史上最大規模的封閉實驗，第二個“大自然” | 老高與小茉 Mr & Mrs Gao

[0:00]Hello 大家好,我是老高,咱們今天來講生態圈二號。 上一期影片我們提到伊隆馬斯克正在大力推進他的火星移民計劃。 那麼據說2029年呢,可能就真的要把人送過去了。 要在上面建一個基地,作為人類文明的一個避難所,同時也標誌著人類可能進入星際文明了。 當然要實現火星移民這個事情,光把人送過去是遠遠不夠的。 因為人要生存是需要很多條件的,空氣、溫度、水、食物等等,缺一不可。 大家可能平時沒有意識到一個問題就是我們吃的食物,其實大部分都是生物。 除了一些調味料之外呢,我們是靠吃其他活著的東西活著的。 那麼為了讓人在火星上能夠活著,我們就需要把一些其他活著的東西,也弄到火星上去。 需要讓他們呢現在火星的環境裡生長起來。 比如說雞鴨魚牛羊、各種蔬菜水果,只有他們先活下來,我們才能活下來。 而要讓他們活下來的話,就要準備他們吃的東西,這樣延續下去你就會發現。 為了讓人能夠活在火星上,可能要把整個自然界都搬過去。 也就是說要在火星上先建立一個完整的生態圈,而且一定要完整。 因為地球的生態圈已經經過幾十億年的洗禮,已經環環相扣了。 可能缺少任何一個部分都會造成整個結構的崩塌,所以少了什麼都不行。 而很不湊巧的就是火星的環境非常惡劣,連氧氣都沒有,連流動的水都沒有。 那麼在這樣一個環境裡,如何建立一個人居地,一個長久的聚居地,就要成為一個很大的難題。 那麼關於這個問題在很久之前就有專門研究過,而且做過一個龐大的有趣的實驗。 今天我們就給大家講一下,號稱世界上最大規模的人造生態圈封閉實驗。 Bioshepre 2 翻譯成中文應該叫做生態圈二號實驗。 它這個二號的意思是說,它是拷貝地球的生態圈,所以它叫二號。 也就是說地球是一號是這個意思。 那麼大概在30多年前1991年的時候,美國著名的石油富豪、慈善家愛德·巴斯出資兩億美元。 在美國的亞利桑那州圖森市北部的沙漠中,建了一堆帶有未來科技感的建築。 這個呢就是生態圈二號基地。 在這裡做什麼呢?就是在這培養一個封閉的人造的自然環境。 人造大自然,這個大自然與地球大自然完全隔離,不受地球環境的影響。 是由生態學家約翰·艾倫設計的。 這些建築總佔地面積有1.2公頃,相當於一個中學校那麼大。 是迄今為止人類建造的最大的封閉生態系統。 裡面幾乎就和地球的自然環境是一樣的,有山有水啊,什麼都有。 並引入了3800種生物。 為了讓這些生物都能生活得更好,還為他們設計了七個生態系統。 包括一個熱帶雨林,包括一個海洋,一個紅樹林濕地,還有熱帶草原、沙漠。 還有農業區,人類棲息區,總共七個部分。 熱帶雨林是裡面最大的一個生態系統,大部分的生物可能都生活在熱帶雨林裡。 它的主要作用是生成氧氣,吸收二氧化碳。 這個系統裡面的氧氣也是自己產生的,跟地球上氧氣沒有關係,完全隔離。 熱帶雨林裡面還有一座假山,假山上呢還有噴霧系統,模擬降雨。 這個雨林當中的主要植被也都主要來自於亞馬遜流域的植物,能夠通過高強度的光合作用循環大氣。 裡面的大氣幾乎就靠它了,所以呢這裡面的植物都是相當強悍的。 還有這個系統中的天氣啊,風雨雷電,季節溫度變化,這些呢是人工控制的。 因為這個系統太小了,不足以產生風雨雷電,所以有些自然現象還是要通過外部的機器來控制的。 那麼裡面的海洋呢,是一個容量達到260萬升的鹹水系統。 包括一個完整的加勒比海風格的珊瑚礁生態。 這個海洋系統不僅適用於維持海洋生物,更重要的是一個巨大的化學緩衝池。 用於調節大氣中的二氧化碳的濃度。 那麼第三個這個紅樹林濕地的作用是作為鹹水和淡水的一個過渡帶。 是一個非常高效的水體過濾系統,利用紅樹林的根系和微生物群落分解有機廢物。 也就是說它是一個大自然的垃圾處理系統。 熱帶草原呢是雨林與沙漠的一個過度生態環境。 主要由草本植物,還有散生的喬木組成的。 沙漠系統是模仿加利福尼亞那種沿海的沙漠設計,主要是為了調節濕度的。 像這種密封系統裡面濕度都會變高,尤其裡面還有個熱帶雨林。 所以需要一個沙漠來平衡它裡面的濕度。 還有一個就是農業區,不謹僅是一個農場,它是一個完整的營養循環系統。 在這裡面是不使用任何化學農藥和化肥的,防止破壞環境,完全依賴生物防治和堆肥。 也就是說生物長得好不好,全靠裡面的環境。 在這裡人們可以種植各種穀物啊,蔬菜、香蕉、木瓜等,裡面人的所有食物幾乎都從這個地方來。 而且還在這個地方飼養了一些豬儒山羊,就是特別小的山羊,雞、羅非魚以提供蛋白質。 那最後一個區域就是人類棲息地。 這個區域呢就是包括公寓、實驗室、圖書館、指揮中心等等。 所有參與實驗的人都住在這個地方,相當於人類的一個城市。 這就形成了一個完整模擬地球生態的這麼一個環境。 面積雖然不大,但五臟俱全。 對,說到封閉這件事情啊,這個系統的設計是物質封閉的。 但是能量不完全封閉,什麼意思呢?就是它與外界完全物質上隔離。 隔絕了空氣,隔絕了水。 它裡面的空氣是它自己產生的,水也是內部循環,不會有外面的空氣進到裡面去。 但是能量不完全隔絕。 這個能量主要是指光照和熱量,就是它整個是玻璃的嘛,所以允許光照射進去。 熱量也可以散出來,還有呢就是電力和信息是可以傳輸的。 這種設計就是完全模擬太空殖民或火星基地這麼一個封閉環境。 火星上的日照和地球上的日照時間是差不多的,所以這樣的設計是合理。 還有呢就是我說了這個基地的是建在沙漠裡,這個其實也是模仿外星的環境,所以把它建在沙漠裡。 那麼做這個實驗主要有三個目的。 第一個就是為了觀察,人在這種人造的密封環境裡是否能夠長久的生存。 如果沒有問題,就是人可以長久的在裡面生活的話,那麼整個系統就可以完整的移職到火星上去。 因為它是封閉的嘛,就算火星上沒有氧氣也沒有關係。 那麼這個實驗的第二個目的呢,就是收集數據啊,為未來太空基地的建造提供可參考的實證數據。 就是太空基地的建造現在很多都基於理論或者想像。 那麼通過這個實驗就獲得非常寶貴的數據。 第三個目的呢就是為了地球的生態研究提供數據,就像我們研究地理說,有時候需要一個地球儀一樣。 這個呢就是一個微觀的大自然。 通過它呢你就可以研究大自然的物質、能量是怎麼在傳輸的,它的營養機制是怎樣的。 從而可以讓我們更了解地球。 好,那麼這個實驗的環境大概是這樣的。 從1991年9月份建好了之後呢,9月26號這個實驗就正式開始了。 八個實驗者參與實驗的人呢,就被關在這個密封環境裡開始生活了。 根據規則呢,就是他們進去了就不能再出來。 這八個人是四個男的,四個女的。 是從志願者中挑選出來的各領域的專家,包括醫生、科學家、工程師等等。 背景呢也都是生態學的、系統工程學的、農業的、生物、營養學的、管理學等等。 就是集齊了在裡面生存需要的所有學科背景的人。 所以呢不能說從志願者裡面挑選了專家,應該是從專家裡挑選的志願者。 我覺得未來啊,移民火星的首批登陸者可能也是這樣一個選擇方式。 就是從NASA的專家裡面挑一些志願者,誰願意去誰去。 不能選一些什麼都不會,不會去了沒有什麼用啊。 因為這個事情比野外生存要難很多,雖然環境感覺好像比野外生存好一點,但其實它的難點不一樣。 首先野外生存的時間就比較短嘛,是吧。 這夥人進去了待了兩年,他們的食物要自己來種。 畢竟生存很久,你就不能靠摘果子和打獵了。 尤其是不能打獵。 引入了3800種生物雖然挺多,但大部分其實不是哺乳動物。 你殺死任何一個環境中的你能吃的生物,很有可能就破壞這個環境的穩定性。 就會造成你自己的生存危機。 所以在裡面的人是絕對不會殺死裡面的生物的。 後來這個實驗結束的時候,有一個參與者說,他在裡面吃紅薯,都會有吃自己的感覺。 因為在裡面時間太長了,就覺得自己已經融入這個系統的一部分了。 他吃地瓜的時候就覺得地瓜也是自己身體的一部分,這種感覺咱們在外面是體會不到的。 那麼這個實驗在9月26號開始之後呢,起初沒有什麼問題。 但是過了半年左右出了一個很嚴重的問題,就是有一個女性的組員。 她在操作機器的時候不幸切斷了指尖。 大家注意是切斷了,不是割了個口,這八個人裡面有一個醫生,立刻就對她的手進行處理。 但是呢,為了安全起見呢,這個女的破例離開了這個設施,到外面的醫院去。 這個雖然是破壞了規則,但是呢,屬於特殊情況了。 離開了大概一天左右就回來了。 那麼除了這次意外之外呢,這兩年的時間裡就再沒有人離開過這個設施了,整整兩年時間是完全隔離的。 雖然沒有意外吧,但隨著時間的推進呢,這個系統裡產生了一系列非常嚴重的問題。 首先第一個問題就是氧氣不明原因的慢慢減少。 在封閉當初的時候,這個生態圈裡的氧氣濃度和地球是一樣的,是大概20.9%。 然而隨著時間的推移呢,這個氧氣水平在不斷的下降。 到1993年1月份的時候,進行了16個月左右的時候,氧氣濃度甚至降到了14.5%。 14.5%也不是說不能夠生存。 地球上也有這樣的環境,就是我們所說的高原地帶,像西藏這種地方甚至可能比14.5%還要低。 這八個人在這裡面就慢慢產生了缺氧了,類似高山反應那種狀態。 表現的就是極度的疲勞,代謝緩慢,甚至有些組員發現自己已經無法完成簡單的加減運算。 還有呢就是這些人他們的動作也都在變慢,他們說每一句話都要停下來喘好幾口氣。 就是這種氧氣不足的情況。 那麼由於氧氣濃度實在是太低了,醫生判斷呢說可能會造成參與人員的生命危險。 後來管理層研究決定說打破封閉的規則,向裡面注入純氧。 按照裡面人的描述說,當氧氣進來的時候,他們就感覺到瞬間的狂喜,彷彿獲得了重生一樣。 那麼為什麼氧氣會莫名其妙的降低呢?這個一開始完全不知道了。 因為這個系統本身是封閉的,而且裡面有很多的植物,氧氣應該是充足的。 動物也沒有增多,甚至死了好多。 就說明有一種看不見的東西在消耗氧氣。 後來專家想到呢是什麼呢?就是土壤裡的微生物。 這些微生物,他們也是吸收氧氣,排出二氧化碳,他們如果大量繁殖的話,就會造成氧氣大量的消耗。 但是另一個詭異的現象就是他們也是吐出二氧化碳,但是二氧化碳的量並沒有變多。 這就很奇怪了,對不對?也就是說有這麼個東西,吸收了氧氣卻沒有吐出二氧化碳。 後來研究了很長時間終於知道了,就是微生物吸收氧氣這個事情,確實消耗了大量的氧氣。 微生物也吐出了二氧化碳,但是裡面有東西把二氧化碳給吸走了。 這個東西是水泥,因為這個生態圈二號建造的時候使用了大量的水泥。 這整個建築就是水泥包圍的,水泥裡面有碳酸清蓋,長時間暴露它就會吸收裡面的二氧化碳。 植物要生成氧氣需要二氧化碳,它把二氧化碳都吸走了,植物就不產生氧氣了。 微生物又吸收大量的氧氣,結果就造成裡面的氧氣越來越少。 好,那麼氧氣的問題暫時解決了。 後來又產生了一個非常嚴重的問題,就是一氧化二氮中毒。 自然界的土壤中有很多微生物,它是能夠釋放氮氣的,也就是我們空氣中最多的一種氣體。 這個氣體對我們身體是沒有害的,但是呢由於一些複雜的原因,就是裡面的環境發生一些變化。 土壤中的一些微生物它生成氮氣的過程,釋放出大量的一氧化二氮。 長時間吸入就會阻礙人體生成維生素B12,進而引發貧血,甚至導致神經系統不可逆的損傷。 土壤在不封閉的環境,或者非常大的環境裡沒有問題。 但是呢在這種小的封閉環境裡,它會產生有毒氣體。 好,這兩個嚴重的問題。 第三個非常非常嚴重的問題就是飢餓。 實驗起初的一年正好趕上當地陰雨連連,光合作用不足呢就造成植物生長不好,糧食減產。 當然也不光是光合作用的問題了。 還有就是蟲害的問題,這個一會我們也會講到,結果就是兩年實驗下來,所有組員平均體重下降了16%。 說是有一些人出現類似冬眠的症狀,這就是餓暈了嘛,是吧。 那麼在這種飢餓和缺氧的高壓之下呢,八個成員分裂成了兩個對立的派系。 八個人都能分成兩個派系,彼此之間幾乎不說話,只有在必要的時候才簡短的交流。 這就是飢餓缺氧對人身心的一種影響。 那麼除了組員的這種健康或者生存上的問題之外呢,整個生態環境也產生了一個很大的問題。 就是生物大滅絕。 當初引進了3800種生物,有40%到60%都完全滅絕或者功能性滅絕。 特別是一些非常重要的生物,比如說蜜蜂、甲蟲、蝴蝶、蜂鳥,這些都完全滅絕了。 這些和受粉有關,他們滅絕了就會導致植物無法繁殖,就是它不結果了。 但是它不產果實就沒有糧食,沒有水果,沒有瓜,沒有食物。 這種它還活著,但是它不結果的情況就叫功能性滅絕。 最後統計的植物大概有30%到50%都功能性滅絕。 當然後來為了解決糧食問題,他們採用人工授粉,不然這幾個人就滅絕了。 脊椎動物總共引進了25種,滅絕了19種,76%都滅絕了。 這就是妥妥的生物大滅絕了。 最諷刺的就是好的物種,就是對人有用的明顯有用的物種都滅絕了。 對人沒什麼用的物種呢都活下來了。 最後活的幾種都是什麼呢?就是螞蟻、蟑螂、家雀,不僅僅是活下來,而且是泛濫了,處於統治地位了。 因為呢它們沒有天敵,溫度合適,食物充足。 那麼植物除了不結果之外,還有一個非常嚴重的情況是後來發現的。 就是這個生態圈二號裡面的樹木呢,雖然都非常高大,但是呢都非常的脆弱。 有些樹長一長自己樹幹就斷了,不是說枯萎了,它就是長一長由於重量太重了,它就斷了。 後來知道為什麼了,是因為這個環境裡面沒有風。 在自然界裡面有時候會刮強風,這些樹木在小的時候呢,它為了抵禦這種強風就會長出比較粗壯的樹幹。 但是呢在這個生態圈二號裡面沒有強風。 樹木呢就不需要長出非常結實的樹幹,但長著長著它越長越高,自己承不住自己的樹幹就斷了。 這種現象在自然界裡幾乎是見不到的。 也就是說任何生物想要健康成長的話,它還是需要一點逆風,一點阻力的是吧,我們成長也是一樣。 那麼就這樣第一次的實驗進行了整整兩年,1993年的9月26號正式結束了。 八個極度銷售的人就從裡面走出來了。 最終這個實驗呢,從目的角度來說是失敗了。 因為整個生態系統實質上是完全破壞了。 八個人呢雖然健康沒有太大的問題,但是還是受到了不同程度上的心理上的打擊。 那麼第二年呢在1994年又進行了第二次實驗。 把之前出現的幾大問題進行了調整,第一個呢就是改進了氧氣系統。 把水泥完全封閉了,讓水泥不能夠吸收裡面的空氣。 然後優化了植物的配置,減少了高耗氧的微生物的土壤。 這樣的話他們覺得氧氣可能就足夠了。 第二個呢就是優化了農業系統,改善了糧食不足的問題,增加了很多高熱量的作物。 調整了種植的密度,優化了灌溉系統啊,改良了施肥循環等等。 第三個呢就是優化了人員結構,第一次實驗八個人就分成了兩個派系,勾心鬥角。 產生了嚴重的分裂和決策的混亂。 於是這次實驗呢就明確了各自的工作和權限,增加了很多外部的監督。 把權力盡可能集中化了。 也就是說在這種環境裡面,其實是不能太民主的,各有各的想法就完全沒有辦法生存下去了。 是需要有一個強大的Leader存在的。 最後呢就是數據的透明化,第一次實驗的時候很多數據都不透明了,只有內部能看到。 所以這個氧氣減少的問題呢是後來才知道的。 那麼第二次實驗呢就公開了很多這種數據,有很多外部機構,獨立的機構來進行監督了。 這樣的話對於這個實驗的推進呢是更有幫助的。 但是很遺憾,這第二次實驗進行了半年就被迫終止了。 主要兩方面的原因,一個呢就是氧氣的問題仍然沒有解決。 雖然進行了各種優化,但是氧氣和二氧化碳的濃度始終是不穩定的。 微生物耗氧的問題呢,仍然是十分嚴重的。 然後就是這一次呢明顯出現了海洋的酸化,裡面的珊瑚立刻就死掉了。 經過了調整,海洋生態也沒有恢復。 這些呢是生態圈二號裡面的問題,生態圈二號外面也出了問題。 就是管理層出現了嚴重的分歧,權力鬥爭,為什麼產生矛盾呢?一個很大的原因就是太燒錢了。 據說這個實驗呢每年要消耗掉數千萬美元資金。 這可是在1991年的數千萬美金。 這個當初投資的大富豪發現,啊原來這個事情不是那麼簡單。 要燒錢的地方越來越多,一想到沒有邊際啊,這大富豪就覺得可能不太想投了啊。 然後加入了好多監督機構之後呢,這個實驗推進也越來越難了。 所以管理層的這個部分就產生很大的意見分歧。 最後這種衝突嚴重到什麼程度呢?就是有管理層的人直接去把這個實驗室的氣閥給放了。 這樣內外空氣就連通了,這實驗就是宣告失敗了。 所以最終這兩次實驗都以失敗告終。 結論就是在這種人造的自然環境中,想短暫生存是可能的。 但是呢,要撐兩年以上是有難度的,因為生態圈實在是太複雜了。 任何一點點不平衡都可能會造成不可逆的崩潰。 想要通過人力來維持是相當有難度的。 現在生態圈二號這個實驗基地呢,是由亞利桑那大學接手管理,轉型為一個獨特的地球實驗室了。 現在仍然做一些實驗,但不是那種封閉實驗了,主要包括一些水、土壤的研究。 還有呢就是氣候變化對珊瑚影響的研究等等。 那麼這個實驗本身雖然失敗了,但是它的意義是明顯的。 首先呢它就是比較客觀的證明了,移職生態圈這個事情可能走不太通啊。 因為在這個研究中其實還發現一個問題,這個問題幾乎無解。 就是任何系統的一個縮小版,它都會比原先這個大的系統時間流速更快。 比如說小公司,它的運轉速度就會比大公司更快,對吧。 我們以前講過小的哺乳動物,它的心跳速度呢就會比大的更快。 藍鯨每分鐘最低的時候可以跳兩下,而小老鼠呢每分鐘心跳大概300到500下。 就是越小的動物它心跳越快。 這個事情呢在生物圈二號裡面表現也非常明顯。 因為它是大自然的縮小版,所以它的時間流轉速度比外面要快。 生物圈二號裡面的花呢就更容易枯萎,樹木生長速度就更快。 為什麼會這樣?其實也好理解。 比如說真正的大自然,一個水循環,比如說海面上的水蒸氣變成雲。 飄到大陸上變成雨,落到地面滲透到下面成為地下水,或者流到河流裡面再回到海洋。 這個過程啊,短的可能要幾年,長的要上千年才能完成一次水循環。 而在生態圈二號裡面,人工降雨之後,水可能立刻就會流到海洋裡面。 快的話幾分鐘,慢的話可能也就幾個小時就完成了這次水循環。 空氣循環也是一樣,可能幾分鐘就循環一次。 同樣在外面幾年才會出現的問題,在裡面也會立刻出現。 比如說氧氣濃度下降的問題,要改變地球氧氣的濃度,那少則幾千萬年,多則上億年。 在裡面的話,短短一年時間就會出現這麼嚴重的氧氣下降,是吧,這就是小系統的問題。 它的時間流轉速度會更快。 本來我們對於生態圈這個系統就不是很了解。 這種快加複雜就會讓這個系統變得不可控,出了一點點問題一下子就完了。 因為它沒有足夠的時間給我們去研究它,它也沒有足夠的時間去修復。 所以這種移值的迷你生態圈的方案基本上是行不通的。 還有呢就是類似光照問題,地球上不會出現全球的陰天嗎,造成所有的植物都不行了。 但是在那小的環境裡,當地只要陰天的話,當天就是沒有日照,對吧。 那植物馬上光合作用就不起作用了,植物一旦不行的話就會產生生物大滅絕。 當然這個問題在火星上是不太會有啦,火星上幾乎無雲。 它有一點點的雲,但不至於遮蔽陽光了。 所以陽光的問題在火星上還是比較少的,但是系統會變快這個問題在火星上是依然存在的。 那麼這個實驗還有個很重大的意義就是一個關於地球生態圈脆弱性的很好的警示,是吧。 它證明了就是人複製生態圈的極端困難性。 其實我覺得如果有機會啊,應該讓更多的普通人到裡面去體驗一下這種人造生態圈的生活。 也許我們對人生,對大自然就會產生一些不一樣的看法。 而且肯定會深刻的體會到保護自然的重要性。 因為我們真的無法創造出第二個大自然,一旦破壞了就再也沒有了。 在裡面待個幾個月的話,我想人就不會再向大海裡扔垃圾,不會向空氣中排放廢氣了。 我剛才講到生物滅絕的時候,不知道大家注意到一點沒有。 這滅絕最嚴重的都是高等生物,就是脊椎動物什麼的幾乎都滅了。 說明什麼?越高等的生物越容易滅絕,越低等的生物其實它們越不容易滅絕。 所以最應該保護環境的是我們,因為那就是保護我們自己。 好,那麼今天就先講到這裡,我們下期再見了,Bye Bye。