科技季刊农业的未来——让农业变得更像制造业

科技季刊农业的未来——让农业变得更像制造业

杰弗里·卡尔(Geoffrey Carr)说,要使农业继续为世界提供粮食,就必须变得更像制造业。

汤姆·罗杰斯(TOM ROGERS)是加州中央谷地马德拉县的一位种植杏仁的农民。杏仁既美味又有营养。它们也是有利可图的。加州的农民种植了全世界80%的坚果,他们从中赚取了110亿美元。六年前,一对荷兰研究人员的计算表明,种植一棵这样的树大约需要消耗一加仑的水。这仅仅是3.8升的美国加仑,而不是4.5升的英制加仑,但它仍然是相当多的水。水是要付钱的。

然而,技术却帮了罗杰斯的忙。他的农场像实验室里的小白鼠一样。或者,更准确地说,它是通过无线传输的。遍布坚果林的水分传感器可以跟踪土壤中发生的变化。他们将结果发送到云计算(一种由服务器组成的网络,在世界范围内进行越来越多的重型计算)进行计算。结果会被传回到农场的灌溉系统——由滴灌带(上面打了孔的软管)组成的网格,然后用泵将其填满。

这个系统类似于在温室里种植蔬菜的水培法。每隔半小时,就会有一股经过仔细校准的水流脉冲,根据云层的计算,如果有安排的话,还会与适当剂量的肥料混合在一起,将水精确地洒向每棵树。这种脉冲在树干的一边和另一边交替,经验表明这可以促进水分的吸收。在这个系统安装之前,罗杰斯先生大概每周灌溉一次他的农场。通过这项“少而勤”的新技术,他比以前少用了20%的水。这既节省了资金,也带来了荣誉,因为加州已经遭受了长达四年的干旱,而且存在着社会、政治和财政方面的压力,需要节约用水。

罗杰斯先生的农场,以及其他种植开心果、核桃和葡萄等高价值但需要量大的作物的类似农场,都处于这种精准农业的前沿,被称为“智能农业(智慧农业)”。但受益于精准的不仅仅是水果和坚果种植者。覆盖美国中西部大部分地区的所谓行栽作物——玉米和大豆——也在不断提高。播种、浇水、施肥和收获都由电脑控制。就连它们生长的土壤也受到了严密的监控。

人们将希望吃得比现在更好

因此,农场正变得越来越像工厂:严格控制生产可靠产品的操作,尽可能不受大自然变幻莫测的影响。由于对DNA的更好理解,在农场饲养的植物和动物也受到严格的控制。精确的基因操作,即所谓的“基因组编辑”,使得将作物或家畜的基因组改变到一个基因“字母”的水平成为可能。人们希望这项技术比早期基因工程的基础——物种间的基因转换——更能被消费者接受,因为它只是简单地模仿了作物育种一直依赖的突变过程,但以一种更可控的方式。

了解作物的DNA序列也意味着育种本身可以更加精确。你不需要让一株植物生长到成熟,才能知道它是否具有你想要的特征。提前快速浏览一下它的基因组,你就知道了。

这种硬件、软件和“活软件”方面的技术变革已经超越了田野、果园和牛棚。鱼类养殖业也将从中受益。室内园艺,已经是最受控制和精确的农业类型,将变得更加重要。

从短期来看,这些改善措施将通过降低成本和增加产量提高农民的利润,同时也将以降低价格的形式使消费者(即每一个吃食物的人)受益。但从长远来看,它们可能有助于回答一个日益紧迫的问题:未来如何在不给地球土壤和海洋造成无法弥补的压力的情况下养活世界?从现在到2050年,地球人口可能会从现在的73亿上升到97亿。这些人不仅需要吃东西,还会想要比现在吃得更好,因为到那时,大多数人可能都已达到中等收入,许多人将过上富裕的生活。

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世界的菜单上有什么(按食物类型划分的每人每日卡路里)

信息技术正以各种形式接管农业

把农业看作是矩阵代数的一个分支。农民必须不断地处理一系列变量,如天气、土壤的水分水平和养分含量、杂草对作物的竞争、病虫害对作物健康的威胁,以及采取措施应对这些因素的成本。如果他做对了代数运算,或者是代表他做的,他就会使产量最优化,使利润最大化。

因此,智能农业的工作有两方面。一种方法是尽可能精确地测量进入矩阵的变量。另一种是减轻农民处理矩阵的负担,只要他愿意让机器来处理。

早期农业的具有成本效益的精度是决定在2001年由约翰迪尔,世界上最大的农业设备制造商,以适应其拖拉机和其他移动设备与全球定位系统(GPS)传感器,这样他们可以坐落在几厘米地球上任何地方。这样就可以防止它们在同一块场地上跑两遍,或者在来回跑动时漏掉一些补丁,这是经常出现的问题。解决这一问题不仅减少了燃料费用(在某些情况下高达40%),而且改善了化肥、除草剂和杀虫剂喷洒的一致性和有效性。

细菌和真菌可以帮助农作物和土壤

尽管微生物作为疾病的媒介有负面的影响,但它们在农业中也发挥着有益的作用。例如,它们将空气中的氮固定成可溶解的硝酸盐,充当天然肥料。了解和利用这些生物进行农业是农业生物技术迅速发展的一部分。

目前,孟山都和丹麦公司诺维信(Novozymes)正在合作,走在领先地位。

这个名为BioAg的财团成立于2013年,目前市场上有12种基于微生物的产品。这包括杀菌剂、杀虫剂和从土壤中释放氮、磷和钾化合物的害虫,使它们易于溶解,从而更容易被作物吸收。去年,这两家公司的研究人员测试了另外2000种微生物,寻找能提高玉米和大豆产量的物种。表现最好的品种给两种作物都带来了约3%的增长。

2015年11月,先正达与荷兰公司帝斯曼建立了类似的合作关系。同年四月,杜邦收购了加利福尼亚微生物公司塔森生物科学公司。充满希望的创业公司比比皆是。波士顿的Indigo就是其中之一。它的研究人员正在对它的4万微生物库中的一些微生物进行实地测试,看看它们是否能够缓解干旱和盐碱化引起的棉花、玉米、大豆和小麦的压力。另一家是西雅图的适应性共生技术公司。成立这家公司的科学家们研究的是与植物共生的真菌。他们相信他们已经找到了一种植物,它的天然伴侣是恐慌草。恐慌草是一种沿海物种,当转移到水稻等作物上时,它具有抗盐性。

然而,最大的收获将是说服小麦等作物的根与固氮土壤细菌建立伙伴关系。这与豆类植物(如大豆)与固氮细菌形成的天然伙伴关系类似。在豆科植物中,植物的根会长出特殊的根瘤,这些根瘤成了细菌的家。如果通过基因组育种或基因组编辑,能够说服小麦根茎具有同样的行为,那么除了化肥公司之外的所有人都将获得巨大的利益。

从那以后,又增加了其他技术。每隔几年进行一次高密度土壤取样,以跟踪矿物含量和孔隙度等特性,可以预测一块田地不同部分的肥力。精确的等高线制图有助于指示水是如何移动的。种植在土壤中的探测器可以监测多个深度的水分水平。一些探测器还能指示养分含量以及它如何随施肥而变化。

所有这些都允许可变速率的播种,这意味着植物的生长密度可以根据当地条件进行调整。而密度本身是在精确控制之下的。约翰迪尔公司的设备可以将单个种子的播种精度控制在3厘米以内。此外,当作物收获时,谷物或豆类流入收割机储罐的速度可以随时测量。当这些信息与GPS数据结合起来时,就形成了一幅产量图,显示出哪些土地的产量更高或更低,从而可以看出土壤和基于传感器的预测有多准确。这些信息可以输入到下一个季节的种植模式中。

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农民也通过在他们的土地上飞行的飞机来收集信息。机载仪器能够测量植物覆盖的数量,并区分作物和杂草。利用一种被称为多光谱分析的技术,即观察植物吸收或反射不同波长阳光的强度,他们可以发现哪些作物生长茂盛,哪些不生长。

安装在运动机械上的传感器甚至可以在跑步时进行测量。例如,安装在拖拉机喷药杆上的多光谱传感器可以估计将要喷药的作物对氮的需求,并相应地调整剂量。因此,一个现代化的农场可以产生大量的数据。但是他们需要翻译,而信息技术是必不可少的。

平台的票

在过去的几十年里,大公司已经成长起来,以满足商业农业的需要,特别是在美洲和欧洲。有些是设备制造商,如约翰迪尔公司。其他人则出售种子或农药。这些看起来还在变大。陶氏(Dow)和杜邦(DuPont)这两家美国巨头正计划合并。另一家美国大公司孟山都(Monsanto)也被德国的拜耳(Bayer)收购。瑞士先正达公司也被中国化工收购。

商业模式也在发生变化。这些公司不再满足于仅仅销售机器、种子或化学品,都在努力开发矩阵运算软件平台,充当农场管理系统的角色。这些专有平台将从单个农场收集数据,并在云中处理它们,考虑到农场的历史、单个作物品种的已知行为和当地天气预报。然后他们会向农民提出建议,也许会向他推荐公司的其他产品。

但是,制造机械、培育新作物或生产农药都有很高的准入门槛,而基于数据的农场管理系统可以由任何商人整合起来,即使没有农业方面的记录。许多人正在尝试。例如,位于硅谷南端森尼维尔的Trimble导航公司认为,作为一家已建立的地理信息公司,它拥有一个被称为“连接农场”的系统,在进入智能农业市场方面处于有利地位。它以去年收购的加拿大农业咨询公司AGRI-TREND的形式收购了外部专家。

相比之下,堪萨斯州Overland Park的Farmobile是一家初创公司。它针对的是那些重视隐私的人,其特点是不像许多农场管理系统那样使用客户的数据来销售其他产品。爱荷华州达文波特的农民商业网络几乎使用了相反的模式,作为一个合作的数据池。池中的数据是匿名的,但是每个加入的人都被鼓励添加到池中,从而可以分享那里的数据。其理念是,所有参与者都将受益于更好的矩阵解决方案。

一些公司专注于利基市场。例如,总部位于法国蒙彼利埃的iTK专门研究葡萄,并建立了数学模型来描述所有主要品种的行为。现在它正在向加利福尼亚扩展。

多亏了农场管理软件的普及,如果有传感器提供数据,就有可能更好地利用越来越多的数据。更好、更便宜的传感器也正在研发中。例如,水分传感器通常通过测量土壤的导电性或电容来工作,但一家位于加州圣克拉拉的名为WaterBit的公司正在使用一种不同的技术,据说这种技术可以以现有产品十分之一的价格完成这项工作。约翰迪尔公司(John Deere)销售的一种传感器可以在喷雾剂中光谱测量氮、磷和钾的组成,从而实时调整喷雾剂的喷速。这就解决了一个问题,即液体肥料虽然是一种很好的肥料,但却没有标准化,因此在正确的数量上使用液体肥料比商业肥料更难。

空气中的情况也在发生变化。作为早期载人飞行的缩影,无人驾驶农业无人机制造商正在测试各种设计,以找出最适合在农场上空飞行多光谱相机的任务。一些公司,如科罗拉多州博尔德的Agribotix,更喜欢四轴飞行器是一种四旋翼的现代设计,已经成为小型无人机的行业标准,尽管它的航程和续航能力有限。由俄勒冈州威尔逊维尔的蜂巢公司制造的AgDrone是一种很受欢迎的替代品,它是一种单引擎飞行翼,看起来就像是从20世纪50年代的一次航空展上逃出来的。另一架是来自北卡罗来纳州罗利“精确鹰”(PrecisionHawk)的兰开斯特5号(Lancaster 5),与二战时期的轰炸机的比例模型有点相似。总部位于法国图卢兹(Toulouse)的Delair-Tech公司提供的这种滑翔机以其狭长的机翼为特色,可以让它长时间保持在高空。

即使是一架“耐力无人机”,也可能会被推动一次调查一个大型地产。因此,一些农民求助于卫星来了解他们所持的观点。位于旧金山的行星实验室(Planet Labs)公司使用一种名为立方体卫星(cubesat)的设备提供这样的服务,立方体卫星直径只有几厘米。它在轨道上保持着大约30个这样的机队,当旧的机队失效时,它通过搭载商业发射将新的机队送入太空来更新这些机队。多亏了现代光学,即使是这么小的一颗卫星也能装上多光谱相机,尽管它的像素分辨率只有3.5米(约10英尺)。从外太空看,这还不错,但远不及无人机摄像头所能做到的好。

然而,卫星覆盖的优势是广泛和频繁,而无人机只能提供其中一种质量。行星实验室的星座将至少每周给地球表面的某个地方拍一张照片,这样就可以快速识别出有问题的区域,并进行更详细的检查。

最好的解决办法是整合空中和卫星的覆盖。这也是同样位于旧金山的Mavrx正在尝试做的事情。它没有使用无人机,而是像优步一样安排了大约100名轻型飞机飞行员在美国各地飞行。该公司的每架合同飞机都配备了多光谱相机,并随时准备根据Mavrx的要求进行特定的飞行。Mavrx的相机分辨率为每像素20厘米,这意味着它们几乎可以拍摄单个植物。

该公司还将其卫星摄影业务外包出去。它的原料来自陆地卫星和其他公共卫星项目。它还可以使用这些项目的图书馆,其中一些可以追溯到30年前。因此,它可以检查一个特定农田几十年来的表现,计算出该农田每年支持了多少生物量,并将其与那些年该农田的产量记录相关联,显示出该地区植物的产量。然后,知道了当前季节的农田生物量,就可以预测产量。Mavrx的方法可以扩大到覆盖整个地区甚至国家,在收割前预测收成的规模。这是强有力的金融和政治信息。

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然而,一个真正自动化的、类似于工厂的农场,必须把人完全排除在这个循环之外。这意味着将机器人应用于地面和空中,许多满怀希望的农业机器人制造商正尝试着这样做。

在悉尼大学,澳大利亚野外机器人研究中心已经开发出了RIPPA(智能感知和精确应用机器人),这是一种四轮太阳能设备,可以识别蔬菜地里的杂草,并对它们进行单独清除。目前,它使用的是精确的、瞄准准确的除草剂剂量。但是它,或者类似的东西,可以用一束微波,甚至激光来代替。这样一来,那些不赞成化学处理的消费者就可以认定相关作物为“有机作物”。

明尼阿波利斯的Rowbot系统公司正在开发一种机器人,它可以在玉米行间穿梭,这样就可以在不碾碎玉米的情况下给玉米补充肥料。的确,将来可能会在通过航空多光谱摄像机评估单个植物需求的农场中,对该植物进行匹配剂量的研究。

机器人对目前手工采摘的水果和蔬菜种植者也很感兴趣。水果采摘是一项耗时的业务,即使采摘者没有得到很好的回报,但如果它是自动化的,将会更快、更便宜。机器人采摘者开始出现。

由西班牙AGROBOT公司生产的SW6010用相机识别草莓,确定哪些成熟可以采摘。它们的茎被叶片切断,放在篮子里,然后由坐在机器人上的人类操作人员通过传送带传递,进行打包。在荷兰,瓦赫宁根大学(Wageningen University)的研究人员正在研制一种机器人收割机,用于收割辣椒等大件农产品。

所有这些设备,以及其他类似的设备,仍然散发着希思·罗宾逊的气息。但是机器人技术正在迅速发展,运行这些机器所需的控制系统正变得越来越好,越来越便宜。一些人认为,在十年左右的时间里,富裕国家的许多农场将在很大程度上由机器人操作。

还有一些人想知道农民会让他们的农场机械化到什么程度。约翰迪尔(John Deere)销售的那种自动导向农业机械几乎已经是机器人了。它就像一架客机,飞行员在降落和起飞之间通常没什么事做,因为电脑为他做这些工作。然而,迪尔公司并没有计划将全部控制权移交给云计算,因为这不是其客户想要的。

如果说在户外农业中完全控制作物生长还有很长的路要走,那么在完全人工环境中种植作物的时间已经很近了。在伦敦南部克拉彭地下坑道林立的地方,“地下种植”正如其名所示。它在第二次世界大战时期的防空洞里培育了大约20种沙拉植物,准备卖给这座城市的厨师和三明治店。

在许多方面,地下种植农场与其他室内水培操作相似。但有一个很大的区别。传统的温室,其玻璃或聚碳酸酯墙壁,被设计成尽可能多地吸收阳光。而在地下生长则把它排除在外。取而代之的是由发光二极管(led)提供照明。这些植物,在水培的极简主义精神下,已经精确地调整了它们的光谱,使它们发出的光对植物的光合作用是最佳的。

正如你所预料的那样,传感器监视着一切——温度、湿度、光照——并将数据与植物生长信息一起直接发送到剑桥大学的工程部门进行处理,从而为未来的作物制定出最佳的种植方式。

目前,“地下种植”的老板史蒂文·德林(Steven Dring)正在限制草药和蔬菜的产量,如小莴苣和海兰花等可以迅速达到可收获的大小。他把香菜的食用周期从21天减少到14天。但测试表明,该系统也适用于其他体型较大的作物。胡萝卜和萝卜已经成功地用这种方法种植了,尽管它们可能没有得到足够的报酬,不值得在地下种植。但是白菜,一种中国蔬菜,在像克拉彭这样住在伦敦市中心郊区的时髦都市人当中很受欢迎,也很受欢迎。目前,从开始到结束需要5周的时间。如果将这一数字降至3,德林认为他可以做到,那么它将是有利可图的。

生产发光二极管的公司也将迎来一件好事。德林先生来自一家芬兰公司Valoya。在瑞典,Heliospectra也从事同样的业务。荷兰电气巨头飞利浦也加入了进来。在传统的温室中,这种光被用来补充阳光,但越来越多的像德林先生的这种无窗的操作中,它们也起着作用。尽管它们不像阳光一样是免费的,但它们是如此的高效和持久,它们的光谱优势似乎是固定不变的(见图表)。

这种耕作不一定要在地下进行。像德林先生这样的业务也出现在表面上的建筑中。世界各地的老牌肉类加工厂、工厂和仓库正在转变为“垂直农场”。虽然它们永远也填不饱全世界的肚子,但它们不仅仅是一种时尚。相反,它们是曾经在城市边缘繁荣的市场花园的现代版本——就像克拉彭一样——在它们所占据的土地被城市扩张所吞噬之前。通过对输入和输出的精确控制(见下面的大脑扫描图),它们也代表了农业的最终发展方向。

植物育种家对操纵植物基因组学感到兴奋是可以理解的。但人们实际上吃的是作物的表现型——它的物理实例——这是基因和环境的产物。

通过控制环境来优化表现型是凯勒·哈珀给自己设定的任务。哈珀博士是麻省理工学院媒体实验室开放农业计划(OAI)的创始人。乍一看,这似乎很奇怪。媒体实验室是一个信息技术实验室,以帮助开发电子纸张、无线网络甚至现代卡拉ok机而闻名。它主要是关于比特和字节的,而迄今为止关于蛋白质和脂类的还不多。

然而,环境信息仍然是信息。它能告诉我们植物是如何生长的,这正是哈珀博士感兴趣的地方。他曾经说过,“人们说他们喜欢墨西哥的辣椒。他们真正喜欢的是墨西哥流行的辣椒生长环境。他认为,如果你能复制植物产品生长的环境,你就能复制这种产品。但这意味着你必须首先正确地理解这些条件。

帮助,他和他的同事的OAI已经开发出他们所谓的个人电脑食物:一个标准化的桌面设备可以控制照明,二氧化碳浓度、湿度、空气温度、神经根带温度、酸度和溶解氧含量的水送到根源,其养分含量以及任何其他方面的化学。

在植物生长过程中,可以通过与检测叶片边缘和颜色差异的软件相连的网络摄像头,以及可以检测光合作用活跃区域的传感器来监测植物的表型。采集后,用激光雷达(光学雷达的等效物)详细记录它们的形状,并通过气相色谱/质谱分析了解它们的化学成分。

其理念是,个人食品电脑可以由任何愿意建造的人建造,并成为“开放科学”网络的一部分,该网络收集生长条件的数据,并计算出这些条件的表型效应。特别值得注意的是,诸如味道和涩味等物质是由一种叫做次级代谢物的化学物质控制的。这些通常是植物防御机制的一部分,因此在一项实验中,计算机正在观察将破碎的节肢动物外骨骼添加到供水系统中的效果,这可能会模拟昆虫或螨虫的攻击。人们希望这将以可控的方式改变口味。

尽管哈珀博士来自农村,但在OAI之前,他的职业生涯与传统的媒体实验室类似。特别是,他为数据中心和手术室设计了环境控制系统——将温度、湿度等保持在最佳功能所需的严格限制内。但从控制这些环境到控制微型农场的转变并不大。

全世界已有大约三十几台个人食品电脑,另有大约100台正在建设中。地理上的分散很重要。哈珀博士关于墨西哥辣椒的观点表明,他的目标是通过建立一个“气候目录”来将气候与地理脱钩。这将允许对室内城市农场进行编程,以模拟任何需要的气候,从而生产出供当地即时消费的作物。对于那些担心“食物里程”的人来说,这无疑是有吸引力的。“食物里程”指的是将可食用食品运往世界各地所产生的二氧化碳成本。在富裕国家的城市里,气候正在被模仿的地方,它将如何影响农民,还有待观察。

农场需要更好的产品。对基因组的了解将为他们提供帮助

C4听起来像是20世纪70年代一款失败的电动汽车的名字。事实上,它是植物分子生物学中最重要的概念之一。植物从细菌那里继承了光合作用的能力,这些细菌大约10亿年前在它们祖先的细胞中共生居住。这些细菌的后代叫做叶绿体,它们位于细胞内,吸收阳光,利用其能量将水分解为氢和氧。然后氢与二氧化碳结合形成小的中间分子,这些小分子随后组装成糖。这种形式的光合作用被称为C3,因为这些中间体包含三个碳原子。然而,自从叶绿体出现以来,进化已经发现了另一种进行光合作用的方式,即使用一个四碳中间体。C4光合作用通常比C3更有效,特别是在热带气候。一些生长在热带地区的重要作物使用它,特别是玉米、小米、高粱和甘蔗。

C4光合作用非常有用,它至少进化了60次。不幸的是,这些都与水稻的祖先无关。水稻是地球上仅次于小麦的第二大作物。然而,作为一种热带植物,如果采用C4方法,水稻的产量将比目前高出50%左右。在位于马尼拉城外洛斯巴诺斯的国际水稻研究所,研究人员正试图证明这一点。

由保罗•奎克(Paul Quick)协调的C4水稻项目是一项全球性努力,亚洲、澳大利亚、欧洲和北美其他18个实验室的生物学家也参与了进来。他们的任务包括在水稻中加入5种外来酶,给它一个额外的生化途径,然后重组植物叶片中的一些细胞,创造出特殊的隔间,在那里二氧化碳可以以标准的C3机制不需要的方式集中。这两种作用在其他植物中自然地也经常发生,这表明人工作用也不是不可能的。该研究小组已经培育出了含有从玉米中提取的用于额外酶的基因的水稻品种,现在正在对其进行调整以提高其功效。更困难的部分(可能还要再花上10年)将是找出需要哪些基因改变才能实现分区化。

基因组编辑类似于自然的突变过程

因此,C4水稻项目的目标是突破产量高原,让世界恢复到绿色革命鼎盛时期的那种增长速度。其他的研究小组也有同样的动机,他们正在致力于使多种类型的农作物具有抗旱、抗热、抗寒和抗盐的能力;提高对感染和感染的免疫力;提高营养价值;更有效地利用水和磷等资源;甚至给那些没有氮的植物直接从空气中吸收氮,而不是以硝酸盐的形式吸收氮。氮是蛋白质的基本成分。这样的创新应该是一笔财富。不幸的是,由于技术和社会方面的原因,它们到目前为止还没有实现。但这种情况很快就会改变。

基因工程作物的早期经历了两个巨大的成功和一个惊人的失败。成功的是将两种类型的基因转移到一系列植物,特别是玉米、大豆和棉花。两者都来自细菌。一种是保护宿主不受讨厌的昆虫幼虫的骚扰。另一种保护它不受特定除草剂的影响,这意味着这些除草剂可以更有效地防止农田杂草的产生。两者都深受农民的喜爱。

令人吃惊的失败在于,这两种情况都不受消费者的喜爱。有些人对他们漠不关心;许多积极的敌意。尽管几十年来没有证据表明食用转基因作物对健康有害,也没有证据表明它们对环境有害,但它们一直被视为贱民。

由于人们不吃棉花,大豆和玉米主要用作动物饲料,反转基因游说团体对这些作物的影响被削弱了。但是,扩展转基因作物的范围或现有转基因作物的范围(除了少数例外)的想法被认为在商业上风险太大,无法尝试。此外,转基因(将基因从一个物种转移到另一个物种的技术)是随意的。移动的基因最终会在哪里很难控制。这一点很重要,因为基因在某些地方比其他地方工作得更好。

因此,人们一直在寻找一种比转基因更好的方法。现在出现了一种,它的支持者希望它可以一石二鸟的杀死技术鸟类和群居鸟类。这种方法被称为基因组编辑,通过添加、删除或替换可能只有单个遗传“字母”(或核苷酸)那么小的片段,在原位调整现有的DNA。这不仅使技术更加精确,而且类似于突变的自然过程,这是所有传统植物育种所依赖的变种的基础。这可能会减少消费者的反对意见,也给了人们希望,即监管机构将把转基因与转基因区别对待。

经过几次失败的尝试后,大多数研究人员一致认为,一种名为CRISPR/Cas9的技术将使编辑作物基因组成为一种现实的前景。这种技术来源于细菌切割入侵病毒基因的方法。转基因技术避开了主要被人类食用的小麦。但杜邦的种子部门先锋(Pioneer)已经在尝试使用CRISPR/Cas9阻止小麦自花授粉,以便更容易培育杂交品种。同样,中国科学院的研究人员正利用这种技术试图培育出抗白粉病的小麦作物,白粉病是一种严重的危害。

目前并非所有的农业基因组编辑尝试都使用CRISPR/Cas9。例如,圣地亚哥的Cibus就采用了一种被称为快速性状发展系统(RTDS)的专有技术。这种方法利用细胞的自然DNA修复机制对基因组进行单核苷酸改变。RTDS已经开发出了一种商业产品,一种能抵抗传统转基因技术无法抵抗的一类除草剂的油菜。但目前CRISPR/Cas9似乎在它之前横扫了大多数东西——即使它因为某种原因绊倒了,其他细菌抗病毒机制可能会介入。

消费者是否会接受基因组编辑还有待观察。然而,可能没有人会反对第二种迅速发展的作物改良方法:一种名为基因组选择的加速育种技术。

基因组选择是标记辅助选择的优越版本,标记辅助选择的过程本身已经取代了传统的作物育种技术。基因组选择和标记辅助选择都依赖于识别在定量性状位点(QTLs)或附近被称为标记的DNA片段。QTL是基因组的一部分,由于其中的一个或多个基因,对表现型有可测量、可预测的影响。如果标记存在,那么QTL也存在。推广来说,具有该标记的植株应该表现出QTL的表型效应。

传统的标记辅助选择和基因组选择的区别在于,前者依赖于几百个标记(比如DNA结巴和重复的地方),这些标记可以被当时可用的技术提取出来。现在,改进的检测方法意味着单核苷酸多态性,或称SNPs(读作“snips”),可以用作标记。SNP是一个单一的遗传字母在基因组中不变的部分发生变化的地方,有成千上万个这样的字母。

加入大量的计算能力可以链接与QTLs-and snp,的确,分析之间的交互主要自己——其结果是一个系统,可以告诉一个增殖成熟个体植物的价值提高,然后应该是相互交叉的最好的结果。

通过这种方式创造的作物品种已经进入市场。AQUAmax和Artesian分别是杜邦公司和先正达公司开发的抗旱玉米品系。有趣的是,这两种玉米是孟山都利用转基因方法开发的另一种耐旱玉米品种DroughtGuard的竞争对手。

基因组选择也为种子公司通常忽略的作物的科学改良提供了机会。泛非组织NextGen木薯项目计划通过这种方式消除对木薯花叶病毒的易感性,然后系统地提高木薯的产量和营养特性。该项目的研究人员已经鉴定出了4万个木薯snp,并利用它们进行了三代的基因组选择。除了使木薯对病毒具有抗性,他们还希望使产量翻倍,并增加由此产生的菌株的淀粉比例(从而提高其营养价值)。如果现代技术能同样应用于其他未改良的作物,如小米和山药,这些作物对大型种子公司没什么兴趣,那么产量红利将是巨大的。

从长期来看,一些研究人员有更激进的野心。去年,美国农业部农业研究局的Donald Ort和他的同事发表了一份宣言,提出不仅要概括进化过程,而且要以进化尚未发现的方式重新设计光合作用过程。Ort博士建议调整叶绿素分子,以获得更大范围的频率,并更有效地利用由此产生的能量。他还在研究改善植物吸收二氧化碳的方式。他希望,结果将是更快生长,更高产量的作物。

这些想法是有争议的,可能需要几十年的时间才能实现。但它们并不完美。转基因(从光合细菌中引进新的叶绿素形式)、基因组编辑(使现有的植物酶增压)和基因组选择(使产生的混合物最优化)的组合很可能实现这些目标。

那些认为这是一种不自然的,甚至是怪异的作物改良方法的人应该记住,这正是现代植物的祖先自己刚出现时所发生的事情,通过细菌和它的宿主的结合,以及随后的相互调整,以在共生中生存。正是这种进化的飞跃使地球最初变得绿色。类似的措施可能会让它重新变得绿色,这至少值得考虑。

在内陆养殖海鱼将减轻海洋的压力

在巴尔的摩内港一个码头上一栋建筑的地下室里,海洋与环境技术研究所的一群水产养殖者正试图创建一个人工生态系统。Yonathan Zohar和他的同事们希望将海洋鱼类的养殖从海洋本身解放出来,这样就可以在内陆建立渔场。新鲜的鱼从卤水里出来的那天就能吃到(即使这里说的卤水是自来水和盐的明智混合物),这样数以百万计的陆地游民就能吃到,他们现在必须从遥远的地方把鱼运来冷藏起来。同样重要的是,海洋鱼类养殖者将不再需要寻找合适的沿海地区来饲养鱼类,因为它们的数量将增长到可销售的规模,这将使拥挤的动物暴露于疾病之中,并污染海洋环境。

自古以来,人们就在池塘里养殖淡水鱼,但主要生活在咸水中的鲑鱼等养殖物种的历史也只有几十年,与此同时,淡水养殖业也在实现工业化规模经营。现在养鱼业蓬勃发展。正如下一页的图表所示,人类对养殖鱼类的消费已经超过了牛肉。的确,未来为人类提供足够动物蛋白的一种方法可能是通过水产养殖。然而,为了保持这种繁荣,像Zohar博士这样的技术专家必须变得更有创造力。

他的生态系统即将进行商业试验,不断循环使用同样的盐水,并由三组细菌净化。一组将鱼排出的氨转化成硝酸盐离子。第二种是将这些离子转化成氮气(一种无害的气体,占空气的78%)和水。第三种是处理从水中过滤出来的固体废物,将其转化为甲烷,通过一个特殊的发电机,甲烷提供了维持整个系统运转的部分动力。其结果是一个可以在任何地方建立的封闭系统,不会产生污染,也不会感染疾病。它也是防逃逸的。这意味着像海鲷和海鲈鱼这样的旧世界物种,现在不能在美国种植,因为它们可能会在野外繁殖,可以送到任何地方的餐桌上。

除了改变养鱼场的设计,Zohar博士还致力于扩大养鱼场可以养殖的物种范围。他花了几十年的时间研究触发产卵的荷尔蒙系统,现在可以根据需要刺激它。他还研究了幼鱼的需求,这些幼鱼往往与成鱼完全不同,如果它们要茁壮成长,就必须满足这些需求。目前,他正试图为一种最受欢迎的物种——蓝鳍金枪鱼做这件事。如果他成功了,从而提供了一种替代这种动物急剧下降的野生数量,全世界的寿司爱好者将永远欠他的债。

去养殖协会

养鱼户过去一直梦想着用转基因技术让鱼长得更快。事实上,在过去的几十年里,研究人员已经用这种方法处理了超过35种鱼类。他们通常都取得了惊人的成功。不过,只有一家公司坚持到了获得监管部门批准的地步。AquaBounty的转基因大西洋鲑鱼,现在在美国和加拿大都已被清除,具有快速生长的理想特性。它的转基因基因取自一种奇努克大马哈鱼,导致它全年都在增重,而不仅仅是在春季和夏季。这将使鱼达到上市大小所需的时间减半。然而,人们是否愿意食用转基因作物本身就是一项实验——所有其他研究人员都太清楚公众对转基因作物的普遍排斥,一直不愿进行这项实验。

这可能是明智的。野生鱼类的自然变异如此之多,以至于传统的选择性育种可以在没有任何高科技干预的情况下产生巨大的变化。早在2007年,akvafforsk(现在是挪威食品、渔业和水产养殖研究所(NOFIMA)的一部分)的研究人员的一份报告显示,经过该国鲑鱼养殖者30年的选择性养殖,鲑鱼的生长速度是野生鱼类的两倍。无可否认,这些农民的起点较低,他们做到了AquaBounty所做到的事情,但并没有借助转基因技术。

如果传统的选择能带来这样的改善,人们很容易就不去考虑更复杂的东西了。诱人,但却是错误的。因为,随着对鱼的DNA了解的加深,应用于作物的基因组选择也可以应用于鱼类。

科技季刊农业的未来——让农业变得更像制造业

挪威卑尔根市SalmoBreed的研究人员利用这种技术,不是为了培育更大、生长更快的鱼,而是为了对付养鱼业的两种祸害——虫害和感染。通过追踪SNPs(单核苷酸多态性,基因组中单个基因字母的变异,用作标记),他们培育出了多种抗海虱和抗胰脏病(一种病毒性疾病)的鲑鱼。他们现在正在研究第三个问题,阿米巴鳃病。在日本,类似的工作已经导致了比目鱼对病毒性淋巴囊肿的抵抗,鳟鱼对“冷水”疾病的免疫,一种细菌感染,和琥珀鱼的发展,逃避一群称为单基因虫的寄生虫的注意。

因此,改变自然对鱼类养殖的成功至关重要。但后天培养也能提供帮助,例如优化喂给动物的食物。与任何产品一样,成功的一个关键是降低成本。在这里,环境和商业的考虑是一致的。

环保人士普遍抱怨说,养鱼并没有减轻海洋的压力,因为养鱼所使用的很多饲料都是鱼粉制成的。这只是将捕鱼的压力从人类直接食用的物种转移到了那些成为人类食物的物种身上。但是鱼粉很贵,所以研究人员正试图用植物代替鱼粉,比如大豆,来减少鱼粉的使用量。在这方面他们取得了成功。根据NOFIMA研究人员去年发表的一篇论文,1990年挪威使用的鲑鱼饲料中90%是鱼粉。而在2013年,这一比例为30%。事实上,2014年欧洲议会发表的一份报告发现,水产养殖业的鱼粉消费量在2005年达到顶峰。

这是一种气体

用植物喂养像鲑鱼这样的食肉动物是减少成本和环境危害的一种方法。另一种方法,乍一看似乎很奇特,就是用天然气来制造鱼类食物。这是加利福尼亚Calysta公司提出的业务。珊瑚虫将这种气体——更确切地说,是它的主要成分甲烷——喂给了一种叫做产甲烷生物的细菌。它们代谢甲烷,从中提取能量,利用由此释放出来的原子,以及水中的氧气和空气中的氮,来构建自己的身体。然后,Calysta将这些尸体转化为蛋白质颗粒,作为鱼食出售,这个过程在海洋和田地中都没有任何压力。

即使是传统的鱼类食物,与农场动物的饲料相比,都是低强度的。因为鱼是冷血动物,它们不需要吃东西来保持体温。因此,它们将更多的食物转化为体重。对于自然资源保护主义者和那些担心未来是否有足够的食物来养活不断增长的人口的人来说,这使得鱼成为一种特别有吸引力的动物蛋白形式。

然而,对这种有腿和有翼的动物的需求也在增长。因此,新技术也被应用到畜牧业上。一些富有想象力的研究人员甚至试图在工厂里种植肉类和其他动物产品,将动物完全排除在这个循环之外。

技术不仅能提高生产力,还能提高动物的福利

如果农业的未来更趋向于工厂化,那么有些人可能会争辩说,对家禽(如鸡和猪)的处理方式已经走在了前面。不过,这些都不是令人愉快的先例。尽管农作物没有知觉,但在那些担心现代农业的其他方面的人看来,它们不会引起福利方面的不安。即使是鱼,只要它们保持健康,也很少引起抗议者的愤怒。鸟类和哺乳动物是不同的。如何对待他们是有道德限度的。它们在某种程度上也具有作物植物和鱼类所没有的价值。出于这两个原因,它们值得一次监控一个。

尤其是牛,它们有了自己的私人传感器。放置在动物瘤胃内、测量胃酸并寻找消化问题的设备已经问世好几年了。现在,英国剑桥的一家小公司Smartbell开发的运动检测器也加入了他们的行列。这种传感器挂在牛的脖子上,记录其佩戴者的动作,并将信息传输到云端。动物的一般活动水平可以很好地反映其健康状况,因此该系统可以在任何问题出现时给出早期预警。特别的是,它能立即显示出它的主人什么时候跛了——英国五分之一的牛都有这样的问题——甚至在有敏锐观察力的农民发现任何问题之前。如果及早发现,跛足很容易治疗。如果允许逗留,这通常意味着动物必须被销毁。

运动检测器也可以显示出奶牛是否准备好了受精。当她发情时,她的运动模式会发生变化,探测器会捕捉到这一点并通知她的主人。良好的育种对畜牧业是至关重要的,而标记辅助基因组选择将确保用于这种授精的精液继续产生更好的后代。尚不清楚的是,基因组编辑是否在其中发挥了作用,这也是一场激烈的争论。转基因对陆生动物的影响比对鱼类的影响要大得多,原因也是一样的:谨慎的消费者。然而,有些人希望,这种谨慎不会适用于那些DNA仅仅被修改过的动物,而不是从其他物种进口的动物,特别是如果有问题的编辑将提高动物福利和农民的利润。

按照这一思路,明尼苏达州圣保罗的一家名为“重组动力学”的公司正试图利用目前用于作物的基因组编辑技术来培育一种无角的荷斯坦牛。荷斯坦牛是一种很受欢迎的挤奶品种,但它们的角使它们的工作很危险,所以它们在犊牛时通常被去除角,这对动物来说很脏,很痛苦。因此,重组学的创始人Scott Fahrenkrug就有了在荷斯坦州引入一种DNA序列,使某些肉牛失去角的想法。这包括删除一个由10个核苷酸组成的序列,并用212个其他核苷酸取代它。

苏格兰罗斯林研究所(Roslin Institute)的布鲁斯·怀特劳(Bruce Whitelaw)也通过改变一种有助于调节免疫反应的基因,使其与疣猪的基因类似,将对非洲猪瘟的抗性编辑到猪身上。这些野生非洲猪与这种病毒共同进化,因此比非洲以外的家养动物对这种病毒更不容易感染。密苏里大学的兰德尔·普拉瑟也用类似的方法培育出了不会感染猪繁殖和呼吸综合症的猪,这种疾病每年仅美国农民就要花费6亿多美元。在内罗毕的国际牲畜研究所,史蒂夫·肯普和他的同事们正在考虑把对昏睡病(家畜的一大杀手)的抗性编辑到非洲牛身上。所有这些都会使动物更健康,从而也更快乐。

不过,并非所有这些工作都是以福利为导向的。Fahrenkrug博士也一直在研究一种能增加肌肉质量的著名突变。这种突变是一种叫做肌肉抑制素的蛋白质基因,在比利时蓝牛中自然存在。肌肉抑制素抑制肌肉细胞的发育。比利时蓝突变破坏了肌肉生长抑制素的结构,从而破坏其功能。因此才有了这种动物超大的肌肉。两年前,在与德州农工大学的研究人员的合作中,Fahrenkrug博士编辑了另一种牛的肌肉生成抑制素基因,使其也能这样做。

牛肉在哪里?

不过,消费者最想要的动物组织——肌肉,可能还有一种比在动物身上生长更好的方法。至少有两组研究人员认为它可以直接制造出来。2013年,荷兰马斯特里赫特大学(Maastricht University)的马克·波斯特(Mark Post)推出了第一个由实验室培养的肌肉细胞制成的汉堡。今年2月,一家名为Memphis Meats的加州公司也跟着做出了第一个肉丸。

Post博士最初的汉堡重140克,是用培养皿中培养的肌肉细胞条组装而成的。包括所有的安装成本,据说每公斤要花费25万欧元(35万美元),也就是250万美元。放大这一过程将大大降低这个数字。这意味着在充满营养液的反应器容器中培养细胞。但是,由于这些细胞被认为是人体的一部分,它们不能像生物技术中使用的酵母细胞那样简单地漂浮在肉汤中。为了茁壮成长,它们必须依附在某些东西上,所以我们的想法是让它们在漂浮在血管中的小球体上生长。脂肪细胞可以增加肉的多汁性,可以单独培养。

Post博士估计,如果成功做到这一点,成本将降至每公斤65美元。加上技术进步已经展开,这将增加肌肉细胞的密度,可以生长在一个反应堆,和他希望肉,公司建立了利用他的商业工作,将汉堡肉上市出售昂贵的高端市场(尽管)在五年的时间。

与此同时,旧金山克拉拉食品公司(Clara Foods)的研究人员正在开发合成蛋白,利用转基因酵母分泌所需的蛋白质。事实上,他们希望通过调整蛋白质混合物使其更容易搅拌成蛋白霜来改善天然蛋白。他们还希望人造白能被目前不吃鸡蛋的人接受,包括纯素食者和一些素食主义者。

技术将改变富国和穷国农民的生活

人类进步最伟大的未被歌颂的胜利之一是大多数人不再在土地上工作。这并不是贬低农业。相反,这是在赞扬工业生产率的巨大增长,几乎完全是通过农业机械、化肥和其他农业化学品的技术应用,以及科学改良的作物和牲畜实现的。1900年,大约41%的美国劳动力在农场工作;现在这一比例低于2%。这种影响在较贫穷的国家不那么明显,但发展方向是一样的。2007年,城市居民占世界总人口的比例达到了50%,而且还在持续增长,然而,不断缩小的农村人口比例仍然能够养活大多数的城市人口。

没有水晶球可以预测这种情况是否会持续下去,但从过去的情况来看,到2050年,地球上的粮食产量将比2009年增加70%,这似乎是完全有可能的,正如粮农组织(FAO)所说的那样。尽管世界上一些地区的一些作物已经达到了生产平台期,但在粮农组织做出这一预测后的六年中,谷物产量增加了11%。马尔萨斯主义者担心人口增长将超过食品供应,现在已经有218年的历史,这一担忧尚未成真。

然而,正如托马斯•马尔萨斯(Thomas Malthus)有他的现代辩护者一样,与他同时代的神秘人物内德•路德(Ned Ludd)也有自己的辩护者。新勒德主义是一个永远存在的威胁,它肯定会减缓新技术的发展——转基因技术就是如此。但是,虽然营养良好的人对不吃含有转基因成分的食物挑剔是可以的,但他们的担忧给转基因作物的发展蒙上了一层阴影,这种作物可能会帮助那些肚子不太饱的人。这是不合理的。幸运的话,新一代的基因编辑植物,甚至动物,将不会引起这样的反应。

不过,不管是否如此,其他一些趋势似乎几乎肯定会在未来继续下去。精准农业将从北美的中心地带扩展到欧洲和南美的一些地区,如巴西,那里的大型耕地占主导地位。也许在中国,会有人想出如何把现在应用于大豆、玉米和其他作物的精密技术应用到水稻上。

精准化的技术原理表明,农场应该继续整合,尽管在一个情绪和家庭连续性一直扮演重要角色的行业,纯经济分析可能会认为这是不理性的,但这可能不会像其他情况那样迅速发生。尽管如此,无论它们以何种速度出现,这些大型资产将越来越像制造业务,榨干土地和机器的每一盎司效率。

这样的大型农场可能会继续由提供种子、库存、机器和管理计划的大型公司提供服务。但是,在管理计划的情况下,有更好想法的新公司将会有机会进入并至少窃取部分市场。

也有其他面向企业家的职位空缺。内陆鱼类养殖业和城市垂直养殖业——尽管与美国中西部的大豆养殖和苏格兰海湖鲑鱼养殖场相比,它们的生态位较小——都是未来为品味高雅的都市人服务的潮流。在这些企业中,农场即工厂的概念得到了合乎逻辑的结论。

然而,在世界上较贫穷的地区,争夺饱腹之战将是胜负之争;特别是在非洲,变革的空间是巨大而不可预测的。尽管非洲农业的问题绝不是纯粹的技术问题——更好的道路、更好的教育和更好的政府都能起到很大的作用——但技术仍有很大的作用。等组织NextGen木薯项目应用最新的育种技术来减少作物疾病的易感性,提高产量和营养价值,提供非洲人飞跃未来的机会与电话方式,绕过固定网络和移动手机。同样,作物的潜力水平也可能在几年之内从18岁跃升至21世纪,尽管将潜力转化为生产力仍需要前面列出的发展。

展望更远的未来,情况就不那么明朗了。制造C4水稻、固氮小麦或增强光合作用途径所需的大规模基因工程,肯定会引起不安,而且可能不仅仅是新勒德主义者。而且他们可能并不需要。这是一个普遍的技术真理:想法比应用多,而完美的想法会半途而废,因为其他人已经抢先一步。但是,我们很高兴地知道,在其他产量高原威胁到粮食供应所需的增长时,我们可以利用这些伟大的想法。这意味着2050年的人们,无论他们住在洛杉矶、勒克瑙还是卢萨卡,在吃饱的情况下,至少能够面对任何其他问题。

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