十一月的第二个星期，印第安纳州中部是一片黄褐色和黑色的交织：这里是一片覆盖着干燥的玉米和大豆植株残茬的田地；稍远处，是农民犁掉了去年夏天作物残茬的裸露土地。这是一片渴望生长的土壤，如果你仔细观察，已经可以看到一些秋季杂草的嫩芽：繁缕、豆瓣菜和紫荨麻。在普渡大学校园的温室里，查德·布拉巴姆，一位说话轻声细语的杂草科学专业研究生，选择了两个盆栽，每个盆栽都种着一株 18 英寸高的植物，植物的粗茎上长着锯齿状的三裂叶。如果这些植物看起来很眼熟，你可能在美国本土 48 个州的空地或路边见过它们。它们是豚草 (Ambrosia trifida)，或巨型豚草——一种和它的名字一样丑陋，而且和它的近亲普通豚草(A. artemisiifolia)一样无用的植物，普通豚草是一台吸水并喷射出高致敏性花粉的机器。如果农民停止耕作，用不了几年，印第安纳州的这片土地就会名副其实，农学家们开玩笑说应该出现在其车牌上的昵称是：巨型豚草国家森林。
在过去半个世纪左右的时间里，主要依靠化学除草剂才得以阻止这种命运的发生。其中最广泛使用的除草剂之一是草甘膦，最著名的是孟山都公司和其他公司的农达除草剂中的活性成分。布拉巴姆将这两个盆栽放在喷雾室中，并在一个小罐中装满了草甘膦钾盐溶液。一个移动喷头迅速穿过喷雾室的长度，并将淡绿色的叶子浸透，按理说这应该是致命的剂量。布拉巴姆取出盆栽，将它们放回生长台上。在接下来的 24 小时内，这些杂草的变化将以微观的方式展示农民们在本生长季将在美国中西部面临的情况。
草甘膦已成为一场新兴戏剧的中心舞台，在这场戏剧中，除草剂是主角。“我不会用‘灾难’这个词，但有人说，这可能是棉花种植者自象鼻虫以来遇到的最糟糕的事情。” 忧思科学家联盟的植物病理学家和高级科学家道格·古里安-舍曼在讨论抗草甘膦杂草（又名“超级杂草”）的蔓延时这样说道。在过去十年中，超级杂草在美国的分布范围已从零星出现扩展到多达 1100 万英亩。这个覆盖面积仍然只占美国 4 亿英亩耕地的一小部分，但仅自 2007 年以来就增加了五倍。“这些植物的范围大幅增加，我认为没有人预料到这一点，”宾夕法尼亚州立大学的杂草生态学家大卫·莫滕森说。正如他在去年夏天由俄亥俄州众议员丹尼斯·J·库西尼奇召集的国会听证会上作证时所说的那样——该听证会旨在调查美国农业部对转基因种子的监管——“有理由相信这种趋势将继续下去。” 如果超级杂草真的上升到灾难的程度，那将是一场不仅可以预测到，甚至是可以预见到的灾难。就像对抗生素产生耐药性的细菌让传染病专家担心最坏的情况一样，这是一个我们咎由自取的难题，提醒我们试图超越进化是徒劳的。在一个可能正在逼近技术扩大粮食生产极限的世界里，我们最不需要的就是更多的杂草。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
杀手豚草的诞生
那些主要从飞机窗口观看玉米地的人可能不了解农业在多大程度上在于防止杂草侵扰作物。“耕作”这个词的本义不仅是使某物生长，还包括犁地或耕地，这是最初的杂草控制方法——将不需要的植物连根拔起并掩埋它们的种子。杂草缺乏昆虫和微生物的隐蔽性和一心一意的杀伤力，昆虫和微生物似乎可以凭空出现，并在几天之内消灭作物。它们在光天化日之下生长，并间接地攻击它们的邻居，掠夺这些植物的养分、水分，以及至关重要的阳光。但是虫害和疾病通常是零星的、碰运气的事件，而杂草则无处不在。如果不加以控制，单株巨型豚草就可以使 30 株大豆植物所在区域的产量减少一半之多。
这就是为什么农学家一直在密切关注杂草种类——美国最后统计有 10 种，世界其他地区大约也有相同数量——在这些杂草种类中，某些种群已经进化出承受通常致命剂量的草甘膦的能力。正如孟山都公司的发言人很快指出的那样，这使得 300 多种杂草仍然容易受到农达的影响。但这 10 种杂草包括一些侵扰棉花、玉米和大豆田地最多产且最难处理的害虫：巨型豚草和普通豚草、加拿大飞蓬、约翰逊草、水麻和苋菜。最后一种，也称为猪草，是杂草中的保罗·班扬，能够长出像棒球棒一样粗的茎，并且足够坚韧，可以使不幸遇到它的联合收割机瘫痪。普渡大学的杂草科学家托马斯·T·鲍曼说，在其抗除草剂的形式中，“它是我们无法控制的最接近的东西。” “它使巨型豚草[本身可以超过 10 英尺]看起来很小，并且它在整个生长季节发芽，所以在你认为你已经消灭它之后，它会在下一次下雨时再次出现。” 一些棉花种植者不得不放弃猪草已经扎根的田地。另一些人则使农业倒退了一个世纪，并派遣工人到田间用锄头砍伐猪草。“我看到[2010 年]田间锄草工人比过去 15 年加起来还要多，”密西西比州立大学负责研究和开发的副校长大卫·R·肖说。“这是一项非常艰苦的工作，”他补充说，“而且极难盈利。”
这也是发达国家的农民认为他们已经抛在脑后的工作，因为第二次世界大战后有机除草剂问世了。最早的除草剂之一是 2,4-滴，它是模仿激素生长素的大类除草剂中的第一种，它使植物陷入不协调生长的致命狂潮。其他类别的除草剂攻击其他过程，例如光合作用或养分运输。草甘膦抑制一种名为 EPSPS（5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶）的酶，该酶在植物和细菌中构建三种必需氨基酸，但对其广泛应用至关重要的是，不在动物中构建。这种化学物质攻击植物顶端分生组织中的细胞，分生组织是植物顶端的生长芽。施用后一天内，植物停止生长，死亡通常在一两周内发生。
与选择性杀死阔叶植物但对禾本科植物相对无害的生长素类似物不同，草甘膦攻击任何绿色的东西。与可以在春天杂草出现之前撒在土壤上的除草剂不同，它必须直接施用于您试图杀死的任何植物的叶子上。在 1970 年发现后的几十年里，这些特性限制了草甘膦的用途。农民通常只能在早春使用它，即在第一批杂草出现和作物发芽之间，或者在生长季节通过劳动密集型的方法，将其直接喷洒在作物植株之间，直接喷洒在单个杂草上。爱荷华州立大学的农学家迈克尔·欧文将那些年的杂草管理描述为艺术和科学的结合，不断地权衡除草剂施用、轮作以及不同深度的秋季和春季耕作，每种方法都有金钱和时间的代价，需要与避免潜在的产量损失进行权衡。每种技术也倾向于控制不同的杂草组合，或者换句话说，选择它没有杀死的杂草。那些能够从猛烈攻击中幸存下来的杂草在攻击方案下蓬勃发展。杂草问题是累积的，因为种子年复一年地堆积起来，因此保持领先地位的方法是使用不同的技术并经常更换它们。杂草在可预测性中茁壮成长。
准备一场革命
所有这一切都在 1990 年代初期发生了变化，当时孟山都公司完善了培育抗草甘膦作物的技术。无论人们对这项创新有什么看法，这都是一项科学上的胜利，据孟山都公司估计，这项胜利花费了 70 万人时的研究时间。对合适基因的七年寻找最终在路易斯安那州孟山都公司设施的流出管道中结束。在那里，研究人员寻找可以在草甘膦径流中生存的生物，发现了一种细菌，这种细菌已经变异，产生了一种稍微改变形式的 EPSPS 酶。这种改变后的酶产生相同的三种氨基酸，但不受草甘膦的影响。科学家们分离出了编码该酶的基因，并与从其他三种生物体中收集的各种管家基因（用于控制和插入酶基因）一起，用基因枪将其植入大豆细胞中。
这是一种蛮力技术，其中选定的 DNA 被包裹在微小的金点周围，这些金点被喷射到大豆胚胎中，希望至少有一些金点能够找到它们在染色体上的正确位置。数以万计的试验产生了少数能够承受草甘膦并将这种特性传递给后代的植物。从 1996 年开始，孟山都公司开始销售这些大豆种子，命名为农达 Ready。抗草甘膦棉花、油菜和玉米种子也紧随其后。
这也是商业上的成功。农达 Ready 种子彻底改变了美国和世界各地（尤其是在阿根廷和巴西）经济作物的种植。在孟山都公司广告的鼓励下，农民基本上将他们的杂草问题外包了出去，种植农达 Ready 种子，并在杂草首次（以及第二次和第三次）出现时用草甘膦浸透他们的田地。去年在美国，93% 的大豆种植面积以及绝大多数玉米和棉花都种植了农达 Ready 种子。2010 年全球需求的估计值高达近 100 万吨。
这项技术是否真的帮助农民生产了更多粮食尚有争议。生物技术行业喜欢声称它做到了，但忧思科学家联盟在 2009 年进行的一项研究得出结论，任何收益都很小，并且远远落后于传统育种带来的进步，而成本却只占一小部分。但是农达 Ready 系统也有其他优势。大多数专家都认为，在合成有机农药中，草甘膦是毒性最小且持久性最差的农药之一。而且其在农达 Ready 作物上的有效性意味着农民对耕地的需求减少了。免耕或少耕农业是 1980 年代开始的趋势，可以节省燃料并减少侵蚀和养分径流进入水道。美国农业部的首席杂草科学家约翰·莱顿说，草甘膦“是一种非常有效的植物杀灭化学物质，也是使用中最良性的农业化学物质之一。”
当然，这种状况太好了，不会持久。“杂草通过适应作物生产实践施加的高选择压力而不断进化，”普渡大学园艺学家斯蒂芬·韦勒说。在农达出现之前的几年里，草甘膦抗性几乎是未知的，但从那时起，它以每年大约一种新杂草物种的速度出现。鲍曼说，每年对同一作物施用相同的除草剂，而不采取其他杂草控制措施，就为抗性的进化创造了一个完美的实验室。“抗性杂草就在那里。只需施用除草剂，你就会发现它。”
每个人对这些抗草甘膦超级杂草的第一个问题是，它们是否具有农达 Ready 种子中发现的相同抗性机制——也就是说，基因是否从作物跨越物种屏障进入杂草？欧文表达了植物生物学家的共识，他说不；美国本土的杂草与大豆、玉米或棉花的亲缘关系太远，无法杂交。（相比之下，某些植物被认为与它们的杂草近亲太近，无法冒险添加抗除草剂基因，例如匍匐剪股颖，高尔夫球场的首选草皮。）在草甘膦的进化压力下，杂草发展出了自己的防御能力。抗性猪草具有正常形式的 EPSPS 基因，而不是孟山都公司工程改造的改变后的等位基因。但它具有正常基因，数量却大大增加，是正常基因的 5 到 160 倍，这产生的酶量足以克服除草剂的抑制作用。
神秘的幸存者
回到普渡大学的温室，布拉巴姆对巨型豚草的实验证明了另一种抗性，这种抗性似乎也是独立进化出来的。在易感杂草中，草甘膦的影响首先在分生组织快速分裂的细胞中显现出来。（化学物质也传播到根部，在那里它可能会干扰对真菌的抵抗力；植物出了名的难以解剖，但在喷洒草甘膦后，经常会注意到根部萎缩和腐烂。）但是，当布拉巴姆在喷洒后 18 小时检查他的标本时，他看到了非常不同的东西：大叶子已经开始卷曲和变黄，但分生组织是绿色且健康的。植物似乎正在叶子中隔离除草剂，叶子将在接下来的一两周内死亡并脱落。但植物将存活下来并从分生组织再生。“我很想知道是什么原因造成的，”韦勒说，“因为你在病原体抗性中也看到了同样的情况。叶子死了，但它不会扩散到植物的其他部分。如果我们知道它是如何做到的，那将是非常有用的。”
韦勒说，重要的是要记住，孟山都公司的农达 Ready 技术本身并没有造成这个问题；杂草是自行进化出对草甘膦的抗性的。但是，抗草甘膦作物的种子供应使农民能够采取阻力最小的路径，即在他们的田地里喷洒农达，以排除其他杂草控制技术和化学物质。他们本可以从医学中吸取教训，医学依靠多药策略来控制快速突变的病毒，例如 HIV；一个单一的生物体自发进化出对几种不同化学物质的抗性的几率非常小，因此理想情况下，不会有幸存者。可以公平地说，孟山都公司为了收回巨额投资，并没有明确劝阻他们。[草甘膦抗性]本来是可以避免的，或者至少可以推迟很长时间，如果农民将另一种除草剂结合使用的话，”普渡大学推广代理人格伦·尼斯沉思道，他经常与全州的农民打交道。“但农业和任何其他行业一样，都是一项生意。” 实际上，并不完全像任何其他行业：农民靠利润赚钱——也就是说，在支付开支之后——他们的努力不仅受到成本的限制，而且还受到一天的时间和生长季节的长度的限制。“一盎司的预防胜过一磅的治疗，”尼斯补充说，“但你仍然必须为这一盎司付出代价。”
农民将为此付出代价。生物技术和化学公司正在努力将对其他除草剂的抗性基因插入作物中。孟山都公司希望在未来一两年内销售抗麦草畏除草剂的植物种子，而陶氏公司已经开发出抗 2,4-滴的基因。这些特性将与农达 Ready 基因“堆叠”在一起，成为新一代转基因种子，这样农民就可以在他们的田地里同时或按顺序喷洒两种除草剂，而不是仅仅依赖草甘膦。杜邦公司已经销售具有抗草甘膦和另一种除草剂草铵膦的种子。这还不包括商业种子中培育的其他工程特性，例如 Bt 基因，一种天然存在的杀虫剂。
许多农学家对这种前景感到担忧。麦草畏和 2,4-滴是较旧的化学物质，其使用已根据联邦法规获得豁免；与草甘膦相比，它们都被认为毒性更大且持久性更强，如果今天推出，可能不容易通过注册程序。特别是麦草畏，在施用后容易挥发、漂移并沉降在邻近的田地中，在那里它已被证明会损害其他作物或野生植被。还有一个问题，仍然没有答案，那就是你可以在种子上加载多少附加特性，然后你才开始损害植物的活力和生产力。你对生物体提出的每一项额外要求都会从它原本应该做的事情中夺走能量——在这种情况下，是种植粮食。
更大的问题与农业的未来以及农民将如何养活日益增长、越来越富裕和城市化的世界人口有关。“这是一种银弹式的工业方法，而不是一种农业生态系统方法，”古里安-舍曼说。由于抗草甘膦杂草种群已经在许多地方建立起来，几乎可以肯定，如果以相同的方式使用麦草畏和 2,4-滴，一些相同的杂草也会进化出对它们的抗性。到那时我们将转向哪里？除草剂家族的数量是有限的，化学公司没有开发新的除草剂家族，因为基因工程种子的回报要好得多。“我原则上不反对基因工程，但它把我们带到了哪里？”他问道。“数十亿美元的研究只产生了两种有益的特性[抗草甘膦性和 Bt 表达]，而传统技术以较低的成本产生了抗虫性和抗病性、耐旱性和更高的作物产量。”
古里安-舍曼认为，解决方案不在于更昂贵的技术修复，而在于 19 世纪格雷戈尔·孟德尔会熟悉的作物科学类型：产量、耐旱性和肥料利用率的逐步提高。“我们需要从根本上转变我们对农业的看法，”他说，“而这并没有让我们更接近它。”