生活

04-22 09:46

这是一个关于吃饭的漫长故事。

所以,我要采取一个极端的方法——把这段一万多年的历史全部放到一天 24 小时里,也就是加速 400 万倍,事情就变成了这样:

在这一天以前,人类在各个大陆上四处流浪迁徙,采集谷物和各种植物的果实,狩猎大大小小的野生动物,过着有荤有素有野味的波西米亚小日子。

吃饱喝足了,就在洞穴里搞搞艺术,把好吃的动物画得到处都是。

西班牙阿尔塔米拉洞穴的远古野牛壁画。 图片来自:维基百科

00:00,地中海区域的人们发现,只要把野生小麦的种子埋进土里,过段时间就能收获更多的小麦。几乎在同一时间,中国南方对野生水稻做了同样的事情。「发达了!」他们开心地定居下来,专心开荒种地。粮食攒起来了,能养活更多人口,农业时代也就这么开始了。

有了粮食,还想吃肉。

人们顺手把野生的猪、牛、羊都给驯化了。有荤有素,美。

后来,人们管这天夜里发生的事叫「第一次农业革命」。

天亮之后,人们在自家的地盘上,慢慢地尝试种一些新东西,南美安第斯山脉搞搞马铃薯和豆子,新几内亚尝试种甘蔗和一些根茎蔬菜,中美洲的人们种起了玉米。

12:30,差不多午饭时间,秘鲁人把棉花也驯服了。

当天下午和晚上,人们偶尔也发明或改进一些农具和种植方法,但是总的来说没发生什么大事,历史平静悠长。

但是,到了夜里 23:10,这一天只剩下不到一个小时,英国突然发生了「第二次农业革命」,人们用四区域轮作制取代了休耕,荷兰人改进了中国人发明的犁,选择性育种技术也提高了。这一次农业革命持续了将近半个小时,农田里的收成越来越好,英格兰和威尔士的人口几乎翻了一倍。

23:50,在最后十分钟,竟然又爆发了「第三次农业革命」。高产的杂交谷物种子、合成肥料、杀虫剂、大型农用机械、现代化的农田管理技术,几乎都在一瞬间被发明出来了。前所未有的大丰收,让全世界的人口在短短五分钟里翻了一番。

现在,整个故事只剩下 5 分钟了。

别急,真正精彩的部分才刚刚开始。人们为了吃饱吃好而做的最大胆、最狂野、最不可思议的事,都发生在这最后 5 分钟里。

机器学习和农业暴力美学

美国德克萨斯州的一片棉花田里,棉花植株刚刚长到接近膝盖的高度,到了该除草的时候。

农场主 Eddie Smith 驾驶一辆拖拉机,以每小时 8 公里的速度从棉花田里驶过。拖拉机后面,拖载着一台由银白色金属板覆盖起来的、像一个大箱子一样的东西。

「See & Spray」智能喷雾机。 图片来自:Blue River

远远看去,这台机器似乎什么也没做。

如果我们把镜头拉到大特写的距离上,紧贴地面,跟随着快速前进的机器,我们会看到精彩的一幕:

当机器掠过一株苋草时,从植株上方的喷头里,不到 1 秒的时间里快速地喷出极细的除草剂药液。深绿色的药液准确地喷洒在苋草上,而就在几厘米之外的棉花植株则安然无恙。

智能识别杂草并精准施药。 图片来自:Blue River

这台名叫「See & Spray」的智能喷雾机,是加州一家叫 Blue River 的农业机器人公司的杰作。正如它的名字「See & Spray」所表明的,这台机器的工作逻辑极其简单:

看见,就喷。

困难之处在于「看见」,机器怎么看见杂草?

关键在于它配备的摄像头和算法。See & Spray 事先掌握了大量关于农田杂草外观的数据,通过机器视觉和深度学习,可以「看见」每一株植物,并快速识别它们是农作物还是杂草。

如果是杂草,就从精准控制的喷嘴里喷出药液——「biu~」。

这种识别是针对单株植物的长相,而不是植株间的距离,也不是它的颜色。在早晚或阴天光线较暗、人眼识别杂草比较困难的时候,See & Spray 也能照常工作。

相对而言,以往的农用飞机也好、手持高压喷雾器也好,它们所采用的广播式喷洒施药方式,概括起来就是两个字——瞎喷。

看着 See & Spray 在棉花田里奔跑的画面,我总是会想起自己背着高压喷雾器在豆田里喷洒农药的那个夏天。

那时的我,根本无从想象未来的农业有如此精致的暴力,和如此暴力的精致。

机器视觉和深度学习在农业上还有另一些更轻量的用法。

美国,拜耳公司开发的 Xarvio Scouting App 已经有了十万以上的用户。装上这个 App 后,农民们用手机拍一张照片,就能识别农作物叶片损伤状况、病虫害情况。

使用 Scouting 检测农作物病虫。 图片来自:Xarvio

目前,Scouting 可以检测 17 种农作物病虫害,其中包括褐锈病、谷物叶甲虫在内的 9 种小麦病虫害,和 6 种玉米病虫害。检测准确率均在 50% 以上,最高可达 100%。

以往,我们只能将一块甚至一大片农田作为一个整体进行宏观管理。现在,IoT 和大数据来了,我们终于可以给农田做精准的外科手术。

农业巨头孟山都旗下的 The Climate Corporation 开发了一款叫 FieldView Drive 的硬件,可以装在拖拉机、收割机、播种机等农机的驾驶室里,在播种、施药和收割的同时,实时收集农田数据。

▲ Field View 农田管理示意。 图片来自:The Climate Corporation

随后,农户可以在 iPad 上查看这些数据,并根据这些数据,对每一块农田做出精细的管理决策。

正如 The Climate Corporation 所说:

每一块农田都独一无二。

水稻癌症和基因疗法

公元前 8200 年,南中国珠江中游的聚落地带,人类开始栽种后来成为最重要农作物之一的水稻。一万年后的今天,全世界五分之一的食物能量都是由水稻提供的。

它是当之无愧的「人间食粮」。

但是很久以来,一种叫稻瘟病的水稻病害就如影随形,始终是水稻最致命的病害之一。

明代《天工开物》中疑似稻瘟病的记载。 图片来自:书格

稻瘟病发作时,水稻秧苗变成黄褐色枯死,灾情严重时,整片稻田像被火烧过一样。严重的稻瘟病可以减产一半以上,甚至颗粒无收。

人们痛恨稻瘟病,甚至把它叫作「水稻癌症」。

为了「治疗」稻瘟病,人类先是使用各种无机和有机农药杀灭病原——稻瘟病菌,但是收效有限,还带来了农药残留和环境污染等其他问题。

消灭病原菌的效果不理想,人们想到了另一个途径:改造水稻基因,让它对稻瘟病菌有天然抗性。

1997 年,NPR1 基因被发现,它可以启动植物自身的免疫反应。理论上说,如果能激活这个基因,就可以使水稻无惧稻瘟病菌的侵害。但是,它有一个和人类免疫系统非常相似的特点,如果你让它长期处于激活状态,植物就会像发烧的人体一样,生长受到阻碍。所以,这个免疫基因好是好,但也不能一直「开」着。

2017 年,杜克大学教授董欣年的团队在《自然》杂志连续发了两篇论文。他们找到了一段特殊的 DNA 序列,在植物遭遇病原入侵时,它能够根据需要启动免疫机制,就像给植物装了一个免疫系统开关。

这就叫「又战斗来又生产」。

华中农业大学王石平教授的团队在水稻上验证了这个免疫开关的作用。装上免疫系统开关的水稻,既能保证产量,又能抵御包括稻瘟病菌、真菌性疾病在内的多种病原体。

董欣年团队在论文摘要的第一句写道:

自农业问世以来,控制植物病害一直是人类的一场斗争。

眼下,人类似乎渐渐占了上风。

丢失的物种

挪威斯瓦尔巴群岛,北冰洋上的永久冻土带区域。

一座砂岩山内部 120 米深处,隐藏着一个 45 米长、4 米宽、4 米高的封闭空间,外面有一层 1 米厚的隔温混凝土板,让室内常年维持 -18℃ 的低温。

▲ 斯瓦尔巴全球种子库外景。 图片来自:seedvault

这个耗资 900 万美元建造、坚固到可以承受核武器攻击的堡垒里,什么也没有,除了从 2008 年到现在收集的 107 万份来自全球各个国家和地区的农作物种子。

这是全球农业的「诺亚方舟」。

如果没有斯瓦尔巴全球种子库这座方舟,倘若人类未来面临剧变的气候、大范围的自然灾害或者战争,脆弱的全球粮食体系可能会遭受沉重打击,我们可能永久性地失去一些农作物品种。也许未来某天,一场战争之后,人们就再也吃不到《风味人间》里提到的那种特别的西亚小麦。

这不光是美味的问题,这是全球粮食体系的安全问题。

2015 年,联合国粮食及农业组织发布了一份报告,《应对气候变化:粮食和农业遗传资源的作用》,给出了一个极为重要的结论:

遗传多样性,是粮食安全的重要保证。

然而,全球范围内的遗传多样性正在持续性地下降。

根据联合国粮食及农业组织的报告,2000 年到 2018 年间,全球超过 150 种畜类灭绝了。

过去 100 年里,全球超过 90% 的蔬菜和水果品种已经绝种。

到 2014 年,全球仅有 200 种粮食作物,而其中,包括小麦、水稻、土豆、甘蔗在内的 9 种作物就占了 66%。

▲ 种植最广的 9 种作物。 图片来自:联合国粮农组织

同时,种内遗传多样性也在持续丧失。

假设某种水稻在农业种植中表现出特别的优点,对干旱缺水的环境更有适应力,或者对稻飞虱这样的稻田常见病虫有很强的抵抗力,又或者产量特别高,人们就喜爱它,进而大面积地种植它。与此同时,表现不如这种水稻的其他品种就很自然地被遗弃了。

长此以往,我们就种植水稻的品种就越来越少了。

水稻的种内遗传多样性就这样下降了。

种内遗传多样性变化的剧烈程度,可能超出我们的想象:

▲ 1903-1983 年美国作物多样性统计。图片来自:National Geographic

从图中可以看出,这 80 年间,美国蔬果品种数量呈现断崖式的下跌。

卷心菜从 544 种减少到 28 种;

甜玉米从 307 种减少到 12 种;

生菜从 497 种减少到 36 种;

……

不止美国,类似的问题全球各地都在发生。

菲律宾,曾经拥有几千个水稻品种,到 2011 年时只剩下几百种。

中国上世纪的小麦品种,到现在已经有 90% 消失了。

玉米之国墨西哥,玉米品种数量正在下降。

遗传多样性的丧失,就是一个把所有鸡蛋全部放进少数几个篮子里的过程。伴随这一过程的,是系统性风险的不断堆积,整个体系将越来越脆弱。

仅仅依赖全球种子库的备份来抵御这种风险,也许远远不够。

重获多样性

为了找回丢失的遗传多样性,人们开拓了一片全新的战场。

美国马萨诸塞州坎布里奇,成立于 2016 年的 Inari Agriculture 总部设在这里。

Inari 的科学联合创始人雅各布森,把他在加州大学洛杉矶分校研究的植物育种专利技术带到了 Inari。他的研究方向是植物表观遗传学,也就是在不改变 DNS 序列的前提下,如何改变基因的功能。

他们使用一种叫 CRISPR/Cas9 的基因组编辑工具。

▲ CRISPR/Cas9 示意图。 图片来自:Wikipedia

什么是 CRISPR/Cas9?这要从上个世纪说起。

上世纪八十年代末,日本科学家在细菌基因组中发现了奇观的、多次重复的序列。2005 年,西班牙科学家发现了几千种 CRISPR 序列,其中有一部分序列和细菌的天敌、噬菌体的基因组序列信息有极高的相似度。

在自己的基因组里隐藏敌人的信息,为什么?

两年后,杜邦公司的研究人员发现,CRISPR 序列是细菌用来识别噬菌体、然后精准消灭它们的一种武器。

简直就是拿着敌人的照片核对身份,然后干掉敌人。

然后,加州大学伯克利的教授杜德纳把 CRISPR 和一种叫 Cas9 的蛋白质组装在一起。前者是高精度的定位和识别器,后者是一把专门剪掉 DNA 片段的剪刀。这两件东西装在一起,在细胞里到处巡游,只要 CRISPR 发现和自身序列一致的目标,Cas9 上去就是一剪刀。

当场就要了目标 DNA 的小命。

这个从细菌体内偶然发现的一小段基因代码,现在已然是生物学家们深入基因内部对植物、动物和人类自己进行「逆天改造」的神器。

2018 年 11 月 26 日,在科技圈引发地震的基因编辑双胞胎事件中,南方科技大学生物学家贺建奎就是用 这一工具对受精卵的基因进行了修改。

浙江大学教授王立铭把它叫作「上帝的手术刀」。

Inari 公司的雅各布森和他的同事们,就是用这把手术刀来改造玉米、大豆和小麦的基因组。Inari 官网说他们试图通过基因编辑技术,对农作物进行有针对性的改变,以此来重新引入自然的遗传多样性。

官网首页,红底白字写着他们野心勃勃的愿景:我们正在打造世界第一个种子铸造工厂。

Inari,来自日语中「稻荷大神」的名字。基因,也曾经是「神」掌管的领域。现在,它们都到了人类手里。

为了让新技术为更多研究者、公司和农户带来便利,美国 Benson Hill Biosystems 公司干脆搭建了一个叫 CropOS 的农作物设计平台。通过基因编辑、机器学习、大数据分析这些技术,人们可以在这个平台上自由设计自己想要的作物,编辑农作物的基因,按自己的想法添加一些东西,或者去掉一些不想要的东西。

全球各地,通过基因编辑改造食物的行动如火如荼。

美国,Calyxt 公司正在设法降低土豆中天门冬酰胺和单糖的含量,使土豆更容易冷藏,并且能够减少高温烹调时产生的致癌物丙烯酰胺。为了响应已流行多时的无麸质饮食潮流,他们还开发了低麸质的小麦。

日本北海道大学研究人员剪掉了大豆中容易导致过敏的两种蛋白质基因,开发出颗粒更大、过敏性更低的大豆

▲ 普通大豆(左)和基因编辑大豆(右)。 图片来自:日本农业新闻报

日本筑波大学教授江面浩则对西红柿进行基因编辑,使它的氨基酸「GABA」含量达到普通西红柿的 15 倍,成为有助于降血压的西红柿新品种。

基因编辑食物安全吗?

从业者们相信,比起把一种生物体内的基因塞进另一种生物体内的转基因技术,基因编辑只在一种生物基因内部修修改改,风险更低。相当多的从业者将基因编辑与传统的育种进行比较,他们觉得这两者在安全性上没有本质差异,更主要的区别是,基因编辑的效率更高、更精准。

但是,到目前为止,CRISPR/Cas9 技术还有一个致命的「脱靶」问题还没有得到解决,这种缺陷,会让你编辑一段目标基因的时候,误操作把另一段给剪了。

就像去割盲肠的病人,做完手术发现身上别的零件少了。

无论有多少担忧,基因编辑食品已经走向餐桌。

早在去年,Cibus 公司经基因编辑后耐除草剂的油菜籽品种 Falco 已经在美国和加拿大销售。

今年 3 月 1 日,Calyxt 公司生产的基因编辑大豆油开始在美国销售

第三次农业革命的遗产和遗祸

一万年的农业史,就是一部人类对动植物的驯化史。

人类进入农业文明以来,在长达一万年的历史中,对农作物的筛选、培育和强化一直没停过。在海量的野生植物品种中,人们精心选择那些更容易栽种、产量更高的品种进行种植。

今天,全球 40% 的人口把小麦作为主要食粮。但我们今天种植的小麦,完全是人类驯化后的结果,它和曾经的野生小麦品种早已相去甚远。

古埃及壁画中收割小麦的场景。 图片来自:Wikimedia Commons

肉质更细嫩、因为腿短更容易圈养的安康羊被选中了。

更能抵抗病虫害的水稻取代了它的野生亲属。

而后来,每当科学进步使人们掌握了一种新的技术手段,人们很快就会用它来改良品种。

转基因技术诞生后,在长达几十年的时间里,推动强化育种,使得世界范围内的农作物产量大幅攀升,直到它引起了强烈而普遍的质疑。这种维护基因「纯净」的朴素观念,引发了农业领域里出现各种各样的运动。

时至今日,我们吃下去的每一餐饭,蓄养的每一种禽畜,收获的每一粒种子,都是人类主动加以选择和改造的结果。

至少到目前为止,农业的全部进步都天然伴随着它的「不天然」。

发生于 1945 年后的第三次农业革命,以大型农业机械、高效的化学农药、肥料和新品种农作物,带来了农作物产量的大幅增长。如果没有这样的成就,地球根本无法养活从 1945 年以来已经翻了两番的人口。

但是同时,它也带来了诸多深刻的问题:

滥用农药,导致食物中的农药残留,动植物耐药性也持续提高;

强化育种,让我们失去了大多数农作物品种,遗传资源多样性遭到严重破坏;

粗放的农业生产方式,造成土壤和淡水的浪费,还给大气贡献了 40% 的碳排放;

……

它给了我们遗产,也给了我们遗祸。

1948 年,俄勒冈州一架农用飞机正在喷洒农药 DDT。 图片来自:美联社

眼下,新一轮的技术革命正在农田里展开。这一次,我们拥有了像基因编辑、机器学习、IoT、大数据这些更强大、更有洞察力的武器。

我们对农业的理解比以往更宏观,可以极速地处理面积广阔的农田。

我们对农业的理解比以往更微观,可以一棵一棵地处理农作物。

我们对农业的理解比以往更深刻,可以在基因组内随意剪掉我们不想要的东西。

在这些颠覆性的变化发生时,未必一切都是阳光的。过度乐观可能带来难以想象、更难以接受的后果。

毕竟,现在我们自己就是造物主了。

后评论

评论在审核通过后将对所有人可见

正在加载中