Несмотря на множество стратегий, разработанных для обеспечения стабильности систем, заключенных в стеклянный пузырь, вскоре были отмечены серьезные изменения. Как и ожидалось, концентрация углекислого газа в воздухе сильно колебалась. В воздухе за пределами герметичной системы концентрация этого газа составляла около 370 частей на миллион (ppm), и хотя она повышалась (и продолжает расти) на пару частей на миллион в год (она достигла 396 ppm в 2012), концентрации этого парникового газа в остальном относительно стабильны.
Внутри Биосферы 2 суточные колебания составляли целых 600 частей на миллион, с падением в течение дня, когда растения поглощали углекислый газ, с последующим повышением ночью, когда растения выделяли его естественным образом. Нельсон говорит, что «мы могли сидеть в диспетчерской и наблюдать за изменяющимися условиями. Примерно каждые пятнадцать минут уровень углекислого газа пересчитывался, и даже когда вы не можете видеть через окно, вы знаете, когда облако прошло перед солнцем, потому что скорость снижения CO2 будет снижаться по мере снижения фотосинтеза ».
Еще более значительными были сезонные колебания концентрации: зимой уровни составляли 4 000–4 500 частей на миллион, а летом - около 1000. Ученые упорно трудились, чтобы поддерживать более стабильный уровень углекислого газа, например, контролируя поливную воду, чтобы помочь быстрорастущим растениям быстрее удалять CO2 из воздуха. Они также собирали растительный материал в саванне, чтобы хранить его и содержащийся в нем углерод.
Менее ожидаемым было временное накопление следовых газов. Несмотря на то, что были предприняты все меры, чтобы избежать материалов, которые могут выделять токсичные газы, вскоре после закрытия было обнаружено, что что-то их выделяет. Нельсон вспоминает, что «мы обнаружили повышение содержания следовых газов во время анализа воздуха, и ученые снаружи сказали нам, что следы газа появились из-за клея ПВХ или растворителей. Мы разошлись веером, ища, пока в темном углу подвала техносферы кто-то не нашел маленькую бутылочку клея. Когда она была закрыта, крышка имела поперечную резьбу, поэтому из нее выделялись газы, которые мы могли обнаружить. Мы запечатали ее и отложили в сторону, и затем газ начал снижаться ».
Более тревожным с точки зрения благополучия экипажа внутри было изменение уровня кислорода. Начиная с нормальной атмосферной концентрации этого газа чуть ниже 21 процента, уровни неуклонно снижались и через шестнадцать месяцев достигли 14,5 процента. Для биосферы это было эквивалентно уровню кислорода, обнаруженному на высоте около 4000 метров над уровнем моря, и, помимо других симптомов, вызывало головные боли и усталость.
Для начала было непонятно, почему происходит повышение уровня СО2. Одним из предполагаемых источников была активность почвенных микроорганизмов. Считалось, что эти крошечные формы жизни разрушают молекулы углерода в почве быстрее, чем предполагалось, и когда атомы углерода были освобождены от химических связей, которые удерживали их в органическом материале почвы, они соединились с кислородом воздуха, чтобы сформировать СО2. Считалось, что этот процесс может привести к увеличению концентрации углекислого газа при одновременном снижении уровня кислорода.
Однако уровни углекислого газа не выросли так сильно, как ожидалось, и эксперименты показали, что на изменения, измеряемые в воздухе, воздействовал еще один фактор: CO2 поглощался участками открытого бетона внутри Биосферы 2. Скорее как богатые кальцием горные породы в реальном мире, CO2 откладывался в виде карбоната кальция в Биосфере 2, что эквивалентно геологическим месторождениям.
Оглядываясь назад, Аллен считает, что «самая большая инженерная ошибка, которую мы совершили, заключалась в том, что мы оставили голый бетон». Мы его не красили, поэтому внутрь вошли молекулы СО2, уносящие кислород. Было падение кислорода. На это ушло шестнадцать месяцев, но уровень неуклонно падал до такой степени, что люди начинали чувствовать дискомфорт ». Было решено повысить уровень кислорода искусственно, чтобы защитить здоровье биосферы.
Нельсон вспоминает, что «люди, смотрящие на нас со стороны, говорили, что это было похоже на просмотр замедленной съемки. Отчасти это произошло из-за того, что мы сидели на низкокалорийной диете, но также и из-за наличия кислорода. Оно стало настолько низким, что нам пришлось ввести немного кислорода, чтобы восполнить его в помещении. Когда оно упало примерно до 14 процентов, мы все двинулись туда, и кислород в тамбуре составлял около 25 процентов, прежде чем он был выпущен по всей Биосфере 2.
Люди начали смеяться и бегать, а затем я понял, что не слышал звука бега три-четыре месяца. Находясь там, когда был добавлен кислород, вы действительно ценили то, что считаете само собой разумеющимся - чистый воздух, воду и пищу. Без биосферы в воздухе не было бы свободного кислорода. Это ошеломляющий вывод, но мы действительно поняли это. Я попал в облако свежего воздуха, как 95-летний мужчина, и это было похоже на то, что мое тело прошло через десятилетия. Сколько людей благодарят биосферу за кислород?»
Незапланированные изменения наблюдались не только в воздухе. Некоторые виды тропических лесов быстро росли, но страдали от слабости. То же самое произошло и с древесными породами, произрастающими в саванне. Это произошло из-за отсутствия ветров, которые в природе помогают производить прочную и упругую древесину.
Пустыня стала больше походить на калифорнийский чапараль(тип субтропической жестколистной кустарниковой растительности). Мангровые заросли преуспели и быстро росли, но отличались от такой системы в реальном мире, с гораздо меньшим количеством подлеска, вероятно, потому, что стекла уменьшали уровень солнечного света.
Среди фауны некоторые из видов позвоночных, таких как птицы, океанические рыбы и рептилии, вымерли или значительно сократились в численности. Многие насекомые-опылители вымерли. Произошел всплеск популяции видов вредителей, включая тараканов (хотя, к счастью, они взяли на себя некоторые функции опыления). Несколько видов муравьев, которые были намеренно введены для поддержания тропических лесов, резко сократились и были заменены местными видами, которые пробрались в систему так, что никто и не заметил.
В океане произошли изменения. Из-за быстрого роста водорослей ученым пришлось войти в воду и вручную удалить их с кораллов, чтобы предотвратить гибель рифа. В результате поглощения углекислого газа морем уровень углекислоты повышался, что делало воду более кислой.
Кальций был добавлен в морскую воду, чтобы противодействовать этому эффекту, поскольку он представлял угрозу для всей океанской системы, и с ним нужно было бороться до того, как возникнут серьезные последствия, включая потенциальную гибель кораллов, которые не смогут нормально функционировать в слишком кислой среде.
Несмотря на эти экологические сдвиги, команда осталась здоровой и собрала огромное количество данных, и 26 сентября 1993 года - ровно через два года после входа в Биосферу 2 - они вернулись. Помимо освещения бесчисленных аспектов функционирования жизненных систем, они показали, как творческая и здоровая человеческая культура может поддерживаться небольшим кусочком функционирующей природы. Экипаж из восьми человек процветал на 2000 квадратных метрах сельскохозяйственных угодий, крошечном кусочке атмосферы и небольшом количестве воды. Они были первыми успешными путешественниками в другую биосферу.
Марк Нельсон оглядывается на те два года и говорит, что эксперимент дал важное сообщение: «Биосфера 2 помогла понять тот факт, что люди не прибывают в скрытых упаковках, которые находятся за пределами биосферы. Жить внутри этой системы и на самом деле чувствовать ее своим телом было потрясающим опытом. Ваше тело понимало, что нельзя вредить растениям - это было немыслимо, и вам не нужно было напоминать (как садомазоводам-обрезальщикам)».