Bên trong Biosphere 2: Thí nghiệm nhốt 8 người vào nhà kính khổng lồ và sự sụp đổ của Trái Đất thu nhỏ

Sáng thứ Năm, ngày 26 tháng 9 năm 1991, Jane Poynter cùng ba người phụ nữ và bốn người đàn ông bước qua cánh cửa niêm phong để tiến vào Biosphere 2. Công trình chính do ông Ed Bass đầu tư là tòa nhà kính và thép 8 tầng trị giá 150 triệu USD sừng sững tại sa mạc Arizona, chứa 3.800 loài động thực vật với mục tiêu tái tạo một Trái Đất thu nhỏ. Tám con người dự kiến tự niêm phong bên trong suốt hai năm, biến cấu trúc khép kín này thành một thí nghiệm đóng kín chưa từng có tiền lệ. [1][2]

Thế nhưng, khi cuộc sống hoàn toàn tách biệt vừa bắt đầu, những tính toán lý thuyết lập tức đối mặt với diễn biến khó lường. Chính nhờ cấu trúc đóng kín nghiêm ngặt của công trình, một hiện tượng bất thường mới được phát hiện: lượng oxy bên trong bắt đầu sụt giảm chậm rãi với tốc độ dưới 0,25% mỗi tháng. [1]

Vòm thép kín khí và giấc mơ thuộc địa hóa không gian

Năm 1984, tỷ phú Ed Bass bắt tay cùng nhà sinh thái John P. Allen khởi xướng một kế hoạch đầy tham vọng: tạo dựng một sinh quyển tự cung tự cấp hoàn toàn thứ hai, chỉ xếp sau chính Trái Đất vốn được họ gọi là «Biosphere 1». Để biến tầm nhìn của ông Allen thành hiện thực, ông Bass đã rót khoản ngân sách lên tới 150 triệu USD cho đến năm 1991 nhằm dựng nên công trình mang tên Biosphere 2. [1]

Từ năm 1987 đến năm 1991, công trình liên tục được thi công trên một khuôn viên rộng 3,14 mẫu Anh (tương đương 1,27 ha) nhằm tạo ra một hệ sinh thái nhân tạo khép kín hoàn toàn về mặt vật chất. Biosphere 2 được thiết kế để thử nghiệm tính khả thi của mô hình sinh thái khép kín nhằm duy trì sự sống ngoài không gian, đồng thời đóng vai trò bước tiền đề thu thập kiến thức cho nỗ lực thuộc địa hóa không gian sau này. [1]

Để ngăn chặn tuyệt đối mọi sự trao đổi chất với môi trường bên ngoài, công trình được cách ly hoàn toàn với nền đất bên dưới bằng một lớp lót bằng thép không gỉ hàn nặng tới 500 tấn. Phần khung và các vật liệu kính bao bọc bên trên được thiết kế và sản xuất bởi công ty của Peter Jon Pearce, một cộng sự của Buckminster Fuller. Nhờ phương pháp bịt kín độc quyền do Pearce và William Dempster phát triển, cấu trúc đồ sộ này đạt tỷ lệ rò rỉ khí ở mức dưới 10% mỗi năm, biến không gian bên trong thành một chiếc hộp kín gần như tuyệt đối. [8][1]

Độ kín nghiêm ngặt ấy ngay lập tức đặt ra bài toán hóc búa về nhiệt động học: dưới cái nắng sa mạc, không khí bên trong liên tục giãn nở và co ngót theo sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm. Để tránh các áp lực khổng lồ có thể xé toạc các tấm kính, công trình sử dụng các màng ngăn lớn đặt trong các mái vòm được gọi là «phổi». Những buồng phổi nhân tạo này sẽ phập phồng co giãn linh hoạt, giúp triệt tiêu chênh lệch áp suất mà không để thất thoát một phân tử khí nào ra bên ngoài. [1]

Nhưng ngay khi cuộc thử nghiệm bắt đầu, những quy luật tự nhiên bên trong lớp vỏ bọc tinh vi lập tức trượt khỏi tầm kiểm soát của mọi bản vẽ kỹ thuật.

Cây gãy đổ và sự trỗi dậy của loài kiến xâm lấn

Bên trong vòm kính, Jane Poynter cùng bảy thành viên bắt tay vào việc vận hành năm sinh cảnh tự nhiên thu nhỏ, gồm khu rừng mưa nhiệt đới rộng 1.900 m², vùng đại dương có rạn san hô 850 m² và đầm ngập mặn 450 m². Bên cạnh đó là hai sinh cảnh nhân tạo phục vụ đời sống con người, gồm hệ thống nông nghiệp thâm canh rộng 2.500 m² cùng khu sinh hoạt tích hợp các phòng thí nghiệm và xưởng làm việc. Dưới chân họ, tầng hầm cơ điện đồ sộ vận hành liên tục 26 hệ thống xử lý khí, trong đó 14 cụm máy lớn chịu trách nhiệm điều hòa nhiệt độ, lọc sạch bụi bẩn, duy trì độ ẩm và tạo nguồn nước ngưng tụ. [1][8]

Hệ thống kỹ thuật này làm mát luồng khí xuống dưới điểm sương, khiến hơi nước ngưng tụ trên các cuộn dây làm lạnh rồi chảy vào khay sàn để bơm làm mưa nhân tạo, phun sương và cấp nước trở lại cho đại dương. Dù vậy, toàn bộ sự sống bên trong bị đặt trên một ranh giới vô cùng bấp bênh: nếu mất điện vào một ngày hè nắng gắt, nhiệt độ bên trong sẽ tăng vọt và có thể phá hủy thảm thực vật sinh quyển đến mức không thể phục hồi chỉ trong vòng 20 phút. [8]

Sự trợ giúp của máy móc nhanh chóng bộc lộ giới hạn trước các quy luật tự nhiên. Vì kích thước nhỏ, lớp đệm hẹp và chứa mật độ vật chất hữu cơ cao, các chu trình sinh địa hóa trong Biosphere 2 biến động mạnh và nhanh hơn Trái Đất rất nhiều. Ở vùng biển nhân tạo, dù san hô vẫn có thể sinh sản, các cư dân phải liên tục lặn vớt tảo thủ công và điều chỉnh nồng độ pH để cứu rạn san hô khỏi tình trạng axit hóa. Trong khi đó, cây thân gỗ tại khu rừng mưa và thảo nguyên bắt đầu còi cọc rồi suy yếu nghiêm trọng; việc thiếu vắng những cơn gió tự nhiên khiến thân cây không thể kích hoạt cơ chế tạo thớ gỗ chịu lực để tự nâng đỡ sức nặng của chính mình. [1]

Cân bằng sinh thái trượt dài khi phần lớn các loài động vật có xương sống cùng gần như toàn bộ côn trùng thụ phấn đưa vào công trình đều lần lượt chết sạch. Sự biến mất của ong bướm đe dọa sự sinh sôi của thực vật, đồng thời mở đường cho các loài côn trùng gây hại như gián phát triển bùng nổ, kéo theo sự xâm lấn áp đảo của loài kiến ngoại lai Paratrechina longicornis trên khắp các góc của sinh quyển. [1]

Nhưng đàn côn trùng xâm lấn vẫn chưa phải mối đe dọa lớn nhất, khi bầu không khí mà cả nhóm hít thở mỗi ngày bắt đầu mất dần dưỡng khí và dồn họ vào một cuộc khủng hoảng sinh tồn mới. [1]

Bầu dưỡng khí cạn dần và chiếc máy lọc giấu kín

Khi lượng ánh sáng mặt trời tự nhiên suy giảm, tốc độ quang hợp của thảm thực vật bên trong vòm kính chậm lại rõ rệt, đẩy nồng độ khí CO2 tăng vọt lên mức nguy hiểm. Trên Trái Đất, nồng độ CO2 trong khí quyển vốn chỉ ở mức khoảng 355 ppm, trong khi ngưỡng từ 10.000 ppm trở lên đã đủ để gây hại cho sức khỏe con người. [5][1]

Trước nguy cơ môi trường đóng kín có thể gặp những biến động hóa học lớn theo các tính toán dự phòng, ban quản lý đã bí mật bổ sung một thiết bị khử CO2 vào phút chót. Cỗ máy này có khả năng loại bỏ tới 4% khí carbon dioxide trong không khí và đã được vận hành một vài lần để xử lý tình huống khẩn cấp. [5]

Vỏ bọc hoàn hảo của dự án nghiên cứu lập tức vỡ vụn khi tờ The Village Voice tiết lộ nhóm nghiên cứu đã bí mật lắp đặt thiết bị lọc khí này. Sự việc giáng một đòn nặng nề vào uy tín của Biosphere 2, bởi việc can thiệp cơ học đã vi phạm trực tiếp cam kết tái chế sinh thái tự nhiên hoàn toàn mà công trình từng quảng bá với công chúng. [5]

Trước làn sóng chỉ trích dữ dội, người phát ngôn Kathleen A. Dyhr thừa nhận việc lắp đặt máy khử CO2, nhưng xem đây chỉ là biện pháp hỗ trợ nhỏ để ổn định bầu khí quyển trong giai đoạn đầu. Bà Dyhr cho biết nồng độ CO2 trong Biosphere 2 khi đó ở mức khoảng 2.000 ppm, con số chưa bị coi là có hại nếu so với ngưỡng 5.000 ppm cho phép trên tàu vũ trụ NASA. Cùng lúc đó, từ bên trong sinh quyển, nhà thực vật học Linda Leigh cũng tuyên bố các thành viên hoàn toàn khỏe mạnh và không hề lo ngại về nồng độ khí. [5]

Nạn đói triền miên và phép thử sinh lý ngoài ý muốn

Nông trại bên trong sinh quyển đạt năng suất thuộc hàng cao nhất thế giới, vượt hơn 5 lần các cộng đồng nông nghiệp hiệu quả nhất ở Indonesia, Nam Trung Quốc và Bangladesh. Khu canh tác này sản xuất được 83% khẩu phần ăn của cả nhóm với các nông sản như chuối, đu đủ, khoai lang, củ dền, đậu phộng, các loại đậu, gạo và lúa mì. Dù vậy, tám cư dân vẫn liên tục bị những cơn đói hành hạ, đặc biệt là trong suốt năm đầu tiên của sứ mệnh. [1]

Trước tình trạng thiếu hụt năng lượng, bác sĩ Roy Walford quyết định áp dụng chế độ ăn hạn chế calo nhưng giàu dinh dưỡng mà ông từng nghiên cứu nhằm kéo dài tuổi thọ. Khẩu phần ăn của các cư dân bị hạ xuống mức năng lượng thấp trung bình 1.780 kcal mỗi ngày, trong đó chất béo chỉ chiếm 10% lượng calo và rất giàu vi chất dinh dưỡng. [1][3]

Mức calo siết chặt khiến cơ thể của tám cư dân sụt giảm cân nặng nhanh chóng. Sau 6 tháng đóng kín, cân nặng trung bình giảm từ 74 kg xuống 62 kg ở nam giới và từ 61 kg xuống 54 kg ở nữ giới. Huyết áp tâm thu và tâm trương trung bình của 8 cư dân cũng hạ mạnh từ 109/74 mmHg xuống còn 89/58 mmHg sau 6 tháng. Lượng cholesterol toàn phần trong huyết thanh giảm trung bình 36%, từ mức 191 mg/dl xuống còn 123 mg/dl sau nửa năm thử nghiệm, cùng với mức đường huyết lúc đói tụt từ 92 mg/dl xuống còn 74 mg/dl sau 6 tháng áp dụng chế độ ăn hạn chế năng lượng. [3]

Tính chung, các thành viên sụt trung bình 16% trọng lượng cơ thể, sau đó cân nặng mới bắt đầu ổn định và tăng nhẹ trong năm thứ hai. Các nghiên cứu sau đó chứng minh quá trình trao đổi chất của cư dân đã thích ứng để hấp thu dưỡng chất hiệu quả hơn từ chế độ ăn ít calo. Tình trạng thiếu thốn lương thực bất ngờ trong hai năm thí nghiệm vô tình tạo ra cơ hội độc nhất để theo dõi tác động của việc hạn chế calo ở nhóm người không béo phì. [1][4]

Bầu không khí ngột ngạt cùng tình trạng thiếu thốn lương thực bắt đầu châm ngòi cho những mối bất hòa âm ỉ giữa các thành viên.

Rạn nứt tâm lý và trát sa thải sau cánh cửa niêm phong

Lượng oxy suy giảm kết hợp cùng chế độ ăn hạn chế calo là nguyên nhân không thể phủ nhận khiến tinh thần các thành viên sa sút. Tám cư dân đầu tiên bước vào sứ mệnh gồm Roy Walford, Jane Poynter, Taber MacCallum, Mark Nelson, Sally Silverstone, Abigail Alling, Mark Van Thillo và Linda Leigh. [1]

Cuộc chia rẽ bắt nguồn từ cuộc tranh giành quyền lực về định hướng khoa học giữa nghiên cứu sinh quyển tổng thể hay nghiên cứu hệ sinh thái chuyên biệt. Phe của cô Poynter kiên quyết ưu tiên tăng cường nghiên cứu khoa học hơn mức độ khép kín, trong khi phe còn lại ủng hộ mục tiêu chung của ban quản lý. Phe của thành viên Abigail Alling lo sợ phe cô Poynter sẵn sàng nhập khẩu thực phẩm từ bên ngoài để có sức nghiên cứu, điều mà họ coi là sự thất bại hoàn toàn của dự án. [1]

Rạn nứt nội bộ nhanh chóng kéo theo khủng hoảng ở bên ngoài vòm kính. Ngày 14 tháng 2, một bộ phận thành viên của Ủy ban Cố vấn Khoa học (SAC) đã nộp đơn từ chức. Tạp chí Time bình luận rằng thí nghiệm tự túc hai năm bắt đầu trông giống một trò dàn dựng 150 triệu USD hơn là nghiên cứu khoa học. Sau báo cáo của SAC, tiến sĩ Jack Corliss được bổ nhiệm làm Giám đốc Nghiên cứu mới, và các cửa khóa khí bắt đầu được phép mở ra để chuyển mẫu vật cùng thiết bị. [1]

Tháng 11 năm 1992, do tình trạng khan hiếm nông sản kéo dài, các cư dân bắt đầu ăn các loại hạt giống dự trữ không được trồng bên trong sinh quyển. Sau khi cô Poynter báo cáo việc này, Giám đốc điều hành Margaret Augustine ra quyết định sa thải và yêu cầu cô bước ra ngoài. Nhưng lệnh trục xuất ấy hoàn toàn bất khả thi. [1]

Ngày bước ra ánh sáng và giới hạn của công nghệ

Sau hai năm trọn vẹn của đợt thử nghiệm khép kín đầu tiên kéo dài từ năm 1991 đến năm 1993, cánh cửa thép của vòm kính cuối cùng cũng mở ra để tám cư dân bước ra thế giới bên ngoài. Giữa những ánh mắt hoài nghi từ dư luận và giới khoa học, ông Roy Walford thừa nhận dù không thích một vài người, họ vẫn là một đội tuyệt vời và đã hợp tác toàn diện để vận hành cả công trình đồ sộ. Các cuộc kiểm tra tâm lý sau đó xác nhận các cư dân không bị trầm cảm mà mang đặc điểm tính cách của nhà thám hiểm với điểm số rất giống các phi hành gia. Về mặt thể chất, các bác sĩ kết luận chế độ ăn hạn chế calo nhưng giàu dinh dưỡng áp dụng bên trong vòm kính đã tạo ra ở người các phản ứng sinh lý tương tự như trên các loài động vật khác. Thậm chí, việc nhiều loài sinh vật chết trong các sinh cảnh cũng nằm trong tính toán ban đầu, do dự án cố ý áp dụng chiến lược đưa thừa loài nhằm dự phòng mất mát trong quá trình sinh cảnh phát triển. [1][3]

Biosphere 2 tiếp tục được đưa vào đợt thử nghiệm khép kín thứ hai từ tháng 3 đến tháng 9 năm 1994. Dù kết thúc sớm, đợt vận hành này đã tự túc được hoàn toàn thức ăn và không cần phải bơm thêm oxy. Giữa đợt thử nghiệm đó, vào tháng 6 năm 1994, công ty quản lý Space Biosphere Ventures chính thức bị giải thể. Công trình từng đối mặt nguy cơ bị phá dỡ trước khi Đại học Columbia tiếp quản quản lý vào năm 1995 để nghiên cứu cho đến năm 2003, rồi Đại học Arizona tiếp quản vào năm 2007 và chính thức sở hữu toàn diện vào năm 2011. Ngày nay, cơ sở tại Oracle, bang Arizona này trở thành trung tâm nghiên cứu khoa học hệ thống Trái Đất của Đại học Arizona, đồng thời cùng với Montreal Biodome là một trong hai hệ sinh thái khép kín nhân tạo duy nhất ở châu Mỹ mở cửa cho công chúng tham quan. [1]

Khát vọng chinh phục không gian từng thôi thúc họ bước vào vòm kính kín, nhưng điều đọng lại sau hành trình cô lập là sự khiêm nhường sâu sắc trước Trái Đất nguyên bản.

Nguồn

1. Biosphere 2 (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. As Biosphere Is Sealed, Its Patron Reflects on Life - The New York Times (web.archive.org, nguồn gốc)
3. The calorically restricted low-fat nutrient-dense diet in Biosphere 2 significantly lowers blood glucose, total leukocyte count, cholesterol, and blood pressure in humans - PMC (www.ncbi.nlm.nih.gov, nguồn gốc)
4. Caloric Restriction in Humans: Impact on Physiological, Psychological, and Behavioral Outcomes - PMC (www.ncbi.nlm.nih.gov, nguồn gốc)
5. Recycling Claim by Biosphere 2 Experiment Is Questioned - The New York Times (web.archive.org, nguồn gốc)
6. Biosphere 2 : research past and present : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive (archive.org, nguồn gốc)
7. Columbia News ::: Columbia University Establishes 10 Earth Institute Scholarships (web.archive.org, bài viết)
8. Fast Facts | Biosphere 2 (web.archive.org, bài viết)
9. Buckminster Fuller’s Synergetic Algorithm and Challenges of the Twenty-First Century | Biospherics (web.archive.org, bài viết)

Ảnh bìa: kevin dooley · CC BY 2.0 · Flickr. Bố cục và chữ do Trải Nghiệm Sống thực hiện.