚、非洲、南美和北美等地。还有一个大型地下设备室，内设计算机系统、风力发电机、水箱、水净化和循环系统、泵、烤箱、脱粒机和其他农用机械，以及运营整个综合体所需的额外机械设备。

实验设计要求在两年内可以支持8人在物质上与外界隔绝的条件下能够生存，这8名入住者要实现自给自足，靠自己种植的农作物和养殖的家畜家禽提供食物，靠里面的生态系统提供氧气。1991年9月，由4名男性和4名女性组成的实验科研队伍进入生物圈2号，大门关闭后，他们在这个封闭环境中靠自给自足生活了2年。

实验开始第一年系统就出现了严重问题。从1991年9月到1992年6月间，生物圈2号中的氧气浓度从20.5%下降到17.0%，到1993年1月中旬时则降到14.5%，同时二氧化碳浓度升高。入住者的生存面临威胁，这样被迫从外界向系统内输入氧气。系统内氧气浓度下降的真正原因并不十分清楚，这样造成的后果很严重，多数动植物死亡，传粉昆虫灭绝。生物圈2号精心选择的25种脊椎动物，只有6种活了下来，昆虫类动物几乎全军覆灭，包括为帮助植物传粉而选入的蜂鸟、蜜蜂、蝴蝶等物种。这样就导致大部分植物无法完成自然授粉，粮食生产不足。因系统内的氧气浓度持续下降，8名人员被迫撤出。1994年3月，又有5位男性和2位女性第二次进入生物圈2号，但还是由于系统的问题实验仅持续约6个月就撤离了。

据统计，在这两年中，生物圈2号产出的食物只占8人食物总消耗量的83%，剩下的17%来自应急食品。生物圈2号内部的饮食基本上是素食。水果主要是香蕉和木瓜，谷物主要是小麦、大米和高粱。主要种植了花生、豌豆和几种豆类，以及24种蔬菜。饲养的动物提供了少量羊奶、山羊肉、猪肉、鸡肉、鱼肉和鸡蛋等。两年内8名入住人员的生活和健康情况是怎样的呢？实验第一年因农产品产量不高，8人的体重都明显下降，男性体重下降了约18%，女性下降了约10%。但在第二年他们的体重，就随着农产品产量的增加而有所回升。由于长期食用低热量、高营养的食物，虽然吃不饱，但他们的健康状况较实验之前都有改善：胆固醇和血压降低，免疫系统得以增强。对8名入住人员的健康状况进行分析也发现，2年内他们的心电图、胸部X光、呼吸肺活量测定和尿液分析等都很正常。

生物圈2号作为人类自身生存空间的一次大胆的探索，也是一项非凡的技术成就，在生态学发展史上具有重要的历史意义，被称为继肯尼迪总统启动登月计划后美国最激动人心的科学工程。无论从规模、技术难度和复杂程度，以及所取得的效果，都是人类探索史上的一个创举。科学家分析生物圈2号实验存在的问题，认为除了二氧化碳增多、氧气减少、水循环失调等因素以外，圈内生物种类之间没有建立起协调的相互关系，也是一个重要的原因，还有混凝土结构干扰碳循环、物种多样性不足、粮食生产无法满足需求，以及系统的设计缺陷等多个方面。由于人类认知水平的限制，生物圈2号实验没有达到预期的目的，但其获得的信息对人类生存是很有启发性的，让我们认识到大自然生物之间的关系是异常复杂的，生态系统功能的调节也是复杂的。在目前现有条件下，人类还无法模拟出类似地球这样可供人类长期生存的环境，所以地球是人类唯一的家园，地球上的每一个人都有义务爱护她。

(说明：此为《科学画报》2026年第九期专栏文章)

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