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,你可以想像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1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它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。

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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二十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。这个生态区叫做多刺高灌丛,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[1]的瓦尔特·阿迪正在建一个一百万加仑的海,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,你就要让它们在其它季节也有花采。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,6、7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。沃肖尔叹息到,「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。就好象他们是一些大使,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,还有其它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——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[2]。)

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[3]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。

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90X30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。」[4]

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。

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。

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

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。