亚利桑那州，奥拉克——一位访客打开一座玻璃金字塔的门，从亚利桑那州的干热中步入一片延伸至稀树草原的沿海雾沙漠。一个小人国般的海洋拍打着岩石海岸。一条通道通向蒸汽腾腾的热带雨林，那里缠绕着藤蔓的树木高达 90 英尺。在生物圈 2 号这个世界上最大的致力于气候研究的受控环境中，科学家们可以通过关闭洒水器和调高恒温器来调整缩小比例的生态系统，从而了解全球变暖对真实世界的影响。
长期以来，该设施一直笼罩在其 1991 年首次不幸的任务的阴影之下，该任务旨在建立一个在另一个星球上自给自足的殖民地的类似物。但在经过一些改进和成功的、备受瞩目的研究——包括一项揭示海洋变暖正在杀死珊瑚的研究——之后，这座巨大的生态缸（自 2011 年以来由亚利桑那大学领导）终于充分发挥了其作为新颖和高风险研究场所的潜力。
在其半英亩的热带雨林中，科学家们正在探索热带生态系统如何应对 21 世纪后期的酷热和干旱。研究人员很快希望在封闭环境的百万加仑海洋中试验激进的珊瑚礁恢复方法。2022 年 3 月，该项目将推出一个火星模拟环境，重现最初创始人的梦想，即在毫无生机的外星世界中模拟一个充满植物的栖息地。生物圈 2 号实际上就像一台时间机器，可以通过“改变大气中气体的浓度，使其达到我们认为未来会存在的水平，从而预览气候变化后的地球，看看地球会变成什么样”，该设施现任主任华金·鲁伊斯说。
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过去的挣扎
生物圈 2 号于 30 年前的 1991 年 9 月 26 日启动，当时由八名成员组成的工作人员——包括一名医生、植物学家和海洋生物学家——开始了在这座 3.14 英亩的生态缸内的两年居住。该结构是外星栖息地的原型，由一个反主流文化剧团构思，该剧团与商人合作成立了一家名为“太空生物圈风险投资公司”的公司。它旨在成为一个密封的生态系统，其中包含多个生物群落、3000 种动植物和一个农场，为“生物圈人”提供他们所需的所有空气、水和食物。“当时，许多科学家说这简直不可能做到，整个东西都会变成绿色粘液，”最初的生物圈人之一、太空飞行公司“太空视角”的创始人简·波因特说。
生物圈 2 号包含一个小海洋，旁边是稀树草原和红树林。图片来源：Alamy
封闭环境并没有渗出粘液。但一年后，氧气含量已降至危险的低水平，农场无法生产足够的作物——工作人员感到窒息和饥饿。为了解决这个问题，“太空生物圈风险投资公司”管理团队的一些成员向建筑物中泵入了氧气，并使用了二氧化碳“洗涤器”，但没有公开披露他们的行动。当真相浮出水面时，该任务失去了科学家的信任，并受到媒体的抨击。有些人仍然认为这不公平。“媒体将其描述为失败是荒谬的，因为它完全忽略了这只是一项实验这一重点，”波因特说，她补充说，目标是发现人造生物圈中会出现什么问题，并从这些困境中学习。生物圈 2 号现任工作人员中的几位表示，失败在于缺乏透明度，而不是缺乏氧气。
事实上，科学家们确实从错误中吸取了重要的教训：土壤中有机质过于丰富，其中蓬勃发展的细菌消耗了过多的氧气。起初，研究人员无法追踪到这些微生物本应作为氧气消耗的副产品释放出的过量二氧化碳。最终，他们发现二氧化碳与建筑物中的混凝土发生了化学键合。“这是一个顿悟时刻，”生物圈 2 号现任副主任约翰·亚当斯说。“他们可以逐个分子地追踪[碳]的去向以及它在现实世界中无法实现的方式被储存的位置。”
当哥伦比亚大学在 1996 年至 2003 年期间接管生物圈 2 号时，研究人员意识到，在这个受控的微型世界中，他们可以将二氧化碳、热量和降水量调整到预测的未来水平，并可以测量对不同生物群落的影响。“很多人认为这是一个精妙的工具，因为你有一个复杂的系统，你可以完全封闭它，冒着破坏的风险，并了解受压系统是如何运作的，”亚利桑那州立大学负碳排放中心主任克劳斯·拉克纳说，他与生物圈 2 号没有隶属关系。“挑战在于：你必须确保它实际上反映的是一个真实的系统。我认为人们可以做到这一点，而且现在正在进行一些[研究]。”
了解未来
德国弗莱堡大学的生态系统生理学家克里斯蒂安·维尔纳利用该设施的雨林来研究热带植物和土壤如何共享养分以相互保护免受气候变化的影响——以及当这些支持系统失效时会发生什么。最近的几项研究表明，森林砍伐和气候相关的树木死亡正在改变热带雨林，例如亚马逊雨林，使其从碳储存空间变成巨大的温室气体排放源。维尔纳的目标是找出导致这些临界点的原因。这样做可以帮助研究人员做出更好的气候预测并开发更有效的再造林技术。
维尔纳的团队将可追踪形式的碳和氢释放到玻璃穹顶雨林中，然后关闭洒水器以引发为期 9.5 周的“干旱”，并追踪元素的迁移路径。“以前从未有人这样做过，”她说，“生物圈 2 号是地球上唯一可以进行此类实验的地方，因为你拥有一个完全成熟的森林，你可以对其进行操控。”她指出，在亚马逊雨林中，当然不可能人为地制造两个月的干旱，而且化学示踪剂可能会逃逸到任何地方。
即将公布的结果正在保密中，但维尔纳表示，主要的收获是各种植物物种应对压力的不同方式。“由于它们具有不同的功能反应，因此可以缓冲整个森林，”她解释说，并补充说，因此生物多样性是保持森林在动荡气候时期保持稳定的关键。
来自生物圈 2 号雨林的其他实验结果令人鼓舞。
在密歇根州立大学生态学家玛丽埃尔·史密斯及其同事发表在《自然植物》上的2020 年研究中，他们调高了温度，发现热带植物群比许多人预期的更耐高温。
在该设施的微型海洋中，研究人员正在与微生物科学公司 Seed Health 合作，用益生菌处理珊瑚，看看这是否可以阻止白化现象（当受热胁迫的珊瑚排出帮助它们进食的共生藻类时就会发生白化）。科学家们还在开发一个项目，以试验“超级珊瑚”，这些珊瑚经过生物工程改造，可以抵抗高温和酸性。“如果你在迈阿密或夏威夷，你无法获得进行这项研究的许可，因为人们担心转基因珊瑚会进入自然界，”迈阿密大学海洋生物学家克里斯·兰登说，他是生物圈 2 号科学顾问委员会的成员。“由于生物圈 2 号位于沙漠中心，如果任何东西逃逸，绝对没有风险。”
兰登对生物圈 2 号的海洋并不陌生。在 1990 年代，他在那里进行了研究，首次揭示了海洋酸化会导致珊瑚因缺乏钙而溶解。他说，这个巨大的水箱也将是测试实现负碳排放的一个主要想法的好地方：通过添加溶解的岩石来提高海洋的 pH 值，从而使水具有更大的能力从大气中吸收二氧化碳。
并非生物圈 2 号的所有项目都关注气候。其所谓的月球和火星空间模拟环境（SAM）目前正在建设中，“在科学层面甚至哲学层面，都与最初的生物圈非常相似，”SAM 主任凯·斯塔茨说。与世界各地的其他空间模拟环境不同，SAM 将是一个密封的栖息地。其主要目的是探索如何从机械方法生成可呼吸空气过渡到植物、真菌和人类产生精确氧气和二氧化碳平衡的自给自足系统。
来访的研究人员将在 SAM 的温室中水培种植水果和蔬菜，温室经过喷漆和着色，以阻挡阳光并模拟火星上较暗的日光。他们还将尝试将风化层（类似于毫无生机的火星玄武岩的碎石）转化为肥沃的土壤。这可能对恢复地球上一些退化的地形产生影响。
鉴于地球气候的岌岌可危的现状，斯塔茨希望居住在 SAM 中的科学家能够体验到琳达·利，最初的生物圈人之一，向他描述的那种顿悟。“她说，在这样一个封闭的环境中，你不可避免地会意识到你吸入的每一口气、你喝的每一口水和你吃的每一口食物，因为它不会去到你再也看不到的地方，”他说。“它会回到你身边。”