JPH03266914A - 密閉された生態学的システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物質移動に関する限り地球環境から完全に隔
離され、密閉された、人間を含めた生態学的システムに
係わる。このシステムはエネルギー及び情報の移動に関
しては開がれている。この密閉された生態学的システム
は居住者のためのバランスのとれた栄養を確保すると共
に、炭素、酸素、窒素、水などの閉サイクルが成立する
安定環境を提供するように運用される。

［発明の背景］ 地球は、それ自体で微生物、植物、人間を含めた動物が
多少なりと安定した状態で生存し、物質が絶えずリサイ
クルされる有限の資源であるような１つの生活圏である
。太陽光線の形で絶えずエネルギーが入力される。大気
圏外の宇宙空間との間で得られたり失われたりする物質
の量は微々たるものである。従って、地球は本願明細書
中でバイオスフイア（ＢｉｏｓｐｈｅＩｅ、生活圏）Ｉ
と呼称する密閉された生態学的システムである。地球は
地表、海洋、大気、バイオマスなどの間でほぼ定常的に
物質をリサイクルさせているが、大気中の炭酸ガス濃度
の増大、いわゆる“オゾンホール”のほか、未だ検知さ
れていない種々の現象にみられるようにリサイクルの条
件は必ずしも定常ではない。

諸要因の相互作用を研究し、我々の環境を制御する技術
を開発するためには地球という生活圏のひな形を構成す
ることが望ましい。このような実験を地球環境と実験自
体との間で物質交換が行われるような開放システム内で
実施することは不可能とまでは言えなくても困難である
。従って、地球環境との物質交換が起こらないように完
全に密閉されたシステムを設けねばならない。また、必
要に応して条件を変化させることができる密閉システム
内で制御と科学的研究を行う人間をこの小型化された生
活圏内に配することか望ましい。

内部に人間が住む密閉システムである以上、この人達が
長期にわたって健康を維持できるようにバランスのとれ
た食事が与えられると共に、有意義な科学的研究を行う
のに必要な長い期間にわたって密閉システムがほぼ定常
な状態に維持されるように炭素、酸素、窒素、その他の
養分、水などの閉サイクルを確立しなりればならない。

そのため、バイオスフイア■と呼ばれる完全に密閉され
た生態学的システムが米国アリシナ州オラクル付近に建
設中であるっこのシステムは約１ヘクタールの土地と、
非透過性皮膜により物質移動が起こらないように地球環
境から隔離された１７５、０００　ｍ３の空間を完全に
密閉する。皮膜の地表から上方の部分は太陽光線を受け
るためほぼ透明である。密閉システムへは電気エネルギ
ーが供給され、必要に応じてシステムとの間で熱の伝達
を行うこともできる。即ち、バイオスフイア■密閉生態
学的システムは物質に関しては閉鎖されているがエネル
ギーに関しては開放されている。有意義な研究を行うこ
とができるように情報伝送についても開放されている。

バイオスフイア■システムは密閉されたまま８名の人間
が２年間以上にわたって健康な生活条件下で居住できる
施設を提供するものであり、システム内の多様な植物、
動物及び微生物が長期間にわたって生態学的バランスを
確立する。

バイオスフイア■、即ち、地球では、極めて多様な生命
種が互いに作用し合うと共に、種々の化学的、物理的反
応が作用する結果として、人間が干渉しなくても比較的
定常な状態が維持される（人間はむしろこの定常状態を
崩す）。しかし、比較的小さい密閉生態学的システムで
は、居住可能な環境が人間の干渉なしで長期間持続する
とは考えられない。従って、多くの必要機能を満たすた
めには密閉システム内における物質のサイクルを制御す
る手段が必要となる。

密閉システムは人間、動物、及び人間を含めた動物が食
用バイオマスとして依存しなければならない多様な植物
種の生息に適した組成の大気を維持するものでなければ
ならない。また、植物、人間及びその他の動物が健康を
保てるような水質及び水量を確保しなければならない。

この種の密閉された生態学的システム内の定常状態は比
較的短い時間にわたって変動する可能性があり、“自然
に”、即ち、純粋に化学的な干渉を加えるのではなく生
物を操作することによって定常状態を制御する手段が望
ましい。即ち、化学的干渉は密閉システム内の生命を維
持するために絶えず物質をリサイクルさせる循環をその
まま持続させず、物質の一部を固定するおそれがある。

例えば、密閉システム内の大気中炭酸ガス濃度をシステ
ム内に住む人間や他の動物にとって許容できる範囲に維
持し、食用バイオマス及びリサイクル可能な炭素系物質
の供給に必要な植物の定常的な生長を可能にしなければ
ならない。適当な炭素サイクルを維持するには人間の干
渉が必要になる。

環境内に栽培される多様な植物が同系交配のために衰退
するおそれもある。比較的狭い密閉された生態学的シス
テム内では多種にわたる変種植物を継続的に栽培して多
様性を維持するだけのスペースがないから、遺伝子的な
多様性を維持するためには人間の干渉が必要になる。密
閉システム内では物質の量及びスペースに限界があるか
ら、定常状態維持に必要な種々の現象を集約的に制御し
なければならない。さもないと、短時間でシステムのバ
ランスが総体的に崩れる。

［発明の概要コ そこで、本発明の一実施例として、地球環境から隔離さ
れ、密閉された生態学的システムのバランスを制御する
方法を提案する。多様な植物種を栽培するために土壌層
を利用し、土壌層のほとんどすべてにおいて好気性微生
物が生長できる条件を維持するのに充分な流量で大気中
から土壌層に空気を循環させる。これにより空気中の毒
性物質や酸化しやすい物質が土壌粒子に吸着され、土壌
中の微生物によって代謝されることで除去される。

密閉システム内の大気中炭酸ガス濃度は炭素を固定する
植物の成長速度を調節することによって制御すればよい
。成長速度を制御する簡単な方法としでは、例えばＣ４
草類（ｇｒａｓｓｅｓ　、牧草）のような成長の速い植
物に対する給水を制御すればよい。

本発明の上記及びその他の特徴と長所は添付の図面に沿
った以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

［詳細な説明］ 密閉された生態学的システムの基本構造は、ゆるやかな
山腹にコンクリート基礎を打込み、このコンクリート基
礎上に鋼管から成るスペースフレーム２１を組立て、こ
のフレームにガラスを嵌込んだものである。基礎のコン
クリートには、空気、水、その他の物質が基礎を通して
移動するのを防ぐため、溶接された漏れ試験済みのステ
ンレススチール製被覆または蓋体が埋込まれている。地
上構造の大部分はガラス壁で被覆され、継目はすべて密
封されている。密閉された生態学的システムの内部と地
球環境との間で空気その他の物質が移動しないようにガ
ラスもまた基礎のステンレススチール蓋体に密封されて
いる。

システムは外気圧よりも高い約１５００ダイン／　ｃｒ
＆（水銀柱約１−ｍｍ）の圧力で作用するように構成さ
れ、（図示しないカリ大型の圧力補償“肺”またはアキ
ュムレータによって周囲の圧力変化、温度変化などを補
償する。

第１図に示すように密閉システムには３つの主要部分が
ある。先ず、第２図に長手方向断面図でも示すように約
０．６ヘクタールにまたがる細長い野生（ｗｉｌｄｅｒ
ｎｅｓｓ）モジュール構造２２があり、この野生モジュ
ール構造２２の一方の側には、通常は野生モジュールに
対して開放されているが緊急時には隔離できる集約農耕
モジュール２３がある。集約農耕モジュール２３の一方
の側には密閉システム内に居住する人間及びその他の動
物を収容する居住区域２４がある。農耕、制御、メンテ
ナンスなどのために人間がシステム内の隅々まで往来で
きることはいうまでもない。

本発明を理解する上で必要でないため、人間の居住区域
、各種実験室及び作業室、地下ポンプ、ファン、熱交換
器、復水器、倉庫などの詳細は図示しなかった。（図示
しない）復水コイルは野生バイオーム各部における植物
の成長を制御するための給水に利用される水を大気中か
ら復水する。

密閉システムの被膜内面でも復水が起こり、野生バイオ
ームの一部への給水に利用される。

密閉された生態学的システムの最大部分を形成する野生
バイオームは山頂側の端部に背の高いほぼピラミッド形
のスペースフレーム構造２６を有し、高さ約２６ｍ１床
面積＋９０ＯｒＩｆのこのピラミッド内に、バイオスフ
−イア■の熱帯雨林で良く成長するのが特徴の植物、昆
虫及び小動物を含む熱帯雨林２７がある。熱帯雨林バイ
オームからの余剰水は岩壁の上に広がる熱帯サバンナバ
イオーム２８の小川を流れる。さらに淡水及び塩水の湖
沼２９へ流入し、最終的には塩水の海洋３１へ流入する
。熱帯ザバンナバイオーム２８と野生バイオームの最低
高度にある砂漠バイオーム３２との過渡部にはイバラ／
低木林３３がある。

サバンナ及びイバラ／低木林は断面がほぼ台形を呈する
頂部が扁平に近いガラス張りスペースフ１− ２ レームモジュール３４に収容されている。砂漠バイオー
ム３２は野生バイオームの最低高度にあるほぼピラミッ
ド形のスペースフレームモジュール３６内に収容されて
いる。野生バイオームの温度は大抵の砂漠地帯よりも高
いから、砂漠バイオームに栽培すべく選択される植物は
、降雨量は少ないが温度は高い海岸沿いの霧の多い砂漠
によく見られるような植物である。

長期の閉サイクルを通して多量のバイオマスが維持され
るように野生モジュールに多様な動植物種を配し、これ
により密閉システム内の炭素、酸素、窒素、水などのサ
イクルが実質的に緩衝される。モジュール内には小さい
ものからスペースフレームの高さ以内に収まる樹木に至
るまで約４．０００種の植物が栽培され、約２５０種の
昆虫及び約２５０種のを推動物も収容されている。

このような多様性はバランスのとれた環境と害虫に対す
る抵抗力を維持する」二で有効であるだけでなく、この
種のシステムにおいて予想される種の絶滅を補償する上
でも有効である。種によってはシステム内の人間及び家
畜に食物を提供するものもある。例えば、僅かなコーヒ
ー豆を収穫するため、数本のコーヒーの木が含まれる。

野生バイオーム及び後述する集約農耕区域における植物
種選択の基準は単に最大限の多様性を与えればよいとい
うものではない。食用種は総合的に人間の生活を支え、
人間及び家畜に対して栄養的に完全な食事を提供しなけ
ればならない。農作物の、さらに好ましくほぞの他の植
物の再生プロセスは放任受粉によるものでなければなら
ない。

密閉された生態学的システムに選択される生命体はいず
れも環境パラメータ、例えば、密閉システムの使用寿命
中に予想される大気組成、湿度、温度レベルなどに適応
可能でなければならない。

代表される種族の総数をできるだけ多くし、５つの生活
圏のすべてを代表させる。進化論的にシステム内の環境
パラメータに迅速に適応できる種を選択し、必須の食物
サイクルを完成するか、または必須の生態学的機能を提
供する種も選択する。

多様性を与えることでシステムの冗長度も増大し、長期
間にわたって安定性が維持されることになる。

植物だけでなく、システム内にはを椎動物及び無を椎動
物を含む動物種も生息させ、受粉のため、蜜蜂、蛾、蝶
のような昆虫や、蜂鳥、フルーツこうもりなどを生息さ
せる。また、種子を散布させ、食物環を閉じる一方、居
住する人間に愉しみを与えるためその他の鳥類も生息さ
せる。さらに、システム内のサバンナ草類及びその他の
セルロース物質を分解するある種の白蟻のような広範囲
にわたる昆虫やウオームなどを生息させる。ゴキブリや
ダニ、さらには−見害虫と考えられる蚊なども生息させ
る。蚊のポピユレーション調節を助け、残骸を土壌や水
中の貴重な養分に変えるトンボも生息させるのに有用な
種である。

農作物に被害を及ぼすアブラムシなどのような害虫を制
御するのにチンドウ虫は極めて有益である。害虫制御は
すべて生物学的な手段、植物の洗浄などによって行われ
るから、その他の捕食動物や寄生昆虫を生息させてもよ
い。土壌層に使用される自然のままの土壌に肥沃な初期
条件を与えるのに不可欠な肥料や、駆除が特に困難な害
虫を制御するのに必要な、例えばＣ１ａｎｄｏｓａｎ　
　（商品名）のような線虫駆除剤を例外として、密閉シ
ステムには殺虫剤、除草剤、化学肥料の類は一切導入し
ない。

予想される害虫の問題は種々の生物学的技術と栽培技術
によって処理する。害虫を捕食する益虫を飼育し、必要
に応じてこれをその対象となる作物中に放す。被害を受
けやすい単一種の作物だけが栽培されている場所に害虫
が集まるのを防止するため異種の作物を一緒に植える（
間作または混作）。遺伝学的に多様性を与えることで植
物ポピユレーション中に抵抗力の大きい変種が発生する
可能性も大きくなる。特定の害虫または病原体に弱い作
物を強い作物と輪作する。

地表上の植物ドーム及び土壌中の根圏内に種々の生態系
を形成することによって害虫が経時的に増えるのを防止
するため、狭い領域に種々の作物を栽培する。植物を水
洗したり、害虫及び害虫に汚染された領域を物理的に掃
除したりする機械的５ ６ な方法も必要に応じて利用できる。極めて有意義な対策
は絶えずモニターして虫害を早期に発見し、適切な方法
で直ちに対応し、問題を極力軽減することであろう。

炭素サイクルに寄与する役割に着目し、植物種及び動物
種の一部に好適な生息場所を提供するため、サンゴ礁の
極く小さい部分を“海洋”に組込んだ。約２５０種の魚
類も生息させる。魚類の排泄物中にはアンモニアが含ま
れており、自然発生する微生物がこのアンモニアを硝酸
塩に変換し、硝酸塩は魚類が生息している水中の藻類及
びこの水によって潅厩される作物の栄養として利用され
る。

システムの生息域で養殖される魚類のうち、重要な種は
藻類や植物層を食べて、農耕区域ヘリサイクルできる富
栄養水を提供してくれるテラピアである。テラピアは繁
殖力が旺盛であり、密閉システムに居住する人間の食事
を豊富にする。

密閉システムに組込まれる候補であるかに見えながら種
々の理由で、例えばシステム内の環境では再生能力がな
いとの理由で除外される種がある。

環境パラメータの許容限度がシステム内の条件に合わな
いような種は除外される。システム内での限られた食物
環では生き延びることができない、あるいは生育に利用
できる容積に照らしてサイズ上の制約を受けるような種
も除外される。システム内の必要不可欠な種に対して有
毒な種も除外される。

密閉システム内に組込むべきか除外すべきかを決定する
際には、所与の生命体が居住する人間においしい食事を
提供できるか、あるいは薬剤としての需要を満たすこと
ができるかどうかも考慮しなければならない。他の基準
を全部満たしている場合、システムの美的な特性に寄与
する種を選ぶことが望ましいことはいうまでもない。

システムに組込まれる種としては、土壌中に生息する多
様な微生物、菌類なとのほか、密閉システム内に存在す
るその他の種の生命体も考えられる。好気性及び嫌気性
の生命体が共存し、密閉システムの全体的な生態学的バ
ランスに貢献する。

密閉システムの居住モジュールの１つの階を第３図に示
した。システムに居住する人間のための極く通常的な生
活設備や住居部分は図示の階よりも上方の階に設けられ
ている。このシステムの残りの部分と同様に、居住モジ
ュールの基本的なフレームワークは外界を充分に展望で
き、逆にシステム内の活動を観察できるように鋼製スペ
ースフレームにガラスを嵌込んだものである。

例えば図示の階には１つのアルコーブニ仕事場４１、も
う１つのアルコープに広いリクレエーション／体育室４
２がある。休憩室、シャワー室、ランドリー室、物置な
どもある。密閉控え室４３にはバイオスフイア■の外側
の外部環境に通ずるドアがある。控え室４３と密閉シス
テム内部の間には急患などに備えたり、所要の実験条件
を達成するためシステム内へ他の物質を導入する際に利
用されるエアロツク室４４がある。エアロツク室４４の
近くには、特殊なメンテナンス作業を実施したり、医療
緊急事態などに活動するため密閉システムに入る臨許の
訪問者が着用する宇宙服に似た気密服の収納室４６があ
る。

居住する人間にバランスのとれる栄養が提供される定常
状態の密閉された生態学的システムを維持する上で特に
重要なのは第３アルコープ４７に設けられた家畜の部屋
である。この部屋には少数の鶏を飼う囲い４８があり、
鶏は居住する人間に食事の一部として卵を提供し、時に
は肉を提供する。雑食性で、居住者に肉を提供してくれ
るピグミービッグを飼育する３つの囲い４９がある。山
羊の囲い５１には数頭の山羊が飼われ、居住者にミルク
と、必要に応じて肉も提供する。搾乳室５２も別に設け
である。

近くに多数の水槽５３があり、テラピアその他の食用魚
を集約的に飼っておくことができる。魚の餌と排泄物を
注意深く制御することにより、狭いスペースにおいて、
高密度養殖により多量の貴重な蛋白質を生産できる。ま
た、魚類は野生バイオームの湖沼からも捕獲できる。人
間の食事を補給するこのような動物飼育場所は任意であ
り、必要とする食事に応じて異なる。

居住区域に隣接して集約農耕モジュール２３が↑９ ０ ある。集約農耕モジュール２３の床面は作物に供給され
る余剰水を集めるためのドレンがあるだけで閉鎖されて
おり、この閉鎖された床面には厚さが約０．５乃至１．
５ｍ、好ましくは約１ｍの土壌層が２０００ｒ＆にわた
って重ねられている。この土壌層には生態学的システム
を密閉する前に堆肥として有機物質を施し、密閉システ
ムの定常状態での運用中と同じ初期条件を確立しなけれ
ばならない。

作物の残り屑や人畜の排泄物を直接的または間接的に土
壌へ還元することにより、密閉システムの運用中、土壌
を肥沃な状態に維持する。

土壌層には種々の微生物が接種されているが、その一部
は元々土壌中に存在していたものであり、その他の微生
物は密閉システム内の物質サイクルがバランスを保つよ
うに改めて接種したものである。この土壌層は密閉シス
テムに居住する人間及び動物に食用バイオマスを提供す
るため集約農耕を行う基層ともなる。従って、植物栽培
に最適な状態とするのに必要な、例えば燐鉱、燐、鉄、
硫黄、窒素塩などによる化学的な土壌改良をも先ず行う
。次いで土壌が無期限に農耕を可能にするように土壌を
管理する。

第４図に示す実施例の場合、農耕区域を、居住者が作物
域への接近に利用できる狭い通路１９によって互いに分
離された幾つかの区域、例えば、区域１乃至１８に分割
されている。個々の作物域には密閉システムに居住する
人間及び動物の食事として利用できる多様な植物種が栽
培される。

区域に多様の種を栽培するだけでなく、植付は及び収穫
時期を互いにずらすことにより、１つの区域には若い植
物が、隣りの区域には成熟した植物が、さらに他の区域
には成長の中間段階の植物がそれぞれ生育中であり、こ
の時点で第４の区域が別の作物を導入するため耕作中で
あるというようにする。また、必須の栄養物が土壌から
枯渇するのを防ぐため、所与の区域における作物が絶え
ず変わるように輪作の原則を厳守する。集約農耕及び植
物種間相乗作用の効果を高めるためには間作をも採用す
ればよい。

この比較的広い区域１乃至１８に栽培される作、物とし
ては、デンプン質野菜、穀類、家畜飼料、脂肪種子、高
脂肪及び低脂肪豆科植物、その他種々の果物及び野菜、
さらには堆肥としてまたは直接的に耕して土壌に施すこ
とのできる緑肥などが挙げられる。

広い区域のほかに、第４図に交差対角線で示す比較的狭
い区域５４をも利用して、他の作物や家畜からの動物性
食物と共に居住者にバランスのとれた食事を提供する種
々の野菜を集約栽培することができる。

作物の残留物や作物の食べられない部分を動物の排泄物
と共に堆肥にして土壌に混入することにより、土壌中の
窒素と炭素の比が約１＝１０乃至１：３０の範囲に維持
されるのを助ける。排泄物や植物層の一部は堆肥にせず
に直接土壌中に混入する。

ただし、病原体が存在する場合にこれが作物区域ヘリサ
イクルされる前に破壊されるように人間の排泄物は堆肥
化するかまたは殺菌することが望ましい。集約農耕区域
の床面に設けたドレンから回収された富栄養の余剰水は
土壌層中の作物の根へリサイクルさせる。

空気を、農耕区域における土壌層の下の多孔床から導入
させて上向きに流動させるか、または多孔床を通して吸
引して土壌中を下向きに流動させることにより土壌床を
反応器として作用させる。

空気は土壌層のほとんど全域の微生物のための好気性増
殖条件を維持するのに充分な流量で循環させる。また、
時々嫌気性条件の部分が発生する可能性がある。

このような通気は土壌層上の作物の成長を促進するのに
有益である。また、土壌床を反応器として作用させれば
、白蟻などの場合に起こるように排泄物及び嫌気性消化
から放出されて大気中に発生する有機質及び無機質の有
害ガス、悪臭ガス及び有毒ガスを酸化処理してくれるか
ら有益である。

密閉システムの炭素バランスの一部は、植物、動物の排
泄物、人間の排泄物からの食べられないバイオマス、及
び余剰の食べられるバイオマスを土壌層へ再導入するこ
とによって維持される。土壌中の微生物は炭水化物、蛋
白質及び炭酸ガスを３ ４ 生成する炭素系物質を代謝する。微生物ポピユレーショ
ンを健全な状態に維持すると共に植物の好ましい成長条
件を維持するには土壌中の炭素／窒素バランスを維持し
なければならない。

密閉された生態学的システムの要点の１つは安全かつ快
適な、しかも密閉システム内の植物、動物及び微生物の
健康と成長に最適な大気を維持することである。公知の
ようにバイオマスの植物園で起こる光合成には炭酸ガス
が利用され、大気中の酸素量を増大させる。動物の新陳
代謝中に酸素が消費されて炭酸ガスが生成することはい
うまでもない。大気を構成するこれらの主要成分が許容
レベルに維持されるようにシステムの炭素及び酸素のサ
イクルのバランスを維持しなければならない。

大気中の炭酸ガス濃度は植物の成長を促進し、しかも動
物に有害ではない約１５０乃至１０．０００ｐｐｍ　。

好ましくは約３００乃至５００ｐｐｍでなければならな
い。

密閉システム内の大気中炭酸ガス濃度をこのようなレベ
ルに維持することは長期間の安定を確保する上で重要で
ある。システム内の植物は炭酸ガス濃度をかなり緩和す
る。即ち、ＣＯ２レベルが高くなればバイオマス中の炭
素固定量が増大し、低くなれば固定量も少な（なるから
である。人為を加えない緩和作用だけでは長期間にわた
って所要レベルを維持するのに不充分である。

大気中の炭酸ガス濃度はシステム内の植物の成長速度を
調節することで制御できる。システム内の炭素総量の大
部分は生命を有するバイオマスの形態で存在する。炭酸
ガス濃度が最適レベル以上に増大したら、植物内への炭
素結合量を増やすように植物の成長を促進すればよい。

逆に、炭酸ガス濃度が低下し始めたら、植物の成長を遅
らせて植物組織内への炭素固定を制限すればよい。

密閉システム内の植物成長を制御する最も簡単な方法は
給水量の大きい変動に耐え得る特定植物への給水を制御
する方法である。このような植物に漕概することにより
その成長を促進することができる。また、比較的乾燥し
た状態に維持することで成長を遅らせることができる。

システム内の植物をすべてこの目的に利用できるわけで
はなく、例えば湿地バイオームの植物は常時はとんど無
制限の水を与えられている。同様に、多雨林の植物は長
期にわたる給水量の大きい変動には耐えられないのが普
通である。システム内の人畜の栄養として利用される作
物にはもっと重要な役割があり、その成長を遅らせるこ
とは人畜にとって有害であるから、炭素制御に利用しな
い方が好ましい。

密閉システムの大気中における炭素サイクルの制御に特
に好適なのは野生バイオームのサバンナ区域に栽培され
ている草類（ｇｒａｓｓｅｓ、牧草）である。草類は土
壌中の水分変動には著しい適応能力を有し、給水量が増
えると速やかにこれに応答する。また、草類の繊細な構
造は微生物によって分解されやすいから、このバイオマ
ス中に結合された炭素は比較的速やかに大気中へ戻され
る。

大気中の炭素制御に有用な他の区域は砂漠バイオームで
ある。早ばつに強い砂漠バイオームの多くは長期間にわ
たって給水を断たれたままでもよい。即ぢ、砂漠バイオ
ームには早春のシーズンに大量の炭酸ガスを摂取できる
短命な春咲き植物群がある。ただし、春季に砂漠バイオ
ームに対する給水を控えると炭酸ガス吸収の傾向は現わ
れず、給水量を制限すると炭酸ガス吸収量も制限される
。

この制御は炭酸ガス吸収能力が夏季に最大となるザバン
ナの草類と時期がずれる。従って、涼しいシーズンでも
成長の速い草類種を選択すればよい。

炭酸ガス濃度の制御には多雨林バイオームも利用できる
。給水を控えることによってこのバイオームにおける成
長を遅らせることにより炭素固定量を減少させることが
できる。

野生モジュールの各区域に対して選択的に漕厩する給水
系を第５図に略示した。給水系は通常の埋設管、弁及び
必要に応じて滴下式潅水、散水または冠水滑部を行う放
水装置からなる。システム内の各バイオームの給水需要
はそれぞれ異なり、システムのバランスを保つためには
個々の植物に対して給水を個別に制御するのが有効であ
るから、複数の給水系を使用する。

複数のバイブロ１が多雨林の地中及び頭上に配７ ８ 設されており、必要に応じて給水する。降雨状態を再現
するためには頭上のスプレィを利用すればよい。給水は
地中でも行うことができる。図中、６２はこのパイプ群
と連携する単一の弁である。

ただし、多雨林の任意の区域に給水できるように、ある
いは単に給水系の圧力降下及び流量を適正レベルに維持
するだけの目的で複数の管系及び弁を並列に利用しても
よい。

サバンナバイオームの草類生育区域への給水にもバイブ
ロ３及び弁６４を含む同様の給水系を利用する。システ
ムの湿地帯に必要な多量の水を供給するためにバイブ６
６及び弁６７を含む別設の給水系を利用する。必要なら
沼地のために給水系を別設してもよいが、多くの場合、
多雨林から流出する分だけで充分な給水を受けることが
できる。

砂漠バイオームに対してもバイブロ８及び弁６９を含む
給水系を別設する。

大気中の炭酸ガス濃度を増大させる他の方法は土壌の耕
作である。土壌は撹乱されたり炭素を余計に添加される
と００２生成を増大させる。土壌を撹乱すると粘土粒子
が細分されてその露出表面積が大きくなる。このような
耕作を野生バイオームまたは農耕区域で行うことにより
、土壌中の微生物増殖が促進されて炭酸ガス放出量を増
やす。

従って、土壌の一部を耕すか、分解可能な炭素系物質を
これに添加するか、あるいはこの双方を併用することに
より、土壌からの炭素呼吸を促進することができる。

例えば、炭酸ガス濃度を急増させたければ、刈取った草
類を土壌中へ併入すればよい。山羊などに与える草類の
量を増やしても、山羊厩肥中における炭素系物質の分解
を促進することができる。

Ｃ４植物の成長速度を制御することが特に重要である。

Ｃ４草類はＣ３草類に比較して、密閉システム内で時々
起こりやすい高温、高照度条件に強い。Ｃ４草類は早ば
つにも強いから、バイオマスへの炭素結合を最小限に抑
制しなければならない期間中の給水不足状態に耐えるこ
とができる。

Ｃ４草類はＣ３草類よりも成長が速く、炭素結合を促進
したいときＣ３よりも迅速に達成される。

好適なＣ４草類の種としてはＰｅｎｎｉｓｅｔｕｍ　（
バッフルグラース）　、５ｅｔａ＋ｉａ、　　Ｌｅｐｌ
ｏｃｈｌｏａ、　　Ｃｙｎｏｄｏｎ（バーミューダ）　
、Ｍｕｈｌｅｎｂｅｒｇｉａ、　　Ａ＋１ｓｊｉｄａ、
　及びＰａｎｉｃｕｍなどが挙げられる。

要約すると、大気からの炭酸ガス除去はサバンナ草類ま
たは砂漠バイオームに給水することによって促進するこ
とができる。逆に、これらのバイオームまたは多雨林か
らの給水を控えることで炭酸ガス除去を遅らせることが
できる。土壌を耕すか、または刈取った草類のような有
機物を分解させることによって大気中の炭酸ガス濃度を
増大させることができる。これらの効果をバランスさせ
ることにより炭酸ガス濃度を適正レベルに維持すればよ
い。

なお、炭酸ガス制御は長時間にわたって行われるから、
変化を予想し、これに対処するためには動向を判断する
ためのモニターが必要である。バイオマス中に固定され
る炭素は急激な増減に対してかなりの慣性を有するから
、サイクルは数日間ではなく数週間に及ぶ。

密閉システムの運用初期段階では炭素バランスは不安定
であり、この傾向をできるだけ軽減するため、システム
を密閉する際には作物その他の植物の成長段階及び成長
速度にバラツキを設ける。

炭素不足を補うためには、分解可能なセルロース物質の
形で蓄積されている炭素、例えば、木屑やわらなどを利
用してもよい。

密閉システム内の水循環も重要な構成要件である。野生
モジュール内には地球の水循環の部分的なシミュレーシ
ョンがある。特に多雨林区域では大気中の水分が復水し
、地表を流れたり、地中に滲透したりする。また、上述
したようにサバンナ区域を季節的に冠水させることもで
きる。複雑な生態系を有する淡水湖沼から干満に応じて
温度が変化する河口へ、さらに小規模な塩水性海洋に至
り、海洋から大気中への蒸発が起こる。これらはすべて
野生モジュールにおける複雑な水循環の各部分を形成す
る。

野生モジュールと農耕モジュールとの間でもある程度の
水交換が行われる。水循環の平衡を調整１ ２ するため、ある程度の水、特に飲用水を貯蔵して置けば
よい。また、密閉システム内の水循環を促進し、好適な
環境を維持するためには外部エネルギー源による蒸溜及
び復水を利用してもよい。

必要に応じて集約農耕モジュールの作物に給水して植物
の最適成長を可能にする。給水は滴下式潅厩によって行
うか、まだは頭上からの散水や冠水潅概によって行う。

余剰潅概水は農耕区域から排水に再循環させることによ
り、植物性栄養を残らず利用されるようにする。養魚サ
ブシステム、動物及び人間の尿及び固形排泄物の一部か
らも水が回収される。洗濯、掃除、調理などのような人
間の活動からも水が放出される。

このような液体源からの水を回収し、再利用される液体
源として適当に処理し、密閉システム内を再循環させる
。例えば、人畜の排泄物は病原体の増殖を抑制するため
殺菌する。必要ならば水を濾過するか、紫外線、過酸化
水素またはオゾンで処理することによって有機物を酸化
したり、ｐＨを制御したりすることもできる。

窒素循環も密閉システムの重要な構成要件である。土壌
層ヘリサイクルされる人畜の排泄物は窒素循環の重要な
部分を形成する。土壌層中の種々の微生物は見料植物と
協働して空気中の窒素ガスを植物が利用できる化合物に
変化させる。その他の微生物は植物性物質を分解し、そ
の過程で空気中の窒素ガスを放出する。従って、土壌か
らの窒素損失は他の食用作物と共に窒素固定用の作物を
栽培することによって補償される。これらの植物に組込
まれた窒素は土壌への作物すき込み、作物の刈取り、刈
取った作物の堆肥化及びその施肥、窒素分の豊富な作物
による家畜飼育及び土壌への厩肥施与を組合わせること
で土壌へ戻すことができる。

燐は土壌中に停滞する傾向がある。このような停滞燐の
供給源となる燐鉱などに微生物が作用すると経時的に燐
がゆっくり解放されて土壌を肥沃な状態に維持する。土
壌中のウオームも有用である。

密閉システム内有機物にはメタンや−酸化炭素のような
有毒または有毒ガスを自然発生させるものがある。土壌
法反応器として作用する土壌層中に微生物が増殖しやす
い条件を維持することにより、窒素、炭酸ガス、酸素及
び微量ガスの濃度が適正な、快適かつ健康的な環境を確
立するバランスのとれたシステムを維持するのが容易に
なる。

密閉された生態学的システムの種々の構成要件を以上に
詳述したが、ほかにも変更を加えた実施態様が可能であ
ることはいうまでもない。このような密閉システムのた
めに選択される植物及び動物の種は遭遇を予想される環
境パラメータ及びバランスのとれた生態学的環境におけ
るこれらの種の相互作用に基づいて広い範囲で選択でき
る。本発明の密閉システムの各構成要件の物理的構成も
上述した具体例とは異なる形で実施できる。

従って、本発明は特許請求の範囲内で上記実施例以外の
態様で実施してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の完全密閉生態学的システムであるバイ
オスフイア■の斜視図、第２図は密閉生態学的システム
の一部を示す長手方向断面図、第３図は密閉生態学的シ
ステム内の人間及びその他の動物の居住区域第１階の部
分平面図、第４図は密閉システム内層性区域に隣接する
集約農耕区域を略示する平面図、第５図は密閉システム
内の野生区域を略示する平面図である。 ２２・・・野生区域（モジュール） ２３・・・集約農耕区域（モジュール）２４・・・居住
区域 ２６・・・スペースフレーム構造 ２７・・・熱帯雨林 ２８・・・熱帯サバンナバイオーム ３２・・・砂漠バイオーム

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）物質を閉じ込め、外部からの物質の侵入を排除す
   るための囲いと、 囲い内の動物種に食物を供給する囲い内の農耕区域と、 多様な生態学的適地を有し、これらの適地に好適な多様
   な植物種を有する囲い内の野生区域と、システム内大気
   中の炭素バランス変化に呼応して、またはこれを予測し
   て前記野生区域内の種々の生態学的適地に対して選択的
   に給水する手段から成ることを特徴とする密閉された生
   態学的システム。
2. （２）野生区域が草類栽培区域を含むと共に草類栽培区
   域へ選択的に給水する手段を含むことを特徴とする請求
   項第（１）項に記載の密閉された生態学的システム。
3. （３）草類がＣ４草類種を含むことを特徴とする請求項
   第（２）項に記載の密閉された生態学的システム。
4. （４）野生区域が、給水を止められると植物の成長が抑
   制される森林バイオームを含むことを特徴とする請求項
   第（１）項から第（３）項までのいずれかに記載の密閉
   された生態学的システム。
5. （５）野生区域が、給水されると植物の成長が促進され
   る砂漠バイオームを含むことを特徴とする請求項第（１
   ）項から第（４）項までのいずれかに記載の密閉された
   生態学的システム。
6. （６）地球環境から隔離された生態学的システムのバラ
   ンス制御方法であって、 システム内に土壌層を設け、 土壌層に多様な植物種を栽培し、 システム内大気中の炭酸ガス濃度の低下に呼応して、ま
   たはこれを予測して植物の少なくとも一部の成長速度を
   制御することによって密閉システム内の大気中炭酸ガス
   濃度を適正レベルに制御する ステップから成ることを特徴とするバランス制御方法。
7. （７）土壌層に栽培される植物種の少なくとも一部が早
   ばつに耐える砂漠植物であり、制御ステップが砂漠植物
   への給水量制御を含むことを特徴とする請求項第（６）
   項に記載の方法。
8. （８）土壌層に栽培される植物種の少なくとも一部が草
   類であり、制御ステップが草類への給水量制御を含むこ
   とを特徴とする請求項第（６）項または第（７）項に記
   載の方法。
9. （９）植物がＣ４種を含むことを特徴とする請求項第（
   ６）項から第（８）項までのいずれかに記載の方法。
10. （１０）植物の少なくとも一部が多雨林で生長する植物
    であり、この多雨林への給水を少なくともある程度差控
    えるステップをも含む請求項第（６）項から第（９）項
    までのいずれかに記載の方法。
11. （１１）制御ステップが土壌にバイオマスを導入するこ
    とによって分解を促進するステップを含むことを特徴と
    する請求項第（６）項から第（１０）項までのいずれか
    に記載の方法。
12. （１２）制御ステップが土壌の一部を耕作するステップ
    を含むことを特徴とする請求項第（６）項から第（１１
    ）項のいずれかに記載の方法。