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2010/10/18

生物圈一號與生物圈二號--Biosphere 1 and Biosphere 2

    幾十年來,人們組成了許多科技團隊,想要飛離地球,探索第二個可能有生命跡象的星球,尋找第二個可能適合人類生活的星球,以備有一天地球已不適合人類的居住。在這種思維下.......
    近百年來,人類在地球上的大量繁生,營造了人類文明世界,卻也加速對地球不當的開發與侵害,造成了層出不窮的地球環境問題。例如,工業化造成的地球汙染;化石燃料的急速的開採與使用,在大氣層中累積大量的溫室氣體;為了經濟的效益,熱帶雨林遭到滅絕性的破壞,這種種導致了全球性的溫室效應,嚴重地影響了地球之氣候型態,改變了原有生態系統之正常運作。人類大量使用氟氯碳化物,造成了臭氧層破洞註1(見圖1);地球開了天窗,許多生物的棲地及族群遭受到迫害,而面臨了生存的危機。人類在地球表層的伐林,山坡地集水區濫墾濫建的破壞,造成土石流災害、水源地縮減與許多地區的沙漠化;而人類在許多地區的抽取地下水,更進一步造成地層下陷。此外,人們在生產各種工業產品時,所引入的化學物質與熱能及其轉化物質或廢棄物的排放,也嚴重污染了地球環境(大氣、水、土壤、人類生活圈)。同時,人類在地表的鋼筋水泥工程,導致生物棲地消失、生態廊道的阻絕,造成了生物多樣性的喪失,以及景觀視覺的障礙。


圖1.南極臭氧層破洞

    幾十年來,人們組成了許多科技團隊,想要飛離地球,探索第二個可能有生命跡象的星球,尋找第二個可能適合人類生活的星球,以備有一天地球已不適合人類的居住。在這種思維下,二十世紀末葉,世界矚目的「生物圈2號」計畫進行了。它創造許多人類生存空間的憧憬,但最後還是失敗了。但失敗了並不表示沒有捲土重來的可能,在人類還沒有和地球的生存互動之間達到一個平衡的狀態,人類仍然要作最壞的打算--移居外太空而準備。

    生物圈二號(Biosphere 2)位於美國亞利桑那州圖森市南部的Oracle地區,是富豪愛德華•巴斯(Edward Bass)為了擴展人類新的生存空間,出資二億美元於在美國亞利桑那州的沙漠區動工興建的人造封閉生態系統。佔地1.3萬平方米,大約有8層樓高,為圓頂形密封鋼架結構玻璃建築物,見圖2,3。「生物圈二號」建造於1987年到1989年之間,它被用於測試人類是否能在,以及如何在一個封閉的生物圈中生活和工作,也探索了在未來的太空殖民中封閉生態系統的可行性。「生物圈二號」的規劃室讓人們能在不傷害地球的前提下,對生物圈進行研究與控制。「生物圈二號」的名字來自於它的原始模型「生物圈一號」,即地球。


圖2.生物圈二號全景


圖3.生物圈二號圓頂形密封鋼架結構玻璃建築物

    生物圈二號主要是由玻璃帷幕和鋼架所構築的模擬生態群系(biomes),包括了熱帶雨林(rain- forest)、稀樹草原(savannah )、沼澤地(marsh)、海洋(ocean,含珊瑚礁岸)、沙漠(desert)等五類荒野生物群帶(wilderness biomes),以及生產糧食的集約農地(intensive agricultural area)、供人員生活其中的微城市(micro city)、及實驗監控用的技術圈(technosphere)等三種人造地區。生物圈2號為一個密閉系統,其中大約涵納了大氣(170,000立方公尺)、淡水(1,500立方公尺)、鹹水(3,800立方公尺)、土壤(17,000立方公尺)、生物(3,800~4,000種),以及人類(四男、四女)等重要組成。


圖4.「生物圈二號」內部場景。可看到熱帶草原區(前景)和海洋區(背景)


圖5.「生物圈二號」的海岸濃霧沙漠區


圖6.海岸區


圖7.8位科學家

    在生物圈2號中的微城市的內部設計中,配置了:實驗室、醫療設備、廚房、寢室、餐廳、健身房、盥洗設施,以及圖書室及觀察室等。這種溫室型的實驗室,其運轉所需的能源,主要是靠太陽能(sun- light)及人類供輸的電力(electricity)。其中並設置二個肺(lungs),以提供密閉生態實驗室中空氣熱漲或冷縮的調節功能。

    1991年,八位志願進入的科學家在生物圈2號中完全與外界隔離,預計進行為期兩年,完全自給自足的生活。實驗之初堪稱順利,農業系統在第一年便生產了83%的糧食,第二年甚至生產超過所需一噸以上;由於持續食用低卡高養分的食物,居住其中的「生物圈人」平均體重減輕16%,免疫系統增強,血壓血脂降低。但很快的實驗者們便發現,二氧化碳和氧氣的平衡難以控制,且情況逐漸惡化。由於植物白天進行大量光合作用,晚上卻只行呼吸作用,二氧化碳的濃度落差在一天之中便可達600ppm;同時冬季光合作用低落時,CO2平均濃度為4000~4500ppm,夏季卻僅1000ppm。

    如此劇烈的變化使得多數脊椎動物開始死亡,傳粉昆蟲更全數消失,反而是蟑螂等害蟲大量繁殖。氧氣在實驗開始時的初始濃度則是20.9%,在十六個月內逐步降低至14.5%,相當於海拔4000公尺,實驗者開始出現呼吸困難、舉步維艱之情形;出於無奈,1993年1月醫療團隊決定自外界注入氧氣,實驗宣告失敗。

    對於氧氣濃度下降的原因,多數推測都指向土壤中的微生物。由於玻璃帷幕阻擋了部分光線的入射,使得微生物的呼吸作用有機會超過植物的光合作用,O2 便逐漸減少;然而弔詭的是,二氧化碳卻沒有因此呈現增加的趨勢。這個謎團直到後來哥倫比亞大學的科學家使用放射性同位素進行調查,方才確認CO2會與建物中的水泥化合形成碳酸鈣,從而影響正常的碳循環,也導致了「氧氣莫名消失」的錯覺。

    第一次實驗失敗之後,研究團隊在1994年重啟實驗,但由於管理階層的內部紛爭,實驗宣告草草結束。西元1996年元月,出資人愛德華‧巴斯(Edward Bass)正式將生物圈2號交由美國哥倫比亞大學(Columbia University)管理與規劃未來的走向,做為生態學、環境變遷研究及教學的基地。哥倫比亞大學乃開始將生物圈2號既存的生態系統模擬實驗及新的研究計畫整合於「第二生物圈中心」(Biosphere 2 Center,簡稱B2C)。第二生物圈中心並對外界開放,做為研究及學習中心,以探索我們人類生活與環境生態的互動影響。

    生物圈二號的失敗恰巧從反面證明了自然界的精密及複雜,任何條件的改變都可能導致難以預期的重大影響,也更加讓我們認知到,人類有多麼依賴「生物圈一號」,也就是地球。若將自然界所提供的生態系服務(ecosystem services),如淡水純化、食物生產、廢物分解等以金錢估算,約值33兆美金,此數字遠遠超過全球所有國家年度國民生產毛額總和。我們所擁有的地球就是我們唯一的所有,生物圈獨一無二,也無法被取代,生物圈二號計畫雖然沒有獲致原本預期的成功,但它的失敗卻猶如警鐘,一個我們非得在末世來臨之前敲響的訊號,在一切還未太晚之前。

    8位科學家之一的Jane Poynter註2在2009年3月的一場演講中敘說著在生活在生物圈二號2年的種種,以及她重新生活在生物圈一號的不適應,結束時她說了一段引人省思的話:
如果你在自己的生態圈中迷失了自己,或者無法聯繫上你是身在此生態圈中的何處,我會跟你說,做個深呼吸。瑜珈人士是對的,呼吸的確把大家都聯繫了起來,以一個十分具體的方式。現在深呼吸一下。呼吸時,思考一下,你的呼吸裡有什麼。也許裡面含有你鄰座所呼出的二氧化碳,也許有一點點的氧氣來自離此不遠沙灘上的藻類。呼吸也從時間上聯繫我們。也許你呼吸中含有的碳是來自於恐龍。也許你現在呼出的碳,將會出現在你子子孫孫的呼吸中。註3

    可不可以讓我們的子子孫孫吸到我們現在所呼出的二氧化碳,就掌握在你我的手中。


Jane Poynter- Life in Biosphere 2(點照片可以連結其演講)

註1
氟氯碳化合物(CFC)是冷媒、發泡劑等的主要成份,美國科學家羅蘭(Sherwood Rowland)和莫里納(Mario Molina)在1974年提出「CFC會在平流層累積並破壞臭氧層」的理論,荷蘭科學家克魯琛(Paul Crutzen)據此預測地球大氣層應存在臭氧層破洞,到了1985年,科學家果然在南極上空發現了臭氧層的破洞。由於臭氧層會吸收陽光中大部份的紫外光,保護地表動、植物的生長,對人類非常重要,因此各國很快就在1987年簽訂了蒙特婁公約(1989年生效),管制CFC的生產與使用,上述三位科學家也因此獲得1995年諾貝爾化學獎。

CFC之所以會破壞臭氧層,是因為CFC進入大氣後會分解出氯原子(Cl),氯原子會跟臭氧(O3)作用而生成氧氣(O2)和氧化氯(ClO);雖然大氣中氯原子數量僅有臭氧的1/1000,但由於氧化氯是一種不穩定的自由基,在高空低溫的狀態下,很容易兩兩結合形成過氧化氯(ClOOCl),而過氧化氯吸收陽光後又會分解出氯原子,結果造成氯原子生生不息,臭氧層也就遭受嚴重破壞了。科學家估計,造成臭氧層破洞的各項因素中,這種過氧化氯循環的效應佔了50~70%。

註2
Jane Poynter後來成立了Paragon Space Development Corporation,專門開發可讓人類生存在極端環境如外太空以及深海中的技術;但她也不忘為這個唯一的「生物圈一號」--地球盡一己之力,持續研發可永續發展的綠色技術--例如為世界銀行的減緩氣候變化專案作努力,以及協助讓非洲和中美洲乾旱的區域長出農作物等。

註3
原文:「And if you lose where you are in your biosphere, or are perhaps having a difficulty connecting with where you are in the biosphere, I would say to you, take a deep breath. The yogis had it right. Breath does, in fact, connect us all in a very literal way. Take a breath now. And as you breathe, think about what is in your breath. There perhaps is the CO2 from the person sitting next-door to you. Maybe there is a little bit of oxygen from some algae on the beach not far from here. It also connects us in time. There may be some carbon in your breath from the dinosaurs. There could also be carbon that you are exhaling now, that will be in the breath of your great-great-great-grandchildren.」


Reference
1.科學人雜誌88期
2.環境教育季刊--"生物圈2號的生態省思與學習"汪靜明
3.維基百科
4.生物圈2號,人類文明崩壞的預言?台北縣立中平國中自然與生活科技領域李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授
5.http://www.ted.com/speakers/jane_poynter.html


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