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修改基因,以保护自然的名义?

28.07.2017
理查德•康尼夫
 
是否应该通过修改基因来消灭外来入侵物种,保护本地珍稀生物?这道脑洞题正在成为应用题。
 
图片来源:Luisa Rivere/Yale E360
 
“再野生化”,即全球范围内通过消灭鼠、猪等入侵物种,帮助岛屿恢复原始野生生物的工作,已经成为我们这个时代最为成功的环保案例之一。数百座岛屿被成功再野生化,身处困境的濒危物种重新繁荣,曾经日益减少的鸟群如雨后春笋般冒出来,重新占领了旧日的栖息地。
 
但这些恢复活动通常耗资巨大,且引人忧虑。环保人士担心这会误伤当地的原生野生动植物,动物权益保护者有时则会强烈地全盘否定这个理念。那么如果有一种方法既能“兵不血刃”地消灭入侵物种,成本还大幅降低呢?
 
这就是合成生物学,一个将工程理念用于物种和生物系统的,《美丽新世界》式的技术。这样一个技术给出的承诺,既诱人但也令人不安。合成生物学属于基因工程,但因为采用所谓的CRISPR新型基因编辑技术,所以更加简单精准。生物学家能够用该项技术在物种体内植入不同的DNA序列,以实现消灭入侵物种或者帮助当地物种适应气候变化的需要。另一项新工具 “基因驱动”则以远高于传统育种的速度,推动引入性状在种群中迅速扩散。
 
合成生物学目前已拥有数十亿美元的市场,涉及药品、化学品、生物燃料和农业等多个领域的制造环节,但许多环保人士对利用合成生物学方法保护自然世界的想法深感担忧。简·古道尔和戴维·铃木等人已签署联名信,警告基因驱动技术的使用会让“技术人员能够以前所未有的方式干预进化,设计整个物种的命运,大幅度修改生态系统,致使环境发生大规模变化。”联名信的签署者认为,此类“强大且具有潜在危险性的技术…不应作为生物保护工具进行推广。”
 
环保人士和合成生物学工程师们必须克服对彼此领域的无知,一位环保人士说。
 
另一方面,今年早些时候一群保护生物学家在《生态学与进化趋势》期刊上发表文章,列出了合成生物学除了恢复岛屿野生化之外,在自然界中可能的应用前景:
 
  • 为蝙蝠移植抵抗白鼻综合症的基因,为青蛙等两栖类动物移植抵抗蛙壶菌的基因。
 
  • 在容易白化的珊瑚周围寻找更耐热耐酸的珊瑚,仔细筛选其基因,移植给易白化的珊瑚。
 
  • 利用人工繁育的微生物修复被采矿或污染破坏的土壤。
 
  • 利用基因技术,让野猫野狗的下一代不育,或者大部分都是雄性,从而做到无需安乐死或绝育,就能削减野猫野狗的数量。
 
  • 无需杀虫剂即可消灭蚊子,尤其是在夏威夷这样外来蚊子杀伤力极大的地方。
 
环保顾问、该文章作者之一的肯特·雷德福特认为,环保人士和合成生物学工程师一样,都必须克服对彼此领域的无知。环保人士对遗传学和分子生物学的了解往往有限,或比较过时,他说。雷德福特2014年在《Oryx(自然保护国际期刊)》发表的一篇文章援引了一位环保人士直截了当的说法,“这些正是我们考试挂掉的课程。”合成生物学奠基人之一、斯坦福大学的德鲁·恩迪则表示,18个月前,他完全没听说过世界自然保护联盟(IUCN)或它的濒危物种“红色名录”。“在工程学院,这种知识的缺口是非常大的,”他说。“但双方的这种缺口是对等的。”
 
上个月,恩迪在新加坡组织了一场重要的合成生物学会议,并邀请雷德福特等9位环保人士主持了一场关于生物多样性的会议。他说这么做的目的是让构建生物经济的工程师们“用前瞻性的思维来考虑自然世界…我的希望是大家别只是那么天真地囿于自己的专业领域。”
 
同样,雷德福特与《生态学和进化趋势》文章的合著者们认为,“在结合最尖端的科技和最优秀的大脑来解决这一问题的过程中,如果少了环保人士的参与,将不利于实现保护生物多样性的目标。”他们认为,“环保生物学家们的文化必须适应快速变化的现实”——包括气候变化和新型疾病的影响。作者们总结说,“21世纪的自然保护理念”应该“接受合成生物学的概念,寻找并引导恰当的合成方案,协助保护生物多样性。”
理论上讲,“基因驱动”技术能够消灭岛屿上的各种鼠类或其它入侵物种,且不需要杀生。
关于《生态学和进化趋势》文章作者们口中的“合成生物多样性保护”争论的起源,可以追溯到伦敦帝国学院进化遗传学家奥斯汀·伯特2003年的一篇文章。他提出了一种极为新颖的基因工程工具,以某种天然存在的“自私遗传因子”为基础,这种因子在下一代中的传播率为99%,远高于通常的50%。伯特认为可以把这些“超级孟德尔”基因当成特洛伊木马,迅速传播改变后的DNA,从而“在基因上控制自然种群。”这在当时是不现实的,但基因编辑技术的发展很快让这一想法几乎成为现实。后来,研究人员在针对疟疾蚊子、果蝇、酵母以及人类胚胎的实验室实验中,证明了所谓“基因驱动”技术的有效性。
 
关于这项新技术,伯特提出了一个尤为骇人的应用:伯特认为,在特定条件下,这项技术或许可以“向一个种群植入足以在20代之内消灭整个种群的遗传负荷。”但事实上,合成生物多样性保护最实际的用途可能就是它。消灭入侵物种自然是恢复岛屿野生化工程不可避免的第一步。
 
这项消灭技术就是利用基因驱动传播决定后代性别的DNA,基因驱动技术可以使某个基因彻底地渗透进种群后代,因此很快就能让整个种群充满雄性,并迅速崩溃。其结果至少在理论上能够不需杀生就能让鼠类等入侵物种从岛屿上消失。
 
澳大利亚、新西兰和美国的非营利团体、大学以及政府机构组成的研究联合会已经开始从道德、伦理以及法律等方面研究并测试此种方法的实用性。例如,美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员已经开始将一群采自某沿海岛屿的入侵小鼠作为实验对象,他们需要确定经实验室基因改造的小鼠能否混入野生种群。
 
基因驱动研究人员梅根·泽尔解释,“这一想法的成功很大程度上要依靠转基因雄鼠和岛上雌鼠的“配种”…雌鼠是否会接受一只半野生、半实验室出生的混血雄性?”此外,研究项目还需确定针对特定大小的栖息地,引进多少转基因鼠方能消灭整个入侵种群。其他重大的现实挑战无疑也会出现,例如,今年早些时候发表在《Genetics》期刊上的一项研究总结称,大多数自然种群对CRISPR转基因驱动的抵抗性也会“进化”,这几乎不可避免。
 
“我们致力于采用渐进式的预防方法,设有足够的闸口,防止风险过大或不符合伦理的情况出现,”研究人员说。
 
政治和环境方面的阻力也可能增加。麻省理工学院进化生物学家凯文·艾维特在一封电子邮件中断言基于CRISPR的基因驱动“不适合用于环保,原因在于其极有可能传播至”目标物种或环境以外的地方。即便是岛屿上引入的用于快速消灭入侵物种的基因驱动,他说,“也可能在一年多的时间里扩散,或者被故意输送至岛外。如果它有能力传播到别的地方,这就是个大问题了。”
 
即便是“在偏远岛屿上进行严格控制的田野实验也只可能在至少十年后才会发生,”岛屿保护(Island Conservation)的希斯·帕卡德说。该非营利团体曾参与多个岛屿的野生化恢复工程,现在是研究联合会的一员。“我们致力于采用渐进式的预防方法,设有足够的闸口,防止风险过大或不符合伦理的情况出现。”但他的团队注意到,过去500多年间已知的物种灭绝中有80%发生在岛屿上,而目前被认为濒危的物种中也有40%生活在岛屿上。因此,开始着手研究合成生物多样性保护的可能性至少是一件迫在眉睫的事情。
 
即使合成生物学最终遭到环保人士的拒绝,其所具有的商业价值也已经使其进入了商业应用的领域。例如,宾夕法尼亚州立大学的研究人员近来发现可以利用CRISPR基因编辑技术关闭让市售蘑菇褐化的基因。美国农业部于去年裁定,这些蘑菇中不含从其他物种引入的基因,因此不受转基因生物管理条例的规范。
 
环保人士身处于这样一个充满变化的环境中,他们“必须得与合成生物学界接触,”雷德福特说,“我们如果不这么做,就得承担风险。”他说,合成生物学给环保人士带来了“一大堆被忽视的问题。”
 
 
本文原载于《耶鲁环境360》(Yale Environment 360),本站经授权转载。
 
翻译:金艳
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