第十四章生命支持係統的初步建立
地球是生命的搖籃和庇護所，然而地球上多次的生物大滅絕警示人類，它存在自身的極限。生命無法無休止的繁衍生息，人類也是如此。我們可以設想一下，如果由於人類無節製的活動，導致地球大冰期來臨，或者其他形式的生態大崩盤來臨，人類會麵臨怎樣的罹難。如果溫度突然下降20℃甚至更多，首先遭到嚴重打擊的是人類生態係統的基礎部分，即自養植物，也就是糧食植物，例如水稻、大米、大麥、玉米等等。這些植物將會凍死，或者無法維持正常的生產。沒有了自養植物，草食動物如牛羊將會餓死，人類也不能幸免。到時候至少有百分之六十以上的人會餓死，而真正被嚴寒凍死的可能不足百分之一。
如果現在能預期到將來一定會發生生態大災難，那麼我們該怎麼做呢？那就是重建一個或儲備一套人工生態係統，以防不測。人工生態係統是專為人類服務的生態係統，它有別於地球上的天然生態係統。其實自從人類演化而來，就自覺或不自覺地建立了屬於自己的，有別於大自然的人工生態係統。早期的人類以狩獵或捕魚為生，他們完全依賴於地球天然的生態係統，例如野牛以草為食，人又以野牛為食。在這個簡單的生態係統中，人的數量嚴重受製於野牛的數量，而野牛的數量也嚴重受製於草的數量，或者說位於食物鏈金字塔頂端的人的數量嚴重受到流入整個生態係統能量循環大小的製約。所以那時候人類的數量很少，遠不及現在這麼繁榮。農業革命出現以後，這種狀況有了極大的改觀。所謂農業革命是指人類史上第一次的種植業和養殖業的誕生，這個時候，人類建立起來屬於自己的專屬生態係統。人們種植水稻，又以水稻為主食，在這樣一個人工生態係統中，人類不再受製於原始生態鏈中的能量循環了，隻要有充足的土地，就可以盡可能多的種植水稻，養活更多的人。所以農業革命以後，人類的數量空前膨脹，以前一個個小的原始部落逐漸變成了大的國家。這就是人類史上第一個人工生態係統的誕生，這個人工係統一直持續到現在。
然而這個原始的人工生態係統仍然無法抵擋住地球生態災難而單獨生存下來。原因在於雖然它是專屬於人類的，但是仍然是地球生態係統的一部分，地球生態係統一旦發生大的災難，這個人工生態係統也不能幸免。那麼如果建立起來一個獨立於地球生態係統的人工生態係統呢？這個生態係統是完全可能經受得住地球生態係統災難性的打擊的，而這個新建立起來的，具備一定獨立性的人工生態係統，我們就可以成為生命支持係統了。
下麵我們給出生命支持係統的具體定義，本書把生命支持係統定義為能夠獨立於地球的生態係統，為人類提供生命支持的人造生態係統。要理解和建立生命支持係統，首先就必須清楚生態係統的定義、結構和功能。畢竟前者是建立在後者基礎之上的。
生態係統是指一個生物群落及其附近地理環境相互作用的自然係統。例如，森林、海洋、農田都可以是一個生態係統。生態係統由無機環境、生產者、消費者和分解者四部分組成。對生態係統的研究關係到我們合理開發與利用生物資源，以及對自然環境的保持與保護。生態係統的範圍可大可小，相互交錯，最大的生態係統是生物圈；最為複雜的生態係統是熱帶雨林生態係統；人類主要生活在以城市和農田為主的人工生態係統中。生態係統是開放係統，為了維係自身的穩定，生態係統需要不斷輸入能量，否則就有崩潰的危險；許多基礎物質在生態係統中不斷循環，其中碳循環與全球溫室效應密切相關，生態係統是生態學領域的一個主要結構和功能單位，屬於生態學研究的最高層次。1935年，英國生態學家，阿瑟·喬治·斯坦利爵士（Sir Arthur George Tansley）受丹麥植物學家葉夫根·尼溫（Eugenius Warming）的影響，首次提出生態係統的概念。認為：生態係統是一個的“係統的”整體。這個係統不僅包括有機複合體，而且包括形成環境的整個物理因子複合體……這種係統是地球表麵上自然界的基本單位，它們有各種大小和種類。1940年，美國生態學家RL林德曼（RLLindeman）在對賽達伯格湖（Cedar Bog Lake）進行定量分析後發現了生態係統在能量流動上的基本特點：能量在生態係統中的傳遞不可逆轉；能量傳遞的過程中逐級遞減，遞減率為10%～20%，這也就是著名的林德曼定律。
生態係統的組成分為“無機環境”和“生物群落”兩部分，其中，無機環境是一個生態係統的基礎，其條件的好壞直接決定生態係統的複雜程度和其中生物群落的豐富度；生物群落反作用於無機環境，生物群落在生態係統中既在適應環境，也在改變著周邊環境的麵貌，各種基礎物質將生物群落與無機環境緊密聯係在一起，而生物群落的初生演替，甚至可以把一片荒涼的裸地變為水草豐美的綠洲。生態係統各個成分的緊密聯係，這使生態係統成為具有一定功能的有機整體。無機環境是生態係統的非生物組成部分，包含陽光以及其他所有構成生態係統的基礎物質：水、無機鹽、空氣、有機質、岩石等。陽光是絕大多數生態係統直接的能量來源，水、空氣、無機鹽與有機質都是生物不可或缺的物質基礎。
生物群落包括生產者、分解者和消費者。生產者在生物學分類上主要是各種綠色植物，也包括化能合成細菌與光合細菌，它們都是自養生物，植物與光合細菌利用太陽能進行光合作用合成有機物，化能合成細菌利用某些物質氧化還原反應釋放的能量合成有機物，比如硝化細菌通過將氨氧化為硝酸鹽的方式利用化學能合成有機物。生產者在生物群落中起基礎性作用，它們將無機環境中的能量同化，同化量就是輸入生態係統的總能量，維係著整個生態係統的穩定，其中各種綠色植物還能為各種生物提供棲息、繁殖的場所。分解者又稱“還原者”，它們是一類異養生物，以各種細菌和真菌為主，也包含屎殼郎、蚯蚓等腐生動物。分解者可以將生態係統中的各種無生命的複雜有機質（屍體、糞便等）分解成水、二氧化碳、銨鹽等可以被生產者重新利用的物質，完成物質的循環，因此分解者、生產者與無機環境就可以構成一個簡單的生態係統。消費者指依靠攝取其他生物為生的異養生物，消費者的範圍非常廣，包括了幾乎所有動物和部分微生物，它們通過捕食和寄生關係在生態係統中傳遞能量，其中以生產者為食的消費者被稱為初級消費者，以初級消費者為食的被稱為次級消費者，其後還有三級消費者與四級消費者，同一種消費者在一個複雜的生態係統中可能充當多個級別，雜食性動物尤為如此，它們可能既吃植物（充當初級消費者）又吃各種食草動物（充當次級消費者），有的生物所充當的消費者級別還會隨季節而變化。一個生態係統隻需生產者和分解者就可以維持運作，數量眾多的消費者在生態係統中起加快能量流動和物質循環的作用，可以看成是一種催化劑。
能量流動指生態係統中能量輸入、傳遞、轉化和喪失的過程。能量流動是生態係統的重要功能，在生態係統中，生物與環境，生物與生物間的密切聯係，可以通過能量流動來實現。生態係統的能量來自太陽能，太陽能以光能的形式被生產者固定下來後，就開始了在生態係統中的傳遞，被生產者固定的能量隻占太陽能的很小一部分。然而，光合作用僅僅是08%的能量也有驚人的數目：38×1025焦/秒。在生產者將太陽能固定後，能量就以化學能的形式在生態係統中傳遞。能量在生態係統中的傳遞是不可逆的，而且逐級遞減，遞減率為10%～20%。能量傳遞的主要途徑是食物鏈與食物網，這構成了營養關係，傳遞到每個營養級時，同化能量的去向為：未利用（用於今後繁殖、生長）、代謝消耗（呼吸作用，排泄）、被下一營養級利用（最高營養級除外）。
生態係統中，生產者與消費者通過捕食、寄生等關係構成的相互聯係被稱作食物鏈；多條食物鏈相互交錯就形成了食物網。食物鏈（網）是生態係統中能量傳遞的重要形式，其中，生產者被稱為第一營養級，初級消費者被稱為第二營養級，以此類推。由於能量有限，一條食物鏈的營養級一般不超過五個。生態係統的能量流動推動著各種物質在生物群落與無機環境間循環。這裏的物質包括組成生物體的基礎元素：碳、氮、硫、磷，以及以DDT為代表的，能長時間穩定存在的有毒物質。這裏的生態係統也並非家門口的一個小水池，而是整個生物圈，其原因是氣態循環和水體循環具有全球性，一個例子是2008年5月，科學家曾在南極企鵝的皮下脂肪內檢測到了脂溶性的農藥DDT，這些DDT就是通過全球性的生物地球化學循環，從遙遠的文明社會進入企鵝體內的。
常見的物質循環包括碳循環、氮循環、硫循環和磷循環。
碳元素是構成生命的基礎，碳循環是生態係統中十分重要的循環，其循環主要是以二氧化碳的形式隨大氣環流在全球範圍流動。碳-氧循環的主要流程為：①大氣圈→生物群落。植物通過光合作用將大氣中的二氧化碳同化為有機物，消費者通過食物鏈獲得植物生產的含碳有機物，植物與動物在獲得含碳有機物的同時，有一部分通過呼吸作用回到大氣中。動植物的遺體和排泄物中含有大量的碳，這些產物是下一環節的重點。②生物群落→岩石圈、大氣圈。植物與動物的一部分遺體和排泄物被微生物分解成二氧化碳，回到大氣，另一部分遺體和排泄物在長時間的地質演化中形成石油、煤等化石燃料，分解生成的二氧化碳回到大氣中開始新的循環；化石燃料將長期深埋地下，進行下一環節。③岩石圈→大氣圈。一部分化石燃料被細菌（比如嗜甲烷菌）分解生成二氧化碳回到大氣，另一部分化石燃料被人類開采利用，經過一係列轉化，最終形成二氧化碳。④大氣與海洋的二氧化碳交換。大氣中的二氧化碳會溶解在海水中形成碳酸氫根離子，這些離子經過生物作用將形成碳酸鹽，碳酸鹽也會分解形成二氧化碳。整個碳循環過程二氧化碳的固定速度與生成速度保持平衡，大致相等，但隨著現代工業的快速發展，人類大量開采化石燃料，極大地加快了二氧化碳的生成速度，打破了碳循環的速率平衡，導致大氣中二氧化碳濃度迅速增長，這是引起溫室效應的重要原因。