复活森林

吴凡

复活已经灭绝的动物，这听起来纯属科幻。然而，这正在成为一个新的研究领域。由于克隆技术、繁殖技术和基因测序的迅速发展，大大增加了复活某些已灭绝动物的可能性。就算不能复活恐龙，但复活猛犸象或者原产于北美的候鸽还是有可能的。而本文要介绍的，却是复活一种已经消失的森林。这真的可能吗？

“反灭绝”是近年来物种保护方面的一个大趋势。过去50多年中，物种保护通常采取除掉威胁、让濒危物种复原的举措，包括禁止污染、保护栖居地和制止捕猎等。例如，通过禁用DDT和类似化合物，以及通过保护海岸湿地，保护组织成功拯救了褐鹈鹕。但他们没有做的是：改造褐鹈鹕的DNA，让它们更好地生存。事实上，褐鹈鹕的基因库——在人类出现之前就已进化了数百万年的产物——正是科学家试图保护的终极目标之一。

与此同时，也是在过去50年中，分子生物学家在探索和操控基因方面变得越发娴熟。基因组测序从梦想变为在实验室中只不过多一天的工作而已。20世纪70年代，科学家开始把一个物种的基因注入另一个物种。现在他们已经能制造简单的基因电路。

物种保护生物学家已经采用了许多这类的工具。例如，他们学会了DNA测序，这样就能绘制濒危物种的数量分布地图，并追踪各个种群之间的基因流动。在捕养繁殖计划中，他们使用高级繁殖技术来提高成功率。一些动物园冰冻来自上万种动物的干细胞和组织，研发新方式来保护野生状态下的这些动物。

但物种保护生物学家已经注意到了生物技术的一些风险。例如，如果一种合成的生物在野外立足，它就可能变成一个入侵物种，令当地物种陷入风险中。当然，迄今为止尚未发生过这种情况。如果把生物多样性看成是全球基因差异的仓库，那么生物技术就有可能降低库容。经过基因工程改造过的动植物或许会与相应的野生物种杂交，并且向环境中传播经过改造的基因，从而降低野生状态下的基因差异。

尽管有这些潜在的风险，一些物种保护生物学家却在谨慎思考更大程度地利用生物技术，目的是保护生物多样性。例如，世界野生动物保护学会曾在2013年4月召开专题研讨会：《合成生物学和物种保护会怎样塑造大自然的未来？》。会议声明中说：“批评家一直聚焦的是释放到环境中的新生命形式所带来的威胁，却不关注潜在的机会——重建灭绝的物种，或者创制自定的生态社区以提供生态系统服务。它们可能改变公众对什么才是‘自然的’的认知，并且当然会挑战把进化视为‘没有人为建造过程’的观点。”

说到这一点，美国栗树的故事是对“保护生物学”模糊的未来的最好例证。当欧洲人最初抵达北美洲时，他们发现森林里充满了美国栗树。这些强劲的植物能长到30米高，它们是森林里最丰富的树种，占了美国东部建筑用木材的25%。到了夏天，阿帕拉契亚山巅看来白雪皑皑，而这完全是白色栗花怒放的结果。栗树固定了美国东部森林的生态系统，为熊、小鹦鹉和非常大量的其他物种提供食物和庇护。它们还是主要木料，切割自一棵栗树的木板就能装满一小火车厢。

1904年，一位科学家注意到布朗克斯动物园里的一棵栗树快要死了——它感染了一种被称作栗木枯萎菌的真菌。无人知道这种真菌是怎样来到美国的，但一切证据表明它是在19世纪从日本进口的栗树带来的。栗木枯萎菌对亚洲栗树无害，却对美国栗树造成了毁灭性打击。这种真菌释放一种被称为草酸的毒物，它会破坏美国栗树的组织，让真菌“吃树”。受感染树的树干上会出现溃疡，一旦溃疡包围了树的一圈，树木就无法再把水和养分从根部运送给树枝。过了大约80年时间，栗木枯萎菌就传遍了美国的几乎所有栗树林，感染了30亿棵树。如今，美国虽可见零星的栗树，但栗树林已不复存在。

栗木枯萎菌并不会完全杀死树木，随着它向根部的蔓延，它会遭遇其他更厉害的微生物。于是，受感染的树变成了树桩。有时候栗树会发出新芽，但新芽长到大约1米高之后就会遭到真菌的再次袭击，新芽只能缩回去死掉。美国森林人员拯救栗树林已有100年之久。他们喷洒杀真菌剂，却未能奏效。他们用侵犯真菌的病毒感染真菌，但耐毒的真菌菌株继续杀死树木。他们试图焚烧栗树以形成真菌防火墙，却发现真菌悄然感染了橡树。他们做的正是保护主义者一直在做的事——尽量除掉威胁，但却未能做到这一点。

20世纪80年代，一组科学家开始尝试一种不同的方法——如果不能抑制真菌，那么为何不考虑帮助树木保卫自己？栗木枯萎菌之所以能来到美国，首先是因为亚洲栗树能抵抗这种真菌。它们有基因来让自己控制住溃疡并复原，树木因此继续生长，产生花粉和种子。进化地点远离亚洲的美国栗树，却从未进化出对枯萎菌的抵御机制。因此，科学家开始杂交这两种栗树，看是否能赋予美国栗树像亚洲栗树那样的防御机制。

当科学家杂交美国栗树和亚洲栗树后，这些植物在杂交种子的不同组合中混合了它们的基因。科学家让种子长成树苗，几年后发现一些杂交栗树遗传了亚洲品种的一部分防御基因。这些树上的溃疡比美国栗树上的生长得慢些。但这些树不再被识别为美国栗树，因为它们有半数的DNA来自亚洲栗树。亚洲栗树个头小，像果树，所以杂交的栗树比参天的美国栗树小得多。换句话说，这些小家伙并不能解决美国栗树的枯萎病问题，因为它们的防御机制依然很弱，它们也无法在美国森林里的橡树及其他大树的阴影下生存。

于是，科学家继续繁殖这些树。他们采用了另一种行之有效的方法——回交。他们把美洲、亚洲杂交栗树与美国栗树进行杂交，得到的树木只有1/4的DNA来自亚洲栗树。所得树苗中有一些能抵御枯萎菌，这是因为来自亚洲栗树的1/4的DNA中包含抗病所需的基本基因。与此同时，这些栗树更像是美国栗树，因为它们传承了美国栗树的更多DNA。从这一代树木中，科学家挑出抗病能力最强的树木回交，还把杂交树木相互杂交，让基因重组成新的组合，选择性地繁殖抗病能力更强、同时也更高大的栗树。他们迄今已得到数千棵栗树，种植于位于弗吉尼亚州的实验农场。这些栗树包含的DNA中有15/16来自美国栗树，只有1/16来自亚洲栗树。这个1/16听起来不多，实际上却很多——它代表着好几千个基因。但其中一些基因可能会降低栗树在美国森林里的成功率。因此，在植入基因方面必须足够精确。科学家已经研发出一种外科手术式的方法，来繁育抗病的栗树。

1990年，科学家开始调查怎样把单个基因植入美国栗树中。该计划花了多年才起步。你不可能通过把一根针插进树干就把基因植入树木，因为基因只能被植入个体细胞中。所以，科学家必须找到在实验室里培育栗树的方法。

一些植物能在实验室中以细胞的形式永久存活。但栗树并非是这样的植物。科学家发现，必须合并美国栗树花粉和胚珠（卵细胞）来产生胚胎。只要激素浓度合适，胚胎就会生出更多胚胎，而更多胚胎生出越来越多的胚胎。这样一来，科学家就能挑选出个体胚胎细胞，注入基因，接着让细胞生长成栗树。

确定这一思路后，科学家开始寻找注入美国栗树细胞的基因。当时，还没有人绘制过中国栗树的基因组。所以科学家把目光转向了其他栗树。

科学家已经知道小麦反击真菌的方法——制造酶，把真菌产生的草酸转变成无害的副产品。于是，他们把小麦反击真菌的基因注入美国栗树的细胞内，接着让细胞长成树。开始时这种酶没什么帮助，于是科学家细调基因，让美国栗树制造更多的这种酶。酶破坏的草酸越多，栗树的抗病能力越强。科学家最终培育出了溃疡少、能愈合的栗树。

2012年春季，纽约植物园种植了一些这样的栗树向公众展示。尽管面对不断飘来的枯萎菌孢子，它们却长势良好。可能还要再等5年甚至更长时间，这些栗树才会开始在野外生长。然而，这些植物园栗树并非是科学家最终复活美国栗树林的版本。科学家相信，添加更多的抗病基因是必要的，因为栗木枯萎菌并不是一个固定目标，它也在演化，而且肯定会演化出更多形式和方向。因此，每棵树在其一生（可能长达百年）中需要配备足够多的防御手段来对付不断演化的病原体。科学家还相信，一些基因能提供更长久的防御，但找到这样的基因尚需时日。于是，科学家决定进一步探索中国栗树的基因组。能转变草酸的单个基因对提供全面抗病能力来说是不够的。科学家相信中国栗树演化出了多个基因，它们共同使得枯萎菌无法为非作歹。从迄今锁定的大约900个中国栗树基因中，或许能辨识这样的基因。

复活已经消失或者说灭绝的森林，应该是一个并非不可能的计划。如果100年后参天的栗树再度覆盖美国东部，人们会如何看待这些森林呢？是把它们看成是再度辉煌的大自然的一部分，看成是再度繁荣的生态系统，还是看成是人类摆弄的非自然玩物？或者兼而有之？考虑到过去百年来在拯救美国栗树方面的抗争，这种选择并不是自然与非自然之分，而是有栗树与没有栗树之分。

当栗树还处在胚芽阶段，即只有手表电池大小时，科学家就使用土壤杆菌把小麦基因注入栗树胚芽的基因组。半年多过后，正在发育的栗树被从一个生长介质转移到另一个生长介质——小树被包在袋子及盒子里，由此维持精确的光线、温度和湿度条件。最终，小树被移栽到温室里。此后，它们可能被种植到多个实验地。研究证实，就算到了第二代，实验地里的转基因栗树的抗枯萎病基因依然强大。不过，美国政府可能要在多年后才会解除对转基因栗树的管控，这其实更多取决于公众的反应。

美国普渡大学的一项研究表明，大面积种植一种新型的杂交美国栗树，不仅能复活已经灭绝的美国栗树林，而且有助于遏制全球变暖。

科学家比较了多个不同年龄阶段的美国栗树与黑胡桃木、北方红栎，并且对照了对同一地区的颤杨、赤松和美国五针松的其他研究。在每种情况下，美国栗树都长得更快，并且在同一发育阶段的同体积地上生物量都比其他树种高3倍，这意味着美国栗树在短时间内能储存更多的碳。

在每年全球释放的碳中，大约1/6被树木吸收。如果能让这个比例再增高，对遏制全球变暖当然会有更大贡献。科学家接下来将研究包含美国栗树的森林在地面下储存碳的能力。

虽然栗树林已在美国灭绝，但通过杂交幸存的美国栗树和有抗枯萎病能力的中国栗树，得到了大约94%的基因都源自美国栗树、但同时又具有像中国栗树那样的抗枯萎病能力的栗树种类。科学家认为，未来10年可以在美国大面积种植这种新型栗树。种植地点包括现有林地或正在恢复成森林的以前的农田。

美国栗树曾经组成从美国缅因州到佐治亚州的东部森林的1/4树冠，为野生动物提供食物，为人类提供木材。圣诞节期间，美国人有露天火烤栗子的习俗。虽然美国栗树基本上已经消失，但科学家已经培育出转基因栗树。火烤的转基因栗子不仅比非转基因栗子的淀粉多一点，油脂重一点，而且质地也有区别。不过，火烤的转基因栗子口味更好。

转基因栗树采用了一个小麦基因来抵御枯萎病。要想大规模种植转基因栗树，还需获得美国联邦政府认可。尽管有科学证据暗示转基因技术是很安全的，但它一直以来遭到环境学家的强烈诟病。

栗木枯萎病是由一种通过树皮创口进入栗树内部的真菌引起的。一旦进入，真菌就释放草酸，杀死周围的树木组织，好让真菌占领并大啖这些美餐。最终，这些死亡组织构成被称为溃疡的区域。它们基本上令栗树窒息，杀死地面以上的树木组织。树根或许会继续存活几年，每年春季都会发新芽，但很难长成树木。

转基因栗树的小麦基因，为分解草酸的一种酶解码。没有草酸来杀死树木组织，以死亡组织为食的真菌就进不了栗树内部，从而不会对栗树造成除树皮之外的伤害，也就能把伤害降到最低。科学家说，美国人每天都在吃这个基因和它产生的酶。

初步研究表明，转基因美国栗树的抗枯萎病能力与具有天然抗枯萎病能力的中国栗树不相上下。通过比较生长速度、对昆虫的影响和落叶腐烂情况，科学家要分析转基因栗树对环境的作用，以确保转基因栗树的行为与天然栗树的相似。他们发现，转基因栗树的维生素E含量低于天然的美国栗树，但与中国栗树的相当。总之，转基因栗树与其他栗树没有明显区别。

但一些环境学家认为，转基因树是非自然植物，它们一旦扩散后果不堪设想。科学家则指出，非相关物种之间的水平基因转移并非不自然。它在自然界中就客观存在，而且是确保基因多样性和进化的一种重要力量。另外，树不是草，不会迅速扩散。

与转基因栗树相比，杂交栗树被认为相对好些。这就是也有一些科学家把美国栗树与中国栗树杂交，希望由此获得能抗枯萎病的美国栗树的原因。为确保“美国本土”特征，已经培育出的抗病美国栗树只有1/16的DNA来自中国栗树。但这种杂交繁育（或称异种交配）的问题是，中国栗树使用数十个需要共同工作的基因来一起抵御枯萎病。而在培育出的美国栗树身上，这些基因的排列却打乱了。许多杂交后代无法得到全套抗枯萎病基因，因此抗病能力不足。随着一代代传递，抗病能力越来越弱。而与杂交繁育相比，转基因方法只需一个基因就能确保抗病性。当转基因树与野生树交配后，多达一半的后代都具有高度抗病能力。

杂交繁育还有其他的问题。美国密歇根州研究人员曾经尝试把欧洲栗树与日本栗树杂交所得栗树与一棵中国栗树交配，希望获得更大的栗子。但因基因不兼容，造成内核破碎——1/3的后代所产生的种子在壳内碎裂。为什么会这样？欧洲栗树与日本栗树虽然都是栗树，但毕竟生长在两个相反的半球，所以它们并不是相同的树。从事转基因栗树培育的科学家希望与从事杂交繁育栗树的科学家合作，探索能否培育出更好的栗树。