高中生物论文：生物圈2号人工生态循环系统物圈2号简介

生物圈2号

生物圈2号（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，因把地球本身称作生物圈1号而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰•艾伦发起，并与几家财团联手出资，委托空间生物圈风险投资公司承建，历时8年，耗资1 .5亿美元。生物圈2号计划设计在密闭状态下进行生态与环境研究，帮助人类了解地球是如何运作，并研究在仿真地球生态环境的条件下，人类是否适合生存的问题。为了尽量贴近自然环境，该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间，通过一定的人工处理再利用。例如，实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。

生物圈2号概况

生物圈2号占地1.28公顷，地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型，配有双层玻璃窗板；地面部分为焊接不锈钢板，并用钢垫密封。总体积约为180000m3。其内部主要由7种生态群落区和两个大气扩张室（也称作“肺”）组成。此外，还设有能量中心和冷却塔等设施。其有关结构参数如下表所示：

表1：生物圈2号内各个组成部分及结构参数一览表

区域面积（m2）体积（m3）土壤（m3）水分（m3）大气（m3）

集约农业区2000 38000 2720 60 35220

居住区1000 11000 2 1 10997

热带雨林2000 35000 6000 100 28900

热带草原/海洋/沼泽

沙漠1400 22000 4000 400 17600

“西肺” 1800 15000 0 0 15000

“南肺” 1800 15750 0 750 15000

注：上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的50%

为了减轻立体结构的负荷，生物圈2号的内部压力略高于周围大气压。众所周知，温度改变必然导致压力变化，而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板（计算值极易超过kPa）。为了解决这一矛盾，没有像通常那样采取抵抗压力的措施，而是为该圈装配了两个称为“肺”的体积可变室，以使大气在恒压下胀缩。两“肺”就如同巨大活塞通过密封膜连接在气缸上一样，上下垂直运动距离约达15m。活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压具有两大优点：不论什么地方有泄漏，内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染；活塞的持续下滑则表明某处出现泄漏。两“肺”的体积占到该圈密闭体积的30%。

除上述设施外，其内部还包括分析、医疗、兽医、监控、维修、锻炼、影视等室，分布在不同部位。

与地球生物圈类同，生物圈2号在物质上闭环，通过工程手段禁止它与外界大气和地下土壤进行物质变换。在能量上开环，允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用，同时引入电能供

技术系统操作运转。在信息上也同样开环，通过计算机系统、电话、摄像、电视与外界进行数据信息交换，并通过电视可以与外界工作人员及亲属进行面对面的交谈，还可放映电影和收看商业电视节目。电能及热控能源从外界通过气密装置输送进来，当进行能量转移时，不允许内外流体进行任何形式的交换或混合。

生物圈2号内的生态群落生物圈2号有5个野生生物群落（热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠）和两个人工生物群落（集约农业区和居住区）。它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板，分别由美英生物和生态学家设计而成。

圈内共有约4000个物种，其中动物（包括、软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、鸟类、哺乳等）、植物（包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等）约3000种，微生物（包括细菌、粘菌、真菌、微藻等）约1000种，它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。

该系统内既有高大的树木（如红树），也有矮小的灌木草丛植物，错落有致、憩静秀美。各个野生生物群落中的生境并不一致，它们分别有4、6、4、4、6种生境，如海洋有海滩、浅咸水湖、珊瑚礁和海水等4种类型。生物群落间均有相对独立的生态区将它们互相隔开，例如，热带草原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离。为了保护各个群落不受环境胁迫，在其周围种植了耐性强的植物，例如，热带雨林的三周围是浓密的姜科植物，从

而保护内部树种免遭侧面强光照射，而与海洋的界面间种有竹子来抵御盐分渗入。

为了尽量贴近自然环境，该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间，通过一定的人工处理再利用。例如，实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。

生物圈2号中选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命保障、分类多样性、物理参数、植物的可利用程度和美学价值。为了适应达尔文的自然选择过程，植物种类开始时比系统能支撑的要多一些，这样可以补偿物种的遗失或灭绝，并最终促进系统的持续稳定。

生物圈2号实验历程

1991年9月26日4男4女共8名科研人员首次进驻生物圈2号，1993年6月26日走出，停留共计21个月，在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验。来自英国、墨西哥、尼泊尔、南斯拉夫和美国等5国的4男3女共7位实验人员在对首批结果进行评估并改进技术后，于1994年3月6日二次进驻，工作10个月后于1995年1月走出。他们在这期间对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统。它使人类首次能够在整体水平上研究生态学，从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径。更为重要的是，它将

作为首例永久性生物再生式生保系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星球定居和宇宙载人探险。

生物圈2号的“神经系统”是一个完整的计算机数据采集和控制系统，它是从位于居住区的指挥室辐射出的微处理机网络系统。这一内部“神经系统”通过信息通路与外界附近的“飞行控制”楼内的计算中心相联通。该楼作为分析中心而成为生物圈1号和2号间获取分析数据及通讯的主要窗口。居住区内的指挥室通过遍布圈内的5000 多个传感器（每15分钟记录一次并读入无限增长数据库）能够有效地控制所有主要的操作参数，如温度、湿度、光强、水流量、pH值、CO2浓度、土壤湿度、仪器运作状态等，并能进行数据传感器及所有报警装置的状态显示。每件装置均有手动控制开关以防“神经系统”任何部位的失灵。

尽管整个圈内为热带气候，但由于不同生物群落的冷暖要求不同，因此，各自又有相对独立的温度。由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上，其外围大气压不是标准压力101.3 kPa，而仅约为88.2kPa，因此，其内压只能略高，即为88.24kPa。利用机械系统模拟地球自然环境，例如制造海洋波浪、潮汐、溪流、瀑布以及按照季节要求控制风、雨、湿度等，并控制盐分梯度及营养循环速度和进行海水淡化。

最初，生物圈2号实验目的是研究人类及多种生物（植物和动物），在密封且与外界隔绝的人造系统中，是否可以经由系统内的空气、水、营养物的循环与重复使用下而能够健康、快乐的