亞利桑那州，奧拉克——一位訪客開啟一座玻璃金字塔的門，從亞利桑那州的乾熱中步入一片延伸至稀樹草原的沿海霧沙漠。一個小人國般的海洋拍打著岩石海岸。一條通道通向蒸汽騰騰的熱帶雨林，那裡纏繞著藤蔓的樹木高達 90 英尺。在生物圈 2 號這個世界上最大的致力於氣候研究的受控環境中，科學家們可以透過關閉灑水器和調高恆溫器來調整縮小比例的生態系統，從而瞭解全球變暖對真實世界的影響。
長期以來，該設施一直籠罩在其 1991 年首次不幸的任務的陰影之下，該任務旨在建立一個在另一個星球上自給自足的殖民地的類似物。但在經過一些改進和成功的、備受矚目的研究——包括一項揭示海洋變暖正在殺死珊瑚的研究——之後，這座巨大的生態缸（自 2011 年以來由亞利桑那大學領導）終於充分發揮了其作為新穎和高風險研究場所的潛力。
在其半英畝的熱帶雨林中，科學家們正在探索熱帶生態系統如何應對 21 世紀後期的酷熱和乾旱。研究人員很快希望在封閉環境的百萬加侖海洋中試驗激進的珊瑚礁恢復方法。2022 年 3 月，該專案將推出一個火星模擬環境，重現最初創始人的夢想，即在毫無生機的外星世界中模擬一個充滿植物的棲息地。生物圈 2 號實際上就像一臺時間機器，可以透過“改變大氣中氣體的濃度，使其達到我們認為未來會存在的水平，從而預覽氣候變化後的地球，看看地球會變成什麼樣”，該設施現任主任華金·魯伊斯說。
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過去的掙扎
生物圈 2 號於 30 年前的 1991 年 9 月 26 日啟動，當時由八名成員組成的工作人員——包括一名醫生、植物學家和海洋生物學家——開始了在這座 3.14 英畝的生態缸內的兩年居住。該結構是外星棲息地的原型，由一個反主流文化劇團構思，該劇團與商人合作成立了一家名為“太空生物圈風險投資公司”的公司。它旨在成為一個密封的生態系統，其中包含多個生物群落、3000 種動植物和一個農場，為“生物圈人”提供他們所需的所有空氣、水和食物。“當時，許多科學家說這簡直不可能做到，整個東西都會變成綠色粘液，”最初的生物圈人之一、太空飛行公司“太空視角”的創始人簡·波因特說。
生物圈 2 號包含一個小海洋，旁邊是稀樹草原和紅樹林。圖片來源：Alamy
封閉環境並沒有滲出粘液。但一年後，氧氣含量已降至危險的低水平，農場無法生產足夠的作物——工作人員感到窒息和飢餓。為了解決這個問題，“太空生物圈風險投資公司”管理團隊的一些成員向建築物中泵入了氧氣，並使用了二氧化碳“洗滌器”，但沒有公開披露他們的行動。當真相浮出水面時，該任務失去了科學家的信任，並受到媒體的抨擊。有些人仍然認為這不公平。“媒體將其描述為失敗是荒謬的，因為它完全忽略了這只是一項實驗這一重點，”波因特說，她補充說，目標是發現人造生物圈中會出現什麼問題，並從這些困境中學習。生物圈 2 號現任工作人員中的幾位表示，失敗在於缺乏透明度，而不是缺乏氧氣。
事實上，科學家們確實從錯誤中吸取了重要的教訓：土壤中有機質過於豐富，其中蓬勃發展的細菌消耗了過多的氧氣。起初，研究人員無法追蹤到這些微生物本應作為氧氣消耗的副產品釋放出的過量二氧化碳。最終，他們發現二氧化碳與建築物中的混凝土發生了化學鍵合。“這是一個頓悟時刻，”生物圈 2 號現任副主任約翰·亞當斯說。“他們可以逐個分子地追蹤[碳]的去向以及它在現實世界中無法實現的方式被儲存的位置。”
當哥倫比亞大學在 1996 年至 2003 年期間接管生物圈 2 號時，研究人員意識到，在這個受控的微型世界中，他們可以將二氧化碳、熱量和降水量調整到預測的未來水平，並可以測量對不同生物群落的影響。“很多人認為這是一個精妙的工具，因為你有一個複雜的系統，你可以完全封閉它，冒著破壞的風險，並瞭解受壓系統是如何運作的，”亞利桑那州立大學負碳排放中心主任克勞斯·拉克納說，他與生物圈 2 號沒有隸屬關係。“挑戰在於：你必須確保它實際上反映的是一個真實的系統。我認為人們可以做到這一點，而且現在正在進行一些[研究]。”
瞭解未來
德國弗萊堡大學的生態系統生理學家克里斯蒂安·維爾納利用該設施的雨林來研究熱帶植物和土壤如何共享養分以相互保護免受氣候變化的影響——以及當這些支援系統失效時會發生什麼。最近的幾項研究表明，森林砍伐和氣候相關的樹木死亡正在改變熱帶雨林，例如亞馬遜雨林，使其從碳儲存空間變成巨大的溫室氣體排放源。維爾納的目標是找出導致這些臨界點的原因。這樣做可以幫助研究人員做出更好的氣候預測並開發更有效的再造林技術。
維爾納的團隊將可追蹤形式的碳和氫釋放到玻璃穹頂雨林中，然後關閉灑水器以引發為期 9.5 周的“乾旱”，並追蹤元素的遷移路徑。“以前從未有人這樣做過，”她說，“生物圈 2 號是地球上唯一可以進行此類實驗的地方，因為你擁有一個完全成熟的森林，你可以對其進行操控。”她指出，在亞馬遜雨林中，當然不可能人為地製造兩個月的乾旱，而且化學示蹤劑可能會逃逸到任何地方。
即將公佈的結果正在保密中，但維爾納表示，主要的收穫是各種植物物種應對壓力的不同方式。“由於它們具有不同的功能反應，因此可以緩衝整個森林，”她解釋說，並補充說，因此生物多樣性是保持森林在動盪氣候時期保持穩定的關鍵。
來自生物圈 2 號雨林的其他實驗結果令人鼓舞。
在密歇根州立大學生態學家瑪麗埃爾·史密斯及其同事發表在《自然植物》上的2020 年研究中，他們調高了溫度，發現熱帶植物群比許多人預期的更耐高溫。
在該設施的微型海洋中，研究人員正在與微生物科學公司 Seed Health 合作，用益生菌處理珊瑚，看看這是否可以阻止白化現象（當受熱脅迫的珊瑚排出幫助它們進食的共生藻類時就會發生白化）。科學家們還在開發一個專案，以試驗“超級珊瑚”，這些珊瑚經過生物工程改造，可以抵抗高溫和酸性。“如果你在邁阿密或夏威夷，你無法獲得進行這項研究的許可，因為人們擔心轉基因珊瑚會進入自然界，”邁阿密大學海洋生物學家克里斯·蘭登說，他是生物圈 2 號科學顧問委員會的成員。“由於生物圈 2 號位於沙漠中心，如果任何東西逃逸，絕對沒有風險。”
蘭登對生物圈 2 號的海洋並不陌生。在 1990 年代，他在那裡進行了研究，首次揭示了海洋酸化會導致珊瑚因缺乏鈣而溶解。他說，這個巨大的水箱也將是測試實現負碳排放的一個主要想法的好地方：透過新增溶解的岩石來提高海洋的 pH 值，從而使水具有更大的能力從大氣中吸收二氧化碳。
並非生物圈 2 號的所有專案都關注氣候。其所謂的月球和火星空間模擬環境（SAM）目前正在建設中，“在科學層面甚至哲學層面，都與最初的生物圈非常相似，”SAM 主任凱·斯塔茨說。與世界各地的其他空間模擬環境不同，SAM 將是一個密封的棲息地。其主要目的是探索如何從機械方法生成可呼吸空氣過渡到植物、真菌和人類產生精確氧氣和二氧化碳平衡的自給自足系統。
來訪的研究人員將在 SAM 的溫室中水培種植水果和蔬菜，溫室經過噴漆和著色，以阻擋陽光並模擬火星上較暗的日光。他們還將嘗試將風化層（類似於毫無生機的火星玄武岩的碎石）轉化為肥沃的土壤。這可能對恢復地球上一些退化的地形產生影響。
鑑於地球氣候的岌岌可危的現狀，斯塔茨希望居住在 SAM 中的科學家能夠體驗到琳達·利，最初的生物圈人之一，向他描述的那種頓悟。“她說，在這樣一個封閉的環境中，你不可避免地會意識到你吸入的每一口氣、你喝的每一口水和你吃的每一口食物，因為它不會去到你再也看不到的地方，”他說。“它會回到你身邊。”