地球实验室“生物圈Ｊ”

【台湾《牛顿》月刊８月号文章】题：地球实验室“生物圈Ｊ”
如果能够以人工的方式让地球的生物圈重现，对人类有什么帮助？届时人们将可以在实验室中进行模拟实验，藉人为的方式改变生物圈，以了解对地球环境的影响，甚至可以获得未来在宇宙基地或月球基地自行供应食物与空气所需的技术。
也就是说，它对我们保护地球的生物圈，同时向宇宙扩大人类的生命圈，具有重要的贡献。
人为控制生物圈的技术，称为“封闭生物圈生命维持系统”
（ＣＥＬＳＳ，ｃｌｏｓｅｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｌｉｆｅｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ）。世界上目前只有３处真正研究ＣＥＬＳＳ的实验设施，即美国亚利桑那州的“生物圈Ⅱ”、俄罗斯的“ＢＩＯＳ—３”以及日本的“生物圈Ｊ”（封闭式生物圈实验设施）。
“生物圈Ｊ”位于日本青森县六所村，１９９４年开始兴建，目前已完成部分实验设施。最接近月球基地的设施
封闭的实验室中没有像地球般广大的大气和海洋，少量的物质循环变化，就可能引起环境剧变。因此生物圈Ｊ中的物质循环并非让其自然变化，而是以物理化学的手段来控制。
例如，当氧气浓度下降时，就由实验室内的二氧化碳制造氧气来补充。这一点与美国的“生物圈Ⅱ”有相当大的差异，而且可说是最接近月球基地构想的设施。
从另一方面来看，透过物质循环的操作，也可以实验物质循环量对环境造成什么样的影响。如果能够完全控制物质循环，那么也能够利用添加土壤微生物等方式，进行自然循环的模拟实验。
生物圈Ｊ预定由包括植物栽培室和动物居住室的封闭植物实验设施，以及模拟海陆生态的陆、水圈实验设施组成。
植物实验设施中栽培有１０种以上的植物，收获物即作为饲料来饲养动物。动物的排泄物、尸体和植物不能食用的部分，则加以分解，作为栽培植物的营养液。
陆、水圈实验设施中，设有包括树木等的陆地生物圈，以及包含植物、浮游动物和小型生物在内的海洋生物圈。多余的水分和枯草则被分解作为海中生物的养分，形成一个陆地与海洋紧密结合的生物圈。
植物实验设施与陆、水圈实验设施的温度、湿度等环境变化，以及二氧化碳、氧气等物质循环，完全利用物理化学的手段来控制。不久之后，这两座设施将以管线连接，形成一个完整的封闭生物圈。而且，未来人类也将纳入此生物圈的实验之中。封闭式植物实验设施已经完成
生物圈Ｊ中，目前已完成了植物实验设施的建筑。植物栽培室分１楼与２楼，１楼采用人工照明，２楼则建有玻璃屋顶，以自然光来栽培植物。
为了供给生物圈Ｊ中动物与人类所需的食物，同时考虑营养价值和栽培条件，这里种植有稻、芝麻、大豆等１０种以上的植物。植物种在水耕钵内含有必要养分的营养液中。不但营养液，湿度、温度、氧气和二氧化碳的浓度、光线的强度等栽培室内的环境，均以各种控制装置来加以控制。
控制与实验设施的１楼设有动物居住室，１９９６年度，预定先饲养羊等动物。这里的环境和物质循环也完全在控制之下。操控整栋建筑的电脑系统将于１９９７年完成，１９９８年时可将植物室与动物室连接成一个封闭的生物圈。
此外，封闭式植物实验设施中，还有培养用于实验之植物幼苗的植物栽培支援室，以及装有各种控制装置的植物栽培支援设施。重现地球生物圈的陆、水圈实验设施
封闭式陆、水圈实验设施将从１９９７年开始兴建。植物实验设施是一个栽培饲料植物的场所；相对地，陆、水圈实验设施则是模拟陆地与海洋生物圈所建成的设施。
陆地生物圈建于自然光可以射入的密闭玻璃屋内。这里种着苹果、梨等树木，也会发生雨和雾等大气现象。和植物实验设施一样，陆地生物圈所有的环境条件都在控制之下。
海洋生物圈则出现了与陆地不同的问题。
在陆地方面，生物生活于大地的平面上，很容易将生物隔离。但是在海洋中，从上到下整个范围都有生物存在，因此要真正将海洋世界重现出来，需要数公里四方的区域。生物圈Ｊ为了控制海洋环境的机能，决定仅选择食物链中较单纯的部分。
首先培养浮游植物，然后在注入了人工海水的饲育槽中饲养以这些浮游植物为食物的贝类等生物。不久之后，成为浮游动物的贝类幼体出生后，与浮游植物一起移入下一个饲育槽中，用它们来饲养小型鱼类。
在这个饲育槽中，设置有沙地、生着海藻的岩石区等小鱼成长过程中必要的生物圈。
生物的排泄物和尸体，在燃烧成灰后溶于水中，使它回到生物圈中。但是无法溶解的部分，则不得不排除在循环之外。
地球的海洋进行着大规模的物质循环，生物尸体沉入海底，藉着板块运动和火山活动，很快又回到地上。
为了取代这种于实际地球环境中所发生的化学性循环，有必要分析不溶于水的物质和生物，并以较容易溶解的状态来补充此一部分。完成包含人类在内的
封闭生物圈
地球上，陆地与海洋的生物圈紧密结合。雨水和草等从陆地上流入海中，海洋生物靠这些养分而生存。海中的水分则变成雨或雾，滋润陆地的生物。
陆、水圈实验设施就是一个封闭的生物圈，以模拟这种陆地与海洋关系的环境。虽然还无法将整个地球的生物圈重现出来，但是应当可以了解部分地球上的生态。待设施内的生物圈稳定之后，树木将逐渐茂盛，海中生物也将不断增加。而且，可以定期采收鱼类和水果，作为动物和人类的食物。最后，植物实验设施和陆、水圈实验设施将结合成一个封闭的生物圈，届时，将可模拟包含人类在内的环境。从生物圈Ｊ到月球基地
从完成安定的封闭生物圈，到应用在月球基地上，还有几个问题需要解决。第一是未来将人类纳入生物圈后，如何确保动物性蛋白质的来源。
因为，饲养动物需要它体重１０倍以上的饲料。当前或许可能依赖蝾螺、食用蜗牛等不需要太多饲料的蛋白质源。不过，因此还有营养均衡和个人爱好的问题，所以改善措施仍不可免。
另一个问题是日本人对于这种将人类纳入实验的反感。
生物圈Ⅱ有８个人，ＢＩＯＳ一３则有３个人参加了实验。未来，人类若要进入宇宙，包含人类在内的生物圈实验将是必要的课题。人类要克服这些问题，并将生物圈扩大至宇宙中，还有一段很漫长的路要走。右侧玻璃屋顶的部分是植物载培室，左侧为植物栽培支援室。前方白色墙壁的建筑，设置有各种控制装置。植物栽培室的二楼，透过玻璃屋顶采取自然光线来进行植物栽培的实验。亦有作为辅助用的人工照明设备。植物栽培室的一楼有３间各３０平方米的栽培室，可依植物栽培条件来设定不同的环境。二楼则有１间面积６０平方米的栽培室。营养液调整装置和营养槽。二氧化碳、氧和氮气槽。