復(fù)活森林

吳凡

復(fù)活已經(jīng)滅絕的動(dòng)物，這聽(tīng)起來(lái)純屬科幻。然而，這正在成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域。由于克隆技術(shù)、繁殖技術(shù)和基因測(cè)序的迅速發(fā)展，大大增加了復(fù)活某些已滅絕動(dòng)物的可能性。就算不能復(fù)活恐龍，但復(fù)活猛犸象或者原產(chǎn)于北美的候鴿還是有可能的。而本文要介紹的，卻是復(fù)活一種已經(jīng)消失的森林。這真的可能嗎？

“反滅絕”是近年來(lái)物種保護(hù)方面的一個(gè)大趨勢(shì)。過(guò)去50多年中，物種保護(hù)通常采取除掉威脅、讓瀕危物種復(fù)原的舉措，包括禁止污染、保護(hù)棲居地和制止捕獵等。例如，通過(guò)禁用DDT和類(lèi)似化合物，以及通過(guò)保護(hù)海岸濕地，保護(hù)組織成功拯救了褐鵜鶘。但他們沒(méi)有做的是：改造褐鵜鶘的DNA，讓它們更好地生存。事實(shí)上，褐鵜鶘的基因庫(kù)——在人類(lèi)出現(xiàn)之前就已進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年的產(chǎn)物——正是科學(xué)家試圖保護(hù)的終極目標(biāo)之一。

與此同時(shí)，也是在過(guò)去50年中，分子生物學(xué)家在探索和操控基因方面變得越發(fā)嫻熟?；蚪M測(cè)序從夢(mèng)想變?yōu)樵趯?shí)驗(yàn)室中只不過(guò)多一天的工作而已。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開(kāi)始把一個(gè)物種的基因注入另一個(gè)物種?，F(xiàn)在他們已經(jīng)能制造簡(jiǎn)單的基因電路。

物種保護(hù)生物學(xué)家已經(jīng)采用了許多這類(lèi)的工具。例如，他們學(xué)會(huì)了DNA測(cè)序，這樣就能繪制瀕危物種的數(shù)量分布地圖，并追蹤各個(gè)種群之間的基因流動(dòng)。在捕養(yǎng)繁殖計(jì)劃中，他們使用高級(jí)繁殖技術(shù)來(lái)提高成功率。一些動(dòng)物園冰凍來(lái)自上萬(wàn)種動(dòng)物的干細(xì)胞和組織，研發(fā)新方式來(lái)保護(hù)野生狀態(tài)下的這些動(dòng)物。

但物種保護(hù)生物學(xué)家已經(jīng)注意到了生物技術(shù)的一些風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果一種合成的生物在野外立足，它就可能變成一個(gè)入侵物種，令當(dāng)?shù)匚锓N陷入風(fēng)險(xiǎn)中。當(dāng)然，迄今為止尚未發(fā)生過(guò)這種情況。如果把生物多樣性看成是全球基因差異的倉(cāng)庫(kù)，那么生物技術(shù)就有可能降低庫(kù)容。經(jīng)過(guò)基因工程改造過(guò)的動(dòng)植物或許會(huì)與相應(yīng)的野生物種雜交，并且向環(huán)境中傳播經(jīng)過(guò)改造的基因，從而降低野生狀態(tài)下的基因差異。

盡管有這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)，一些物種保護(hù)生物學(xué)家卻在謹(jǐn)慎思考更大程度地利用生物技術(shù)，目的是保護(hù)生物多樣性。例如，世界野生動(dòng)物保護(hù)學(xué)會(huì)曾在2013年4月召開(kāi)專(zhuān)題研討會(huì)：《合成生物學(xué)和物種保護(hù)會(huì)怎樣塑造大自然的未來(lái)？》。會(huì)議聲明中說(shuō)：“批評(píng)家一直聚焦的是釋放到環(huán)境中的新生命形式所帶來(lái)的威脅，卻不關(guān)注潛在的機(jī)會(huì)——重建滅絕的物種，或者創(chuàng)制自定的生態(tài)社區(qū)以提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。它們可能改變公眾對(duì)什么才是‘自然的’的認(rèn)知，并且當(dāng)然會(huì)挑戰(zhàn)把進(jìn)化視為‘沒(méi)有人為建造過(guò)程’的觀(guān)點(diǎn)?！?/p>

說(shuō)到這一點(diǎn)，美國(guó)栗樹(shù)的故事是對(duì)“保護(hù)生物學(xué)”模糊的未來(lái)的最好例證。當(dāng)歐洲人最初抵達(dá)北美洲時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)森林里充滿(mǎn)了美國(guó)栗樹(shù)。這些強(qiáng)勁的植物能長(zhǎng)到30米高，它們是森林里最豐富的樹(shù)種，占了美國(guó)東部建筑用木材的25%。到了夏天，阿帕拉契亞山巔看來(lái)白雪皚皚，而這完全是白色栗花怒放的結(jié)果。栗樹(shù)固定了美國(guó)東部森林的生態(tài)系統(tǒng)，為熊、小鸚鵡和非常大量的其他物種提供食物和庇護(hù)。它們還是主要木料，切割自一棵栗樹(shù)的木板就能裝滿(mǎn)一小火車(chē)廂。

1904年，一位科學(xué)家注意到布朗克斯動(dòng)物園里的一棵栗樹(shù)快要死了——它感染了一種被稱(chēng)作栗木枯萎菌的真菌。無(wú)人知道這種真菌是怎樣來(lái)到美國(guó)的，但一切證據(jù)表明它是在19世紀(jì)從日本進(jìn)口的栗樹(shù)帶來(lái)的。栗木枯萎菌對(duì)亞洲栗樹(shù)無(wú)害，卻對(duì)美國(guó)栗樹(shù)造成了毀滅性打擊。這種真菌釋放一種被稱(chēng)為草酸的毒物，它會(huì)破壞美國(guó)栗樹(shù)的組織，讓真菌“吃樹(shù)”。受感染樹(shù)的樹(shù)干上會(huì)出現(xiàn)潰瘍，一旦潰瘍包圍了樹(shù)的一圈，樹(shù)木就無(wú)法再把水和養(yǎng)分從根部運(yùn)送給樹(shù)枝。過(guò)了大約80年時(shí)間，栗木枯萎菌就傳遍了美國(guó)的幾乎所有栗樹(shù)林，感染了30億棵樹(shù)。如今，美國(guó)雖可見(jiàn)零星的栗樹(shù)，但栗樹(shù)林已不復(fù)存在。

栗木枯萎菌并不會(huì)完全殺死樹(shù)木，隨著它向根部的蔓延，它會(huì)遭遇其他更厲害的微生物。于是，受感染的樹(shù)變成了樹(shù)樁。有時(shí)候栗樹(shù)會(huì)發(fā)出新芽，但新芽長(zhǎng)到大約1米高之后就會(huì)遭到真菌的再次襲擊，新芽只能縮回去死掉。美國(guó)森林人員拯救栗樹(shù)林已有100年之久。他們噴灑殺真菌劑，卻未能奏效。他們用侵犯真菌的病毒感染真菌，但耐毒的真菌菌株繼續(xù)殺死樹(shù)木。他們?cè)噲D焚燒栗樹(shù)以形成真菌防火墻，卻發(fā)現(xiàn)真菌悄然感染了橡樹(shù)。他們做的正是保護(hù)主義者一直在做的事——盡量除掉威脅，但卻未能做到這一點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代，一組科學(xué)家開(kāi)始嘗試一種不同的方法——如果不能抑制真菌，那么為何不考慮幫助樹(shù)木保衛(wèi)自己？栗木枯萎菌之所以能來(lái)到美國(guó)，首先是因?yàn)閬喼蘩鯓?shù)能抵抗這種真菌。它們有基因來(lái)讓自己控制住潰瘍并復(fù)原，樹(shù)木因此繼續(xù)生長(zhǎng)，產(chǎn)生花粉和種子。進(jìn)化地點(diǎn)遠(yuǎn)離亞洲的美國(guó)栗樹(shù)，卻從未進(jìn)化出對(duì)枯萎菌的抵御機(jī)制。因此，科學(xué)家開(kāi)始雜交這兩種栗樹(shù)，看是否能賦予美國(guó)栗樹(shù)像亞洲栗樹(shù)那樣的防御機(jī)制。

當(dāng)科學(xué)家雜交美國(guó)栗樹(shù)和亞洲栗樹(shù)后，這些植物在雜交種子的不同組合中混合了它們的基因?？茖W(xué)家讓種子長(zhǎng)成樹(shù)苗，幾年后發(fā)現(xiàn)一些雜交栗樹(shù)遺傳了亞洲品種的一部分防御基因。這些樹(shù)上的潰瘍比美國(guó)栗樹(shù)上的生長(zhǎng)得慢些。但這些樹(shù)不再被識(shí)別為美國(guó)栗樹(shù)，因?yàn)樗鼈冇邪霐?shù)的DNA來(lái)自亞洲栗樹(shù)。亞洲栗樹(shù)個(gè)頭小，像果樹(shù)，所以雜交的栗樹(shù)比參天的美國(guó)栗樹(shù)小得多。換句話(huà)說(shuō)，這些小家伙并不能解決美國(guó)栗樹(shù)的枯萎病問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊姆烙鶛C(jī)制依然很弱，它們也無(wú)法在美國(guó)森林里的橡樹(shù)及其他大樹(shù)的陰影下生存。

于是，科學(xué)家繼續(xù)繁殖這些樹(shù)。他們采用了另一種行之有效的方法——回交。他們把美洲、亞洲雜交栗樹(shù)與美國(guó)栗樹(shù)進(jìn)行雜交，得到的樹(shù)木只有1/4的DNA來(lái)自亞洲栗樹(shù)。所得樹(shù)苗中有一些能抵御枯萎菌，這是因?yàn)閬?lái)自亞洲栗樹(shù)的1/4的DNA中包含抗病所需的基本基因。與此同時(shí)，這些栗樹(shù)更像是美國(guó)栗樹(shù)，因?yàn)樗鼈儌鞒辛嗣绹?guó)栗樹(shù)的更多DNA。從這一代樹(shù)木中，科學(xué)家挑出抗病能力最強(qiáng)的樹(shù)木回交，還把雜交樹(shù)木相互雜交，讓基因重組成新的組合，選擇性地繁殖抗病能力更強(qiáng)、同時(shí)也更高大的栗樹(shù)。他們迄今已得到數(shù)千棵栗樹(shù)，種植于位于弗吉尼亞州的實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)。這些栗樹(shù)包含的DNA中有15/16來(lái)自美國(guó)栗樹(shù)，只有1/16來(lái)自亞洲栗樹(shù)。這個(gè)1/16聽(tīng)起來(lái)不多，實(shí)際上卻很多——它代表著好幾千個(gè)基因。但其中一些基因可能會(huì)降低栗樹(shù)在美國(guó)森林里的成功率。因此，在植入基因方面必須足夠精確。科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種外科手術(shù)式的方法，來(lái)繁育抗病的栗樹(shù)。

1990年，科學(xué)家開(kāi)始調(diào)查怎樣把單個(gè)基因植入美國(guó)栗樹(shù)中。該計(jì)劃花了多年才起步。你不可能通過(guò)把一根針插進(jìn)樹(shù)干就把基因植入樹(shù)木，因?yàn)榛蛑荒鼙恢踩雮€(gè)體細(xì)胞中。所以，科學(xué)家必須找到在實(shí)驗(yàn)室里培育栗樹(shù)的方法。

一些植物能在實(shí)驗(yàn)室中以細(xì)胞的形式永久存活。但栗樹(shù)并非是這樣的植物。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，必須合并美國(guó)栗樹(shù)花粉和胚珠（卵細(xì)胞）來(lái)產(chǎn)生胚胎。只要激素濃度合適，胚胎就會(huì)生出更多胚胎，而更多胚胎生出越來(lái)越多的胚胎。這樣一來(lái)，科學(xué)家就能挑選出個(gè)體胚胎細(xì)胞，注入基因，接著讓細(xì)胞生長(zhǎng)成栗樹(shù)。

確定這一思路后，科學(xué)家開(kāi)始尋找注入美國(guó)栗樹(shù)細(xì)胞的基因。當(dāng)時(shí)，還沒(méi)有人繪制過(guò)中國(guó)栗樹(shù)的基因組。所以科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向了其他栗樹(shù)。

科學(xué)家已經(jīng)知道小麥反擊真菌的方法——制造酶，把真菌產(chǎn)生的草酸轉(zhuǎn)變成無(wú)害的副產(chǎn)品。于是，他們把小麥反擊真菌的基因注入美國(guó)栗樹(shù)的細(xì)胞內(nèi)，接著讓細(xì)胞長(zhǎng)成樹(shù)。開(kāi)始時(shí)這種酶沒(méi)什么幫助，于是科學(xué)家細(xì)調(diào)基因，讓美國(guó)栗樹(shù)制造更多的這種酶。酶破壞的草酸越多，栗樹(shù)的抗病能力越強(qiáng)?？茖W(xué)家最終培育出了潰瘍少、能愈合的栗樹(shù)。

2012年春季，紐約植物園種植了一些這樣的栗樹(shù)向公眾展示。盡管面對(duì)不斷飄來(lái)的枯萎菌孢子，它們卻長(zhǎng)勢(shì)良好?？赡苓€要再等5年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這些栗樹(shù)才會(huì)開(kāi)始在野外生長(zhǎng)。然而，這些植物園栗樹(shù)并非是科學(xué)家最終復(fù)活美國(guó)栗樹(shù)林的版本?？茖W(xué)家相信，添加更多的抗病基因是必要的，因?yàn)槔跄究菸⒉皇且粋€(gè)固定目標(biāo)，它也在演化，而且肯定會(huì)演化出更多形式和方向。因此，每棵樹(shù)在其一生（可能長(zhǎng)達(dá)百年）中需要配備足夠多的防御手段來(lái)對(duì)付不斷演化的病原體?？茖W(xué)家還相信，一些基因能提供更長(zhǎng)久的防御，但找到這樣的基因尚需時(shí)日。于是，科學(xué)家決定進(jìn)一步探索中國(guó)栗樹(shù)的基因組。能轉(zhuǎn)變草酸的單個(gè)基因?qū)μ峁┤婵共∧芰?lái)說(shuō)是不夠的?？茖W(xué)家相信中國(guó)栗樹(shù)演化出了多個(gè)基因，它們共同使得枯萎菌無(wú)法為非作歹。從迄今鎖定的大約900個(gè)中國(guó)栗樹(shù)基因中，或許能辨識(shí)這樣的基因。

復(fù)活已經(jīng)消失或者說(shuō)滅絕的森林，應(yīng)該是一個(gè)并非不可能的計(jì)劃。如果100年后參天的栗樹(shù)再度覆蓋美國(guó)東部，人們會(huì)如何看待這些森林呢？是把它們看成是再度輝煌的大自然的一部分，看成是再度繁榮的生態(tài)系統(tǒng)，還是看成是人類(lèi)擺弄的非自然玩物？或者兼而有之？考慮到過(guò)去百年來(lái)在拯救美國(guó)栗樹(shù)方面的抗?fàn)帲@種選擇并不是自然與非自然之分，而是有栗樹(shù)與沒(méi)有栗樹(shù)之分。

當(dāng)栗樹(shù)還處在胚芽階段，即只有手表電池大小時(shí)，科學(xué)家就使用土壤桿菌把小麥基因注入栗樹(shù)胚芽的基因組。半年多過(guò)后，正在發(fā)育的栗樹(shù)被從一個(gè)生長(zhǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)生長(zhǎng)介質(zhì)——小樹(shù)被包在袋子及盒子里，由此維持精確的光線(xiàn)、溫度和濕度條件。最終，小樹(shù)被移栽到溫室里。此后，它們可能被種植到多個(gè)實(shí)驗(yàn)地。研究證實(shí)，就算到了第二代，實(shí)驗(yàn)地里的轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)的抗枯萎病基因依然強(qiáng)大。不過(guò)，美國(guó)政府可能要在多年后才會(huì)解除對(duì)轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)的管控，這其實(shí)更多取決于公眾的反應(yīng)。

美國(guó)普渡大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，大面積種植一種新型的雜交美國(guó)栗樹(shù)，不僅能復(fù)活已經(jīng)滅絕的美國(guó)栗樹(shù)林，而且有助于遏制全球變暖。

科學(xué)家比較了多個(gè)不同年齡階段的美國(guó)栗樹(shù)與黑胡桃木、北方紅櫟，并且對(duì)照了對(duì)同一地區(qū)的顫楊、赤松和美國(guó)五針?biāo)傻钠渌芯?。在每種情況下，美國(guó)栗樹(shù)都長(zhǎng)得更快，并且在同一發(fā)育階段的同體積地上生物量都比其他樹(shù)種高3倍，這意味著美國(guó)栗樹(shù)在短時(shí)間內(nèi)能儲(chǔ)存更多的碳。

在每年全球釋放的碳中，大約1/6被樹(shù)木吸收。如果能讓這個(gè)比例再增高，對(duì)遏制全球變暖當(dāng)然會(huì)有更大貢獻(xiàn)。科學(xué)家接下來(lái)將研究包含美國(guó)栗樹(shù)的森林在地面下儲(chǔ)存碳的能力。

雖然栗樹(shù)林已在美國(guó)滅絕，但通過(guò)雜交幸存的美國(guó)栗樹(shù)和有抗枯萎病能力的中國(guó)栗樹(shù)，得到了大約94%的基因都源自美國(guó)栗樹(shù)、但同時(shí)又具有像中國(guó)栗樹(shù)那樣的抗枯萎病能力的栗樹(shù)種類(lèi)?？茖W(xué)家認(rèn)為，未來(lái)10年可以在美國(guó)大面積種植這種新型栗樹(shù)。種植地點(diǎn)包括現(xiàn)有林地或正在恢復(fù)成森林的以前的農(nóng)田。

美國(guó)栗樹(shù)曾經(jīng)組成從美國(guó)緬因州到佐治亞州的東部森林的1/4樹(shù)冠，為野生動(dòng)物提供食物，為人類(lèi)提供木材。圣誕節(jié)期間，美國(guó)人有露天火烤栗子的習(xí)俗。雖然美國(guó)栗樹(shù)基本上已經(jīng)消失，但科學(xué)家已經(jīng)培育出轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)?；鹂镜霓D(zhuǎn)基因栗子不僅比非轉(zhuǎn)基因栗子的淀粉多一點(diǎn)，油脂重一點(diǎn)，而且質(zhì)地也有區(qū)別。不過(guò)，火烤的轉(zhuǎn)基因栗子口味更好。

轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)采用了一個(gè)小麥基因來(lái)抵御枯萎病。要想大規(guī)模種植轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)，還需獲得美國(guó)聯(lián)邦政府認(rèn)可。盡管有科學(xué)證據(jù)暗示轉(zhuǎn)基因技術(shù)是很安全的，但它一直以來(lái)遭到環(huán)境學(xué)家的強(qiáng)烈詬病。

栗木枯萎病是由一種通過(guò)樹(shù)皮創(chuàng)口進(jìn)入栗樹(shù)內(nèi)部的真菌引起的。一旦進(jìn)入，真菌就釋放草酸，殺死周?chē)臉?shù)木組織，好讓真菌占領(lǐng)并大啖這些美餐。最終，這些死亡組織構(gòu)成被稱(chēng)為潰瘍的區(qū)域。它們基本上令栗樹(shù)窒息，殺死地面以上的樹(shù)木組織。樹(shù)根或許會(huì)繼續(xù)存活幾年，每年春季都會(huì)發(fā)新芽，但很難長(zhǎng)成樹(shù)木。

轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)的小麥基因，為分解草酸的一種酶解碼。沒(méi)有草酸來(lái)殺死樹(shù)木組織，以死亡組織為食的真菌就進(jìn)不了栗樹(shù)內(nèi)部，從而不會(huì)對(duì)栗樹(shù)造成除樹(shù)皮之外的傷害，也就能把傷害降到最低?？茖W(xué)家說(shuō)，美國(guó)人每天都在吃這個(gè)基因和它產(chǎn)生的酶。

初步研究表明，轉(zhuǎn)基因美國(guó)栗樹(shù)的抗枯萎病能力與具有天然抗枯萎病能力的中國(guó)栗樹(shù)不相上下。通過(guò)比較生長(zhǎng)速度、對(duì)昆蟲(chóng)的影響和落葉腐爛情況，科學(xué)家要分析轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)對(duì)環(huán)境的作用，以確保轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)的行為與天然栗樹(shù)的相似。他們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)的維生素E含量低于天然的美國(guó)栗樹(shù)，但與中國(guó)栗樹(shù)的相當(dāng)?？傊?，轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)與其他栗樹(shù)沒(méi)有明顯區(qū)別。

但一些環(huán)境學(xué)家認(rèn)為，轉(zhuǎn)基因樹(shù)是非自然植物，它們一旦擴(kuò)散后果不堪設(shè)想。科學(xué)家則指出，非相關(guān)物種之間的水平基因轉(zhuǎn)移并非不自然。它在自然界中就客觀(guān)存在，而且是確?；蚨鄻有院瓦M(jìn)化的一種重要力量。另外，樹(shù)不是草，不會(huì)迅速擴(kuò)散。

與轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)相比，雜交栗樹(shù)被認(rèn)為相對(duì)好些。這就是也有一些科學(xué)家把美國(guó)栗樹(shù)與中國(guó)栗樹(shù)雜交，希望由此獲得能抗枯萎病的美國(guó)栗樹(shù)的原因。為確?！懊绹?guó)本土”特征，已經(jīng)培育出的抗病美國(guó)栗樹(shù)只有1/16的DNA來(lái)自中國(guó)栗樹(shù)。但這種雜交繁育（或稱(chēng)異種交配）的問(wèn)題是，中國(guó)栗樹(shù)使用數(shù)十個(gè)需要共同工作的基因來(lái)一起抵御枯萎病。而在培育出的美國(guó)栗樹(shù)身上，這些基因的排列卻打亂了。許多雜交后代無(wú)法得到全套抗枯萎病基因，因此抗病能力不足。隨著一代代傳遞，抗病能力越來(lái)越弱。而與雜交繁育相比，轉(zhuǎn)基因方法只需一個(gè)基因就能確?？共⌒?。當(dāng)轉(zhuǎn)基因樹(shù)與野生樹(shù)交配后，多達(dá)一半的后代都具有高度抗病能力。

雜交繁育還有其他的問(wèn)題。美國(guó)密歇根州研究人員曾經(jīng)嘗試把歐洲栗樹(shù)與日本栗樹(shù)雜交所得栗樹(shù)與一棵中國(guó)栗樹(shù)交配，希望獲得更大的栗子。但因基因不兼容，造成內(nèi)核破碎——1/3的后代所產(chǎn)生的種子在殼內(nèi)碎裂。為什么會(huì)這樣？歐洲栗樹(shù)與日本栗樹(shù)雖然都是栗樹(shù)，但畢竟生長(zhǎng)在兩個(gè)相反的半球，所以它們并不是相同的樹(shù)。從事轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)培育的科學(xué)家希望與從事雜交繁育栗樹(shù)的科學(xué)家合作，探索能否培育出更好的栗樹(shù)。