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            從星際穿越說開去,AI、基因工程等跨學科技術推動農業4.0

            入科學之門,須懷格物致知之心,誓尋普適真言于萬物,是爲不負天地人生。

            過去幾十年,計算機、互聯網和移動互聯網的高速發展,科學技術極大程度上重新塑造了商業生態,我們認爲在這個時代,沒有一家公司或者一個科學家能獨霸所有風口,世界的變局正在來臨,以新興技術爲驅動力的經濟體,正在迎來利用高校科技轉化形成的創新浪潮。

            創新的背後是融合,互聯網以去中心化的平等結構運用新技術將古今中外進一步融合,把人類社會帶進了一個新紀元。

            所有的科幻大片,都是未來真實社會的預演。跨界是這個時代的主旋律,基因組學、人工智能和信息技術是農業生命科技的三駕馬車,人類在探索自身,適應自然,改造自然的過程中,也在尋找主宰自身命運的機會。

            《星際穿越》的故事背景設定在不遠的將來,那個未來裏沒有炫目的高科技,沒有外星文明的降維打擊,沒有光速傳播的僵屍病毒,只是地球到處都刮起了Plus版的北京沙塵暴,人口縮減數十倍,政府間沒有軍備競賽,沒有技術競爭,整個人類社會退回到農耕時代,農民成了最重(niu)要(bi)的職業,大家爲溫飽而奮鬥。地球已經垂垂老矣,枯萎病從一種莊稼蔓延到另一種莊稼,麥子種不了了,秋葵絕種了,只有幾畝玉米還活著,但也挺不了多久了,也許到庫珀的孫子輩人類就將徹底滅亡,就像地球上很多遠古文明一樣終將掩蓋在黃沙塵土中。

            在這裏枯萎病導致地球行將毀滅是電影中被吐槽或質疑較多的設定。該片的科學顧問兼制片人基普·索恩是世界著名的廣義相對論範疇天體物理學領域的領導者之一,他在籌拍電影之初就坦誠自己不是個生物學家,爲了保證“地球因爲枯萎病毀滅”這一假設有科學依據,他邀請了加州理工學院的一批教授,其中包括1975年諾貝爾醫學及生理學獎獲得者戴維·巴爾的摩(David Baltimore)作爲影片的專業顧問。

            專家們表示在目前的植物病理學研究中,還沒有發現某一種生物能夠消滅所有農作物,因爲不同的植物病原有不同的寄主範圍,即針對不同的種、屬、科。但是假如出現某種超級真菌或細菌可以跨種屬傳播的話,那還是可能的。總而言之,這種枯萎病造成大量糧食減産和地表荒漠化,也就帶來了片中地球上無處不在的沙塵暴。但是所幸的是,這種可能性微乎其微。

            電影最深重的絕望不是席卷世界的沙塵暴,而是整個人類文明失去了向前發展的希望與動力。未來是所有人都關心的事情,但是未來是什麽樣子的?科技的演進到底會給人類一個怎樣的未來,能在多大程度上改變人類和我們賴以生存的世界,在那個未來的時間節點到來之前都是猜測。

            科幻電影之所以深入人心,是因爲它包含了我們對未來期待、好奇還有焦慮。有人說所有的科幻大片,都是未來真實社會的預演。電影裏的庫珀利用“蟲洞”、“引力彈弓效應”、“五維空間”這些源自廣義相對論的知識拯救了人類文明。

            但我們回到造成地球毀滅的“枯萎病”,科技的力量是否讓我們在拯救文明之前先拯救地球,畢竟就像《流浪地球》電影是裏所希望的,地球是我們的家園,我們應該先想辦法呆下去,而不是離開她。

            真實的枯萎病與愛爾蘭近代史

            枯萎病(blight,電影就是用這個單詞)亦稱疫病。是由真菌或細菌引致的植物病害,病原體導致的枯萎病症狀,主要是由于它們在植物體內大量繁殖,堵塞維管束,阻礙水和營養物質的輸送,最終導致細胞壞死。

            在植物病理學上,當植物的葉片、莖、花乃至植株整體出現迅速褐變、幹枯、死亡的症狀時,我們往往就導致這些症狀的病害冠以“枯萎病”的名字。

            曆史上確實曾出現過“枯萎病”引起的饑荒。19世紀馬鈴薯是愛爾蘭人最主要的糧食來源,1845年,愛爾蘭地區的馬鈴薯患上一種名爲晚疫病的疾病,病菌通過葉部感染馬鈴薯植株,整株的幼苗還沒等到收獲就腐爛了。

            1845年秋季,病害從愛爾蘭東部向西部蔓延。隨後幾年,晚疫病毒在當地肆虐,加之政治、宗教等因素嚴重打擊了當地農業生産,導致島上數十萬人死于饑餓或疾病,百余萬人被迫移居海外。

            這是人類曆史上最重要的人口遷徙之一,這場大饑荒也是歐洲甚至美洲現代曆史的重大轉折點,100萬人像蒲公英一樣,移民至美洲、英格蘭以及澳大利亞,來自歐亞大陸的文明散落世界,開花結果,重塑了近代世界文化的格局。然而即使到了今天,愛爾蘭的人口仍然沒有恢複到饑荒前的數量。

            無論從科幻電影還是曆史事件本身,我們都不難看出農業生産是社會發展和文明延續的根本保障。

            回顧近代農業的三次重大突破:20世紀30年代美國雙雜交玉米的推廣,由原來的畝産100kg增加到350kg;40年代墨西哥選育的矮杆、高産、耐肥、抗倒伏的小麥品種,畝産由原來的50kg增加到250kg,並掀起一場“綠色革命”。

            60年代我國黃耀祥院士發現和利用具有sd-g的矮性基因源,開創叢生快長高光效高産株型育種,使得水稻畝産達650kg以上。每一次科技和工具上的重大突破和革命,都將農業推上一個新的台階,進入到一個新的曆史階段。

            人工智能+生物技術革新農業

            人類農業的曆史就是一部人類不斷追求技術速度與精度的曆史。與田間精確噴藥、灌溉等數據的曲線救國利用相比,信息技術與人工智能在育種、化肥以及新品種方面的作用可能更爲迅速和直接。

            從新石器到20世紀中期,人類依靠植物的自然變異來選擇産量、品質表現優良的品種,主要憑經驗和運氣的階段稱爲“經驗和統計學爲基礎的農業1.0時代”,1.0時代是根據田間植物形態和農藝性狀的表現來篩選親本,將高産優質的親本和抗病的親本進行雜交,在後代中通過大群體多年多地點篩選性狀表現好的植株,不斷繁殖鑒定,培育出高産抗病的品種。這種篩選依靠植物的田間表現和育種家的經驗,需要世代累積才能尋求最佳植株,工作強度極大,選育一個優良品種通常需要10-20年的時間才能完成。

            傳統育種與數字化育種

             左圖作者自制,右圖來自華大基因

            步入21世紀,育種家開始利用高通量測序(NGS)、分子標記(MAS)等先進的生物技術和信息技術手段,架起了育種資源基因信息銜接多維度大數據的橋梁,建立起常規育種與生物育種相結合的平台,大幅度提高了育種效率,使育種工作實現了由"經驗驅動"向"數據驅動"的根本性轉變,這個階段我們稱作農業2.0時代。

            目前我國植物基因組數據的大小已經達到了TB甚至PB級別,對這些數據的存儲、分析以及利用這些數據對成千上萬份種質資源材料進行雜交配組和篩選成爲目前農業大數據應用的一個熱點,這是一個利用基因組學結合大數據及人工智能技術加速育種進程的農業3.0階段,我國的科學家已經成功培育出了抗枯萎病的品種,這在某種程度上也算是拯救世界了吧?

            利用高通量基因組與表型信息技術開發枯萎病鑒定體系

            資料來源:由國家蔬菜工程技術研究中心提供

            人工智能、大數據在農業領域的另一應用方向是作物保護産品的研發,根據PhilipsMcDougall的分析,將一種新的作物保護産品推向市場需要11年的研發時間,分析16萬份化合物,每個産品商業化支出超過2.8億美元。在新農化産品的開發中,整個行業每年的花費超過26億美元。

            而人工智能技術可以提高這一過程的效率,2018年孟山都參與了AI新藥研發公司Atomwise的A輪融資,該公司的核心技術是使用深度神經網絡進行結構穩定性的藥物設計,提高研發效率,孟山都希望用該平台提高農藥化合物的篩選。

            對于AI在作物生物技術方面的應用,孟山都正在與Second Genome進行合作。該公司基于人類微生物組的分析,從中找到開發新藥的線索。爲了加速新一代昆蟲控制解決方案的新蛋白質的發現,孟山都開放了其廣泛的基因組數據庫,並通過大數據的宏基因組學、機器學習和預測分析功能,來加速這一過程。

            農業4.0:

            一個技術顛覆與敬畏傳統共存的新系統

            農業4.0 階段是一個跨學科、多交叉的技術體系,該體系涵蓋生命科學與信息科學領域的基因組技術、表型組技術、基因編輯技術、生物信息學、系統生物學、合成生物學,以及信息領域的人工智能技術、機器學習技術、物聯網技術、圖形成像技術,共同支撐未來農業向更高的層面發展。預計到本世紀中葉,新品種的培育周期可以縮短至一年或數月,甚至實現在短時期內快速馴化出嶄新的農業品種爲人類社會所用。國內外衆多學者、創業者都在爲這一目標努力。

            以正在各個領域大放異彩的基因編輯技術來說。如Caribou Biosciences公司正在把這項技術轉化爲能夠直接影響到人們生活的商業産品,與其競爭對手Editas Medicine聚焦醫學應用不同,Caribou目標客戶集中在農業領域,杜邦公司(DuPont)以專利許可和未來商業利益共享的方式獲得公司的技術開發權。

            Caribou可以實現將有害基因的定向敲除或是在基因組的特定位置插入一個新基因來獲得優良的性狀。與人類實踐了數千年的雜交技術相比,這一技術可以使得植物育種過程中發生最小的生物學改變。同時這一技術還可以使科學家回避插入來自其他物種外源DNA技術(轉基因)所帶來的爭議。

            轉基因技術的核心是我們轉入已知的基因,比如說這種基因會産生抗蟲蛋白,向植物中轉入該基因就能使作物抗蟲。有了基因編輯技術,我們就可以把作物和動物任意修改成我們想要的樣子嗎?

            這也許是對基因編輯的誤解。人類農業起源于農民從田間表現選擇,再往後有了更先進的育種技術、轉基因、基因編輯等,這是一個連續的過程,其目的始終如一。基因編輯給我們帶來更多機會,但並不代表它可以取代轉基因或傳統育種技術。事實上這些技術相輔相成,作物的幾萬個基因我們只會去編輯幾個,剩下的大部分基因依然要靠傳統育種來篩選。利用這項技術改良作物,提高産量、營養成分含量、抗病蟲害能力和在惡劣環境下的生存能力。

            農業發展的4個階段

            來源:Wallace, Jason G., E. Rodgers-Melnick , and E. S. Buckler . "On the Road to Breeding 4.0: Unraveling the Good, the Bad, and the Boring of Crop Quantitative Genomics." Annual Review of Genetics 52.1(2018).

            基因編輯技術的轉化和商業戶都非常快速,以基因編輯的代表公司EditasMedicine爲例,其科研成果于2012年發表,2013年被授予專利,2014年成立公司,2016年公司在納斯達克上市,基本上都是閃電速度,幾乎是實驗室裏剛有成果,馬上就有人開始與之合作開發商業應用。

            一項科研成果對社會的推動很容易從商業的角度去鑒別,很多有應用價值的技術會直接被社會接受,産生的社會效應和商業效應清晰可見。

            反觀我們國家,在生命科學這個領域裏我們很大程度上是和國際同步的,甚至在很多方面是單項領先的,但是大多數的研究成果只是停留在論文上,缺少應用轉化,商業化程度更是低到被忽略不計的程度。

            不難發現,在美國創業和在中國創業很不一樣,美國的創業公司産品需要有很高的科技含量,而且這些高科技幾乎都不是公司自己拍腦袋想出來的,技術都是源自高校。

            2003年-2013年的10年間,《財富》世界1000強有172家被替換掉了,新上榜的無疑都更具科技含量,如谷歌、Facebook。當然還有很多是硬科技公司,如SpaceX、基因測序公司illumina等。這些公司背後無一例外都有大量從高校轉讓過來的知識産權支撐著其科技産品的發展。

            我們相信這一定是這個時代創新的規律,科學技術的發展走到今天已經超越了過去幾千年的效率。任何一個領域的背後都有深厚的基礎科學研究作爲支撐,多學科交叉融合,協同發展,才能出現真正顛覆世界的偉大發明。

            對中國來講,我們要理解全球科研商業化的進程正在提速,過去30年中國企業從“貿”到“工”,實現了經濟的快速騰飛,成爲全球第二大經濟體,未來的30年我們要從“工”到“技”,中國的創業者和投資人應該從全球視野的角度想問題,應該勇敢地站在世界的最前沿。

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