半个世纪之前，地球独立人造封闭式生态系统成功建立，可在地球生物圈之外维持人类生存。最先开展此项研究工作的是前苏联（尤里·加加林的航天飞行之后）和美国，后来加入了欧洲航天局和日本，近年来中国也参与其中。

建立封闭式生态系统从一开始很大程度上被认为是不可行的，过程中所出现的问题也远远超出了预期，但经过长时间的努力，具备不同封闭程度的实验式封闭生态系统被成功建立了,虽然最后仍存在一些未解决的问题，但是回顾发展过程并对前景作出预期是很有指导意义的。

时至今日，实验式人类生命支持密闭生态系统——Bios-3（图1）研发成功。系统为密封钢板结构，面积120平方米，体积315立方米，划分为四个独立隔间。右边为两个植物生长室隔间，由顶部氙气灯模拟太阳光辐射谱，左边后侧隔间用于培养微藻类植物。三个17公升繁殖容器持续培养小球藻，由氙气灯全天候提供光照，可为3人提供氧气，并消耗二氧化碳。

图1 ：Bios-3

    左边前侧隔间分为三个独立舱，供3名航天员居住。卫生间与固液废弃物处理装置相连接，处理后返回植物生长室的营养基，航天员可在厨房餐厅烹煮植物生长室收获的蔬菜以及冻肉，或收割植物生长室的小麦烤面包。（面包是俄罗斯人获取碳水化合物的基本来源。）

    控制模块（与餐室相同）的主要是容纳监测与控制Bios所有进程的系统。Bios系统的关键是从内部由航天员控制，除此之外，在没有不可抗力因素的情况下，航天员还要负责相应的维护与修理，四个隔间均有一个与人等高的气密人孔，使航天员可以在几秒内弃舱逃生，但这种情况可能性几乎为零。系统配有空气环境基本参数传感器，对其进行昼夜不息的医学和技术监督，看是否需要外界干预。

     由于主合成方（生产方）和主分解体（人类）之间持续的质量平衡交换，此封闭系统也是可持续的。

图2：CES物质循环方案

    两个循环都需要额外的转换器与分解器，转换器负责将初级生物量转换为可供人类食用的食物，分解器负责将无用产物——植物不可食用部分以及人类排泄物转换为植物的营养培养基，以此方式使其形成闭环。为确保气体和水分交换功能，需持续栽培微藻，本案例中采用小球藻，用17公升的培养液栽培鲜重2公斤的小球藻，采用氙气灯102w/㎡的照明，其积极光合作用的生物量可供一人量的氧气和干净水源。长此以往，Bios-1（呼吸功能支持）和Bios-2（空气与水资源再生）得以实现，并成功载人试验1.5个月。图3：“人-微藻”系统稳定动态平衡论证45天实际载人试验。

 图3：45天实验藻类基本参数动态分析。C：栽培过程中细胞生物量浓度（g/l）；P：栽培生产率（g/l）；E0：反应器表面辐照度（102w/㎡）；S0：系统空气中二氧化碳浓度（体积%）。

    准持续模式下小球藻生长的光密度动态学跟踪（图4）。灯光熄灭时指数直接下降为零，开灯后重新上升，以此可验证追踪系统灵敏度。

图4：样本光密度测量读数。

     光学传感器持续监测种植物生长情况，控制计量泵，当传感信号不等于定植器固定体积时，重新加以相等体积的营养液，使新添加的生命必须元素（氮、磷、镁等）完全等于定植器所失去的，以此使得最佳配置的培养营养基守恒。

    图中向上倾斜的部分显示光密度及生物量的增加，向下陡峭垂直部分表示计量泵向定植器增加新营养基。传感器的敏感度可记录光密度增量详细到1%，因此计量泵脉冲量也可设定到反应器栽培体积的1%。增加新鲜营养基引起的细胞浓度微小变化不会改变生长速度，因此植物栽培在计量泵的不连续脉冲作用下是可持续的，可称为准持续状态。（在图4呈现出锯齿状。）需要注意的是，自动增减需采用相同的容器，这样才能达到定植器溶液流入流出率的绝对平衡，这也是定植器长期持续运作的必要条件。

    这一技术通过控制定植器营养培养基成分和细胞浓度不变，从而实现小球藻生长率稳定不变。如果再使用同样的光密度传感器，使决定光合作用速率、照度、温度、СО₂浓度和栽培密度的参数恒定，所谓的准连续栽培系统就能够自动优化增长率，实现并进一步维持最大生长率所需参数。图4从定植器细胞浓度的角度展示了这样的自动优化示例。系统本身设定了最佳密度，并维持在准连续模式。

    在光密度传感器的控制下，频繁的增减操作维持最大生长率可确保栽培生长率不下降（同时也确保氧气排放量不下降）。在该系统中，阻滞生长率的突变异种或受病毒影响的“病态”细胞在计量泵的作用下很容易被带离定植器。准持续栽培的可靠防护性已通过发光细菌受损准持续培养实验（2003年，Gitelson）。不同剂量的紫外线辐射对植物存在损伤效应。不管在什么情况下，即使没有实验人员的干预，即使所承受的剂量已经让生长完全停止，栽培植物都会重新恢复生长，这种自我修复机制是因为在一些细胞中保存着其繁殖能力。

图5：暴露在不同UV剂量（1-2.8.102）下的特殊生长率改变动态分析

    持续式的定植器中，细胞后代具有高保留性，繁衍速度较慢或完全丧失繁衍能力的细胞将被淘汰。因此植物需以最快速度生长和繁殖细胞，以获取自我修复的能力。这类似于达尔文的物竞天择说，这样的运作机制是有效、全面和可靠的。由人类生命支持实验中小球藻长期培育经验证明，生物原因不会引起生长停止或暂缓，生长中断只会是由工程故障导致。这也证明，与工程系统相比，生命系统往往更具有高可靠性。因此，栽培小球藻可为人类提供氧气，消耗二氧化碳，清洁水源。起初日本科学家（Hiroshi Nakamura教授）提出将小球藻再用于食用，后经证实是不可行的。随后G.M.Lisovsky教授（2003年Gitelson）开始种植植物，实验证明在最佳条件下，其他作物也可以和藻类共存（首先试验的便是小麦，是俄罗斯饮食中绝大部分碳水化合物的来源）。这样一来就解决了封闭生态系统内食物问题。Bios-3系统中的两个隔间就专用于农作物种植。

图6：荸荠占到BIOS-3中植物种植的35%。

    图中（中间偏左）——Lisovsky选择了短杆小麦。在植物生长室边缘用膨胀黏土种植园艺作物。小麦采用的无基质空气种植法，根部浸在营养液中，这样可在封闭生态系统中大大减少水循环次数。不同剂量的紫外线辐射对植物也有损害作用，图中明显可以看出，即使没有实验人员的干预，即使所承受的剂量已经让生长完全停止，栽培植物都会重新恢复生长，这种自我修复机制是因为在一些细胞中保存着其繁殖能力。

    图6中种植在膨胀黏土上的黄色坚果苔草可为航天员提供脂质，例如根坚果，类似于众所周知的花生。在Bios-3中此类种植占比16%。

如图7所示，Bios系统中种植总面积有31.5㎡，其中63%种植小麦（提供碳水化合物），13%种植莎草科坚果（提供脂质），剩下的7.5%种植西红柿，仅2.5㎡。经过3轮小麦生长，证实Bios植物生长室内可为人类持续供应食物。

图7：在“人类-高等植物”4个月实验中，使大气、水、蔬菜不断再生的植物种植物种组成。

在Bios系统中，与具备恒定生长率的微藻类植物不同，高等植物的生长需面临稳定性问题，每轮生长都要经过多个阶段，从幼苗到植物生长最终结果，Bios封闭大气环境中二氧化碳消耗量也会受到影响，从播种的零消耗增长到生长期的最大消耗量，再在收获期重新降为零。

    由于人类排放CO₂是不变的，因此大气中的CO₂含量不会发生太大变化。我们设法避免因小麦种植引起CO₂含量变化。图8所示，将小麦生长划分为8个或4个阶段，这样对Bios大气中CO₂浓度就不会产生影响，也不会对人类生理方面造成危害。

 图8：封闭系统内植物实际吸收CO₂总量与预估每日平均值不等的原因在于小麦不同阶段组的数量（种植面积20㎡，平均可吸收88-96W/㎡）。虚线代表人类产生和植物消耗CO₂的日均值（525l/天）。1,2,3……分别代表不同小麦阶段组的吸收曲线。(1+2), (1+2+3+4), (1+2+…+8)代表所有阶段组合在一起的净吸收曲线。

    验证Bios系统中质量交换动态平衡最灵敏的决定性证据在于其中最具流动性的浓度动态变化——气体组成。

图9：二氧化碳和氧气浓度，以及一个实验人员经过30天实验后的体重变化动态分析。1代表二氧化碳浓度；2代表氧气绝对浓度；3代表人体重量。

     图9中明显可以看出，在Bios系统中，我们设法使舱内空气中二氧化碳和氧气浓度保持不变，从而使航天员体重保持稳定。在第12天和第20天，二氧化碳和氧气浓度变化互为倒数关系（呈相反方向），证明了两者之间的平衡，以及Bios系统的封闭性。

图10汇总了Bios系统180天载人实验大气中有毒气体测量，所有图表都是与时间轴平行的，这也证明系统内的质量交换动态平衡。注意图内第十条线条，代表的是系统内最多的有毒气体一氧化碳浓度动态分析。

    图10显示，Bios系统中有毒成分的随着潜在的有毒气体而变化：1代表氨气，mg/m³；2代表醋酸，mg/ m³；3代表丙烯醛，mg/ m³；4代表醛类，mg/ m³；5代表醇类，mg/ m³；6代表硫化氢，mg/ m³；7代表硫醇，mg/ m³；8代表有机物质（水溶性的），mg/ m³；9代表有机物质（非水溶性），mg/ m³；10代表一氧化碳，mg/ m³。

图11：从Bios-1到Bios-3（主要发展阶段）Bios系统主要改进阶段汇总：从Bios-1——大气再生，Bios-2——大气和水再生，Bios-3——封闭率提高的基础上，大气、水、种植食物再生，但其体积也随之从12m³增加到237m³。

为确保航天员安全，以及充分的健康环境评估，医疗团队24小时全天候监控，并进行大量的血液、排泄物分析，以及生理和心理测量。总结——封闭生态系统环境：大气、水、食物，完全满足人类需求。

图12  Bios-3 CES所实现的成果汇总

BIOS 3 1962 – 1985 结果汇总

  图13 显示生态系统封闭率从85%提高到99%的参数计算，由此得出结论，当封闭率从85%提高到95%，系统大小需扩大2~3倍，能量消耗增加2倍；当封闭率提高到99%，大小需扩大4倍，能量消耗增加4倍。因此，设计真正的生态系统必须严格考虑提升封闭率所需承受的代价。

    进一步提升封闭率的办法有两种，一是提高无用产物的再利用率——人类排泄物以及植物不可食用部分；另一种方法是营养素繁殖，首当其冲的便是动物蛋白，目前系统内无法实现，为此研究人员曾提议过饲养多类动物，包括水生和陆地类动物。现有系统的主要缺陷就是植物-动物-人类的长期营养链实现问题。根据一般生态规则，生物量中只包含1%的能源。

    现代遗传学可以从根本上改变这一问题，即把动物蛋白质生产基因加入植物基因组，例如肌球蛋白。这样一来就能够简化营养摄取路径，在去掉中间“动物”环节的情况下也能获取动物蛋白，至少可提高十倍储存在光合作用中的能源利用率。转基因植物预计营养值可大大超出航天需求，这对人类而言，堪称植物种植方面的“绿色革命”。

图14显示了我们对生物圈科学发展的愿景，就像一颗大树，一根主干，两个结满果实的分支

    主干是地球生物圈的基础科学——生物圈存在法则与运作机制相关知识，从而了解其中质量交换过程中的动态平衡。现代环境中，人类在自然中生存，同时也对自然有着力量与影响，往往对地球生物圈可持续发展带来威胁。因此，生物圈的保护就需要人类介入并加以控制。V. Vernadsky院士将这种新的生物圈称之为人类圈，其基础科学和形成方式可称为人类圈学。两个应用分支为不同封闭度生态系统的空间和陆地应用——右分支为空间应用，左分支为陆地应用。总而言之，我们所开发的CES是用人类智力控制的生物圈的功能性模型，而不是先前所说的人类圈。

    生态系统的可持续性与传统概念存在矛盾，传统概念中，生态系统内的物种萎缩，规模和多样性减少都会导致可持续性流失，因为生态系统中质量交换随机法则失效。物种减少到极限，只剩下人类和小球藻时，系统仍可存在。但Bios是人为控制的生态系统，人为进行选定目标控制，而非自然生态系统的随机控制，因此可消除这一矛盾。在这种意义上来讲，Bios其实是人类圈的模型而不仅仅是自然生物圈。