第八章 封闭系统

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8.1 密封的瓶装生命

旧金山史坦哈特水族馆( Steinhart Aquarium)一长溜展品的尽头,灯光照耀下怡然自得地生长着一丛密集的珊瑚礁。水族馆的玻璃墙后面,几英尺的完备空间就将南太平洋海底一英里长的珊瑚礁上的各种生物集中展现了出来。

这浓缩的礁石以异乎寻常的色调和怪异的生命形态,营造出一种新纪元音乐般的氛围。站在这个长方形容器的前面,如同脚踩着和谐的节点。这里每平米生物种类数目超过了地球上其他任何地方。生命密集得不行了。那异常丰富的自然珊瑚礁,已经被进一步压缩成了超越自然富集程度的人造堡礁。

两扇平板玻璃窗让你一览充满异域生物的爱丽丝奇境。嬉皮士般色彩斑斓的鱼瞪着眼看橙色底白条纹的小丑鱼,抑或是在看一小群亮蓝雀鲷。这些艳丽的小精灵时而在栗色软珊瑚那羽毛般的触手中间疾速游走,时而又在巨型海蚌那缓慢翕动的肥唇间穿梭。

对这些生物说来,这里不单是圈养栏,这里就是它们的家。它们要在这里吃、睡、打闹,在这里繁育后代,直到生命的尽头。不仅如此,如果时间充足,它们还会共同进化,共享天命。它们所拥有的是一个真正的生命群落。

在这个珊瑚展示池后面,一堆隆隆作响的泵机、管道和各种机械装置,在电力的带动下维持着这个玩具礁体上的超级生物多样性。一个游客,打开一扇没有任何标志的门,从水族馆昏暗的观景室中跋涉到泵机这里,一开门,就有眩目的外星人似的光线奔涌而出。这里的房间内部刷成了白色,弥漫着温热的水汽,耀眼的灯光令人感到窒息。头顶的架子上挂着炙热的金属卤素灯,每天放射出15个小时的热带阳光。盐水涌动着穿过一个四吨重的水泥大桶,桶里装了满是净化菌的湿沙。在人工阳光之下,长长的浅塑料托盘里绿色水藻生长旺盛,过滤着礁石水体所产生的自然毒素。

对于这个礁体来说,工业管道装置替代了太平洋。1.6万加仑的再生海水旋转着流过仿生系统,冲刷着这块珊瑚礁,像南太平洋那长达数英里的海藻园和沙滩给野生珊瑚礁提供的东西一样,带来了过滤的、湍急的、富含氧气的海水。这一整套带电的展示,是精细脆弱、来之不易的平衡,每天都需要能量和照料。一步走错,整块珊瑚礁就可能在一天内分崩离析。

古人都知道,一天就可以摧毁的东西,要想建成它,可能会需要几年甚至几个世纪的时间。在史坦哈特珊瑚礁建成之前,没有人确定是否能通过人工方法建立起珊瑚礁群落,如果可以,也没有人知道这样的工作到底需要耗费多长的时间。海洋科学家清楚地知道,作为一种复杂的生态系统,珊瑚礁必须按照正确的顺序才能组合成功。但是没有人知道那个顺序到底是什么。很显然,当海洋生物学家劳埃德·高梅兹起先在学院水族楼那阴湿的地下室中转悠的时候,他也不知道这个顺序到底是什么。高梅兹一桶桶地把微生物倒在大塑料槽里搅和,按照不同的顺序逐样添加各个物种,希望能够获得一个成型群落。但基本上每次尝试都是失败的。

每次尝试开始的时候,他都会首先培养出一份浓稠的豆色海藻培养液,排放在正午的阳光下,乱糟糟地冒着泡泡。如果系统开始偏离形成珊瑚礁的条件,高梅兹就会冲洗培养槽。用了一年不到的时间,他终于获得了演化方向正确的原型珊瑚培养液。

创造自然需要时间。高梅兹启动珊瑚礁(项目)5年之后,礁体才形成自我维持系统。直到前不久,高梅兹还必须给栖息在人造礁石上的鱼和无脊椎生物提供食物。不过在他看来,现在这块礁体已经成熟了。“经过持续了5年的精心照料,我已经给水族箱建立了一个完整的食物网,因此,我不必再给它喂食了。”唯一要提供的就是阳光,卤素能源不断地燃烧,生成人造日光倾泻在这块人工礁石上。阳光哺育海藻,海藻养活水生物,水生物养活珊瑚、海绵、蛤蜊和鱼。而归根到底,这块礁石是靠电力维持生命的。

高梅兹预测说,当这个礁石群落最终稳定下来时,还会发生进一步的转变。“在我看来,到满10岁之前它还会发生重大的变化。因为到那时候礁石会发生融合。基脚珊瑚开始向下扎根到松散的岩石中,而身处地下的海绵会在底下挖洞。所有这些会整合成一个大型的生命群。”一块有生命的岩石就从几个种子生物体中发展起来。

大家都没料到,在所有融进这块玩具礁石的生物里面,大约有90%的生物是偷偷进来的,也就是说,最初的那锅培养液里没有它们的影子。其实,当初那培养液里就存在着少量且完全不可见的微生物,只不过直到5年之后,等到这块礁石已经做好了融合的准备,才具备了这些微生物参与融合发展的条件,而在此之前,它们一直隐匿而耐心地漂浮着。

与此同时,某些在初始阶段主宰这块礁石的物种消失了。高梅兹说:“我没有预料到会出现这种情况。这让我非常震惊。生物接连死去。我问自己我到底做错了什么?事实证明我什么也没有做错。这只不过是群落的循环而已。这个群落启动之时需要大量的微藻类。之后的10个月内,微藻类消失。接着,某些开始时很旺盛的海绵消失,另一种海绵却突然冒出头来。就在最近,一种黑色海绵开始在礁石里扎下根。而我却完全不知道它是从哪来的。正如帕卡德的北美大草原以及温盖特的楠萨奇岛的复原工作,珊瑚礁在组合的初始阶段,而不是在维护阶段,需要某些伴护性物种的帮助。礁石中的某些部分只不过是‘拇指’。”

劳埃德·高梅兹的这种建造礁石的技巧在夜校里大受欢迎。对于那些痴心不改的业余爱好者来说,珊瑚礁可以算得上是一个最新出现的挑战。这些人登记入学,就是为了学会怎样把浩瀚的大洋微缩到100加仑。高梅兹的这个微缩盐水系统,把方圆数英里的生物收入一个带附件的大型水族箱里。附件也就是定量给料泵机、卤素灯、臭氧发生器、分子吸附过滤装置,诸如此类的东西。每个水族箱1.5万美金,价格不菲。这套昂贵的设备运转起来,就像真正的海洋一样,清洁、过滤着礁石周围的水体。珊瑚的生存环境需要水溶气体、微量化学元素、酸碱度、微生物种群、光照、波浪模式和温度等种种因素上达到非常精细的平衡。而所有这一切,都是由机械装置和生物制剂的互联网络在水族箱中提供的。按照高梅兹的说法,常见的失误,往往在于试图往生物栖息地塞入超过系统承载能力的生物,或者,正如皮姆和德雷克所发现的,没有按照正确的顺序来引入这些生物。那么,顺序到底有多么要紧?高梅兹的说法:“生死攸关。”

要获得稳定的珊瑚礁,重要的是要做好最初的微生物母体。夏威夷大学的微生物学家克莱尔·福尔索姆曾经根据他对广口瓶中的微生物培养液所作的研究得出过这样的结论:“任何一种稳定的封闭生态系统的基础,基本上都是某种微生物。”他认为,在任何一个生态系统里,微生物都肩负着“闭合生物元素之环”的作用,使大气与养分能够循环流动。对此,他通过微生物的随机混合找到了证据。福尔索姆所做的实验跟皮姆和德雷克所作的实验非常相似,唯一的区别就是,他把广口瓶的盖子给封上了。他仿制的不是地球生命的一小部分,而是自给自足的整个地球的自我循环系统。地球上的所有物质都处于某种循环之中(除了些许无足轻重的轻气体的逃逸,以及陨石的少量坠落)。用系统科学的术语来说,地球在物质上是一个封闭系统。而另一方面,从能量/信息的角度来看,地球又是开放的:阳光照射着地球,信息则来来去去。像地球一样,福尔索姆的广口瓶在物质上是封闭的,在能量上是敞开的。他从夏威夷群岛的海湾挖出含盐的微生物样本,把他们用漏斗倒进实验室用的那种1升或者2升的玻璃烧瓶中,然后密封起来,再通过一个采样口抽取少许来测量它们的种群比率和能量流,直到它们稳定下来。

如同皮姆发现随机混合物是多么轻易地形成自组织的生态系统时一样,福尔索姆也是大吃一惊。他惊讶地发现,即使对封口的烧瓶中生成的封闭营养物质循环回路施以额外挑战,也阻止不了简单微生物群落获得均衡状态。福尔索姆说,在1983的秋天,他和另外一个叫曹恒信的研究者意识到,封闭式生态系统,“哪怕它的物种类别再少,也几乎都能成活”。而那时,福尔索姆最初的那些烧瓶,有些已经存活了15年。最早的那一瓶是在1968搭配封装的,到现在已经有25年的时间了。在此期间,没有向里面添加过一点空气、食物或者营养物质。尽管如此,他这一瓶以及所有其他的瓶装生物群落,仅凭着室内的充足光照,在此后多年里仍然生长旺盛。

不过,无论能够生存多长时间,这些瓶装系统都需要一个启动阶段,一个大概会持续60到100天的波动危险期,在此期间任何意外都可能发生。高梅兹在他的珊瑚微生物中也看到了这种情况:复杂性的开端植根于混沌之中。不过,如果复杂系统能够在一段时间的互相迁就之后获得共同的平衡,那么之后就再没有什么能够让它脱离轨道了。

这种封闭的复杂系统到底能够运行多长时间?福尔索姆说,据说巴黎国家博物馆展出过一株1895年封入一个玻璃罐中的仙人掌,正是这个传说激发了他制造封闭的物质世界的最初兴趣。他不能证实传说的存在,但据说在过去的一个世纪里,这株仙人掌上覆盖的藻类和苔藓的颜色会依序从绿到黄循环变换。如果这个封闭的玻璃罐能获得光照和稳定的温度,那么,从理论上说,这些苔藓没有理由不能生存到太阳毁灭的那一天。

福尔索姆的封闭微生物迷你世界有它们自己的生活节奏,也真实地反映了我们星球的生活节奏。在大约两年的时间内,它们重复利用自己的碳,从二氧化碳到有机物质,再从有机物到二氧化碳,循环往复。它们保持着一种与外界的生态系统相类似的生物生产率。它们生产出定量的氧气,比地球的氧水平稍高。它们的能源效率与外部大生态系统相当。而且,它们赡养的生物数量显然是不限定的。

福尔索姆从自己的烧瓶世界中得出这样的结论:是微生物——这种细小细胞构成的微型生命,而不是红杉、蟋蟀或者猩猩——进行了最大量的呼吸,产生了空气,最终供养了地球上无穷的可见生物。隐形的微生物基质引导着生命整体的发展进程,并将各种各样的养分环融合在一起。福尔索姆觉得,那些引起我们注意的生物,那些需要我们照料的生物,就环境而言,可能仅仅是一些点缀性的、装饰性的东西。正是哺乳动物肠道中的微生物,还有黏附在树根上的微生物,使树木和哺乳动物在包括地球在内的封闭系统中有了价值。

8.2 邮购盖亚

我的书桌上曾经摆放了一个小小的生态球。它甚至还有一个编号:58262号世界。我不必为我的星球做什么,只要时不时地看看它就行了。

1989年10月17日下午5点04分,在突然袭来的旧金山地震中,58262号世界变成了齑粉。在大地的震动中,一个书架从我办公室的墙面上松脱,砸在我的书桌上。一眨眼的功夫,一本关于生态系统的厚重的大册子就把我的这个生态球的玻璃壳压得粉碎,像搅和打碎的鸡蛋那样把它的液体内脏彻底地搅和在一起。

58262号世界是一个人工制作的生物圈,制作者精心地让它达到了一种平衡状态,以求它能够永远生存下去。它是福尔索姆和曹恒信的那些微生物广口瓶的后裔之一。曹恒信是加州理工学院喷气推力实验室[1]为NASA高级生保计划[2]工作的研究人员。与福尔索姆的微生物世界相比,他创造出来的世界更具多样性。曹恒信是第一个找到包含动物在内的自维持生物的简单组合的人。他把小盐水虾和盐卤藻一起放进了一个永续的密闭环境中。

他的这个封闭世界的商业版名称叫作“生态球”,基本上是一个跟大柚子差不多大小的玻璃球。我的58262号世界就是这些玻璃球中的一个。被彻底地封在这个透明球体中的有4只小盐水虾、一团挂在一根小珊瑚枝上的毛茸茸的草绿色水藻,以及数以百万计的肉眼看不见的微生物。球的底部有一点沙子。空气、水或者任何一种物质都不能出入这个球体。这家伙唯一摄入的就是阳光。

打从开始制作时算起,年头最长的曹氏人造微生物世界已存活了10年。这让人很意外,因为游弋其中的盐水虾的平均寿命通常在5年左右。照理说这些生物能在封闭的环境中一直繁衍下去,但是让这些生物在这样的封闭世界里繁衍生息总归是个难题。当然,个体的盐水虾和海藻细胞会死。获得“永生”的是群体的生命,是一个群落的整体生命。

你可以通过邮购买到一个生态球,就好像买到一个盖亚或者一种自发生命的实验。你从塞满填充物的包裹中拆出这样一个球体来。在经历了剧烈震荡的旅程之后,那些小虾看起来仍然很健康。然后,你用一只手托起这个炮弹大小的生态球,对着光照,它会闪烁出宝石一样纯净的光芒。这是一个被吹制进瓶子的世界,玻璃在顶部整齐地收拢在一起。

这个生态球就呆在那里,生存在它那种脆弱的不朽之中。自然学家彼得·沃肖尔手里有一个第一批制造出来的生态球,一直放在他的书架上。沃肖尔的读物包括那些已故诗人的隐晦诗作、法国哲学家的法语著作,以及关于松鼠分类学的专题论文。对于他来说,自然就是诗歌的一种;生态球则是一个大肆宣传实体的皮书套。沃肖尔的生态球生活在善意的忽视下,几乎相当于某种不用去照料的宠物。关于他的这种“非嗜好”,沃肖尔写到:“你不能喂虾。不能去除残腐。你也不能去摆弄那些根本就不存在的过滤器、充气机或者泵机。你也不能把它打开来用手指去测试水温。你所能做的唯一的事情——如果‘做’在这里还是合适的词汇的话,就是观察和思考。”

生态球是一个图腾,一个属于所有封闭的生命系统的图腾。部落民众选出某种图腾物,作为连接灵魂与梦想这两个相互分离的世界的桥梁。而生态球,这个被封闭在晶莹剔透的玻璃里面的独特世界,仅仅凭着“存在”,向我们发出邀请,让我们去沉思那些难以把握的图腾似的理念,比如“系统”、“封闭”,甚至“存活”。

“封闭”意味着与流动隔绝。一个树林边上修剪整齐的花园,独立生活在自然形成的野生状态的包围中。不过,花园生态所处的分离状态是不完全的——是想象多于现实的分离。每一个花园,实际上只是我们都身历其中的更大生物圈的一小部分。水分和营养物质从地下流入其中,氧气和收获物又会从中“流出”。如果没有花园之外的那个持续存在的生物圈,花园自己就会衰败消失。一个真正的封闭系统,是不会参与外部元素流动的;换句话说,它所有的循环都是自治的。

“系统”意味着相互连通。系统中的事物是相互纠结的,直接或者间接地连接到一个共同的命运。在一个生态球世界中,虾吃藻类,藻类靠阳光生存,微生物则靠两者产生的“废料”生存。如果温度上升得太高(超过华氏90度[3]),虾蜕皮的速度就会超过它进食的速度,这样一来它们实际上就是在消耗自己。而如果没有足够的光照,藻类的生长速度就达不到虾所需要的水平。虾摇摆的尾巴会搅动水,从而搅起微生物,让每个小虫都能得到晒太阳的机会。生态球除了个体生命,更有整体生命。

“存活”,意味着惊喜。完全黑暗的环境里,一个普通的生态球可以生存6个月,与逻辑预期相反。而另外一个生态球,在一个温度和光线非常稳定的办公室里呆了两年之后,突然有一天爆发了繁育潮,在球里平添了30只小虾仔。

不过,静态才是生态球的常态。沃肖尔不经意地写过这样一段话:“有时候你会觉得这个生态球太过平静,和我们匆忙的日常生活形成鲜明的反差。我曾经想过要扮演一次非生物的上帝。拿起它摇晃一阵:来点地震怎么样,你这小虾米!”

对生态球世界来说,像这样时不时地让其公民混乱上一阵,还真的是一件好事。纷扰维护着世界。

森林需要破坏力巨大的飓风来吹倒老树,以便腾出空间让新树生长。大草原上的流火,可以释放必须经过火烧才能摆脱硬壳束缚的物质。没有闪电和火焰的世界会变得僵硬。海洋既有在短期内形成海底暖流的激情,也有在长期的地质运动中挤压大陆板块和海床的激情。瞬间的热力、火山作用、闪电、风力以及海浪都能够让物质世界焕然一新。

生态球中没有火,没有瞬间的热力,没有高氧环境,没有严重的冲突——即使在它最长的循环周期里也没有。在它的那个小空间里,在数年的时间里,磷酸盐——所有活细胞的重要成分,会跟其他元素非常紧密地结合在一起。从某种意义上说,把磷酸盐剔出这个生态球的循环,就会逐渐减少产生更多生命的希望。在低磷酸盐的环境中,唯一能够繁荣兴盛的只有大块的蓝绿海藻,那么,随着时间的推移,这个物种势必在这些稳定系统中占据主导地位。

给这玻璃世界加点东西,比如能够产生闪电的附件,也许能逆转磷酸盐的沉降,以及摆脱随之而来的蓝绿海藻必然的接手。一年有那么几次,让这个由小虾和藻类组成的平静世界产生几个小时的灾祸,噼啪作响、嘶嘶作声、沸腾起来。它们的休假当然会就此泡汤,但是它们的世界却可以从此焕发青春。

在彼得·沃肖尔的生态球中(除了他的遐想之外,这个球多年来一直放在那里没人打扰),矿物质已经在球体的内部凝成一层坚实的晶体。从盖亚理论的角度来说,就是生态球制造出了陆地。这块“陆地”(由硅酸盐、碳酸盐以及金属盐组成)之所以在玻璃上形成,是因为电荷的作用,是一种自然形成的电解沉积。唐·哈曼尼,那个生产生态球的小公司的主要负责人,对他的小型玻璃盖亚的这种趋势非常熟悉,他半真半假地建议说,可以通过给这个球体焊上一根地线来阻止石化层的形成。

最后,盐晶会因为自身的重量从玻璃球的表面脱落下来,沉积到液体的底部。在地球上,海底沉积岩的累积,也正是更大范围的地质循环的一部分。碳和矿物质通过水、空气、土地、岩石进行循环,然后重新返回到生命体中。生态球也是如此。它抚育的各种元素,也是通过大气、水和生物圈所组成的循环达到了动态平衡。

绝大多数的野外生态学家都感到惊讶,这样一种自我维持的封闭世界居然能够如此简单。看来随着这种玩具式的生物圈的出现,那种可持续的自给自足状态也可以轻易地创造出来,特别是如果你对这种系统维持的到底是哪些生物不太在意的话。可以说,邮购的生态球证明了一个不同寻常的断言:自我维持的系统“主观上”愿意出现。

如果说简单的小型系统唾手可得,那么我们到底能够把这种和谐扩大到什么程度,而不至于失去这样一个除了能量输入之外完全封闭的自我维持的世界呢?

事实证明,生态球按比例放大后仍很完好。一个巨大的商业版生态球可达200升。这差不多是一个大垃圾箱的容积——大到你无法环抱。在一个直径30英寸漂亮的玻璃球里,海虾在海藻的叶片之间戏水。不过,与通常只有三四只食孢虾的生态球不同,这个巨大的生态球里装了3000只虾。这是一个有自己居民的小月球。大数定律在这里应验;多则意味着不同。更多的个体生命让这个生态系统更具活力。事实上,生态球越大,达到稳定所需时间就越长,破坏它也就越困难。只要处于正常状态,一个活系统的的集体代谢过程就会扎下根,然后一直持续下去。

8.3 人与绿藻息息相关

下一个问题显然是:这种与外界流动隔绝的玻璃瓶,到底要多大、里面要装些什么样的活物,才能保障人在里面生存?

当人类的冒失鬼们冒险穿越地球大气这个柔软的瓶壁的时候,上述的学术问题就具备了现实意义。你能通过保证植物持续存活,来让人类在太空里像虾在生态球里一样持续存活吗?你能把人也封闭在一个受到日光照射、有充足的活物的瓶子里,让他们相互利用彼此的呼吸吗?这是一个值得动手去探寻的问题。

小学生都知道,动物消耗植物产出的氧气和食物,植物则消耗动物产出的二氧化碳和养料。这是一个美好的镜像:一方生产另一方所需要的东西,就好像虾和水藻那样,彼此服务。也许,可以按照植物和哺乳动物对等的要求,以一种正确的方式把它们搭配在一起,它们就能够相互扶持。也许,人也能在一个封闭的容器里找到适合自己的生物体化身。

第一个足够疯狂来做这个尝试性实验的人,是一名莫斯科生物医学问题研究所的俄罗斯研究员。在对太空研究热火朝天的头些年里,叶夫根尼·舍甫列夫[4]于1961年焊了一个铁匣子,匣子的大小足以把他还有8加仑的绿藻装进去。舍甫列夫的精心计算表明,8加仑的小球藻在钠灯的照射下可以产生足够一个人使用的氧气,而一个人也可以呼出足够8加仑的小球藻使用的二氧化碳。方程的两边可以相互抵消成为一体。所以,从理论上说,应该是行得通的,至少纸面上是平衡的,在黑板上的演算也非常完美。

但在这个气密的铁仓里,情况却全然不同。你不能凭理论呼吸。假如绿藻发育不良,那天才的舍甫列夫也得跟着倒霉;反之,如果舍甫列夫玩完了,那绿藻也活不下去。换句话说,在这个匣子里,这两个物种几乎是完全共栖的关系,它们自身的生存完全依赖对方的存在,而不再依赖外部那个由整个星球担当,以海洋、空气以及各种大小生物构成的巨大的保障网络。被封闭在这个舱里的人和水藻,实际上已经脱离了由其他生命编织起来的宽广网络,形成一个分离的、封闭的系统。正是出于对科学的信念,干练的舍甫列夫爬进了舱室并封上了门。

绿藻和人坚持了整整一天。在大约24个小时的时间中,人吸入绿藻呼出的气息,绿藻吸入人呼出的气息。之后腐败的空气把舍甫列夫赶了出来。在这一天临近结束的时候,最初由绿藻提供的氧气浓度迅速降低。在最后一刻,当舍甫列夫打破密封门爬出来的时候,他的同事们都被他的小屋里的那令人反胃的恶臭惊呆了。二氧化碳和氧气倒是交换得颇为和谐,但是绿藻和舍甫列夫排出的其他气体,比如甲烷、氢化硫以及氨气,却逐渐污染了空气。就好像寓言中那个被慢慢烧开的水煮熟的快乐青蛙,舍甫列夫自己并没有注意到这种恶臭。

舍甫列夫带有冒险色彩的工作,受到了远在北西伯利亚的一个秘密实验室中的其他苏联研究人员的严肃对待,后者继续做了舍甫列夫的工作。舍甫列夫自己的小组能够让狗和老鼠在绿藻系统中生存最长7天。他们不知道,大约在同一时间,美国空军航空医学学院把一只猴子关进了由绿藻制造的大气里50个小时。在此之后,舍甫列夫他们把一桶8加仑的小球藻放在一个更大密封室里,并且调节了绿藻的养料以及光线的强度,创造了一个人在这个气密室里生存30天的记录!在这个特别持久的过程中,研究人员发现绿藻和人的呼出物并不完全相称。要想保持大气的平衡,还需要使用化学滤剂去除过量的二氧化碳。不过,让科学家们感到鼓舞的是,臭臭的甲烷的含量,在12天之后就稳定下来了。

到了1972年,也就是十多年之后,这个苏联的研究团队,在约瑟夫·吉特尔森的带领下,建立了能够支撑人类生存的第三版小型生物栖息地。俄罗斯人管它叫生物圈3号。它的里面很拥挤,仅可供三人生存。4个小气密室里装进了好几桶无土栽培的植物,用氙气灯照射。盒装的人在这些小房间里种植、收获那些俄罗斯出产的作物——土豆、小麦、甜菜、胡萝卜、甘蓝、水萝卜、洋葱和小茴香。他们的食物一半来自这些收获的作物,包括用小麦做出的面包。在这个拥挤、闷热的密封暖房里,人和植物相依为命共同生活长达6个月之久。

这个匣子其实还不是完全密封的。它密封的空气倒是没有气体交换,但它只能再循环95%的水。苏联科学家事先在里面存储了一半的食物(肉类和蛋白质)。另外,生物圈3号不能对人类的排泄物或者厨房垃圾进行回收;生物圈3号的住客只得把这些东西从匣子里排放出去,这样也就排出了某些微量元素和碳。

为了避免所有的碳都在循环中流失,居民把死掉的植物中那些不能吃的烧掉一部分,把它变成二氧化碳和灰烬。几个星期里房间就积累了不少微量气体,源头各有不同:植物、建材还有居民自己。这些气体有些是有毒的,而当时的人们还不知道如何回收这种气体,于是,只好用催化炉把这些东西“烧”掉。

当然,NASA对在太空为人类提供食物和住所也非常感兴趣。1977年,他们发起了一个持续至今的计划:受控生态生命保障系统[5]。NASA采用的是简约式的方法:寻找能够生产出人类消耗所必需的氧气、蛋白质以及维他命的最简单的生命形式。事实上,正是在摆弄这些基本系统的过程中,身为NASA一员的曹恒信偶然发现了虽然有趣但在NASA眼中并不是特别有用的虾/藻搭配。

1986年,NASA启动了面包板计划(Breadboard Project)。这个计划的目的是在更大的范围内实现那些在桌面上获得的试验结果。面包板计划的管理人找到一个“水星号”宇宙飞船[6]遗留下来的废弃的圆筒。这个巨大的管状容器,曾经用作安在“水星号”火箭顶尖上的小型太空舱的压力测试室。NASA给这个双层结构的圆柱体外面添加了通风和给排水管道系统,把里面改装成带有灯具、植物和循环养料架的瓶装住宅。

与苏联的生物圈3号试验的办法一样,面包板计划利用更高等的植物来平衡大气、提供食物。一个人一天能勉强下咽的绿藻实在有限,而且,就算一个人只吃绿藻,小球藻每天能为人类提供的养分也只达到人类所需的十分之一。正是这个原因,NASA的研究人员才放弃了绿藻系统而转向那些不仅能清洁空气,而且还能提供食物的植物。

看起来每个人都不约而同想到了超密集栽培。超密集栽培能够提供真正能吃的东西,比如说小麦。而其中最可行的装置,就是各种水培装置,也就是把水溶性的养料通过雾、泡沫的形式传输给植株,或者用薄膜滴灌的方式给那些遮盖了塑料支撑架的莴笋之类的绿叶植物输送养分。这种精心设计的管道装置在狭窄的空间生产出密集的植物。犹他州大学的弗兰克·索尔兹巴利[7]找到了不少精确控制的办法,把小麦生长所需的光照、湿度、温度、二氧化碳含量以及养料等控制在最佳状态,将春小麦的种植密度扩大了100倍。根据野外试验的结果,索尔兹巴利估算出在月球基地之类的封闭环境下每一平方米超密集播种的小麦能够产出多少卡路里。他的结论是,“一个美式橄榄球场大小的月球农场能够供养100名月球城居民”。

100个人就靠一个足球场大小的蔬菜农场过活!这不就是杰弗逊的那个农业理想国的愿景吗!你可以想象一下,一个近邻的星球聚居着无数带有超大圆顶的村庄。每一个村庄都可以为自己生产食物、水、空气、人以及文化。

然而,NASA在创造封闭的生存系统方面给许多人的感觉是,过于小心谨慎、速度缓慢得令人窒息,而且简约到了令人无法容忍的程度。事实上,NASA这个“受控生态生命保障系统”可以用一个很贴切的词来形容:“受控”。

而我们需要的,却是一点点的“失控”。

8.4 巨大的生态技术玻璃球

那种比较合适的失控状态,发端于靠近新墨西哥州圣达菲的一家年久失修的大牧场。在20世纪70年代早期,也就是公社最繁荣的时代,这家牧场收拢了一群文化不适应的典型叛道者。当时,绝大多数公社都在随心所欲地运转。而这个被命名为协作牧场的大牧场并未随波逐流。这个新墨西哥州的公社要求其成员遵守纪律,辛勤劳作。大灾变来临时,他们不是听天由命,怨天尤人,而是致力于研究怎么做才能摆脱社会的疾患。他们设想出几个制作巨型精神方舟的方案。那异想天开的方舟设计得越是宏大,大家对整个的构想就越感兴趣。

想出了这个令人振奋的主意的,是公社的建筑师菲尔·霍斯。1982年,在法国开的一次会议上,霍斯展示了一个透明球体太空飞船的实体模型。这个玻璃球里面有花园、公寓,还有一个承接瀑布的水潭。“为什么仅仅把太空生活看成是一段旅程,而不把它当做真正的生活来看待呢?”霍斯问道,“为什么不仿造我们一直游历其中的环境建造一艘宇宙飞船呢?”换句话说,为什么不创造一个活的卫星,来替代打造出来的死气沉沉的空间站呢?把地球本身的整体自然环境复制出来,做出一个小型的透明球体在太空中航行。“我们知道,这是行得通的。”富有魅力的牧场领导者约翰·艾伦说道:“因为这其实就是生物圈每天在干的事情,我们要做的,只不过是找出合适的规模。”

在离开牧场之后,协作牧场的成员仍在继续努力实现这隐秘的生活方舟的梦想。1983年,得克萨斯州的艾德·巴斯,前牧场成员之一,利用家族非常雄厚的石油财富的一部分,为建造这个方舟的实证原型提供了资金。

跟NASA不一样,协作牧场人解决问题靠的不是技术。他们的想法是尽可能多地在密封的玻璃圆顶屋内添置生物系统——植物、动物、昆虫、鱼还有微生物,然后,依靠初始系统的自我稳定倾向自行组织出一个生物圈的大气。生命经营的事业就是改造环境使其有益于生命。如果你能把生物聚拢成为一个群落,给它们充分的自由制造自己茁壮成长所需的条件,这个生物集合体就能够永远生存下去,也没有必要知道它是怎样运转的。

实际上,不仅它们不知道,生物学家们也并不真正知道植物到底是怎么工作的——它到底需要什么,又生产出了什么——也根本不知道一个封闭在小屋子里的分布式微型生态系统到底会怎样运转。他们只能依靠分散的、不受控制的生命自己理出头绪,从而达到某种自我加强的和谐状态。

还没有人建造过这么大的生命体。就连高梅兹那时也还没有建造他的珊瑚礁。协作牧场人对克莱尔·福尔索姆的生态球也只有个模糊的概念,而对俄罗斯的生物圈三号试验的了解就更少了。

这个小团体——如今自称为太空生物圈企业SBV[8],利用艾德·巴斯资助的数千万美金,在20世纪80年代中期,设计建造了一个小棚屋大小的试验装置。小棚屋里塞满了一个暖房那么多的植物,一些负责水循环的别致的管道,几个灵敏的环境监控装置的黑箱子,还有一个小厨房和卫生间,当然还有很多玻璃器皿。

1988年9月,约翰·艾伦把自己封闭在这个装置中进行了第一次试验,为期3天。跟叶夫根尼·舍甫列夫那勇敢的一步类似,这也是一次基于信念的行动。虽然是通过理性的推测精选出来了植物,但这些植物作为一个系统怎样才能工作得好,却是完全不受控制的。和高梅兹辛苦得来投放顺序相反,SBV的家伙们只是把所有的东西一股脑儿往里一扔。这个封闭的家园至少能依靠某些个品种的植物来满足一个人的肺活量。

测试的结果非常令人鼓舞。艾伦在他9月12日的日记中写道:“看起来,我们——植物、土壤、水、阳光、夜晚还有我,已经接近了某种均衡。”在这个大气循环达到100%的有限生物圈中,“可能原本都是由人类活动产生的”47种微量气体的含量降到了微乎其微的水平,这是因为小棚屋的空气是透过植被土壤传送的——SBV把这种古老的技术现代化了。跟舍甫列夫的实验不同的是,当艾伦走出来的时候,里面的空气是清新的,完全可以接纳更多的人进去生活。而对于外边的人来说,吸一口里面的空气,就会震惊于它的湿润、浓厚和“鲜活”。

艾伦的试验数据表明,人类可以在这个小屋子里生活一段时间。后来,生物学家琳达·利在这个小玻璃棚里过了三个星期。在21天的独居结束之后,她跟我说:“一开始我担心自己是否能忍受呼吸里面的空气,不过两个星期之后我就几乎不再注意那里的湿气了。事实上,我感到精力充沛,更舒适,也更健康了,也许是因为密闭植物清洁空气、制造氧气的天性使然。而大气即使在那个小空间里,也是稳定的。我觉得这个测试模块完全可以持续两年的时间,而且大气还不出什么问题。”

在这三周的时间里,棚屋里那些精密的监测设备显示,无论是来自建筑材料,还是来自生物体的微量气体,都没有增加。尽管总的来说,大气是稳定的,但它也很敏感,任何微小的变异都能轻易地引起它的波动。当利在棚屋动土收红薯的时候,她的挖掘惊扰了制造二氧化碳的土壤生物。慌乱的虫子们暂时改变了实验室中的二氧化碳浓度。这是蝴蝶效应的一个实例。在复杂系统中,初始条件的一个小变动都可能放大,大范围影响到整个系统。这个原理通常是用这样来说明的:假设北京的一只蝴蝶扇动了一下翅膀,就会在佛罗里达州引发一场飓风。而在SBV封闭的玻璃棚屋里,蝴蝶效应是小规模的:利动了动手指,就扰乱了大气的平衡。

约翰·艾伦和另外一位协作牧场人马克·尼尔森设想在不远的将来,将火星空间站建成一个巨型封闭式系统瓶。艾伦和尼尔森逐渐推演出一种名为生态技术的混合技术,这种混合技术基于机器和活生物体的融合而建立,旨在支持未来人类外星移民。

他们对上火星的事是极其认真的,而且已经开始解决细节问题了。为了去火星甚至更远的地方旅行,你需要一组工作人员。到底需要多少人呢?军事长官、探险队领队、创业经理以及危机处理中心的人对此早有认识。他们认为,对于任何一个复杂、危险的项目来说,最理想的团队人数是8个人。超过8个人,会造成决策缓慢和耽搁;而少于8个人,突发事件或者疏忽大意就会变成严重的阻碍。艾伦跟尼尔森决定采用8人一组制。

下一步:要想为8个人无限期地提供庇护、食物、水和氧气,这个瓶装世界要有多大?

人类的需要是相当确定的。每个成年人每天大概需要半公斤食物,一公斤氧气,1.8公斤饮用水,美国食品及药物管理局(FDA)建议的维他命量,以及几加仑用来洗涮的水。克莱尔·福尔索姆从他的小生态圈中得到推算结果。按照他的计算,你需要一个半径为58米的球体——半是空气半是微生物的混合液——来为一个人提供无限期的氧气供应。接着,艾伦和尼尔森提取了俄罗斯生物圈三号的试验数据,并把它跟福尔索姆、索尔兹巴利以及其他人从密集栽培农业收获的数据结合在一起。根据20世纪80年代的知识和技术,需要3英亩(大约1.2万平方公理)的土地才能养活8个人。

3英亩!那个透明的容器必须得像阿斯托洛圆顶体育馆[9]那么大了。这么大的跨度至少需要50英尺(15米多)高的穹顶,外面再罩上玻璃,它真会成为一个不寻常的景观。当然也相当昂贵。

不过,它一定会很壮观!他们一定会建成它!凭借艾德·巴斯的进一步资助,他们也做到了,总共追加了一亿美元。这个8人方舟的工程,于1988年正式动工。协作牧场人把这个宏大的工程称为生物圈二号(Bio2),我们地球(生物圈一号)的盆景版。建成这个“盆景”耗费了三年时间。

8.5 在持久的混沌中进行的实验

生物圈二号跟地球相比是小,但是作为一个完全自足的玻璃容器,在人类眼里,它的规模就很令人震撼了。生物圈二号这个巨型玻璃方舟有机场飞机库那么大。至于它的形状,你可以想象一艘全身透明的远洋轮船,再把它倒过来就是了。这个巨大的温室的密闭性超强,连底部也是密封好的——在地下25英尺的位置埋了一个不锈钢的托盘来防止空气从地下泄露出去。没有任何气体、水或者物质能够出入这个方舟。它就是一个体育馆大小的生态球——一个巨大的物质封闭、但能量开放的系统,只不过要复杂得多。除了生物圈一号(地球)之外,生物圈二号就是最大的封闭式活系统了。

要想创造一个有生命的系统,无论大小,所面临的挑战都令人心生畏惧。而创造一个像生物圈二号这么大的生命奇迹,只能说这是一种在持久的混沌中进行的实验。我们面临的挑战有:首先要在几十亿种组件中挑选出几千个合适的物种;然后把它们合理地安排在一起,让它们能够互通有无,以便这个混合物整体能任凭时间流逝而自我维持;还要保证没有任何一种有机体以其他有机体为代价在这个混合体中占据主宰的位置,只有这样,这个整体才能保证它所有成员都不断地运动,不会让任何一种成分边缘化;同时保证整个活动和大气气体的组分永远维持在摇摇欲坠的状态。噢,对了,人还得在里面活得下去,也就是说,里面得有东西吃,有水喝,而食物和水,也都要从这个生态圈中获取。

面对这些挑战,SBV决定把生物圈二号的存亡问题,托付给这样一条设计原则:生命体大杂烩那不寻常的多样性能够达成统一的稳定性。而生物圈二号这个“实验”,即使证明不了别的什么,至少能够为我们理解下面这条在过去的20年间几乎被所有人都认可的假设提供某些帮助:多样性保证了稳定性。它还可以检验某种程度的复杂性是否可以诞生自我延续性。

作为一个具有最大多样性的建筑,在生物圈二号最终的平面设计图中有7个生态区(生物地理的栖息环境)。玻璃苍穹下,一个岩石面的混凝土山直插穹顶。上面种着移植过来的热带树木,还有一个喷雾系统:这个合成的山体被改造成了一片雾林,也就是高海拔地区的雨林。这片雾林向下融入一片高地热带草原(有一个大天井那么大,但是长满了齐腰高的野草)。雨林的一边在一面悬崖边住脚,悬崖下探至一个咸水湖,里面配有珊瑚、色彩斑斓的鱼类,还有龙虾。而高地草原则向下延伸到一片更低更干燥的草原上,黑黢黢地布满了多刺、纠结的灌木丛。这个生态区叫作多刺高灌丛,是地球上最常见的动植物栖息地之一。在真实世界中,这种地域对人类来说几乎是不可穿越的(因此也被忽视了)。但是在生物圈二号,它却为人类和野生动物提供了一小块隐居地。这片植物丛又通往一小块紧凑湿软的湿地,这就是第5个生态区了,它最后注入了咸水湖。而在生物圈二号的最低处,是一片沙漠,大小跟一个体操馆差不多。由于里面湿度非常的大,所以种植的是从下加利福尼亚和南美移植来的雾漠植物。在这块沙漠的一边,就是第7个生态区:一块密集农业区和城市区,这里就是8个现代人种植食物的地方。跟诺亚的方舟一样,这里面也有动物。有些是为了作食用肉,有些是为了当宠物养,还有些逍遥自在:在荒野漫游的蜥蜴,鱼以及鸟类。另外还有蜜蜂、番木瓜树、海滩、有线电视、图书馆、健身房和自助洗衣房。乌托邦啊!

这东西规模大得惊人。有一次我去参观他们的建筑工地,有一台18轮的半挂大卡朝生物圈二号的办公室开去。司机从车窗里斜探出身子问他们想要把海放在哪里,他拖来了一整车的海盐,还要在天黑之前把这车东西卸下来。办公室的工作人员指了指工地中心的一个大洞。在那里,史密森学会[10]的瓦尔特·阿迪正在建一个100万加仑的海,有珊瑚礁,有湖沼。在这个巨大的水族箱里,有足够紧凑的空间让各种惊喜出现。

造一个海并不是容易的事情。不信你可以去问高梅兹还有那些喜欢摆弄咸水水族箱的业余爱好者们。阿迪曾经在史密森学会的一个博物馆开馆前给它培养过一个人造的、能够自我再生的珊瑚礁。不过生物圈二号的这个海极大,它有自己的沙滩。它的一端是一个昂贵的波浪生发泵,给珊瑚提供它们所喜爱的湍流。就是这个机器,还可以按照月亮盈缺的循环周期制造出半米高的海潮。

司机把海卸下来了:一堆每包重50磅(约22.6公斤)的速溶大海,跟你在热带水族店里买的没什么两样。稍后,另一辆卡车会从太平洋拉来含有合适微生物(类似发面团用的酵母)的启动溶液,然后搅和好,倒进去。

负责修建生物圈二号野生物区的那些生态学家属于一个学派。他们认为:土壤加上虫子就是生态学。为了获得你想要的那种热带雨林,你需要有合适的丛林土壤。为了能在亚利桑那州得到这样的土壤,你必须从零开始。用推土机铲一两斗的玄武岩、一些沙子和一些粘土,再撒进去一点合适的微生物,然后混合到位。生物圈二号中的所有6个生态区下面的土壤,都是这样辛苦得来的。“我们一开始没有意识到的是,”托尼·博格斯说,“土壤是活的。它们会呼吸,而且跟你呼吸得一样快。你必须像对待有生命的东西一样对待土壤。最终是土壤控制着生物区系。”

一旦拥有了土壤,你就可以扮演诺亚的角色了。诺亚把所有能活动的东西都弄上了他的方舟,当然这种做法在这里肯定是行不通的。生物圈二号封闭系统的设计者不断地返回到那个让人又气恼又兴奋的问题上:生物圈二号到底应该吸纳哪些物种?现在问题已经不仅仅是“我们需要什么样的有机体才能正好对应上8个人的呼吸”了。现在的难题是“我们得选什么样的有机体才能对应上盖亚?”什么样的物种组合,才能生产出供呼吸的氧气、供食用的植物、喂养食用动物(如果有的话)的植物,以及供养食用植物的物种?我们如何才能随便用有机体编织出一张自我支持的网络?我们怎样才能启动一种共同进化的回路?

几乎可以任举一种生物为例。绝大多数的水果都需要昆虫来授粉。所以如果你希望生物圈二号里有蓝莓,你就需要蜜蜂。但是你要想让蜜蜂在蓝莓准备好授粉的时候飞过来,你就要让它们在其他季节也有花采。可如果你要为蜜蜂提供足够的应季花朵以免它们饿死,那其他的植物就没地方摆了。那么,也许可以换另外一种同样能够授粉的蜂?你可以用草蜂,一点点花就能养活它。可是它们不去为蓝莓以及其他几种你想要的果实授粉。那么,蛾子呢?以此类推,你就会一直在生物目录上这么找下去了。要分解枯朽的木本植物,白蚁是必需的,但人们发现它们喜欢吃窗户边上的密封胶。那么,又到哪里去找一种能够替代白蚁,同时又能和其他生物和平共处的益虫呢?

“这个问题挺棘手”,这个项目的生态学顾问彼得·沃肖尔说,“想要挑出100样生物,然后让它们组成一个‘野生环境’,哪怕从一个地方来挑,也是相当难的事情。而在这里,因为我们有这么多的生态区,我们得从世界各地把它们挑出来混合在一起。”

为了要拼凑起一个合成生态区,六七个生态学家一起坐下来玩这个终极拼图游戏。每个科学家都是某个方面的专家,要么是哺乳动物、昆虫、鸟类,要么是植物。尽管他们了解一些莎草和池蛙的情况,但是他们的知识很少是可以系统地加以利用的。沃肖尔叹息道:“如果什么地方能有一个关于所有已知物种的数据库,里面列出它们的食物和能量要求、生活习性、所产生的废物、相伴物种、繁育要求诸如此类的东西就好了。但是,现在连与之稍微有点类似的都没有。就是对那些相当常见的物种,我们了解的也很少。事实上,这个项目让我们看到,我们对任何物种都所知甚少。”

在设计生态区的那个夏天,急待解决的问题是:“呃,一只蝙蝠到底要吃多少蛾子?”到最后,选出一千多种较高等生物的工作,实质上成了有根据的猜测和某种生物外交活动。每一个生态学家都列了一个长长的待选名单,里面有他们最钟意、可能是最多才多艺、也最灵活的物种。他们的脑子里满是各种相互冲突的因素——加号、减号,喜欢跟这家伙在一起,又跟那个处不到一块。生态学家们推测生物竞争对手的竞争力。他们为帮助生物争取水和日照的权利而斗争。就好像他们是一些大使,为了保护他们所选出的那些物种的地盘不被侵占而进行着外交努力。

“我的海龟需要那些从树上掉下来的果实,越多越好,”说这话的是生物圈二号的沙漠生态学家托尼·博格斯,“可是海龟会让果蝇无法繁育,而沃肖尔的蜂鸟需要吃果蝇。我们是不是应该种更多的树来增加剩余果实的数量,要不就把这块地方用作蝙蝠的栖息地?”

于是,谈判开始了:如果我能为鸟类争取到这种花,你就可以保留你的蝙蝠。偶尔,彬彬有礼的外交活动,也会变成赤裸裸的颠覆行为。管沼泽的家伙想要他挑的锯齿草,可沃肖尔不喜欢他的选择,因为他觉得这个物种太富攻击性,而且会侵略到他照看的那片干地生态群系。最后,沃肖尔向管沼泽的家伙的选择做了有条件的让步,不过,半真半假地找补了一句:“噢,反正也没有大不了的,因为我正准备种些高点的大象草来遮住你的那些东西。”管沼泽的家伙回敬说他正准备种松树,比这两个都高。沃肖尔开怀大笑,发誓说他一定会在边缘地带种上一圈番石榴树作为防御墙,这种树倒是不比松树高,可是它长得快,而且要快得多,可以提前占领这个生态位。

物物相关使规划成了一场噩梦。生态学家们喜欢采用的一种做法是在食物网络中设立冗余的路径。如果每个食物网络中有多条食物链,那么,假设沙蝇死绝了,还有其他的东西可以成为蜥蜴的备选食物。所以说,他们的做法不是要去跟那个纠结复杂的相互关系网斗争,而是去发掘它。而要做到这一点的关键,就是要发现具备尽可能多的替代能力的生物体,只有这样,当物种的某种角色不起作用了,它还有另外一两个方法来完善某个物种的循环回路。

“设计一个生态群系,实际上是一个像上帝一样去思考的机会,”沃肖尔回忆说。你,作为一个上帝,能够从无中生出某种有来。你可以创造出某些东西——某些奇妙的、合成的、活生生的生态系统,但是对于其中到底会进化出什么,你是控制不了的。你所能做的唯一的事情,就是把所有的部件都归拢到一起,然后让它们自己组装成某种行得通的东西。瓦尔特·阿迪说:“野外的生态系统是由各种补丁拼凑起来的。你向这个系统中注入尽可能多的物种,然后让这个系统自己去决定它到底想要哪块物种补进来。”事实上,把控制权交出去,已经成为“合成生态学的原则”之一。“我们必须接受这样一个事实,”阿迪继续说,“蕴含在一个生态系统中的信息远远超过了我们头脑中的信息。如果我们只对我们能够控制和理解的东西进行尝试,我们肯定会失败。”所以,他警告说,自然生成的生物圈二号生态,其精确的细节是无法预测的。

可细节却是至关重要的东西。8条人命就靠这些形成生物圈二号的整体的细节上。生物圈二号的造物主之一,托尼·博格斯,为沙漠生态群系订购了沙丘上的沙子让卡车运进来,因为生物圈二号有的只是建筑用沙,而对于陆龟来说,这种沙子太尖利,会划破它们的脚。“你必须好好地照顾你的龟,这样它们才能照顾好你。”他说这话的时候,有一种神父一样的语气。

在生物圈二号头两年中,那些到处乱跑、照顾着这个系统的生物数量非常少,因为没有足够的野生食物来让它们大规模地生存。沃肖尔几乎没有把像猴子一样的非洲婴猴放进去,因为他不能肯定初生的洋槐能否为它们提供足够的咀嚼物。最后他放了4只婴猴在里面,又在方舟的地下室里存放了几百磅救急用的猴嚼谷。生物圈二号其他野生动物居民还有豹纹龟、蓝舌石龙子(“因为它们是通才”——不挑食)、各种蜥蜴、小雀类,以及袖珍绿蜂鸟(部分原因是为了授粉)。“绝大多数的物种都会是袖珍型的,”在封闭之前,沃肖尔告诉《发现》杂志的记者,“因为我们确实没有那么大的空间。事实上,最理想的是我们能连人也弄成袖珍的。”

这些动物,并不是一对一对地放进去的。“要想保障繁殖,雌性的比例应该高一点,”沃肖尔告诉我,“原则上,我们想让雌性和雄性的比例达到5:3。我知道主管约翰·艾伦说的8个人——4男4女,这对于人类的新建殖民地和繁殖来说是最小的规模了,但是从符合生态学而不是符合政治观点来看,生物圈二号的组员其实应该是5个女性、3个男性。”

有史以来第一次,创造一个生物圈的谜题逼得生态学家们不得不像工程师那样去考虑问题了:“需要的东西都齐了,用什么样的材料才合适?”与此同时,参与这个计划的工程师们,则不得不像生物学家那样去思考问题:“这可不是土,这是活物!”

对生物圈二号的设计者们来说,一个难以解决的问题是为雾林造雨。降雨很难。最初的计划比较乐观,就是在覆盖丛林分区的85英尺高的玻璃屋顶的最高处安一些冷凝管。这些冷凝管会凝结丛林中的湿气,形成温和的雨滴从天顶降下——真正的人工雨。但是,早期的测试表明,这种方式获得的雨水出现的次数非常少,而一旦出现,又太大、太具有摧毁性,根本不是计划中的那种植物所需的温柔持续的雨水。第二个获得雨水的计划寄热望于固定在上空框架上的洒水装置,但事实证明这个办法简直是维护方面的一个噩梦:在两年的时间里,这些被打了精细的小孔的喷雾装置,肯定需要疏通或更换。最后的设计方案是把散置在坡面上的水管在末端装上水雾喷头,然后把“雨水”从这些喷头里喷出来。

生活在一个物质封闭的小系统里面,有一点未曾预料得到,那就是水不仅不缺,而且还颇为充裕。在大约一周的时间里,所有的水都完成了一次循环,通过湿地的处理区中微生物的活动而得到了净化。当你的用水量加大时,也不过是稍微加快了水进入循环的速度罢了。

生命的任何领域都是由数不清的独立的回路编织而成的。生命的回路——物质、功能和能量所追循的路线——重重叠叠、横七竖八地交织起来,形成解不开的结,直至脉络莫辨。显现出来的只有由这些回路编结而成的更大的模式。每个环路都使其他环路变得更强,直至形成一个难以解开的整体。

这并不是说,在包裹得严严实实的生态系统中,就没有什么灭绝的事情发生。一定的灭绝率,对于进化来说是必要的。在之前做部分封闭的珊瑚礁的时候,瓦尔特·阿迪所得到的物种流失率大概是1%。他估计在第一个两年周期结束的时候,整个生物圈二号中的物种会有30%~40%的下降(我在写这本书的时候,耶鲁大学的生物学家们还没有完成物种流失的研究,目前正在清点生物圈二号重新开放之后的物种数量[11]。)

不过阿迪相信,他已经学会如何培育多样性了:“我们所做的,就是塞进去比我们希望能活下来的物种数量更多的生物。这样流失率就会降下来。特别是昆虫和低等生物。之后,等到新的一轮重新开始的时候,我们就再过量地往里塞,不过换一些有些许差别的物种——这是我们的第二次猜想。可能会发生的情况是,这一次还是会有大比例的损失,也许是四分之一。但是我们在下一次封闭的时候再进行重新注入。每一次,物种的数量都会稳定在一个比上一次高一点的水平上。而系统越复杂,它所能容纳的物种就越多。当我们不断这样做下去的时候,多样性就确立起来了。而如果你把生物圈二号在最后所能容纳的物种都在第一次就放进去,这个系统就会在一开始就崩溃。”可以说,这个巨大的玻璃瓶,其实是个多样性的泵机——它能增加多样性。

留给生物圈二号的生态学家的一个巨大问题,就是如何以最佳方式启动初始多样性,使它成为后续多样性成长的杠杆。而这个问题,跟那个如何能把所有的动物都装到方舟上去的实际问题是紧密相关的。你要怎么做,才能把3000个互相依存的生物塞到笼子里去——还得是活着的?阿迪曾经提出过这样一个建议:用缩写一本书的方法压缩整个生态群系,然后把它挪进生物圈二号那个相对来说缩小了的空间,也就是说,选择分散在各处的精华,然后把它们融合进一个取样器。

他在佛罗里达州的埃弗格莱兹地区选了一块30英里长的优良的红树林沼泽,把它一格格地勘查了一遍。按照盐分含量的梯度,大约每半英里就挖一小方红树根(4英尺深、4平方英尺大)。把这带有多叶的枝条、根、泥以及附着在上面的藤壶的样本装箱拉上岸,这些分段取出的沼泽样本,每一块的含盐量都因其中稍有不同的微生物而略有不同。在和一些把红树认作芒果[12]的农业海关人员长时间谈判之后,这些沼泽样本被运回了亚利桑那州。

就在这些来自大沼泽区的泥块等着被放进生物圈二号的沼泽里的同时,生物圈二号的工人们把水密箱和各种管道组成的网络钩连起来,使其形成一个分布式的盐水潮。然后大约30块立方体就被重新安放在了生物圈二号里。开箱之后,重新形成的沼泽,只占了小小的90×30英尺的地方。不过在这个排球场大小的沼泽中,每个部分都生活着越来越多的嗜盐微生物的混合体。这样一来,从淡水到盐水的生命流,就被压缩到了一个鸡犬相闻的范围之中。对于一个生态系统来说,要运用与此类似的方法,规模是其关键问题的一部分。比如说,当沃肖尔鼓捣那些用来制造一个小型稀树草原的各部分的时候,他摇着头说:“我们最多也就把大约一个系统的十分之一的品种搬进了生物圈二号。至于昆虫,这个比例差不多接近百分之一。在西部非洲的一片稀树草原上会有35种虫子。而我们这里最多也就3种。所以,问题在于:我们到底是在弄草原还是在弄草坪?这当然要比草坪强……可到底能强多少,我就不知道了。”[13]

8.6 另外一种合成生态系统

获取自然环境中的某些部分,再将它们重新组装成湿地或者草原,只是建立生态区的办法之一,生态学家们把这种办法叫作“比对”法。这种办法的效果似乎还不错,但是,正如托尼·博格斯所指出的:“这个办法其实有两种途径。你可以模拟在自然界中发现的某个特定的环境,或者参照多个环境创造一个合成的环境。”生物圈二号最终成了一个合成的生态系统,其中有很多比对的部分,比如阿迪的沼泽。

“生物圈二号是一种合成的生态系统,而现在的加利福尼亚也是一种合成的生态系统。”博格斯说。沃肖尔也同意这种观点:“你在加利福尼亚州所看到的,其实是未来的一个征兆。一种程度很深的合成生态。它有数百种非本地的物种。澳大利亚的很多地方也在朝着这条路走。而且红杉树/桉树林其实也是一种新的合成生态。”在这个飞机传播的世界,很多物种有意无意地搭上飞机,从它们的原生地传播到它们原本根本不能到达的远方,造就了许多不同的生态系统。沃肖尔说:“第一个使用合成生态(synthetic ecology)这个词的人是瓦尔特·阿迪。之后我意识到其实在生物圈一号里已经有了大量的合成生态。而我并没有在生物圈二号中发明一个合成的生态,我只是把早已经存在的东西进行了复制而已。”康奈尔大学的爱德华·密尔斯已经在北美五大湖中识别出了136种来自欧洲、太平洋和其他地方的鱼,它们已经在五大湖地区兴旺发达了。“也许五大湖地区绝大多数的生物量其实都是外来的,”密尔斯宣称,“它现在已经是一个十足的人造系统了”。

我们不妨开发一门关于合成生态的科学,反正我们已经在不经意间创造了合成生态。很多古生态学家认为,人类早期的整个活动谱系——打猎、放牧、放火烧荒以及对草药的选择和收集,已经在荒野打造出了一种“人工的”生态,确切地说,就是依靠人类的技能大大改变了的生态。所有那些我们觉得是自然的、未受侵犯的野生环境,其实都充满了人为和人类活动的痕迹。“很多雨林实际在很大程度上处于印第安土著的管理之下,”博格斯说,“可是等到我们进去的时候,我们做的第一件事就是清除印第安人,于是管理技能就消失了。我们之所以认为这片老树是原始雨林,是因为我们自己所知道的唯一的管理树木的方式就是把树砍掉,而这里没有明显的砍伐痕迹。”博格斯相信,人类活动的痕迹留得很深,根本不会被轻易抹除。“一旦你改变了生态系统,并找到适合播种的种子,以及必不可少的气候窗口,改变就开始了,而且这是不可逆转的。这个合成的生态系统持续运转下去并不需要人的存在,它不受干扰地运转。加利福尼亚的人即使都死了,现在这个合成的动植物群落仍会保持下去。这是一种新的亚稳定状态[14],只要现有的自我强化的条件不变化,它就会一直如此。”

博格斯认为:“加利福尼亚、智利以及澳大利亚正在非常迅速地会聚合流,成为同样的合成生态。同样的人,同样的目的:弄走那些古老的食草动物,换上生产牛肉的牛。”作为一个合成的生态,生物圈二号实际上正预示着未来的生态学。显然,我们对自然界的影响并没有消失。而也许生物圈二号这个大玻璃瓶能够教会我们如何人工地演化出一种有用的、破坏性更小的合成生态。

当这些生态学家存心装配第一个合成生态的时候,他们尝试着设计了几条他们觉得对于创造任何活的封闭生物系统都非常重要的指导原则。生物圈二号的制造者们把这些原则称为“生物圈原则”。创造生物圈的时候要记住:

◎微生物做绝大部分的工作。

◎土壤是有机体。它是活的。它会呼吸。

◎创造【冗余】(多余)的食物网络。

◎逐步地增加多样性。

◎如果不能提供一种物理功能,就需要模拟一个类似的功能。

◎大气会传达整个系统的状态。

◎聆听系统:看看它要去哪里。

雨林、冻土带、沼泽本身并不是自然的封闭系统:它们相互之间是开放的。我们所知道的唯一的自然封闭系统:整体来看是地球,或者说,盖亚。说到底,我们对创造新的封闭系统的兴趣,其实还是在于调配出拥有自己生命的生态系统的实例,这样我们就能概括它们的表现,从而去理解地球系统,我们的家园。

在封闭系统中,共同进化的多样性得到了集中体现。把虾倒进一个烧瓶里然后卡死瓶颈,就好像是把一条变色龙扔进了一个镜像瓶,然后堵上入口。这条变色龙会对它自己生成的形象做出反应,就好像虾会对它自己形成的氛围做出反应一样。封了口的瓶子——当内部的回路编织成形然后又变得紧凑之后——就会加速其内部的变化及进化。这种隔绝,就跟陆栖进化的隔绝一样,培育着多样性和显著的差异性。

不过,最终,所有的封闭系统都是会被打开的,至少会出现泄露。我们可以肯定的是,无论哪一个人工制造的封闭系统,都或早或晚地会被打开。生物圈二号大约会每年封闭、打开一次。而在宇宙中,在星系时间的尺度内,星球的这种封闭体系也会被穿透,以交叉的方式相互提供生命种子——彼此交换一下物种。宇宙的生态类型是:封闭系统(各星球)中的某个星系,像被锁在镜像瓶里的变色龙那样疯狂地发明着各种东西。而时不时地,从一个封闭系统中产生出来的奇迹,就会给另外的一个封闭系统带来震撼。

在盖亚,我们所建造的那些在短暂的时间内处于封闭状态的小盖亚,绝大多数其实都只是有指导意义的辅助物。它们是为了回答一个基本问题建造出来的模型:我们对地球上这个大一统的生命体系到底能产生什么样的影响,发挥什么样的作用?有没有我们可以达到的控制层面,要么,盖亚根本就不受我们控制?

[1] 喷气推力实验室:Jet Propulsion Laboratory

[2] 高级生保计划:Advance Life-support Program

[3] 华氏90度:约合摄氏32.2度。

[4] 叶夫根尼·舍甫列夫(Evgenii Shepelev):第一位在封闭的生命系统内中生活的人类。构成该系统生物再生部分的只有小球藻。

[5] 受控生态生命保障系统:CELSS,Controlled Ecological Life Support System

[6] “水星号”:是美国的第一代载人飞船,总共进行了25次飞行试验,其中6次是载人飞行试验。“水星号”飞船计划始于1958年10月,结束于1963年5月,历时4年8个月。

[7] 弗兰克·索尔兹巴利(Frank Salisbury):1955年获加州理工学院植物生理学/地球化学博士学位,先后在波摩纳学院、科罗拉多州州立大学任教,1966年到犹他州州立大学农业学院担任新建立的植物科学系主任直至退休。研究范围包括开花生理学、雪下植物生长、受控环境下的植物生长(以向宇航员提供食物和氧气)以及植物对地心引力的反应等。

[8] 太空生物圈企业(SBV - Space Biosphere Ventures):是生物圈二号最早的管理机构,由石油大亨爱德·巴斯提供部分资金。该机构的投资人试图从项目进程中获取商用技术。1996年美国哥伦比亚大学加入,建立生物圈二号中心股份公司。该合资公司将生物圈二号的设施改造成为会议、教学以及日后短期的不包括人类的人造生态系统研究基地。

[9] 阿斯托洛圆顶体育馆:耗资3100万美元、于1965年兴建完成的这一运动场是目前世界上最大的一座室内运动场,内部装有冷暖气设备。棒球、足球、骞马,以至于马戏团表演,都可以在室内进行。紧邻的阿斯托洛世界(Astro World)是一个规模极大的娱乐中心,游客可以观赏欧洲各种村落的景色,也能够欣赏各类表演。

[10] 史密森学会(Smithsonian Institution):英国科学家詹姆斯·史密森去世后遵照其遗嘱,在1836年将时值50万美金(约合2008年的1000万美金)的遗产馈赠给美国政府,并在8年后设立了史密森尼学会。今天,史密森尼学会已成为世界上最大的博物馆系统和研究机构联合体,拥有19处博物馆和动物园,以及9个研究中心。

[11] 生物圈二号的物种流失:由于物种关系失调,热带雨林植物和葡萄藤在高二氧化碳浓度下过度生长;所有传播花粉的昆虫消失,大多数植物灭亡;外来侵入的蚂蚁和其依生生物以及微生物成为独占物种;引入的25种脊椎动物中有19种消失。

[12] 红树认作芒果:英语中,红树(mangroves)和芒果(mangoes)的拼写很接近。

[13] 生物圈二号的结局:在经过两年半的实验后,生物圈二号宣告其长期维持8个人生存的努力失败。原因主要有化学元素循环平衡失调、物种关系失调、水循环失调、食物短缺等。2005年该工程被出售,现在已用于观光和社区建设。

[14] 亚稳态:meta-stable state,又称脆弱的平衡态,多见于弱力作用的物理和化学系统。系统处于亚稳态也满足平衡条件和稳定性条件。但是该系统往往受外界小的干扰时,即向稳定的平衡态过渡。