第八章:封闭系统

8.1 密封的瓶装生命

旧金山史坦哈特水族馆[1]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。

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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。一万六千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1万5千美金,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它的瓶装生物群落,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。

史坦哈特水族馆:Steinhart Aquarium