The Loop and the Silence Dr. Celia Blanco. Photo courtesy of Celia Blanco Astrobiologist Celia Blanco on how life begins, how civilizations last, and why a quiet galaxy may not be an empty one Editor’s Note Celia Blanco’s research reaches across two distant scales in the story of life. She asks how the first molecules
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从分子到文明 西莉亚·布兰科博士。照片由 Celia Blanco 提供 天体生物学家西莉亚·布兰科谈生命如何开始、文明如何延续，以及一个沉默的银河系为何未必空无一物 编者按 西莉亚·布兰科博士（Celia Blanco）的研究触及生命演化的两个遥远尺度。她既追问最初的分子如何组织起来，形成能够延续的生命系统，也思考像我们这样的技术文明能否长久存在。 她近期论文中的一个观点很快引起了我们的注意：银河系的沉默，或许并不意味着智慧生命极为罕见。技术文明也可能经历兴衰，只有在某些时期，它们才会留下足以跨越星际距离、被其他文明察觉的技术痕迹，例如无线电信号。带着这个问题，我们联系了她。 对话由此从行星尺度出发，逐渐深入分子世界，最后又回到行星与文明。访谈以书面形式进行，布兰科博士的回答经轻微编辑，以使表述更加清晰。 — Adelina 引言 1950年，在洛斯阿拉莫斯的一次午餐中，恩里科·费米（Enrico Fermi）提出了一个至今仍未得到回答的问题：如果银河系如此古老而辽阔，那么其他文明究竟在哪里？ 几十年来，人们的解释大致指向两种可能：要么智慧生命极其罕见，要么技术文明很难长久存在。后一种可能通常被浓缩为一个数字，也就是弗兰克·德雷克（Frank Drake）著名方程式最后的 L，代表一个技术文明能够持续存在并被外界探测到的时间。在这种设想中，文明出现，向宇宙发出一段时间的信号，随后消失，从此归于沉寂。 西莉亚·布兰科近期的研究提出了另一种可能：如果文明并不是只经历一次从兴起到消亡的过程呢？人类历史上的文明曾经兴盛、衰落，也曾在危机之后重新发展。布兰科与 Blue Marble Space 的 Jacob Haqq-Misra 和 George Profitiliotis 以我们自己的文明为对象，模拟了十种可能的未来。每种情景重复运行200次，将时间向前推演一千年。 研究关注的一个重要指标是“占空比”（duty cycle），也就是一个文明在整个生命周期中保持技术活跃状态的时间比例。在不同情景下，这一比例从约0.38到1不等。有些未来始终保持稳定，没有发生崩溃；另一些则反复经历衰退、崩溃与恢复。 对于寻找地外文明来说，这个结果既令人警醒，也带来一种意想不到的可能。如果技术文明并非持续发出信号，而是经历活跃与沉寂的周期，那么寂静的天空并不一定意味着那里什么都没有。我们也许只是没有在合适的时刻看见它们。 同样的逻辑也指向我们自己。此刻的人类文明或许正处于一个能够被远方观察者探测到的阶段，但我们并不知道自己位于这个周期的什么位置。我们是在开端，处于漫长的中段，还是已经接近下一次低谷？ 布兰科从一个不同寻常的方向走向这个问题。她接受的是理论物理学训练，但职业生涯的大部分时间都在研究生命起源：生命分子如何形成统一的手性，化学如何跨越某个临界点成为生物学，以及遗传密码如何逐渐形成今天的结构。 在这场对话中，她解释了为什么在她看来，最初的生命分子与技术文明的命运并不是两个毫无关联的问题，而是同一个问题在不同尺度上的表现。从分子到文明，一个系统能否延续下去，最终或许取决于两个基本条件：一个循环能否真正闭合，以及这个系统能否持续以足够快的速度补充自身，赶在消耗将它拖垮之前。 对话 占空比：文明的生命体征 Our Narratives 您的技术文明研究引入了“占空比”概念，也就是一个文明在整个生命周期中保持技术活跃的时间比例。这实际上改变了我们思考文明存在方式的角度：问题不再只是一个文明是否存在，而是它能够以多大的连续性维持技术活动。为什么您认为持续时间和间歇性是理解技术文明的关键变量，而不是一个文明所能达到的最高技术水平，比如说？ 西莉亚·布兰科： 我曾在一篇文章中读到，剑桥大学的 Luke Kemp 梳理了地球历史上一系列文明，并计算出一个文明的平均持续时间为336年。这并不令人意外。我们知道，地球历史上的文明不断兴起，也不断衰落。 但这让我开始思考，这种模式如果转移到技术文明上会是什么样，尤其是那些我们尚未经历过的未来。显然，我们无法直接前往未来观察，因为我们不能进行时间旅行，很遗憾！但我们可以模拟。 模拟的美妙之处就在于，你真的可以窥见所有我们能够合理设想的未来。 地球未来一千年的十种情景，按照技术活动持续时间的比例排列。占空比从约38%到100%不等。图片来源：Celia Blanco、Jacob Haqq-Misra、George Profitiliotis 十种未来 Our Narratives
玻璃穹顶下，预演未来 生物圈2号副主任兼首席运营官约翰·亚当斯。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 生物圈2号临时主任、亚利桑那大学水文学与大气科学教授劳拉·康登。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 约翰·亚当斯（John Adams）与劳拉·康登（Laura Condon）谈生物圈2号（Biosphere 2）如何从一次封闭世界实验，转变为今天测试地球未来的场所 编者按 1991年9月，八个人穿过亚利桑那沙漠中的一道气闸，进入一座玻璃建筑，开始为期两年的封闭生活。生物圈2号试图证明，人类可以亲手建造一个能够自我维持的世界，地球则是“生物圈1号”。玻璃穹顶之下，有热带雨林、海洋、稀树草原、红树林沼泽、沙漠和农田。设计者希望植物吸收人类呼出的二氧化碳，释放维持生命所需的氧气，同时提供足够的食物。 但事情没有按计划发展。几乎从第一天起，氧气浓度便不断下降。土壤微生物消耗了远超预期的氧气，而它们释放的二氧化碳又被建筑中的混凝土吸收。农田也无法为八个人提供足够的热量。后来，项目方不得不补充氧气，却没有立即公开这一决定，项目的公信力因此严重受损。对许多人而言，生物圈2号的故事到这里便结束了。 三十五年后，那片热带雨林和海洋依然存在，并继续生长。如今，亚利桑那大学将整座设施作为一座大型实验室，研究地球生命系统如何应对环境变化。研究生态系统的科学家通常面临一个难题：在实验室里，条件可以严格控制，但研究对象往往只有几株植物；到了野外，面对的是完整的自然系统，却几乎无法控制环境条件。生物圈2号恰好位于两者之间。这里有生长数十年的完整生态系统，也可以人为停止降雨、升高温度，并精确测量所有输入与输出。 这座建筑没能成为另一个地球，却能把真实的生命系统推向自然界尚未观测到的极端状态，让科学家检验自己的预测是否依然成立。当年试图建造第二个世界的实验，如今成为理解第一个世界的工具。 我采访了生物圈2号副主任兼首席运营官约翰·亚当斯（John Adams），以及水文学家、2026年7月出任生物圈2号临时主任的劳拉·康登（Laura Condon）。亚当斯自1995年起就在这里工作。我们谈到了最初的封闭实验、生物圈2号正在进行的研究，以及三十五年后这座设施所承担的新使命。 — Adelina “告别生物圈1号”：1991年9月26日，两年封闭任务开始之际，成员们隔着窗户向外挥手告别。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 对话 Our Narratives 约翰，生物圈2号始于什么时候？它是如何建造？ 约翰·亚当斯（生物圈2号副主任兼首席运营官）：生物圈2号的历史可以追溯到20世纪80年代初，当时这块土地被买下。1987年正式动工，历时四年建成。1991年9月，八个人进入其中，开始与外界隔绝的生活，也因此登上世界各地的新闻头条。 他们希望把驱动地球运行的一些基本过程带进生物圈2号，让水和空气循环利用，同时生产足够的食物，满足八个人的生活需求。这是一个极具雄心的实验。此前虽然也有封闭环境实验，但无论规模还是复杂程度，都无法与之相比。 1989年8月，工人将第一块玻璃板吊装到空间框架上。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 整座建筑采用气密设计，几乎与外界完全隔绝。从外面看不到的是，地下有一层巨大的不锈钢衬板，像一个“浴缸”，将整个设施与沙漠地面隔开，防止氡气等物质从地下进入。 混凝土看似坚固，实际上具有孔隙。建筑上方则采用了一种独特的结构。设计师彼得·乔恩·皮尔斯（Peter Jon Pearce）和他的加州公司 Pearce Structures 设计了一套相互咬合的管状构件，也就是我们所说的“空间框架”。管状构件之间安装玻璃窗框，外侧再用道康宁生产的密封材料封住，使整座建筑尽可能保持气密。生物圈2号可能是他们最著名的项目，不过他们还完成过许多重要工程。 已发表的数据显示，生物圈2号每年的空气泄漏率约为10%。对于一个内部容积达730万立方英尺的建筑来说，密封程度已经相当高。有人曾给我一个很形象的比喻，整座建筑的泄漏量，大致相当于开了一个三根手指并拢那么大的洞。 1990年2月，建设中的生物圈2号空间框架。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 内部还安装了空气循环和调节系统。由于生物圈2号位于亚利桑那州南部，巨大的玻璃建筑会积聚大量热量，北极苔原或针叶林所需的能源远远超出设计能力，因此所有生物群落都选择了热带或亚热带环境。 雨林模拟热带雨林，海洋以尤卡坦半岛近海一类的加勒比珊瑚礁为原型。此外还有亚热带稀树草原、类似佛罗里达南部的红树林，以及亚热带荆棘灌丛。负责设计这一地区的生态学家托尼·伯吉斯（Tony Burgess）曾告诉我，从这里向南开两三天车，进入墨西哥北部，就会开始看到类似的植被。最南端较小的金字塔形结构中，是以墨西哥下加利福尼亚半岛西岸为原型的沿海雾漠。另有一片与整个系统相连的农业区和成员生活区。 他们希望这些生物系统能够自行维持空气平衡。人呼出二氧化碳，植物吸收二氧化碳并释放氧气，使整个系统保持稳定。但如此规模的实验从未有人做过，出现意料之外的问题并不奇怪。这正是实验的意义，而生物圈2号是一次规模空前的尝试。 最受关注的问题是氧气。几乎从舱门关闭那天起，数据显示氧气浓度就在持续下降。到了两年任务的大约第500天，氧气已经降至约14.2%。内部成员和外部管理团队一致认为情况十分危险，必须补充氧气，但这一决定最初并未向公众和科学界公开。 与此同时，八个人长期在同一个封闭空间生活和工作，无论筛选多么谨慎，分歧都难以避免，社会和心理压力也随之出现。食物同样是个问题。生物圈2号占地略多于三英亩，其中约半英亩用于农业。任务开始那年正逢厄尔尼诺，云量比往年更多，而且他们选择9月进入，而不是日照更长的春季。已发表的数据显示，那半英亩土地可能是世界上生产效率最高的农田之一，却仍然无法为八个人提供足够的热量。他们的营养状况没有问题，只是一直很饿。 1992年11月，成员们在生物圈2号内准备午餐。图片由亚利桑那大学生物圈2号提供 氧气、团队关系和食物始终给成员带来压力，但他们最终完成了两年的任务。为了补充氧气，原有的密封状态不得不被打破。其间，一名成员的手指严重受伤，内部医生认为无法安全完成再接手术，她因此暂时离开接受治疗，之后重新返回。 在我看来，真正让项目失去媒体和科学界信任的，是他们没有坦诚公开这些情况。他们一度坚决否认密封状态被打破，后来又不得不撤回说法。甚至新闻秘书本人都不知道曾经补充过氧气，所以记者问起时，她自然回答没有。 以上大致是生物圈2号的早期历史。三十五年后，它已经成为一座非凡的科研设施。像劳拉这样的亚利桑那大学科学家正在利用生物圈2号，研究一些紧迫而又难以通过其他方式回答的问题。 从空中俯瞰生物圈2号，远处群山环绕。Aaron Bugaj，亚利桑那大学生物圈2号 Our Narratives 劳拉，生物圈2号目前有哪些主要研究和新项目？ 劳拉·康登（生物圈2号临时主任；亚利桑那大学水文学与大气科学教授）：我先概括一下，也请约翰随时补充，毕竟我来到这里的时间还不长。 生物圈2号早已离开最初的目标，如今是世界上唯一能够以如此尺度研究地球系统如何运行，以及环境变化如何影响这些过程的设施。早期，哥伦比亚大学曾利用这里研究二氧化碳浓度升高对海洋化学的影响。亚利桑那大学接手后，又在雨林和海洋中开展了各种研究。 原来的农业区如今成为“景观演化观测站”（Landscape Evolution Observatory，LEO），由几座巨大的倾斜实验槽组成。我们从裸露岩石开始，观察岩石如何形成土壤，最终成为能够生长植物的土地。这有助于理解地球景观的形成，也与地球化改造以及未来在火星种植作物等问题有关。 每个主要生态系统都有一位科学主任，在世界各地科学家的参与下制定研究方向，开展只有在生物圈2号才能完成的实验。以海洋为例，全球珊瑚正在大规模消失。我们可以升高海水温度，精确控制热应激，测试不同的珊瑚培育方法。关键不仅是这些方法现在是否有效，还要看培育出的珊瑚两年后是否仍能存活，甚至能否维持二十年、三十年。