為了讓人類走上星際文明之路，有這樣一群人默默耕耘了50年

富勒在北卡羅來納州的黑山學院

編者按：人類不斷地進步，正是因為永遠都有一群夢想家。

1991年9月26日，來自世界各地的記者湧入了美國亞利桑那州南部的奧拉克爾，一個隱藏在卡特琳娜山脈中的小鎮。他們是來見證一項前所未有的實驗正式啟動：八位科學家將在有史以來最大的人造封閉生態系統「生物圈二號」中，過上與世隔絕的生活。

接下來的兩年中，這些科學家將共同生活在這個大型生態園中，不與外部世界發生任何身體上的接觸。在這處佔地一萬兩千多平米的設施里，他們要自己種植瓜果蔬菜，做實驗，並儘力維持五個生物群落（沙漠、熱帶草原、海洋、熱帶雨林和濕地）的正常運轉。

科學家的主要目標是要測試，把生物圈用作執行長期太空任務的生活空間是否可行。如果我們將來要認真考慮殖民火星，我們就必須找到辦法來創建可持續棲息地，以滿足我們作為一個物種的需求。

從很多方面來說，「生物圈二號」八位原始居民進行的實驗都是完全失敗的。這項為期兩年的實驗暴露出了各種科學、社會和環境上的問題。但26年過後，「生物圈二號」仍在運轉，儘管它發揮的作用已有很大差別。

雖然這裡已不再容納任何居民，但「生物圈二號」仍在承載前所未有的地球系統實驗，並且在人類創建「微型地球」的征程中，它已然成為一座紀念碑。人類踏上這趟征途已有數十年，而且今後也不會止步。

這趟征程的故事是離經叛道的數學家和百萬富翁生存主義者的故事，是空間站和地下堡壘的故事。它始於我們對地球獨特性的認知，而它之所以能夠維持下去，靠的則是讓人類成為星際物種的堅定夢想。

這個故事裡，有成功，也有失敗，但在此過程中學到的經驗教訓，或許掌握著我們通向未來的鑰匙。

富勒與他的「地球號」太空飛船

巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）

可以說，創建「微型地球」的夢想真正始於1968年，當時，巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）出版了《地球號太空飛船操作手冊》（Operating Manual for Spaceship Earth），這是一部關於可持續性和未來的開創性著作。

大家都說，富勒不是那種典型的科學家，他的特質在生命早期就已經顯現出來。他曾兩度被哈佛大學開除，第一次是因為在一家雜耍劇團里玩樂，花光了所有的錢，第二次是因為「不負責任和缺乏興趣」。

雖然富勒可能跟大學生活格格不入，但在第二次被開除後，他憑藉自己廣泛的涉獵，從地圖製作到實驗性汽車，再到建築和數學，無所不包，很快闖出了「20世紀博學之士」的名聲。

儘管富勒在很多領域都取得了成功，但能夠定義這位傑出原創思想家畢生成就的，仍然是《操作手冊》這本書。他在書中概述了「地球號太空飛船」以及人類作為船員的概念。按照富勒的說法，地球是一艘獨特的太空飛船，如果它無法補充物資，如果沒有適當維護，它就會損壞，而且無法修復。

有鑒於此，富勒創造了「協同學」這樣一門學問，其基礎概念，是「系統」要大於其組成部分的總和。這也意味著，僅僅考慮孤立的組成部分是無法理解一個特定系統的。簡而言之，富勒的協同學主張對系統做整體分析，尤其是對我們的地球以及寄居其上的人類社會來說，更應如此。

如今，協同學被認為是科學研究的一個邊緣領域，儘管它在實踐和理論方面都有很多應用。其中最有趣的一個應用是由富勒自己開發的，他把協同學理論用於建造著名的網格狀球頂。這些建築看上去就像由三角形構成的圓頂小屋，富勒設計它們的目的是替代人們熟知的立方體建築，成為一種新的生活空間。

哈佛大學領導學和管理學教授艾米·埃德蒙森（Amy Edmondson）曾在富勒晚年時與他密切合作，埃德蒙森指出，這些圓頂本質上是把協同學應用在了幾何學中，富勒試圖幫助我們更好地與事物的自然節奏保持一致。

「富勒認為，協同幾何學的基本思想是去理解大自然的運作機制。」埃德蒙森說，「他認為，立方體的疊加或者立方體式的思維方式是人類創造的，大自然的建構方式不一定是這樣的。大自然建造物體的方式，是利用最少的能量來達到效果。」

從這個意義上說，富勒的網格狀球頂達到了預期的目標。從工程學角度來說，這些圓頂不需要多少建築材料，這意味著，它們具有重量輕、成本效益高的優點，而且強度也大得驚人。

富勒曾設想把這種結構作為人類住房危機的潛在解決方案，雖然這個想法從未得到廣泛接納，但這些圓頂的確受到了一些人群的喜愛和追捧。

小盒子里的地球

直到上世紀60年代中期，協同學理論的廣泛影響才真正開始顯現，首批建造封閉維生系統的科研項目在那時啟動了。大多數情況下，科學家建造這些系統的目的，是用於長時間的載人太空任務。

蘇聯在1965年率先啟動了這類項目，代號BIOS-1。這個位於西伯利亞的小型地下結構能夠循環製造滿足一個人生活所需的氧氣。在接下來的七年中，蘇聯科學家進一步完善該系統，並在上世紀70年代初升級到BIOS-3。

這套維生系統分為四個隔間：一個最多可容納三人的生活區；一個用於回收二氧化碳的藻類培養室；兩個用於種植蔬菜的生長室，這些蔬菜也為系統提供了維持生命所需的約四分之一的氧氣。

BIOS-3隻進行了三次載人實驗，最長的一次只持續了六個月。儘管如此，蘇聯的這套系統頗具開創性，且非常高效，在很大程度上證明了設計一種封閉維生系統的可行性。與「生物圈二號」這些數十年後進行的實驗類似，居住在BIOS-3中的人幾乎完全與世隔絕。

蘇聯的BIOS實驗在上世紀80年代中期結束，此後不久，美國宇航局（NASA）開始進行自己的有機維生實驗。該實驗名為「生態之家」（BioHome），這是一處長約14米的設施，看起來更像是移動房屋，而不是地堡。

「生態之家」是美國宇航局「清潔空氣研究」項目的組成部分，該項目旨在收集可過濾空氣的植物，以抵消「病態建築綜合症」的影響，或是解決封閉空間容易積聚空氣污染物的問題。

「室內空氣凈化系統用到了盆栽植物和活性炭。」——「生態之家」備忘錄

隨後，環境科學家比爾·沃爾弗頓（Bill Wolverton）1989年發表的一份報告，為「生態之家」項目畫上了句號。

「人類在地球上的生存有賴於一種維生系統，在這套系統中，人類與植物以及微生物之間有著複雜的關係，因此很明顯，當一個人試圖遠離該系統，在封閉的建築中自我隔絕時，問題就會出現。」沃爾弗頓在報告中寫道，「要解決這些問題，答案很明顯。如果一個人要進入密閉環境，無論是在地球還是太空，他（或她）都必須帶上大自然式的維生系統。不過，這種方式並不容易實現。」

正如沃爾弗頓在研究報告結尾處指出，「美國宇航局嘗試讓人類和大量植物共同生活在密閉的空間站或月球基地中，面對這種新情況，我們必須對這類封閉環境的生態學（人、植物、微生物、土壤等之間的相互作用）做進一步的評估。」

在「生態之家」實驗啟動後的30年間，對於研究受控生態維生系統（也就是如何「把地球裝進小盒子」）這件事，美國宇航局的興趣並沒有減弱。如今，這項任務反倒比以往任何時候都更加緊迫，因為美國宇航局已開始籌劃飛往火星的長期太空任務，那可能需要把人類隔離在封閉環境中長達數年時間。

就在「清潔空氣研究」項目結束後不久，1989年，歐洲航天局（ESA）啟動了名為「微生態維生系統替代方案」（簡稱MELiSSA）的研究項目，旨在為長期載人太空任務開發一種再生式維生系統。

受到陸源湖生態系統功能的啟發，MELiSSA可以為系統中的人類居民提供維持生存所需的水、食物和氧氣，同時只需向系統提供能量即可（而不是必須從系統外部引入食物或氧氣）。

從本質上說，MELiSSA是由五個「隔間」組成的封閉迴路，在這套人造生態系統的運轉中，每個隔間都發揮著至關重要的作用。其中一個是乘員艙，它要消耗水、食物和氧氣，然後根據消耗量產生垃圾。

源自食物和水的有機廢物（即糞便和尿液）會被送入「1號隔間」，由那裡的細菌進行分解。乘員呼出的二氧化碳則輸送至「4號隔間」，被光合細菌和高等植物用作原料，為乘員產生更多的食物、水和氧氣。

在「1號隔間」的細菌完成了分解工作後，所得物料會進入「2號隔間」，由不同類型的細菌去除「1號隔間」細菌產生的碳化合物。接著，這個過程的產物被送入「3號隔間」，供另一種類型的細菌製造富氮培養基，用於維持「4號隔間」中的高等植物。

最終，「有機廢物和二氧化碳幾乎全部被轉化為氧氣、水和食物。」2009年，歐洲航天局在巴塞羅那設立了一處MELiSSA試點項目。八年來，研究人員一直在努力提升該系統的效率，希望為人類未來定居月球或火星建立一種再生式維生系統。

生物圈二號

「生物圈二號」的生長室

在歐洲航天局實施MELiSSA項目的同一時間，美國亞利桑那州的一位百萬富翁也在醞釀自己的計劃，他打算建造一處前所未有的再生式維生設施。

此人名叫艾德·巴斯（Ed Bass），他同意投資3,000萬美元與約翰·艾倫（John Allen）合作，艾倫一直夢想著創建一個微型地球。就這樣，太空生物圈公司（Space Biosphere Ventures）誕生了。

此前，艾倫在美國新墨西哥州經營著一家名為「協同牧場」（Synergia Ranch）的生態度假村，這是他上世紀60年代末創立的。正如牧場名稱所暗示的那樣，艾倫對富勒提出的理論頗為推崇，他曾在哈佛大學見過富勒本人。

艾德·巴斯（Ed Bass）

上世紀70年代，巴斯參加了在協同牧場舉行的一場戲劇研討會，在那裡，他頭一次見到了艾倫。巴斯對艾倫的生態哲學產生了濃厚的興趣，他開始更多地接觸協同牧場，並最終成為生態技術研究所（Institute for Ecotechnics）的所長——這是一家致力於推進前沿生態項目的機構，艾倫是創始人，巴斯負責提供資金支持。

生態技術研究所為後來的「生物圈二號」打下了基礎，1984年時，這個創建再生式封閉生態系統的項目啟動了——用巴斯的話說，其目的是為了「理解地球生物圈的運轉方式。」

起初，巴斯向「生物圈二號」投入了2,000萬美元，創建了一個佔地一萬兩千多平米的生活空間，以幫助人類未來移居火星。然而，艾倫的想法略有不同，他構想了一種名為「避難所」的生物圈「列島」，用以在核戰爭或大規模生態災難爆發後，為精英人群提供庇護。

約翰·艾倫（John Allen）

儘管存在這些分歧，但巴斯和艾倫都很認同富勒的協同思想。他們一致認為，「生物圈二號」將提供前所未有的洞見，揭示地球系統複雜的互聯網路。經過七年的建設和嚴重的預算超支（巴斯最終投入了約1.5億美元），1991年，「生物圈二號」向首支研究團隊打開了大門。

該團隊由擁有不同學術背景的四男四女組成，他們同意在「生物圈二號」待上兩年，期間不與外界發生任何身體上的接觸。他們想證明，我們有可能創建一個完全封閉的自我維持生態系統——換句話說，就是要證明，我們有可能重建一種人工生物圈。

他們要自己種植農作物，並在設施內的五個生物群落中開展實驗，這些生物群落是為了模擬地球上的主要生物群落，即海洋、熱帶草原、濕地、熱帶雨林以及沙漠。

儘管這個項目雄心勃勃，但事情很快就出了岔子。就實驗本身來說，海洋系統中有大量魚類死亡，導致過濾系統被堵塞；生物圈中的本地物種——蟑螂和螞蟻——則出現了數量暴增。

此外，植物的呼吸速率超過了光合作用的速度，造成氧氣含量逐漸下降，造成生物圈裡的居民一度嚴重缺氧，這迫使管理人員在實驗期的最後一年，向「生物圈二號」注入了外部氧氣，從而違背了實驗的初衷，即證明這個生物圈有能力維持一個封閉的生態系統。

此外，還有一位居民由於受傷暫時離開，後來又帶著新物資重新進駐。儘管這位居民表示，帶回的物資僅限於塑料袋，但有數位記者聲稱，其中還包括食品。考慮到生物圈居民的自給農業並不算成功，他們只能執行熱量嚴格受限的飲食方案，因此，記者的說法也有一定道理。在距離實驗結束還剩十個月時，居民們不得不動用應急食品儲備。

然而，即便實驗中的科研部分全都按照計劃進行，也仍然有人性因素需要應對。執行首次實驗任務的八位居民之一簡·波因特（Jane Poynter）稱，任務開始前，八位成員已經為長期與世隔絕的生活做了各種準備。波因特說，雖然她感覺自己準備好了，但只過了幾個月時間，實驗成員之間就開始出現矛盾。緊張關係愈演愈烈，最終他們分裂成兩派，彼此之間不再說話。

「生物圈二號」第二次、也是最後一次有人類參與的實驗開始於1994年。實驗原本計劃持續十個月，但第二次實驗的結果比第一次更糟糕，最後受到各種外部因素影響，提前四個月就草草結束。

「到最後，與科研部分相比，生物圈實驗更多地被人類因素主宰了。」「生物圈二號」副主任約翰·亞當斯（John Adams）說，「他們從未在這個規模上取得過成功。如果我們必須指出哪些地方出了錯，大概是在溝通方面。不過，這些實驗得出的研究成果在更大範圍的科學界激起了濃厚的興趣。」

經歷了兩次被媒體頻繁曝光、但卻頗為尷尬的失敗後，太空生物圈公司解散了，建築設施將何去何從也處於不確定狀態。1995年時，哥倫比亞大學買下了「生物圈二號」，並將其用於地球系統實驗，一直持續到2005年。

此時，「生物圈二號」再一次前途未卜，這一次，它面臨著被拆除和改建成購物中心的危險。所幸，亞利桑那大學在2007年接手，繼續將其用於科學研究，直至今日。

生物圈二號2.0

過去十年間，「生物圈二號」發生了很大變化，在地球及其居住者的未來比以往任何時候都更加不確定的時候，它已經在生態科學研究領域建立起了領導者的地位。亞當斯表示，「生物圈二號」最引以為傲的地方之一是「景觀演化觀測站」（簡稱LEO），這是世界上規模最大的地球科學實驗項目。

LEO在「生物圈二號」內佔據著三個廳的空間，它們原本是實驗居民收穫糧食的地方。觀測站由三個盛放火山玄武岩的巨大托盤組成，它們以稍稍傾斜的角度懸掛在空中。

每一個托盤都配備了2,000個感測器，用於收集水循環數據。安裝在托盤上方的噴洒器會定期開啟，模擬小雨、暴雨等各種強度的降雨，從而幫助科學家了解雨水在十年時間內是如何改變景觀面貌的。

除了LEO之外，「生物圈二號」的其他生物群落幾乎還是原來的樣子。樹木長得更高了，很多灌木叢已經消失，但這些生物群落仍然為使用該設施的國際科學家團隊提供了非常有用的數據。

例如，海洋生物群落很好地展示了，海洋酸度上升——由大氣中二氧化碳含量增加所導致——會對珊瑚礁和其他易於鈣化的生物（如牡蠣或蛤蜊）造成怎樣的破壞。

亞當斯及其同事正在利用「生物圈二號」內的其他設施，來探索未來的可持續性發展方向。例如，「生物圈二號」的一個「肺」——這是一個能夠在人類居民入住時，自動調節內部氣壓的巨大網格狀圓頂——正被改造成一處垂直農場，這裡種植的農產品將用於出售、研究、公共宣傳和教育。

亞當斯已經在「生物圈二號」工作了20年，他一開始只是這裡的實習生，慢慢晉陞到了如今管理者的位置。據亞當斯稱，他對「生物圈二號」及其意圖模擬的環境進行了獨特的長期觀察，這對他思考「地球號」太空飛船產生了深遠的影響。

「當你開始看到地球系統的敏感性，當你意識到我們對這些系統的了解是何等微不足道，那真的會讓人心生謙卑。」亞當斯說，「這裡面有太多太多的變數，你開始意識到，任何一個變數的微妙變化都可能對整個系統造成巨大影響。從某種意義上說，在這裡發生的事情，也會發生在外面。你會明白，我們對自己賴以生存的系統有著如此重要的影響。」

正如亞當斯指出的，除了各種有價值的研究之外，「生物圈二號」最重要的特點之一就是，它以一種非常直觀的方式展示了自然世界的複雜性。鑒於人類實驗的失敗，我們很容易認為，對「地球號」太空飛船的整體、協同性理解也許是一個不可能實現的目標，或許事實就是如此。但不管怎樣，我們不應該因此感到絕望。

相反，承認這艘「星球飛船」高深莫測的複雜性，會迫使我們思考自己的生存方式，以及我們應如何探索太空。這抑制了人類的自負——我們曾認為，有了足夠的研究經費和工程技術知識，我們就能完美復刻早於人類億萬年的「地球號」太空飛船。

情況很有可能是，由於氣候變化的驚人力量，我們最終將遭遇類似「忒修斯之船」的情境（譯註：也稱忒修斯悖論，假定物體的構成要素被置換後，它依舊是原來的物體嗎？），我們對「地球號」太空飛船進行拆卸和重建，它最終將變成一艘兼具自然和人工屬性的飛船——與其說是有意為之，不如說是不得已為之。

不管怎樣，從BIOS-3到MELiSSA，再到「生物圈二號」，我們學到的最重要一課是，人類與生態系統之間有著不可分割的聯繫，我們不能脫離系統本身來思考人類與系統的互動方式。

無論是好是壞，我們註定既是地球這艘太空飛船的機械師，也是它的飛行員和乘客。現在，是時候開始操控好這艘飛船了。

翻譯：何無魚

來源：Motherboard

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