Biosphere 2 là một khu nhà kính kín khổng lồ ở bang Arizona (Mỹ), nơi 8 người sống tách biệt hoàn toàn từ ngày 26/9/1991 tới 26/9/1993 để thử xem một hệ sinh thái nhân tạo có tự duy trì được bầu khí quyển thở được hay không. Câu trả lời là chưa: chỉ sau khoảng 16 tháng, lượng oxy tụt từ khoảng 20,9% xuống khoảng 14,5%, và người ta phải bơm thêm oxy từ bên ngoài vào tháng 1/1993. Thủ phạm hoá ra là vi sinh vật trong đất và chính lớp bê tông của công trình. Đây là bài học thực nghiệm quan trọng nhất cho mọi ý tưởng xây "Trái Đất thu nhỏ" trên hành tinh khác.
Biosphere 2 là gì
Tên gọi có nghĩa "Sinh quyển 2", ngụ ý "Sinh quyển 1" là Trái Đất. Công trình được xây từ năm 1987 tới 1991 gần thị trấn Oracle, phía bắc Tucson, với tiền đầu tư chủ yếu từ tỷ phú Ed Bass qua công ty Space Biospheres Ventures. Khu kín rộng khoảng 1,27 hecta, khung thép kính, đáy bọc thép không gỉ để cách ly với đất bên dưới.
Bên trong có bảy khu sinh thái thu nhỏ:
- Rừng mưa nhiệt đới
- Đại dương có rạn san hô, sâu khoảng 7–8 mét
- Vùng ngập mặn và đầm lầy
- Đồng cỏ xavan
- Sa mạc sương mù
- Khu nông nghiệp để trồng lương thực
- Khu ở của con người
Không khí bên trong không trao đổi với bên ngoài; điện và nhiệt được cấp từ ngoài vào. Để công trình không bị nổ hay xẹp khi không khí nóng lên, nở ra ban ngày và co lại ban đêm, người ta xây hai "lá phổi": hai mái vòm có màng co giãn, thể tích thay đổi theo áp suất bên trong.
Nhiệm vụ kín đầu tiên: 1991–1993
Bốn nam bốn nữ bước vào và đóng cửa ngày 26/9/1991, trong đó có bác sĩ Roy Walford, chuyên gia về dinh dưỡng hạn chế calo. Họ tự trồng hầu hết thức ăn: khoai lang, chuối, lúa, đậu, rau, nuôi dê, gà, cá rô phi.
Đói
Năm đầu mùa màng kém, sâu bệnh và thời tiết nhiều mây làm năng suất thấp. Các thành viên ăn khẩu phần thấp calo và sụt cân đáng kể. Walford theo dõi sức khoẻ cả nhóm và ghi nhận những thay đổi sinh lý của chế độ ăn hạn chế, trở thành một nguồn dữ liệu y học.
Oxy tụt dần
Ngay từ những tháng đầu, oxy giảm trung bình chừng 0,4 điểm phần trăm mỗi tháng. Tới đầu năm 1993, nồng độ chỉ còn khoảng 14,5%. Cộng với việc công trình nằm ở độ cao khoảng 1.200 mét, mức oxy này tương đương sống ở độ cao khoảng 4.000 mét. Các thành viên mệt mỏi, khó ngủ, có người bị ngưng thở khi ngủ. Tháng 1/1993, ban điều hành quyết định bơm oxy vào, phá vỡ tính "kín hoàn toàn" của thí nghiệm.
CO₂ lên xuống theo ngày và mùa
Nồng độ CO₂ bên trong dao động mạnh: tụt vào ban ngày khi cây quang hợp, tăng vọt vào ban đêm. Mùa đông ngày ngắn, nhiều mây, CO₂ có lúc lên tới hàng nghìn ppm, gấp nhiều lần ngoài trời. Nhóm phải chủ động cắt tỉa cây, phơi khô sinh khối để giữ carbon lại, và vận hành một thiết bị hấp thụ CO₂.
Oxy đã đi đâu
Lời giải được công bố năm 1994 bởi nhóm của Jeffrey Severinghaus và Wallace Broecker (Đài quan sát Lamont-Doherty, Đại học Columbia), dựa trên phân tích đồng vị.
- Đất quá giàu chất hữu cơ: để cây lớn nhanh, người thiết kế dùng đất trộn nhiều phân compost. Vi sinh vật trong đất phân huỷ chất hữu cơ này, tiêu thụ oxy và thải CO₂ nhanh hơn cây kịp quang hợp bù.
- CO₂ "biến mất" vào bê tông: lẽ ra CO₂ phải tăng tương ứng với oxy mất đi, nhưng không thấy. Hoá ra bê tông trần trong công trình hấp thụ CO₂, phản ứng với canxi hydroxit tạo đá vôi (canxi carbonat). Oxy bị khoá vĩnh viễn trong lớp bê tông đó.
Không ai dự đoán được cơ chế thứ hai. Đó chính là giá trị của thí nghiệm: hệ kín bộc lộ những dòng vật chất mà ta không biết là có.
Những gì khác xảy ra trong hệ sinh thái
- Phần lớn côn trùng thụ phấn chết, nhiều loài cây không kết trái được nếu không thụ phấn bằng tay.
- Kiến xâm lấn, gián và một số loài cây leo phát triển mạnh, lấn át các loài khác.
- Nhiều loài động vật có xương sống nhỏ được đưa vào đã biến mất.
- Rạn san hô chịu ảnh hưởng của nồng độ CO₂ cao làm nước biển axit hơn, một hiện tượng sau này thành chủ đề nghiên cứu riêng về axit hoá đại dương.
- Cây trong khu rừng mưa mọc nhanh nhưng thân yếu, dễ đổ, vì không có gió làm thân chắc khoẻ.
Sau năm 1993
| Thời gian | Sự kiện |
|---|---|
| 3/1994 – 9/1994 | Nhiệm vụ kín thứ hai, kết thúc sớm sau tranh chấp quản lý |
| 1995/1996 – 2003 | Đại học Columbia quản lý, dùng công trình nghiên cứu khí hậu và CO₂ cao, không còn người sống kín bên trong |
| Từ 2007 | Đại học Arizona tiếp quản nghiên cứu, sở hữu từ 2011; công trình mở cửa cho khách tham quan |
Biosphere 2 dạy gì cho chuyện cải tạo hành tinh
- Khí quyển là hệ động: chỉ cần một dòng vật chất nhỏ không tính tới (bê tông hấp thụ CO₂) là cân bằng lệch đi trong vài tháng.
- Đệm càng nhỏ càng dễ lệch: Biosphere 2 có lượng không khí trên mỗi người rất nhỏ so với Trái Đất. Mọi dao động đều bị khuếch đại.
- Sinh học khó đoán: loài nào sống, loài nào chết, loài nào lấn át không theo kế hoạch.
- Phải có đường lui: nhiệm vụ trên Trái Đất có thể bơm oxy vào; trên sao Hoả thì không.
Trước Biosphere 2, Liên Xô đã thử hệ kín BIOS-3 ở Krasnoyarsk từ những năm 1970, dùng tảo và lúa mì tái tạo không khí cho người ở trong nhiều tháng. Sau này, NASA làm các mô phỏng sống dài ngày như CHAPEA (2023–2024, 4 người sống 378 ngày trong căn nhà in 3D ở Houston), nhưng những mô phỏng này tập trung vào tâm lý và vận hành, không cố tái tạo khí quyển bằng sinh vật.
Góc nhìn hôm nay
Biosphere 2 thường bị kể như một thất bại, nhưng giới khoa học khí quyển nhìn nó khác: đó là lần đầu một khí quyển nhân tạo có sinh vật được đo kỹ từng ngày, và nó cho thấy Trái Đất làm được việc khó đến mức nào. Ngày nay công trình mở cửa đón khách tham quan và vẫn là trung tâm nghiên cứu của Đại học Arizona. Muốn đọc thêm, có sách "Life Under Glass" của chính hai thành viên Abigail Alling và Mark Nelson, và bài báo của Severinghaus và cộng sự về nguyên nhân mất oxy.
Câu hỏi thường gặp
Biosphere 2 là gì?
Là khu nhà kính kín rộng khoảng 1,27 hecta ở Arizona, Mỹ, chứa bảy hệ sinh thái thu nhỏ, xây từ 1987 tới 1991. Mục tiêu là thử xem một hệ sinh thái nhân tạo có tự duy trì không khí, nước và thức ăn cho người sống bên trong hay không.
Vì sao Biosphere 2 thiếu oxy?
Vi sinh vật trong lớp đất giàu phân compost tiêu thụ oxy nhanh hơn cây tạo ra. CO₂ sinh ra lại bị bê tông trong công trình hấp thụ, khoá oxy vào đá vôi. Oxy tụt từ khoảng 20,9% xuống khoảng 14,5% sau khoảng 16 tháng.
Biosphere 2 có bao nhiêu người ở?
Nhiệm vụ đầu tiên có 8 người, 4 nam 4 nữ, sống kín từ 26/9/1991 tới 26/9/1993. Nhiệm vụ thứ hai năm 1994 có 7 người và kết thúc sớm.
Biosphere 2 có thất bại không?
Nó không đạt mục tiêu tự cấp hoàn toàn, phải bơm oxy và có tranh cãi quản lý. Nhưng về khoa học, nó cho dữ liệu quý về cân bằng khí trong hệ kín và phát hiện những cơ chế không ai lường trước. Công trình vẫn được dùng cho nghiên cứu tới nay.
Có thể tham quan Biosphere 2 không?
Có. Công trình hiện do Đại học Arizona quản lý và mở cửa đón khách, gần thị trấn Oracle, cách Tucson khoảng một giờ lái xe. Nên kiểm tra lịch mở cửa trên trang chính thức trước khi đi.
