人类能否成功的运作“生物圈三号”?
暂时还没3号,只有2号。
生物圈2号(Biosphere 2)是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统,因把地球本身称作生物圈1号而得此名,它由美国前橄榄球运动员约翰•艾伦发起,并与几家财团联手出资,委托空间生物圈风险投资公司承建,历时8年,耗资1 .5亿美元。生物圈2号计划设计在密闭状态下进行生态与环境研究,帮助人类了解地球是如何运作,并研究在仿真地球生态环境的条件下,人类是否适合生存的问题。为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间,通过 一定的人工处理再利用。例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。
生物圈2号概况
生物圈2号占地1.28公顷,地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型,配有双层玻璃窗板;地面部分为焊接不锈钢板,并用钢垫密封。总体积约为180000m3。其内部主要由7种生态群落区和两个大气扩张室(也称作“肺”)组成。此外,还设有能量中心和冷却塔等设施。其有关结构参数如下表所示:
表1:生物圈2号内各个组成部分及结构参数一览表
区域 面积(m2) 体积(m3) 土壤(m3) 水分(m3) 大气(m3)
集约农业区 2000 38000 2720 60 35220
居住区 1000 11000 2 1 10997
热带雨林 2000 35000 6000 100 28900
热带草原/海洋/沼泽 2500� 49000 4000� 3400 41600
沙漠 1400 22000 4000 400 17600
“西肺” 1800 15000 0 0 15000
“南肺” 1800 15750 0 750 15000
注:上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的50%
为了减轻立体结构的负荷,生物圈2号的内部压力略高于周围大气压。众所周知,温度改变必然导致压力变化,而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板(计算值极易超过kPa)。为了解决这一矛盾,没有像通常那样采取抵抗压力的措施,而是为该圈装配了两个称为“肺”的体积可变室,以使大气在恒压下胀缩。两“肺”就如同巨大活塞通过密封膜连接在气缸上一样,上下垂直运动距离约达15m。活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压具有两大优点:不论什么地方有泄漏,内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染;活塞的持续下滑则表明某处出现泄漏。两“肺”的体积占到该圈密闭体积的30%。
除上述设施外,其内部还包括分析、医疗、兽医、监控、维修、锻炼、影视等室,分布在不同部位。
与地球生物圈类同,生物圈2号在物质上闭环,通过工程手段禁止它与外界大气和地下土壤进行物质变换。在能量上开环,允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用,同时引入电能供技术系统操作运转。在信息上也同样开环,通过计算机系统、电话、摄像、电视与外界进行数据信息交换,并通过电视可以与外界工作人员及亲属进行面对面的交谈,还可放映电影和收看商业电视节目。电能及热控能源从外界通过气密装置输送进来,当进行能量转移时,不允许内外流体进行任何形式的交换或混合。
生物圈2号内的生态群落
生物圈2号有5个野生生物群落(热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠)和两个人工生物群落(集约农业区和居住区)。它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板,分别由美英生物和生态学家设计而成。
圈内共有约4000个物种,其中动物(包括浮游、软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、鸟类 、哺乳等)、植物(包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等)约3000种,微生物(包括细菌、粘菌、真菌、微藻等)约1000种,它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。
该系统内既有高大的树木(如红树),也有矮小的灌木草丛植物,错落有致、憩静秀美。各个野生生物群落中的生境并不一致,它们分别有4、6、4、4、6种生境,如海洋有海滩、浅咸水湖、 珊瑚礁和海水等4种类型。生物群落间均有相对独立的生态区将它们互相隔开,例如,热带草原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离。为了保护各个群落不受环境胁迫,在其周围种植了耐性强的植物,例如,热带雨林的三周围是浓密的姜科植物,从而保护内部树种免遭侧面强光照 射,而与海洋的界面间种有竹子来抵御盐分渗入。
为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间,通过 一定的人工处理再利用。例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。
生物圈2号中选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命保障、分类多样性、物理 参数、植物的可利用程度和美学价值。为了适应达尔文的自然选择过程,植物种类开始时比 系统能支撑的要多一些,这样可以补偿物种的遗失或灭绝,并最终促进系统的持续稳定。
生物圈2号实验历程
1991年9月26日4男4女共8名科研人员首次进驻生物圈2号,1993年6月26日走出 ,停留共计21个月,在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验。来自英国、墨西哥、尼泊尔、南斯拉夫和美国等5国的4男3女共7位实验人员在对首批结果进行评估并改进技术后,于1994年3月6日二次进驻,工作10个月后于1995年1月走出。他们在这期间对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统。它使人类首次能够在整体水平上研究生态学,从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径。更为重要的是, 它将作为首例永久性生物再生式生保系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星球定居和宇宙载人探险。
� 生物圈2号的“神经系统”是一个完整的计算机数据采集和控制系统,它是从位于居住区的指挥室辐射出的微处理机网络系统。这一内部“神经系统”通过信息通路与外界附近的“飞行控制”楼内的计算中心相联通。该楼作为分析中心而成为生物圈1号 和2号间获取分析数据及通讯的主要窗口。居住区内的指挥室通过遍布圈内的5000 多个传感器(每15分钟记录一次并读入无限增长数据库)能够有效地控制所有主要的操作参数,如温度、湿度、光强、水流量、pH值、CO2浓度、土壤湿度、仪器运作状态等,并能进行 数据传感器及所有报警装置的状态显示。每件装置均有手动控制开关以防“神经系统”任何部位的失灵。
尽管整个圈内为热带气候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相对独立的温度。由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上,其外围大气压不是标准压力101.3 kPa,而仅约为88.2kPa,因此,其内压只能略高,即为88.24kPa。利用机械系统模拟地球自然环境,例如制造海洋波浪、潮汐、溪流、瀑布以及按照季节要求控制风、雨、湿度等,并控制盐分梯度及营养循环速度和进行海水淡化。
最初,生物圈2号实验目的是研究人类及多种生物(植物和动物),在密封且与外界隔绝的人造系统中,是否可以经由系统内的空气、水、营养物的循环与重复使用下而能够健康、快乐的生存下来。在1991至1993年的实验中,由于研究人员发现:生物圈2号的氧气与二氧化碳的大气组成比例,无法自行达到平衡;生物圈2号内的水泥建筑物影响到正常的碳循环;多数动植物无法正常生长或生殖,其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论,确认“生物圈2号”实验失败,未达到原先设计者的预定目标,这证明了在已知的科学技术条件下,人类离开了地球将难以永续生存。同时证明:目前地球仍是人类唯一能依赖与信赖的维生系统。
1996年,巴斯将生物圈2号交由美国哥伦比亚大学管理与规划未来的走向,做为生态学、环境变迁研究及教学的基地。哥伦比亚大学开始将生物圈2号既存的生态系统仿真实验及新的研究计划整合于一体并对外界开放,做为研究及学习中心,以探索我们人类生活与环境生态的互动影响。
具体研究范围与主要结果(详细)
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首批8名科学家在21个月的密闭人工生态环境中按照各自的研究范围进行了广泛、细致、深入的观察、记录、分析,研究项目包括生物地球化学、土壤、水、海洋、“全球”生物量、 农业、遗传、生理、营养、医学、心理以及技术和工程学等内容。本文仅就几个较为重要的研究结果概括如下:
1、大气动力学与大气泄漏
在微小的闭式生态系统中生物地球化学循环速率显著加大,这是由于它缺乏地球生物圈所具 有的巨大贮存作用以及有机体与无机物的比率大大增加的缘故。即使在生物圈2号这样大的装置中,大气CO2(二氧化碳)的平均滞留时间仅为1~4天,而地球生物圈中则约为3年。
生物圈2号中浓度为1500ppm的大气CO2(约为地球大气CO2浓度的4倍),约相当于100kg的碳,这一数量与圈内的生物量和土壤中的有机碳相比大大降低,分别为100∶1 和5000∶1,而地球中的相应比例分别为1∶1和2∶1。生物圈2号中CO2的波动范围为700~800ppm/d,一般为500~600ppm/d,有时会更低,这与季节、昼夜循环和天气变化导致的光合作用和呼吸作用的动态消长有直接关系。当光强(光合成光通量,PPF)达到一年的最低值时(16.8mol•m-2d-1),CO2的平均浓度为2466ppm;相反,当PPF达到最高值时(53.7 mol•m-2d-1),CO2浓度则达到一年中的最低值1060ppm。
为了缓冲这一系统在第一年冬季低光照时的高CO2浓度水平,利用一套CO2循环系统首 先将它通过化学反应形成CaCO3,如需要时把后者加热到950°C便可释放CO2进入大气 。4个月间约有53880mol(相当于9450ppm)的CO2通过定期使用这一物化系统以CaCO3(碳酸钙)的形式沉积下来。这一沉淀可以间接说明约1%大气O2的下降(通过有机碳氧化和随后的CaCO3分离)。相反,1991年12月用来补偿大气泄漏的10%外部大气的加入影响较小,CO2浓度 暂时下降了200ppm,即为每天正常变化的1/3。CO2的浓度升高可导致海水酸度增加。为了避免此现象发生,在海水中分期加入碳酸钠和碳酸氢钠,这样可以保持pH值在7.7以上。
表2:生物圈2号一年内总的农业生产量(kg):
蔬菜:
菜豆8� 甜菜叶273� 甜菜根308� 胡椒13� 胡萝卜88� 辣椒63� 甘蓝83� 黄瓜17� 茄子155� 羽衣甘蓝11� 生菜90� 洋葱107� Bok choy12� 雪豆1� 南瓜籽8� 西葫芦287� Swiss Chard58� 甘薯叶64� 番茄288� 冬瓜261
粮食:
水稻196� 高粱131� 小麦113� �
淀粉类蔬菜:
白薯198� 甘薯1335� Malanga84� 薯蓣20� �
高脂肪豆类:�
花生24� 大豆14
低脂肪豆类:
蚕豆63� 豌豆15
水果:
苹果1�香蕉1024�无花果39�番石榴41�金柑4 柠檬10�酸橙4 柑桔6�番木瓜639
动物产品:� 山羊奶407� 山羊肉8� 猪肉35� 鱼10� 蛋6� 鸡肉8�
总计6630
氧气动力学令人困惑不解。1991年9月到1992年6月间,生物圈2号中氧浓度从20.5 1%下降到16.95%,到1993年1月中旬时则为14.5%。基于医学忠告,1992年6月后的几个星期在圈内不断输入纯氧,使其浓度回到19%。氧气浓度下降主要发生在密闭后的前4个月,此时为18%,1 9 92年4月以后,O2浓度则以每月0.25%的线性水平下降。O2浓度下降的真正原因并不十分清楚,利用几种方法的氧气动力学研究仍在进行,包括研究圈内氧同位素的分布。
生物圈2号气密性非常高。根据泄漏率和压力间的关系推知,年泄漏率为6%,而根据标记微量气体(SF6)逐渐稀释的测量结果证明,年泄漏率不超过10%。在最初的4个月中(19 91年9~12月),大气泄漏约10%,相应的外界气体于1991年末一次性注入。其它闭 式人工生态系统(如肯尼迪航天中心制造的生物量生产舱)每天的泄漏率就在1%~10%之间 。
2、食物生产与废物处理
生物圈2号中的农业系统必须满足3个主要要求,即无污染、集约型和可持续性。空 间生物圈风险投资公司和其农业区的主要顾问亚利桑那大学环境研究实验室,起初试验水培 和气培的种植技术,最后由于种种原因而不得不转向以土壤为基础的农艺技术。原因之一就 是 水 培必须依赖于化学营养液的输入,而这在空间是难以解决的。另外一个原因是如果没有能力 做 堆肥或利用植物/微生物系统进行废水再生,那么促使动物和人的废物及作物不可食生物量部 分等循环利用的相关问题就更难以解决。此外,堆肥或沼泽废水处理系统较湿氧化或焚化等物理系统更省能。
集约农业区共有50种150个品种,每轮种植约30种,主要有粮食、蔬菜、水果,此外还有饲养动 物和鱼(稻田中养殖),动物饲料包括苜蓿、象草、水风信子及各种农作物(利用其不可食生物量)。密闭后建立的农业系统平均提供8人80%的营养需要,包括谷物、豆类和蔬菜,但密闭后的前几 个月需食用密闭前种植的食物(其余20%的营养需要)。由于圈内缺乏紫外线辐射,因此,必须 补充维生素B12和维生素D。肉类很少,蛋每人每周平均一个。前10个月的平均食物 热量卡值限制在2000Cal/d(1Cal合4.18J),后来增加到2200Cal/d。食用前,食物均进行了称重和记录。农业区内不使用杀虫剂,而是利用有益昆虫和喷雾器(如肥皂水和硫磺、芽孢杆菌)来控制病 虫害的发生。废物循环是把动物废物和植物不可食生物量做成堆肥,并利用水生植物咸水湖 系统进行“进驻人员”废水处理。利用“土壤床反应堆”降低微量气体的积累。使用大气水分冷凝系统提供饮用水。
3、物种种群的动态变化
野生区域内的植物生长旺盛,前9个月生物量就增加了60%~75%。在热带雨林,树冠庞大茂密,相连成荫,因而抑制了小型植物,尤其是肉质植物的生长。沙漠中的多年生草本植物生长迅速,这也证明干旱条件下沙土有利于多年生草本的生长。
野生种数量起初有所下降,其中植物不到10%,陆地动物和昆虫不到30%,海洋种约为10%~20%。当食物网更为一体化且株冠成熟后,物种遗失的数量则减慢,且许多动植物在此时期 均有不同程度的繁殖。自从建立了生态系统后,人就作为主要捕食者来控制杂草和病虫害发 生并保持生物多样性。如果没有人的直接干预,在生物圈2号的初期运转期间,生物多样性必然会下降。
4、生理、营养及医学试验
生物圈2号中生产的食物基本上能满足“每日推荐饮食配额”(RDA)的需要,但没有什么剩余。进驻人员自从密闭后体重减轻了约10%~20%,这是对新环境初时不适应的 结果。1992年4月后,体重不再下降,有人甚至还胖了一些。这种低脂肪、低热量、富营养的食物可以显著降低胆固醇(从平均值约195降到125)、血压、白细胞数量和血糖含量。以前对小鼠的试验也有类似结果,并证实因此而可以延缓衰老、增加寿命。
生物圈2号的评价
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大量证据表明,火星土壤和月球表土经过一定的生物和化学技术处理后可以用作潜在的植物栽培基质,这样就使得生物再生式生命保障系统在空间居住地的应用比需要地球资源的装置要经济得多。但是到目前为止,在生物再生式生命保障系统中很少有以土壤为基础的技术实验。生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为基础的生物再生式生命保障系统。因此,有关其操作性能的数据对应用于空间的类似系统是非常有用的。
生物圈2号无论从规模、技术难度和复杂程度,以及所取得的效果来看,均堪称人类科学史上的一大杰作,受到国际上的普遍关注与赞赏。但近来也遭到某些公众的严厉批评 。
引起公众非议主要是由于主客观两方面的原因:(1)商业投资造成游人络驿不绝,给人一种缺少科学严肃性的印象;(2)遇到严重的阴雨天气和病虫害,造成欠收,开始时曾出现大气泄漏;(3)人们对他们的科学试验活动了解不多;(4)理论和实践经验不足;(5)行政管理不善,导致可以做的而没有去做。
虽然生物圈2号计划实验目标并未达成,但是这也给人类上了很好的一课:大自然并非我们想象得那样简单,复杂巨大的系统关联中,可能每一缕轻风都是于生命所不可或缺的;人不是万能的,人类要依赖地球存活;人类要懂得顺应自然,要珍爱大自然的一切,才能与地球万物持续发展。
生物圈二号实验失败后,再无相关实验,科学家到底发现了什么?
生物圈2号当时失败的原因似乎是因为混凝土建筑破坏了大气的碳循环
从技术角度讲,我们现在应该是有能力避免生物圈2号失败的原因再次作用,但恐怕我们现在的技术进步至多是能将人工生态的维持时间从生物圈2号的基础上进行一定程度的延长。这个延长可能是几倍甚至几十倍的,甚至其中可以生活上一代人也说不定,但如果在此期间没有技术输入,不进一步改进的话,我相信生物圈3号的崩溃也只是个时间问题。
从根本上讲,人工生态的失败是在于我们对生态系统内部详细相互作用机制了解的不完善,而可怕的是我们并不知道我们的知识储备有多么不完善(听起来像不可知论⋯⋯)。
相信生物圈2号开始的时候我们一样是自信满满的,我们可以列举出相比于当时的30年前,我们的技术进步了多少多少,我们建立起了系统的生物学、气象学、遗传学甚至先进的工程学,我们拥有温室、混凝土、无土栽培等等等等从前无法想象的技术(我没有考证这些技术出现的先后,仅仅举例而已),我们为什么不可以再建立一个自然界呢?
然而事实证明了当时人们尝试的幼稚,谁又能肯定地说现在我们就成熟了呢?当然,没有实验验证,也不能说人类就一定依然是不成熟的⋯⋯
简单举几个注定试验失败的可能原因:
遗传多样性的丧失——小生境内生物近亲繁殖是难以避免的,遗传多样性的丧失将在不大的时间尺度上迅速导致物种的退化,经不起任何环境波动——如此生态系统的自我修复能力之低可想而知
关于能量和熵——自然界生态系统通过不断输入低熵值的能量来维持生态系统的稳定有序,但人造系统的能量利用效率、物质循环效率能否达到自然界的水平?我认为目前条件下依然是有差距的。
关于物质循环——生态系统中物质循环中,有的物质是全球循环的,比如碳、氮、硫的循环都具有全球性,在小区域内如何模拟实现物质循环?或许能做到,但对能量的需求恐怕非常巨大,要知道沉积型循环之类不仅仅利用了太阳能,也需要地球内部能量的推动~
暂时就说这么多,我依然认为,随着人类对生态的了解越来越多,人类可能越发发现生物圈是无法复制的⋯⋯但简单的建造封闭系统并在其中维持生命跟这个不是一个概念,维生系统航天大国们都可以实现,而要实现生态系统的完整功能⋯⋯现在还做不到。
从生物圈二号的失败看环境保护和生态恢复的必要性
1991年9月26日,全球所有主要媒体均在头版头条刊登了一条激动人心的消息:由美国太空生物圈风险投资公司建立的“生物圈二号”投入运行,8位科学家笑容满面地于上午8:15正式入住位于美国亚利桑那荒漠的一个模拟地球环境的全封闭温室,开始了长期自给自足、与世隔离的生活。次年4月,英国的《新科学家》周刊还认为“这是肯尼迪总统提出飞向月球计划以后美国实施的最令人激动的科学研究项目”。但一年后,这些科学家们实在呆不下去了,一个个病怏怏地出来了。随后,科学家们又组织了两次封闭住人实验,但均以失败草草收场,而且住人的时间一次比一次短。那么生物圈二号是怎么回事呢?它为什么会以失败告终呢?
自1940年以来,由于科学技术的进步,人类生产、生活和探险的足迹遍及全球。据统计,87%的陆地已受到人类活动的干扰,仅有3%的地方没有人类涉足。现在全球人口已达57亿,而且每年仍以9000多万的速度在递增。在那些有人居住的地方,人类为了生存,将大部分的自然生态系统被改造为城镇和农田,原有的生态系统结构及功能退化,有的甚至已失去了生产力。随着人口的持续增长,对自然资源的需求也在增加。环境污染、植被破坏、土地退化、水资源短缺、气候变化、生物多样性丧失等增加了对全球自然生态系统的胁迫。人类面临着合理恢复、保护和开发自然资源的挑战。在这种背景下,有人提出了向太空移民的计划,也有人提出了“ 只有一个地球”的呼吁。生物圈二号就是在这种背景下产生的。
按照设计思想,地球是生物圈一号,生物圈二号是地球的缩影,人类如果能在这个模拟的地球中生活下去,就不怕地球环境恶化和资源枯竭,实在不行了就在人类控制的“地球”中生存。这个大科学工程从1986年设计,次年动工,至1991年完工,共花费1.5亿美元。它采用了全封闭的钢筋与玻璃结构。
从1991年9 月26日起的两年中,美国科学界进行了人工生物圈实验。八名男女科学家自愿住进了一个由玻璃和钢架建成的3.1 英亩的人造小世界里,从事两年的生态实验。除了一部电传机和电能供给外,他们与外界完全隔离,而且,除患严重疾病外,任何人不得离开这个地方。这项实验被称为"生物圈二号"。
"生物圈二号"就像一个巨大的"生态球",在拱型玻璃罩下,里面有3 800 种动植物。此外还有湖泊、沙漠、树林、草地和农田、楼房,以及制造人工风雨的装置。两年里,八位科学家要亲自饲养家禽、牲畜,种植农作物,方能维持生活。在这里,任何东西也不会浪费,都会循环使用,比如人吸入氧气呼出二氧化碳,绿色植物进行光合作用则正好相反。任何农药都严禁使用,庄稼有病虫害,将用瓢虫、黄小蜂进行生物防治。
在这个生物圈里,科学家将对生态环境严格控制。如果食草动物过多,将引起草地破坏,就必须猎食一些食草动物,如果一种植物灭亡了,他们将取出试管内储存的植物细胞,重新培养。科学家们需要进行大量的实验,才能维持生存、净化环境,稍有不慎,生态危机就会出现。
"生物圈二号"实验为世界瞩目,因为这项实验的成功不仅将对人类面临的环境危机、能源危机提出有意义的解决途径,而且可以有效利用现有资源,向宇宙空间、沙漠、海底进军。
出资人类别是什么意思
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连图三鞭: 目前人类缺乏可以模拟地球环境的技术,十几年前搞过生物圈一号和生物圈二号,试图在一个狭小区域内模拟自然环境使其自动运行,但都失败了
临沭县15939211006: 美国“生物圈Ⅱ号”实验失败,给你什么启示? - ?
连图三鞭: 我在书上看的启示是:1)地球是目前人类唯一的家园,我们还无法到地球范围以外的地方生活,所以要要善待地球,为子孙后代着想.2)人类在大自然下还是名弱者,没有大自然的庇护下人类是无法生存的.我忘了,不过你尝试将两段结合成一段的话,应该是没错的,或分开讲也是八九不离十的.
临沭县15939211006: 生物圈1号,生物圈2号分别指的是什么? - ?
连图三鞭: 科学家们将人类休养生息的地球称为“生物圈一号”,为了试验人类离开地球能否生存,美国从1984年起花费了近2亿美元,在亚利桑那州建造了一个几乎完全密闭的“生物圈二号”实验基地.1993年1月,8名科学家进入“生物圈二号”.按照...
临沭县15939211006: 生物圈二号为什么会失败 - ?
连图三鞭: “生物圈2号”建造在美国亚利桑那州的沙漠中,其命名是把地球视为“生物圈五号”而言的.“生物圈2号”是一个人工建造的模拟地球生态环境的全封闭的实验场,也有人把它称为“微型地球”,或“火星殖民地原型”.这个占地1.3万平方...
临沭县15939211006: 生物圈Ⅱ号给人类最重要的启示是什么 - ?
连图三鞭: 生物圈二号提醒我们:凭借现有的科学技术,人类还不可能建造一个与地球一样的生物圈,我们现有的地球生物圈是我们和其它生物共同的惟一家园,只有善待和保护好才是我们真正的出路.