9.3 有意的季节调配

在这个密闭程度高于任何NASA太空舱数百倍的超级密封世界里,大气中充满了惊喜。首先,空气纯净得出人意料。在以往的封闭栖息地和类似NASA航天飞机这样的高科技封闭系统中,微量气体累积的问题实在令人头疼,而这片荒野的集体呼吸作用却消除了这些微量气体。某种未知的平衡机制(很可能是由微生物引起的)净化了这里的空气,使生物圈二号里的空气比迄今为止任何空间旅行器中都要干净得多。马克·尼尔森说,「有人算过,为了保证一名宇航员能在太空舱里生存,每年约需花费1亿美元,而其居住环境却恶劣得令人难以想像,甚至不如贫民区。」马克跟我提到他的一个熟人,说她曾经有幸迎接返航的宇航员。他们做着开舱准备的时候,她正激动地站在摄像机前面等着。他们打开了舱门,一股难闻的气味扑面而来,她吐了起来。马克说,「这些家伙真是英雄,居然在这么差的环境下撑了过来!」

两年中,生物圈二号内的二氧化碳含量时高时低。有一次,连续六天阴天,二氧化碳的含量高达3800ppm[1]。让我们来看一组形象的对比数字:外部环境中的二氧化碳含量通常保持在350ppm左右;闹市区的现代化办公室内,二氧化碳含量可能会达到2000ppm;潜艇在开启二氧化碳「净化器」以前,允许艇内的二氧化碳含量达到8000ppm; NASA航天飞机空气中二氧化碳的「正常」含量是5000ppm。相比之下,生物圈二号在春季里日均1000ppm的二氧化碳含量已经相当不错了;二氧化碳含量的波动也完全处于普通城市生活环境的变动范围内,人体几乎难以察觉。

广告:个人专属 VPN,独立 IP,流量大,速度快,连接稳定,多机房切换,每月最低仅 5 美元

不过,大气中二氧化碳含量的波动确实影响到了植物和海洋。在二氧化碳含量高得令人紧张的那几天,生物圈人担心空气中增加的二氧化碳会溶解在温暖的海水中,增加水中的碳酸比例,降低水的PH值,伤害到新近移植过来的珊瑚。生物圈二号的部分使命就是了解二氧化碳的增加对生态的进一步影响。

地球大气的成分似乎在变化,这引起了人们的注意。但是,我们只能肯定它在变化,除此以外,我们对这种变化的表现几乎一无所知。历史上仅有的精确测量只与一个因素有关——二氧化碳。有关数据显示,近三十年来,地球大气层的二氧化碳含量在加速上升。绘制此曲线图的是一位坚持不懈、孤身作战的科学家——查尔斯·基林。1955年,基林设计了一台仪器,可以用来测量任何环境中的二氧化碳含量,从煤烟熏黑的城市屋顶,到原始荒芜的森林。基林像着了魔似的去每一个他认为二氧化碳含量可能有所变化的地方测量。他不分白天黑夜地测量,还发起了在夏威夷山顶和南极不间断测量二氧化碳含量的工作。基林的一位同事告诉记者,「基林最与众不同之处在于,他有测量二氧化碳含量的强烈愿望。他无时无刻不在想着这件事,不论是大气中的还是海洋中的二氧化碳含量,他都想测量。他毕生都在做这件事。」直到今天,基林仍然在世界各地进行着二氧化碳含量的测量工作。

基林很早就发现,大气中的二氧化碳含量每天都呈周期性变化。晚上,植物停止了一天的光合作用,空气中的二氧化碳含量明显增高;晴天的下午,由于植物全力将二氧化碳转化为营养物质,会使二氧化碳含量达到低点。几年后,基林观察到了二氧化碳的第二个周期:南北半球的季节性周期,夏低冬高,其原因与日周期的形成一样,都是因为绿色植物停止了捕食二氧化碳。而基林的第三个发现则将人们的关注集中到大气动态的变化上。基林注意到,不论何时何地,二氧化碳的最低浓度永远也不会低于315ppm。这个阈值就是全球二氧化碳含量的背景值。此外,他注意到,该阈值每年都会升高一些,到如今,已经达到350ppm。最近,其他研究人员在基林一丝不苟的记录中发现了二氧化碳的第四个趋势:其季节性周期的幅度在不断增大。仿佛这个星球一年呼吸一次,夏天吸气,冬天呼气,而且它的呼吸越来越沉重。大地女神到底是在深呼吸,还是在喘息?

生物圈二号是微缩的盖亚,是一个自我闭合的小世界,有由生活于其中的生物所创造的微型大气环境。这是第一个完整的大气/生物圈实验室。它有机会解开有关地球大气工作机理的科学谜题。人类进入这个试管,是为了预防实验崩溃,帮助它避过一些显而易见的危机。我们其余的人虽然在生物圈二号外面,却身处地球这个大试管里面。我们胡乱地改变着地球大气,却根本不知道如何控制它,不知道它的调节器在哪里,甚至不知道这个系统是否真的失调,是否真的处于危机之中。生物圈二号可以为我们提供解答所有这些问题的线索。

生物圈二号的大气相当敏感,即使只是一片云飘过,二氧化碳的指针也会翘起。阴影在瞬间减缓植物的光合作用,会暂时阻断二氧化碳的吸入,并且立刻在二氧化碳计量表上反映出来。在局部多云的日子里,生物圈二号的二氧化碳曲线图上会显示出一连串的尖峰信号。

尽管在过去十年里大气中的二氧化碳水平得到了全面关注,而且农业学家也仔细研究了植物中的碳循环,但是地球大气中碳的去向依然是一个谜。气候学家们普遍认为,当今时代,二氧化碳含量的增长和工业人类燃烧碳的速率相匹配。这种单纯的对应忽略了一个令人震惊的因素:经过更精确的测量之后,我们发现,现在地球上燃烧的碳只有一半留在大气中,增加了二氧化碳浓度,另一半却消失不见了!

有关碳失踪的理论很多,占主导地位的有三个:(1)溶入海洋,以碳雨的形式沉降到海底;(2)被微生物储存到泥土中;(3)最具争议的理论是:失踪的碳刺激了草原的生长,或者变身为树木,其规模隐秘而巨大,我们还无法对其进行测量。二氧化碳是公认的生物圈中的有限资源。当二氧化碳含量为350ppm时,其浓度百分比只有微弱的0.03%,仅仅是一种示踪气体。阳光普照下的一片玉米地,不到五分钟就可以耗尽离地三英尺范围内的二氧化碳。二氧化碳水平的微小增加也能显著地提升生物量[2]。根据这个假说,在还没有被我们砍伐殆尽的森林里,树木正因为大气中的二氧化碳「肥料」增加了15%而快速「增重」,其速率甚至可能比别处破坏树木的速率都要快得多。

到目前为止的证据都让人困惑不解。不过,1992年4月《科学》杂志发表了两篇研究报告,宣称地球上的海洋和生物圈确实可以按照需求的规模来贮存碳。其中一篇文章显示,尽管受到酸雨和其他污染物质的负面影响,但是自1971年以来,欧洲森林新增了25%以上的木材量。不过,想要详细地审查全球的碳收支并非易事。鉴于我们对全球大气的无知,生物圈的试验就给我们带来了希望。在这个密封的玻璃瓶里,在相对受控的条件下,我们可以探索动态的大气和活跃的生物圈之间的联系。

在生物圈二号封闭之前,其空气、土壤、植物、以及海里的碳含量都被仔细地测量过。阳光激发光合作用后,一定量的碳就从空气中转移到了生物体内。于是,每收获一种植物,生物圈人都煞费苦心地为其称重并记录下来。他们可以通过微小的干扰来观察碳分布是如何变化的。比如,当琳达·利以一场人工夏日雨「刺激热带草原」时,生物圈人就同时测量底层土、表层土、空气和水等各个范围的碳水平。在两年结束时,他们绘制了一张极其详尽的图表,标明了所有的碳分布点。他们还通过保存干燥的叶片样本,记录其中自然产生的碳同位素的比例变化,来追踪碳在这个模拟世界中的运动轨迹。

碳只是其中的一个谜。而另一个谜更奇怪。生物圈二号里的氧气含量比外面要低,从21%降低到15%,氧气含量下降了6%。这相当于把生物圈二号迁移到海拔更高、空气更稀薄的地方。西藏拉萨的居民就生活在类似的低氧环境中。生物圈人因而体验到头痛、失眠和易于疲倦。尽管不是灾难性事件,但是氧含量下降仍令人感到困惑。在一个密闭的瓶子里,消失的氧气去了哪里呢?

和碳的失踪不一样,人们完全没有预料到生物圈二号里的氧气会失踪。有推测说生物圈二号里的氧被固锁在了新近改造过的泥土中,可能被微生物生成的碳酸盐捕获了。要么,可能被新拌的混凝土吸收了。在对科学文献的快速检索中,生物圈的学者们发现有关地球大气中氧含量的数据少得可怜。目前仅知的(但几乎没有报道过)事实是,地球大气中的氧很可能也在消失!没有人知道原因,也不知道少了多少。颇有远见的物理学家弗里曼·戴森说:「我很震惊,全世界的民众竟然都默不做声,没有人想要了解我们消耗氧气的速度有多快。」他是为数不多的提出这个问题的科学家之一。

那么,为什么要止步于此呢?一些观察生物圈二号试验的专家建议,下一步应该追踪氮的来源和去向。尽管氮是大气中的主要成分,人们对它在大循环中的作用也只是略知一二。与碳和氧一样,目前对它的了解都来自于还原论者的实验室实验或计算机模型。还有一些人提议,下一步生物圈人应该测定钠元素和磷元素。生物圈二号对科学做出的最重要贡献可能就是提出了关于盖亚和大气的很多重要问题。

当生物圈内的二氧化碳含量首度急遽上升时,生物圈人采取了对抗措施来限制二氧化碳的上升。「有意的季节调配」是平衡大气的主要方法。选一片干燥的、休眠中的热带草原、沙漠或荆棘丛,通过升高温度来唤醒它进入春天。很快,叶芽纷纷隆起。然后再降一场大雨。嘭!四天之内所有的植物都爆发出枝叶和花朵。被唤醒的生物群落贪婪地吸收着二氧化碳。一旦唤醒这个生态群落,就可以通过修剪老龄枝条来促发新枝,消耗二氧化碳,让它在原本休眠的时间内保持活跃的状态。正如利在第一年的深秋时写道的,「冬日渐短,我们必须做好应对光照减少的准备。今天,我们修剪了雨林北部的边缘地带,以促使其快速生长——这是一项日常的大气管理工作。」

这些人通过「二氧化碳阀门」来管理大气。有时候他们会反过来做:为了向空气中充入二氧化碳,生物圈人把早先修剪下来的干草拖出来,铺在地面上并弄湿。细菌在把它们分解的过程中就会释放出二氧化碳。

利把生物圈人对大气的干预称为「分子经济」。他们在调节大气的时候,可以「把碳安全地储存在我们的账户里,等到来年夏日变长、植物生长需要它的时候,再把它取出来。」那些地下室就扮演着碳银行的角色,修剪下来的枝条都堆放在那里并被晾干。需要的时候就把这些碳借贷出去,大多时候伴随着水。生物圈二号中的水从一个地方奔向另一个地方,非常像联邦政府用来刺激地区经济的支出手段。把水灌到沙漠,二氧化碳含量就降低;把水浇到干枯的草垫上,二氧化碳含量就增加。在地球上,我们的碳银行就是阿拉伯沙漠地下的石油,但是我们所做的却只是消费。

生物圈二号将漫长的地质时间压缩在了几年里。生物圈人对碳存储和碳释放的「地质」调节过程进行摆弄的目的,正是期望能够对大气进行粗略的调整。他们摆弄海洋,降低其温度,调整含盐渗透液的回流,稍稍改变它的PH值,他们还同时对其他上千种变量进行推断。利说:「正是这上千种变量使得生物圈二号系统极具挑战性,其表现也离经叛道。我们中的大多数人平时被教导的都是不要同时考虑哪怕是两个变量。」生物圈人希望,幸运的话,第一年就能通过一些精心选择的重要举措缓和大气和海洋初始的狂野震荡。他们将充当辅助轮[3],直至这个系统在全年里都可以只依赖太阳、季节、植物和动物的自然活动就保持自己的平衡。到那个时候,系统就「冒出」了。

「冒出」是海水养鱼爱好者的行话,用来描述一个新鱼缸在经过曲折漫长的不稳定时期之后,突然稳定下来的情形。像生物圈二号一样,海水鱼缸是一个精致的封闭系统,它依赖于看不见的微生物来处理较大动植物排泄的废物。正如戈麦斯、弗尔萨姆、皮姆在他们的小世界中所发现的,一个稳定的微生物群落的成型可能需要60天的时间。在鱼缸里,各种细菌需要几个月时间构建食物网,让自己在新鱼缸的砾石中安顿下来。随着更多的生命物种慢慢加入这个未成熟的鱼缸,水环境极易陷于恶性循环。如果某种成分超量(比如说氨),就会导致一些生物死亡,而生物腐烂又会释放更多的氨、杀死更多的生物,进而迅速引发整个群落的崩溃。为了让鱼缸能够平稳地通过这段极敏感的不平衡期,养鱼爱好者会通过适当的换水、添加化学药品、安装过滤装置以及引入其它稳定鱼缸里的细菌等手段来柔和地刺激这个生态系统。经过6周左右的微生物层面上的互相迁就——在此期间新生群落一直徘徊在混沌的边缘——突然,系统在一夜之间「冒出」来了,氨气迅速归零。它现在可以长久地运转下去了。系统一旦「冒出」,其自立、自稳定程度就更高,也就不再需要初创时所需的人为扶持。

有趣的是,一个封闭系统在「冒出」前后的两天里,其所处的环境几乎没有什么变化。除了能做点「保姆」的工作外,你能做的往往只有等待。等待它发育,成熟,长大,发展。海水养鱼爱好者建议说:「不要着急,不要在系统自组织的时候就急着催它孕育。你能给它的最重要的东西就是时间。」

两年以后,生物圈二号仍然绿意盎然,它正在成熟。它经历了需要「人为」照料使之安定下来的狂野的初期振荡。它还没有「冒出」。也许还要几年(甚或几十年)才能「冒出」——假使它可以并且能够冒出的话。这正是这个实验的目的。

我们还没有真正注意到,但是我们可能会发现,所有复杂的共同进化系统都需要「冒出」。生态系统恢复者,如恢复大草原的帕卡德和恢复楠萨奇岛的温盖特,似乎都发现,可以通过逐渐提高复杂性来重组大型系统;一旦一个系统达到了稳定水平,它就不会轻易地趋向于倒退,仿佛这个系统被新的复杂性带来的凝聚力所「吸引」。人类组织,比如团队和公司,也显示了「冒出」的特征。某些轻微的助力——新加入进来的合适的管理者,巧妙的新工具——可以马上把35个勤奋而有能力的人组织成一个富有创造力的有机体,并取得遥遥领先的成功。只要我们利用足够的复杂性和灵活性来制造机器和机械系统,它们也会「冒出」。

ppm:衡量空气中某种气体密度的单位,指一百万体积空气中某种气体所占的体积。

生物量(Biomass):生态学术语,指某一时刻单位实存生活的有机物质总量。

辅助轮(training wheels):附加于自行车后轮边的两个轮子,用来帮助初学者找到平衡的感觉。