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第八章 封閉系統 8.5 在持久的混沌中進行的實驗

第八章 封閉系統

8.5 在持久的混沌中進行的實驗

「我的海龜需要那些從樹上掉下來的果實,越多越好,」說這話的是生物圈二號的沙漠生態學家托尼·博格斯,「可是海龜會讓果蠅無法繁育,而沃肖爾的蜂鳥需要吃果蠅。我們是不是應該種更多的樹來增加剩餘果實的數量,要不就把這塊地方用作蝙蝠的棲息地?」
就在這些來自大沼澤區的泥塊等著被放進生物圈二號的沼澤里的同時,生物圈二號的工人們把水密箱和各種管道組成的網路鉤連起來,使其形成一個分散式的鹽水潮。然後大約30塊立方體就被重新安放在了生物圈二號里。開箱之後,重新形成的沼澤,只佔了小小的90X30英尺的地方。不過在這個排球場大小的沼澤中,每個部分都生活著越來越多的嗜鹽微生物的混合體。這樣一來,從淡水到鹽水的生命流,就被壓縮到了一個雞犬相聞的範圍之中。對於一個生態系統來說,要運用與此類似的方法,規模是其關鍵問題的一部分。比如說,當沃肖爾鼓搗那些用來製造一個小型稀樹草原的各部分的時候,他搖著頭說:「我們最多也就把大約一個系統的十分之一的品種搬進了生物圈二號。至於昆蟲,這個比例差不多接近百分之一。在西部非洲的一片稀樹草原上會有35種蟲子。而我們這裏最多也就3種。所以,問題在於:我們到底是在弄草原還是在弄草坪?這當然要比草坪強……可到底能強多少,我就不知道了。」
這東西規模大得驚人。有一次我去參觀他們的建築工地,有一台18輪的半掛大卡朝生物圈二號的辦公室開去。司機從車窗里斜探出身子問他們想要把海放在哪裡,他拖來了一整車的海鹽,還要在天黑之前把這車東西卸下來。辦公室的工作人員指了指工地中心的一個大洞。在那裡,史密森學會的瓦爾特·阿迪正在建一個一百萬加侖的海,有珊瑚礁,有湖沼。在這個巨大的水族箱里,有足夠緊湊的空間讓各種驚喜出現。
這並不是說,在包裹得嚴嚴實實的生態系統中,就沒有什麼滅絕的事情發生。一定的滅絕率,對於進化來說是必要的。在之前做部分封閉的珊瑚礁的時候,瓦爾特·阿迪所得到的物種流失率大概是1%。他估計在第一個兩年周期結束的時候,整個生物圈二號中的物種會有30-40%的下降(我在寫這本書的時候,耶魯大學的生物學家們還沒有完成物種流失的研究,目前正在清點生物圈二號重新開放之後的物種數量。)九_九_藏_書
可細節卻是至關重要的東西。8條人命就靠這些形成生物圈二號的整體的細節上。生物圈二號的造物主之一,托尼·博格斯,為沙漠生態群系訂購了沙丘上的沙子讓卡車運進來,因為生物圈二號有的只是建築用沙,而對於陸龜來說,這種沙子太尖利,會劃破它們的腳。「你必須好好地照顧你的龜,這樣它們才能照顧好你。」他說這話的時候,有一種神父一樣的語氣。
在生物圈二號頭兩年中,那些到處亂跑、照顧著這個系統的生物數量非常少,因為沒有足夠的野生食物來讓它們大規模地生存。沃肖爾幾乎沒有把像猴子一樣的非洲嬰猴放進去,因為他不能肯定初生的洋槐能否為它們提供足夠的咀嚼物。最後他放了4隻嬰猴在裏面,又在方舟的地下室里存放了幾百磅救急用的猴嚼穀。生物圈二號其他野生動物居民還有豹紋龜、藍舌石龍子(「因為它們是通才」——不挑食)、各種蜥蜴、小雀類、以及袖珍綠蜂鳥(部分原因是為了授粉)。「絕大多數的物種都會是袖珍型的」,在封閉之前,沃肖爾告訴《發現》雜誌的記者,「因為我們確實沒有那麼大的空間。事實上,最理想的是我們能連人也弄成袖珍的。」
於是,談判開始了:如果我能為鳥類爭取到這種花,你就可以保留你的蝙蝠。偶爾,彬彬有禮的外交活動,也會變成赤|裸裸的顛覆行為。管沼澤的傢伙想要他挑的鋸齒草,可沃肖爾不喜歡他的選擇,因為他覺得這個物種太富攻擊性,而且會侵略到他照看的那片乾地生態群系。最後,沃肖爾向管沼澤的傢伙的選擇做了有條件的讓步,不過,半真半假地找補了一句:「噢,反正也沒有大不了的,因為我正準備種些高點的大象草來遮住你的那些東西。」管沼澤的傢伙回敬說他正準備種松樹,比這兩個都高。沃肖爾開懷大笑,發誓說他一定會在邊緣地帶種上一圈番石榴樹作為防禦牆,這種樹倒是不比松樹高,可是它長得快,而且要快得多,可以提前佔領這個生態位。
這些動物,並不是一對一對地放進去的。「要想保障繁殖,雌性的比例應該高一點」,沃肖爾告訴我。「原則上,我們想讓雌性和雄性的比例達到5: 3。我知道主管約翰·艾倫說的8個人——4男4女——對於人類的新建殖民地和繁殖來說是最小的規模了,但是從符合生態學而不是符合政治觀點來看,生物圈二號的組員其實應該是5個女性、3個男性。」
要想創造一個有生命的系統,無論大小,所面臨的挑戰都令人心生畏懼。而創造一個像生物圈二號這麼大的生命奇迹,只能說這是一種在持久的混沌中進行的實驗。我們面臨的挑戰有:首先要在幾十億種組件中挑選出幾千個合適的物種;然後把它們合理地安排在一起,讓它們能夠互通有無,以便這個混合物整體能任憑時間流逝而自我維持;還要read.99csw•com保證沒有任何一種有機體以其它有機體為代價在這個混合體中佔據主宰的位置,只有這樣,這個整體才能保證它所有成員都不斷地運動,不會讓任何一種成分邊緣化;同時保證整個活動和大氣氣體的組分永遠維持在搖搖欲墜的狀態。噢,對了,人還得在裏面活得下去,也就是說,裏面得有東西吃,有水喝,而食物和水,也都要從這個生態圈中獲取。
生活在一個物質封閉的小系統裏面,有一點未曾預料得到,那就是水不僅不缺,而且還頗為充裕。在大約一周的時間里,所有的水都完成了一次循環,通過濕地的處理區中微生物的活動而得到了凈化。當你的用水量加大時,也不過是稍微加快了水進入循環的速度罷了。
留給生物圈二號的生態學家的一個巨大問題,就是如何以最佳方式啟動初始多樣性,使它成為後續多樣性成長的槓桿。而這個問題,跟那個如何能把所有的動物都裝到方舟上去的實際問題是緊密相關的。你要怎麼做,才能把3000個互相依存的生物塞到籠子里去——還得是活著的?阿迪曾經提出過這樣一個建議:用縮寫一本書的方法壓縮整個生態群系,然後把它挪進生物圈二號那個相對來說縮小了的空間,也就是說,選擇分散在各處的精華,然後把它們融合進一個取樣器。
對生物圈二號的設計者們來說,一個難以解決的問題是為霧林造雨。降雨很難。最初的計劃比較樂觀,就是在覆蓋叢林分區的85英尺高的玻璃屋頂的最高處安一些冷凝管。這些冷凝管會凝結叢林中的濕氣,形成溫和的雨滴從天頂降下——真正的人工雨。但是,早期的測試表明,這種方式獲得的雨水出現的次數非常少,而一旦出現,又太大、太具有摧毀性,根本不是計劃中的那種植物所需的溫柔持續的雨水。第二個獲得雨水的計劃寄熱望于固定在上空框架上的洒水裝置,但事實證明這個辦法簡直是維護方面的一個噩夢:在兩年的時間里,這些被打了精細的小孔的噴霧裝置,肯定需要疏通或更換。最後的設計方案是把散置在坡面上的水管在末端裝上水霧噴頭,然後把「雨水」從這些噴頭裡噴出來。
不過阿迪相信,他已經學會如何培育多樣性了:「我們所做的,就是塞進去比我們希望能活下來的物種數量更多的生物。這樣流失率就會降下來。特別是昆蟲和低等生物。之後,等到新的一輪重新開始的時候,我們就再過量地往裡塞,不過換一些有些許差別的物種——這是我們的第二次猜想。可能會發生的情況是,這一次還是會有大比例的損失,也許是四分之一。但是我們在下一次封閉的時候再進行重新注入。每一次,物種的數量都會穩定在一個比上一次高一點的水平上。而系統越複雜,它所能容納的物種就越多。當我們不斷這樣做下去的時候,多樣性就確立起來了。而如果你把生物圈二號在最後所能容納的物種都在第一次就放進去,這個系統就會在一開始就崩潰。」可以說,這個巨大的玻璃瓶,其實是個多樣性的泵機——它能增加多樣性。
造一個海並不是容易的事情。不信你可以去問高梅茲還有那些喜歡擺弄鹹水水族箱的業餘愛好者們。阿迪曾經在史密森學會的一個博物館開館前給它培養過一個人造的、能夠自我再生的珊瑚礁。不過生物圈二號的這個海極九_九_藏_書大,它有自己的沙灘。它的一端是一個昂貴的波浪生髮泵,給珊瑚提供它們所喜愛的湍流。就是這個機器,還可以按照月亮盈缺的循環周期製造出半米高的海潮。
在設計生態區的那個夏天,急待解決的問題是:「呃,一隻蝙蝠到底要吃多少蛾子?」到最後,選出一千多種較高等生物的工作,實質上成了有根據的猜測和某種生物外交活動。每一個生態學家都列了一個長長的待選名單,裏面有他們最鍾意、可能是最多才多藝、也最靈活的物種。他們的腦子裡滿是各種相互衝突的因素——加號、減號,喜歡跟這傢伙在一起,又跟那個處不到一塊。生態學家們推測生物競爭對手的競爭力。他們為幫助生物爭取水和日照的權利而鬥爭。就好象他們是一些大使,為了保護他們所選出的那些物種的地盤不被侵佔而進行著外交努力。
幾乎可以任舉一種生物為例。絕大多數的水果都需要昆蟲來授粉。所以如果你希望生物圈二號里有藍莓,你就需要蜜蜂。但是你要想讓蜜蜂在藍莓準備好授粉的時候飛過來,你就要讓它們在其它季節也有花采。可如果你要為蜜蜂提供足夠的應季花朵以免它們餓死,那其他的植物就沒地方擺了。那麼,也許可以換另外一種同樣能夠授粉的蜂?你可以用草蜂,一點點花就能養活它。可是它們不去為藍莓以及其他幾種你想要的果實授粉。那麼,蛾子呢?以此類推你就會一直在生物目錄上這麼找下去了。要分解枯朽的木本植物,白蟻是必需的,但人們發現它們喜歡吃窗戶邊上的密封膠。那麼,又到哪裡去找一種能夠替代白蟻,同時又能和其他生物和平共處的益蟲呢?
生命的任何領域都是由數不清的獨立的迴路編織而成的。生命的迴路——物質、功能和能量所追循的路線——重重疊疊、橫七豎八地交織起來,形成解不開的結,直至脈絡莫辨。顯現出來的只有由這些迴路編結而成的更大的模式。每個環路都使其他環路變得更強,直至形成一個難以解開的整體。
司機把海卸下來了:一堆每包重50磅(約22.6公斤)的速溶大海,跟你在熱帶水族店裡買的沒什麼兩樣。稍後,另一輛卡車會從太平洋拉來含有合適微生物(類似發麵團用的酵母)的啟動溶液,然後攪和好,倒進去。
他在佛羅里達的埃弗格萊茲地區選了一塊30英里長的優良的紅樹林沼澤,把它一格格地勘查了一遍。按照鹽分含量的梯度,大約每半英里就挖一小方紅樹根(4英尺深、4平方英尺大)。把這帶有多葉的枝條、根、泥以及附著在上面的藤壺的樣本裝箱拉上岸,這些分段取出的沼澤樣本,每一塊的含鹽量都因其中稍有不同的微生物而略有不同。在和一些把紅樹認作芒果的農業海關人員長時間談判之後,這些沼澤樣本被運回了亞利桑那。
物物相關使規劃成了一場噩夢。生態學家們喜歡採用的一種做法是在食物網路中設立冗餘的路徑。如果每個食物網路中有多條食物鏈,那麼,假設沙蠅死絕了,還有其它的東西可以成為蜥蜴的備選食物。所以說,他們的做法不是要去跟那個糾結複雜read.99csw•com的相互關係網鬥爭,而是去發掘它。而要做到這一點的關鍵,就是要發現具備儘可能多的替代能力的生物體,只有這樣,當物種的某種角色不起作用了,它還有另外一、兩個方法來完善某個物種的循環迴路。
生物圈二號跟地球相比是小,但是作為一個完全自足的玻璃容器,在人類眼裡,它的規模就很令人震撼了。生物圈二號這個巨型玻璃方舟有機場飛機庫那麼大。至於它的形狀,你可以想像一艘全身透明的遠洋輪船,再把它倒過來就是了。這個巨大的溫室的密閉性超強,連底部也是密封好的——在地下25英尺的位置埋了一個不鏽鋼的托盤來防止空氣從地下泄露出去。沒有任何氣體、水或者物質能夠出入這個方舟。它就是一個體育館大小的生態球——一個巨大的物質封閉、但能量開放的系統——只不過要複雜得多。除了生物圈1號(地球)之外,生物圈二號就是最大的封閉式活系統了。
負責修建生物圈二號野生物區的那些生態學家屬於一個學派。他們認為:土壤加上蟲子就是生態學。為了獲得你想要的那種熱帶雨林,你需要有合適的叢林土壤。為了能在亞利桑那州得到這樣的土壤,你必須從零開始。用推土機鏟一兩斗的玄武岩、一些沙子和一些粘土,再撒進去一點合適的微生物,然後混合到位。生物圈二號中的所有6個生態區下面的土壤,都是這樣辛苦得來的。「我們一開始沒有意識到的是,」托尼·博格斯說,「土壤是活的。它們會呼吸,而且跟你呼吸得一樣快。你必須像對待有生命的東西一樣對待土壤。最終是土壤控制著生物區系」。
作為一個具有最大多樣性的建築,在生物圈二號最終的平面設計圖中有7個生態區(生物地理的棲息環境)。玻璃蒼穹下,一個岩石面的混凝土山直插穹頂。上面種著移植過來的熱帶樹木,還有一個噴霧系統:這個合成的山體被改造成了一片霧林,也就是高海拔地區的雨林。這片霧林向下融入一片高地熱帶草原(有一個大天井那麼大,但是長滿了齊腰高的野草)。雨林的一邊在一面懸崖邊住腳,懸崖下探至一個鹹水湖,裏面配有珊瑚、色彩斑斕的魚類,還有龍蝦。而高地草原則向下延伸到一片更低更乾燥的草原上,黑黢黢地布滿了多刺、糾結的灌木叢。這個生態區叫做多刺高灌叢,是地球上最常見的動植物棲息地之一。在真實世界中,這種地域對人類來說幾乎是不可穿越的(因此也被忽視了)。但是在生物圈二號,它卻為人類和野生動物提供了一小塊隱居地。這片植物叢又通往一小塊緊湊濕軟的濕地,這就是第5個生態區了,它最後注入了鹹水湖。而在生物圈二號的最低處,是一片沙漠,大小跟一個體操館差不多。由於裏面濕度非常的大,所以種植的是從下加利福尼亞和南美移植來的霧漠植物。在這塊沙漠的一邊,就是第7個生態區:一塊密集農業區和城市區,這裏就是8個現代人種植食物的地方。跟諾亞的方舟一樣,這裏面也有動物。有些是為了作食用肉,有些是為了當寵物養,還有些逍遙自在:在荒野漫遊的蜥蜴,魚以及鳥類。另外還有蜜蜂、番木瓜樹、海灘、有線電視、圖書館、健身房和自助洗衣房。烏托邦啊!
有史以來第一次,創造一個生物圈的謎題逼得生態學家們不得不像工程師那樣去考慮問題了:「需要read.99csw•com的東西都齊了,用什麼樣的材料才合適?」與此同時,參与這個計劃的工程師們,則不得不像生物學家那樣去思考問題:「這可不是土,這是活物!」
一旦擁有了土壤,你就可以扮演諾亞的角色了。諾亞把所有能活動的東西都弄上了他的方舟,當然這種做法在這裏肯定是行不通的。生物圈二號封閉系統的設計者不斷地返回到那個讓人又氣惱又興奮的問題上:生物圈二號到底應該吸納哪些物種?現在問題已經不僅僅是「我們需要什麼樣的有機體才能正好對應上8個人的呼吸」了。現在的難題是「我們得選什麼樣的有機體才能對應上蓋亞?」什麼樣的物種組合,才能生產出供呼吸的氧氣、供食用的植物、餵養食用動物(如果有的話)的植物,以及供養食用植物的物種?我們如何才能隨便用有機體編織出一張自我支持的網路?我們怎樣才能啟動一種共同進化的迴路?
為了要拼湊起一個合成生態區,6、7個生態學家一起坐下來玩這個終極拼圖遊戲。每個科學家都是某個方面的專家,要麼是哺乳動物、昆蟲、鳥類,要麼是植物。儘管他們了解一些莎草和池蛙的情況,但是他們的知識很少是可以系統地加以利用的。沃肖爾嘆息到,「如果什麼地方能有一個關於所有已知物種的資料庫,裏面列出它們的食物和能量要求、生活習性、所產生的廢物、相伴物種、繁育要求諸如此類的東西就好了。但是,現在連與之稍微有點類似的都沒有。就是對那些相當常見的物種,我們了解的也很少。事實上,這個項目讓我們看到,我們對任何物種都所知甚少。」
「這個問題挺棘手」,這個項目的生態學顧問彼得·沃肖爾說,「想要挑出100樣生物然後讓它們組成一個『野生環境』,哪怕從一個地方來挑,也是相當難的事情。而在這裏,因為我們有這麼多的生態區,我們得從世界各地把它們挑出來混合在一起。」
「設計一個生態群系,實際上是一個像上帝一樣去思考的機會」,沃肖爾回憶說。你,作為一個上帝,能夠從無中生出某種有來。你可以創造出某些東西——某些奇妙的、合成的、活生生的生態系統——但是對於其中到底會進化出什麼,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歸攏到一起,然後讓它們自己組裝成某種行得通的東西。瓦爾特·阿迪說:「野外的生態系統是由各種補丁拼湊起來的。你向這個系統中注入儘可能多的物種,然後讓這個系統自己去決定它到底想要哪塊物種補進來。」事實上,把控制權交出去,已經成為「合成生態學的原則」之一。「我們必須接受這樣一個事實」,阿迪繼續說,「蘊含在一個生態系統中的信息遠遠超過了我們頭腦中的信息。如果我們只對我們能夠控制和理解的東西進行嘗試,我們肯定會失敗。」所以,他警告說,自然生成的生物圈二號生態,其精確的細節是無法預測的。
面對這些挑戰,SBV決定把生物圈二號的存亡問題,託付給這樣一條設計原則:生命體大雜燴那不尋常的多樣性能夠達成統一的穩定性。而生物圈二號這個「實驗」,即使證明不了別的什麼,至少能夠為我們理解下面這條在過去的二十年間幾乎被所有人都認可的假設提供某些幫助:多樣性保證了穩定性。它還可以檢驗某種程度的複雜性是否可以誕生自我延續性。