位于亚利桑那州沙漠中的“生物圈2号”，是人类在研究生态系统如何发展方面规模最大、也最大胆的人造实验。
此类设施曾一度被视为失败之作，如今却为科学家提供了一个现实情境下、往往经过强化的实验室，用于研究气候变化。
在一个面临行星临界点的时代，行星系统的健康状况，以及它们与人类之间的相互关系，成为关键问题。
三十多年前，一群八人组成的团体——先是嬉皮士，后转为剧团成员，最终成为可持续发展的拥护者——自愿进入一个人造生物圈，为期两年。
曾经被视为失败实验的项目，是人类最著名的尝试之一，旨在重现类地环境；如今，它正为更好地研究行星健康提供研究机会。
生物圈2号的设计旨在模拟其创建者所称的生物圈1号——即地球。生物圈本质上是地球上各类生态系统的集合，因此，生物圈2号拥有自己的海洋、雨林、红树林沼泽、农场和热带草原。它至今仍是世界上最大的中宇宙（mesocosm）——一种在受控条件下模拟自然环境的户外实验系统。
生物圈2号与太空竞赛
生物圈2号位于亚利桑那州，但这类研究的根源可追溯至俄罗斯地球化学家、矿物学家弗拉基米尔·I·维尔纳茨基，他的开创性工作在20世纪50至60年代帮助塑造了其祖国的太空计划。
第一次密闭实验于1965年在西伯利亚进行，当时利用藻类来回收人类呼出的空气。到了20世纪70年代，俄罗斯人每次派遣两到三人进入Bios-3设施（一个容积为315立方米的“受控生态生命支持系统”）驻留长达六个月。
相比之下，生物圈2号是一项浩大的工程，或许正是其规模（占地超过3英亩），加上居住其中的人并非受过训练的科学家，解释了媒体对其的嘲讽。
生物圈居住者在可持续发展方面属于自学成才，这一点确实属实，但这并不减损他们两年实验的价值——该实验在生命系统建模方面的探索，以及此后在该设施开展的研究，为行星科学留下了宝贵的知识遗产。
生物圈2号及其后继项目的共同点在于其富有远见的理念、富有魅力的人物，以及富有的支持者。生物圈2号的构想来自冶金学家、前哈佛大学工商管理硕士毕业生约翰·P·艾伦，他在组建一个以改变世界为目标的剧团之前，曾涉足多个领域。
作为这一计划的一部分，该团队建造了一艘船，乘船访问并研究不同类型的生态系统，之后返回美国。在美国，亿万富翁商人兼慈善家埃德·巴斯资助了一个项目，在沙漠中由一系列巨大的穹顶来复制这些生态系统。
与此同时，在犹他州，人们对红色星球上生命的构想深受触动，于是火星沙漠研究站（MDRS）吸引了来自世界各地的人士，他们在类火星条件下生活、工作并开展实验；该项目依靠捐赠支持，其支持者包括埃隆·马斯克。
在其他地方，英国的伊甸园计划（虽然并非封闭系统，但它既是独特的研究设施，也是游客景点）中，人们在一处废弃的黏土矿坑中建造了“栖息地”；在夏威夷的一座火山中（即夏威夷太空探索模拟与仿真设施），在夏威夷大学和美国国家航空航天局（NASA）的支持下建立；另有位于西班牙洞穴中的Astroland星际机构。与此同时，为支持科学研究，还重建了一些特定栖息地，包括澳大利亚的国家海洋模拟器。
通常而言，太空、对殖民其他世界的渴望，以及在某些情况下对此种必要性的信念，推动了相关研究；但生物圈2号，以及程度稍逊的Bios-3和伊甸园计划，为研究我们现有星球的生态系统提供了机会。
从生态系统实验中汲取的经验
人造生态系统凸显了许多问题，包括要在地球上复现我们所拥有的一切是多么困难。另一个关键方面是生态系统内一切事物之间的共生关系。
作为最初八位生物圈居住者之一，马克·尼尔森表示：“每次你呼吸，这些植物都在等待你呼出的二氧化碳。它们就是你的第三个肺。我当时想，‘天哪，是它们让我活了下来！我与这里的生命在新陈代谢上是绝对相连的！’”
这些利用生物再生系统的尝试所得出的发现包括：
维持充足且有吸引力的饮食很困难：生物圈居住者自给了80%的食物，而在Bios-3运作的俄罗斯人则自给了约一半。最终，前者的生活转变为自给农业，其饮食严重依赖红薯和甜菜，因为他们最初种植的许多作物被发现生长过慢或劳动强度过大，不值得继续种植。
维持动物数量的平衡也很困难：生物圈2号中饲养的动物，是根据其生态作用、在某些情况下也根据其作为食物的用途而挑选的。有些动物繁衍兴旺（尤其是蟑螂和蚂蚁），而另一些则数量减少或灭绝（尤其是传粉昆虫）。就传粉昆虫而言，这可能是因为生物圈2号实际上是一个大型温室，而温室会阻挡紫外线（蜜蜂需要借助紫外光谱才能找到花朵）。后续针对不同光照类型的实验，为了解珊瑚在圈养环境中需要何种类型的光照提供了信息。
地球对气体的调节极为精密：氧气水平迅速下降发生在生物圈2号中。尽管这一情况曾被预料到，但问题的速度和严重程度仍让生物圈居住者措手不及。氧气约占地球大气的21%，但在生物圈2号中，其含量降至14.2%。后来发现，土壤细菌及其过度活跃的二氧化碳呼吸作用改变了气体的平衡。
这对其他行星系统产生了更广泛的影响：由于大气中充满二氧化碳，生物圈2号的海洋迅速酸化——这一现象此前鲜少引起科学家的关注。这促使科学家在20世纪90年代和21世纪00年代在生物圈2号开展进一步研究，以阐明二氧化碳水平上升对海洋物种的影响，尤其是对以碳酸钙为外壳的海洋生物的影响。
这也会影响人类：不出所料，随着二氧化碳水平上升，生物圈居住者很快变得精神萎靡，并表现出功能受损。有趣的是，2013年的一项俄罗斯研究让六名男性在模拟的类火星条件下被隔离520天，研究发现他们的精神萎靡程度更高，尽管受试者的睡眠时间更长。
实现平衡是不可能的： 人类互动对这些系统的健康与维护至关重要。迄今为止，没有任何一项实验能达到我们在地球上理所当然拥有的那种自主性。
在其他地方复制地球上的生命成本高昂：据估算，像生物圈2号这样的“殖民地”中，每人每月的生活成本将达82,500美元，这突显了地球生态系统免费提供的、未被货币化的“价值”。
生物圈2号的遗产
生物圈2号的崇高理想如今看来颇具先见之明：其目标是研究其生态系统如何发展，并了解人类及其技术如何与自然界其他部分相协调。
在一个面临行星临界点的时代，这一点至关重要。随着这些临界点被触及、超越，并且在极少数情况下有所回落，行星系统的作用，以及这些系统与人类和不同生态系统之间的相互关系，问题便凸显出来。
多年来，生物圈2号逐渐失宠，其管理权交由曾任唐纳德·特朗普总统首席战略顾问的史蒂夫·班农接管，他关闭了该设施，迅速终结了人们期望其能持续百年的寿命。1996年至2003年，哥伦比亚大学担任生物圈2号的管理机构。2007年，亚利桑那大学接手管理，2011年，该设施正式捐赠给亚利桑那大学。
作为一个封闭系统，它在某种程度上提供了一种经过强化的环境，使科学家能够对生态系统进行彻底而迅速的改变，以观察物种和植物的表现。生物圈2号副主任兼首席运营官约翰·亚当斯表示：“该设施的设计可以测量从数秒到数十年、从微观尺度到整个生态系统动态的各类过程。”
科学家种植了不同类型的树木，以观察可可和咖啡等作物可可与咖啡在不断变化的环境中的表现。他们还利用该设施研究水，具体包括降雨、径流、吸收和蒸发；此外，该设施也被用于绘制海洋病毒图谱，以更好地理解海洋微生物的光合作用。
研究成果涵盖范围广泛；其中与树木相关的研究表明，树木出人意料地能够耐受物理热量，并且在干旱条件下会释放出更多用于催化云层降雨的化合物。一些物种会变得脆弱，这表明风有助于增强树枝的强度，就像负重锻炼能增强人体骨骼一样。
亚当斯认为，“厘清生态系统变化驱动因素的能力，使［生物圈2号］在推进未来气候情景下地球系统响应的预测模型方面具有独特优势”。
从这一点来看，生物圈2号超前于其时代；而直到近年来，人们才更充分地认识到，这项大胆的实验——视乎个人观点，它既可被视为富有远见，也可被视为荒谬——在这一规模上开展中宇宙研究的价值。
