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。

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。

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。

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。

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。

我们还有“月球与火星空间模拟设施”（Space Analog for the Moon and Mars，SAM）。它最初是一座小型生物圈，如今用于研究人类在另一个星球生活需要哪些条件，包括如何建立能够维持足够氧气的栖居环境、种植植物，以及与医疗团队合作研究如何进行手术或修补宇航服。

康登：我们拥有世界上规模最大的可控室内生态系统实验。温室当然也能进行实验，但我们拥有的是一整片生长了几十年的雨林，研究对象不是一两株植物，而是完整运行的大型生态系统。

我们还有一整片海洋。大型水族馆看似相近，但鱼类和其他变量太多，很难开展同样的研究。雨林、海洋和景观演化观测站让我们能够对完整的大尺度生态系统进行实验，同时避免野外环境中大量无法控制的因素。

亚当斯：是的，这也是生物圈2号最特别的地方之一。哥伦比亚大学1995年进入生物圈2号，后来由于管理层变化，大约在2003年结束参与。亚利桑那大学于2007年接手。在此之前，生物圈2号由不同机构代表最初的创办方 Bass 组织管理，属于私人所有。如今，它归公立赠地大学亚利桑那大学所有。

更重要的是，生物圈2号是一种可以重新配置的科研工具。只要研究问题足够重要，我们就可以改变生态系统的环境条件，甚至调整其组成。

人们常问，为什么没有人再建一座“生物圈3号”。因为这样的工程绝非易事。我们的雨林、海洋、沙漠和红树林已经存在几十年。即使今天建造一座最先进的新设施，种下完全相同的植物，也可能需要五到十年才能达到平衡和稳定。我们早已跨过了这个阶段。

假如科学家想知道雨林变得更热、更干之后会发生什么，我们可以直接改变温度和降水，再与亚马孙盆地的野外观测比较。因此，我们把生物圈2号称为一种“尺度转换工具”。实验室可以精确控制条件，却通常只能研究一两株植物；野外拥有完整的自然系统，却无法决定何时下雨、何时出现热浪或降温。生物圈2号介于两者之间。

我们无法复制地球系统的全部复杂性，但已经保留了足够多的关键过程，可以研究土壤、植物和大气之间相互作用的基本机制。

康登：约翰，也许你可以谈谈雨林中的 WALD 实验，也就是 Water, Atmosphere and Life Dynamics，“水、大气与生命动态”。当时我还不在这里，这是一个很好的例子。

亚当斯：可以把生物圈2号想象成一个银行账户。研究生态系统时，我们需要知道什么进入系统，系统如何变化、反应有多快，再测量输出，计算所谓的“通量”。就像账户里的存款和取款，最后要看账目能否平衡，只不过我们记录的不是钱，而是水、碳和能量。

德国弗赖堡大学的克里斯蒂安娜·维尔纳（Christiane Werner）教授曾与亚利桑那大学的劳拉·梅雷迪思（Laura Meredith）合作组建团队。维尔纳当时正在完成一项持续五六年的研究，希望找到一个能够操控热带雨林环境、进行特定实验的地方。

团队先安装仪器，记录雨林的正常状态，然后停止降雨70天，人为制造一场干旱。他们持续观察压力增加后雨林如何响应，包括碳、能量和水循环如何改变，植物如何分配资源。由于降雨恢复的时间也由实验控制，他们得以完整记录生态系统的恢复过程。

我们还可以用较重的同位素标记雨水，通过独特的同位素信号追踪哪些植物最先吸收这些水。也可以向空气中释放碳13，观察哪些树木吸收了它，以及树木在正常和受胁迫状态下如何分配这些碳。

来自世界各地的一百多名研究人员参与了这项实验。干旱本身只有70天，但加上前期准备、基线测量和后续观测，整个过程持续了将近一年。

康登：作为水文学家，我关注完整的水循环，包括多少水渗入地下，多少最终形成河流径流。这些过程与植物和景观密切相连，包括植物如何利用水、植被如何截留降水。

我的研究涉及大尺度模型，经常需要在不同尺度之间建立联系。生物圈2号的价值之一，就在于它处于一个研究中经常缺失的尺度。它既不是单株植物，也不是大型流域，而是山坡尺度。

另一个重要问题，是如何研究超出既有观测范围的环境，比如从未记录过的高温或土地覆盖变化。我们不可能在真实世界里主动制造这些条件。做模型时，我经常问自己，当模型进入一个完全没有观测数据可以验证的未来，我还能相信它吗？如果用模型预测长期气候变化，又该如何判断结果是否可靠？

生物圈2号可以让真实系统承受远超既有观测范围的压力，从而检验面向未来的模拟是否符合物理现实，或者模型是否遗漏了某些过程和反馈。这也是它与我的研究最直接的联系。

康登：LEO 研究水如何在地下流动，是一个高度理想化的系统，可以把它看作一面“完美的山坡”。大量仪器让我们能够非常细致地观察地下水流和物质输运。

地下水模型最缺的往往是观测数据，通常只能获得少数几个点位的测量结果。LEO 可以帮助我们更完整地理解水如何移动，也像是把时间向前推回，让我们观察景观如何形成、岩石如何变成土壤，以及土地覆盖如何逐渐出现。我本人没有直接在 LEO 建模，但这些问题与水文地质学和地下水流研究密切相关。

康登：SAM 在生物圈2号建造时就已经存在，只是用途发生了变化。生物圈2号规模很大，我们认为最适合用于地球科学，因此已经远离最初的封闭生存实验。SAM 则不同，目前的方向反而最能发挥它的价值。约翰，你来补充吧。

亚当斯：如果人类未来要成为能够跨行星生存的物种，一个关键问题是如何维持宇航员需要的环境。国际空间站依靠机械设备，也就是所谓的物理化学生命保障系统。

SAM 探索的是另一种可能。我们不需要复制生物圈2号那样复杂的生态系统，而是尝试在完全密封的栖居环境中种植豌豆、红薯或豆类，让植物既提供食物，又承担部分空气净化功能，从而减少机械系统的能源消耗。作物成熟后可以食用，再种植下一轮，也能减少对加工食品和冻干食品的依赖。

生物再生式生命保障系统是 SAM 的核心研究方向之一。目前设施仍在完善，我们还在安装实验所需的设备。

亚当斯：我通常用一句话概括：生物圈2号是世界上最大的可控环境，专门用于理解变化将如何影响我们赖以生存的系统。

康登：我很难比这句话说得更好。地球科学的发展，本来就是不断理解地球各个组成部分的过程。我们无法重新创造一个完整的地球，即使建造出一个和地球一样大的系统，它仍然会有所不同。

科学家的目标，是理解各个组成部分，再把这些认识结合起来，逐渐认识庞大、复杂并具有涌现特性的系统如何运行。生物圈2号连接了可以精确研究的小尺度系统与充满不确定性的真实自然环境，让我们能够在更大的尺度上进行受控实验。

我们也许永远无法理解全部，至少在我的有生之年不会。但科学本来就是如此，在已有认识上继续追问下一个问题。