基因工程能否拯救加拉帕戈斯群岛?

在加拉帕戈斯群岛,入侵物种正在将本土动物推向灭绝。一些自然资源保护主义者正在询问,基因改造是否是解决方案

加拉帕戈斯群岛的海鬣蜥很容易受到野猫和其他入侵性捕食者的攻击。

图伊·德·罗伊

1835年9月25日,在英国皇家海军贝格尔号考察加拉帕戈斯群岛期间,查尔斯·达尔文首次踏上了当时被称为查尔斯岛的土地。他发现了一个由200到300名居民组成的殖民地,几乎全是厄瓜多尔(又名“赤道共和国”)在一次失败的政变企图后流放到那里的政治流亡者。低地并没有给达尔文留下深刻印象,那里有“光秃秃的灌木丛”,但在跋涉四英里深入内陆,向上到达高地一个贫困的小聚居地后,他发现“植被葱郁繁茂”,种植着香蕉和甘薯,还有一群岛民,“虽然抱怨贫穷,但毫不费力地获得了生存手段。” 这主要是因为曾经在这片群岛上游荡的数万只巨龟。“在树林里,”达尔文几乎是事后才注意到,“有很多野猪和山羊。”

2017年8月25日上午,卡尔·坎贝尔从一艘双引擎摩托艇上跳下来,登上了同一个简陋岛屿的码头。现在被称为弗洛雷纳岛的这个岛屿有144名居民,只有达尔文时代的一半,坎贝尔似乎认识他们所有人。他头戴棒球帽,身穿蓝色牛仔裤和灰色T恤,上面写着“岛屿保护”,打扮得很随意,漫步走到当地公交车(一辆改装过的卡车,后部有长凳)的司机克劳迪奥·克鲁兹面前,和他闲聊了几句。他向在码头厄瓜多尔政府生物安全检查站值班的胡安妮塔和何塞利托挥手致意。他向邮局局长又喊了一声“Hola”,探头进入社区中心向米拉和农民霍尔格打招呼,并停下来与负责登陆点附近公共厕所的卡门叙旧。他沿着弗洛雷纳岛唯一的铺砌道路前进,不时被问候、闲聊、短笑话和厄瓜多尔习俗中的单脸颊亲吻所打断。

坎贝尔在接受采访时42岁,是澳大利亚人,在加拉帕戈斯群岛生活了20年;他性格外向、热情好客,喜欢以“一切都好,伙计?”作为谈话的开场白。但他那天早上表现出的开朗风度和热情好客,是一个庞大科学事业的重要组成部分。坎贝尔拥有澳大利亚昆士兰大学的脊椎动物害虫管理博士学位,2006年他开始在岛屿保护组织担任动物移除专家,该组织总部设在加利福尼亚州圣克鲁斯,致力于通过从世界各地的岛屿上移除入侵物种来保护生物多样性和防止物种灭绝。自1997年以来,坎贝尔一直在加拉帕戈斯群岛从事清除工作,包括2006年开展的一项清除弗洛雷纳岛所有野山羊和驴子的行动。十年后,他成为岛屿保护组织的项目经理,其议程上最雄心勃勃的项目再次落在了弗洛雷纳岛上:彻底清除岛上每一只老鼠和小鼠。


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世界上有成千上万个岛屿。“你不可能在所有岛屿上工作,”坎贝尔说。坎贝尔认为,自然资源保护主义者“目前每年能够清除10到20个岛屿上的小鼠。那么,哪些是你应该最紧急开展工作的岛屿呢?我们基本上会列出一份我们应该开展工作以防止物种灭绝的地方清单。” 他说,这份清单的首位就是弗洛雷纳岛。

“弗洛雷纳岛是加拉帕戈斯群岛中地方特有率最高的岛屿之一,因入侵物种而导致的物种灭绝率最高,而且濒危物种的比例也是最高的——远远高于其他岛屿——这使其成为不仅在加拉帕戈斯群岛,而且在全世界都最为优先的目标之一,”坎贝尔说,他的这番话语调流畅,语气紧迫,显然已经对资助者、记者,甚至可能是弗洛雷纳岛的每一位居民重复过无数遍。

弗洛雷纳岛的项目规模已经达到了使用现有清除工具所能实现的极限。该岛屿面积很大(17,253公顷,约合46,600英亩),而且有人居住,这极大地增加了任务的复杂性。这意味着必须解释整个项目的后勤和后果——尤其是将400吨鼠药倾倒到整个岛屿上的计划。这就是为什么自2012年以来,坎贝尔和他的同事,如卡罗琳娜·托雷斯和格洛丽亚·萨尔瓦多,几乎每月都访问弗洛雷纳岛一次,忍受从主岛圣克鲁斯岛到那里颠簸两小时的船程,与居民会面,描述他们提出的项目,并找出保护成人、儿童、牲畜、水源和濒危物种免受毒药影响所需的极其复杂的步骤。

这样的清除工作需要几乎是军事规模的后勤和精确性,这就是为什么坎贝尔一直在拼命寻找替代当前技术的粗暴工具的方案。在他看来,最具吸引力的一种方案是一种有争议的新型基因改造形式,称为基因驱动。与他在弗洛雷纳岛项目中所承受的日常挫折相比,他将这项技术比作《哈利·波特》中的魔杖。

在保护环境中应用基因驱动的基本策略是,使用新的基因编辑工具CRISPR或其他基因改造工具来改造小鼠的DNA,从而倾斜性别遗传的概率;一个例子是产生完全是雄性的后代,最终产生一个没有雌性小鼠的种群。当然,雌性的消除将为这种入侵物种创造一个生殖死胡同。基因驱动离实用技术还很远,但岛屿保护组织一直在与美国和澳大利亚的分子生物学家合作,创造这些转基因小鼠,坎贝尔在最近的科学会议上毫不掩饰他对这种方法的热情。反过来,这也许就是为什么美国国家科学、工程和医学院在2016年对基因驱动的潜在益处和风险进行分析时,将无雌性小鼠的例子列为一系列可能应用该技术的潜在情景之一。正如该报告指出的,“关于人类在生态系统中的地位及其与自然的更大关系——以及他们对生态系统的影响和操纵——在关于基因驱动的新兴辩论中起着重要作用。” 从某种意义上说,这场辩论已经在弗洛雷纳岛开始了,那里的居民在过去五年里一直在权衡大规模的,尽管是非基因的,对其珍贵生态系统进行改造的利弊。

褐家鼠 (1) 是计划在弗洛雷纳岛进行的大规模入侵物种清除行动的主要目标,几个世纪以来,驴 (2)、牛 (3) 和许多其他非本地物种已被引入该岛。在邻近的伊莎贝拉岛上,野山羊剥夺了巨型加拉帕戈斯陆龟据点的地貌 (4)。图片来源:Krystyna Szulecka Alamy (13);Wolfgang Kaehler Getty Images (2);图伊·德·罗伊 (4)

坎贝尔首先承认,加拉帕戈斯群岛不会是基因驱动田间试验的首选或最佳地点。但它可能是思考基因驱动在物种保护背景下的影响(无论好坏)的最佳地点。如果作为一个全球社群,我们重视加拉帕戈斯群岛生物多样性的保护和维护(这种价值已通过联合国教科文组织将其选为首批世界遗产地之一而得到认可),我们也必须接受入侵物种清除工作的复杂性和悖论,这种工作为了其他物种的利益——尤其是人类的利益——而使某些动物在当地被清除的行为合法化。正如坎贝尔喜欢指出的那样,“没有人来加拉帕戈斯群岛是为了看老鼠、山羊和猫。”

I. “弱肉强食”

如果说加拉帕戈斯群岛在公众的想象中已经成为生态和谐和令人兴奋的原始生物多样性的代名词,那么现实情况则有所不同。是的,巨龟令人惊叹,但曾经有数千只巨龟推平了弗洛雷纳岛的高地,现在那里只有大约二十几只——全部是从其他岛屿引进的,因为当地物种已经灭绝。是的,无畏的雀类既迷人又美丽,但弗洛雷纳嘲鸫在1880年左右从该岛消失,这是当地灭绝的13个物种之一。是的,在洛贝里亚海滩附近悠闲游泳的海龟很壮观,但它们的卵一直被冷漠的捕食者无情地偷猎。所有这些标志性的加拉帕戈斯物种都受到了入侵物种的无情威胁。

加拉帕戈斯群岛的天堂也有黑暗面,而且这种黑暗面已经存在很长时间了,也许从巴拿马主教托马斯·德·贝兰加在1535年偏离航线并发现这些岛屿时就开始了。岛上最早的真正入侵哺乳动物是17世纪经常光顾这里的海盗,其次是18世纪捕鲸船的水手。这些水手拖着一艘恶性哺乳动物方舟,他们将其引入到数百万年来基本上未受干扰的岛屿上。如果你想用挑衅性的精确语言来描述,弗洛雷纳岛有记录以来的第一个定居入侵物种是一位名叫帕特里克·沃特金斯的爱尔兰水手,他在1805年左右被遗弃在那里。据报道,他种植蔬菜,并将其与来访的船只交换朗姆酒(他是赫尔曼·梅尔维尔小说中一个故事的原型)。

在达尔文到达的三年前,一个动物园价值的入侵物种已经在弗洛雷纳岛扎根。在科学文献中,许多入侵物种的最早日期是1832年,这绝非偶然。那一年,加拉帕戈斯群岛的第一任总督何塞·德·维拉米尔将军抵达弗洛雷纳岛,组织罪犯殖民地。正如克鲁兹——农民、业余历史学家、兼职公交车司机和弗洛雷纳岛最大的地主——所说,“他带来了一切——山羊、驴子、牛、骡子、马、狗、猪、老鼠,一切。” 类似的动物引进也在19世纪发生在加拉帕戈斯群岛的其他岛屿上,对当地的动植物造成了毁灭性的后果。维拉米尔带来了骡子和驴子,以便将陆龟从高地运下来。在达尔文访问时,他报告说,此前一艘访问弗洛雷纳岛的船只一天就装载了200只陆龟(据达尔文说,其他船只据说每次收集多达700只)。

入侵哺乳动物以直接和间接的方式对生态系统造成了破坏。驴子在地上打滚清洁身体时会破坏陆龟卵。野猫吞食海鸟幼雏,并像老鼠一样啃食幼年熔岩蜥蜴。野山羊以平头方式咀嚼本地植被,清除了几个世纪以来维持陆龟种群的食物,并为入侵植物(如番石榴)开辟了道路,番石榴已蔓延到整个高地。加拉帕戈斯游蛇,曾经是一种常见的蛇?消失了。超过750种外来植物物种和近500种外来昆虫已在加拉帕戈斯群岛扎根。正如这些岛屿一直是全球进化课堂一样,它们也提醒人们,自然不是静态的,有时保护会改变自然以保护自然。

图片来源:Mapping Specialists

整个群岛的情况都是如此,尽管其中有一些非常奇怪的篇章。在2012年加拉帕戈斯群岛“外来脊椎动物”汇编中,当时都隶属于圣克鲁斯岛阿约拉港查尔斯·达尔文研究站的R.布兰德·菲利普斯、大卫·A·维登菲尔德和霍华德·L·斯内尔编录了一个由44种不速之客物种组成的流氓名册,其中近一半建立了野生种群。它们的范围从显而易见的闯入者(山羊、猪、牛、黑鼠)到不受欢迎的奇异动物杂烩。2006年,尼罗罗非鱼,一种淡水鱼,出现在圣克里斯托瓦尔岛;在两个岛屿上发现了树蛙。多年来,非本地游客包括哀鸽、家鸭、牛背鹭、长尾小鹦鹉、孔雀和噪鹃。20世纪30年代,三只种类不明的猴子出现在弗洛雷纳岛,1937年,一位当地企业家试图在圣地亚哥岛建立一个豹猫殖民地。豹猫!

人类也无法免受这些入侵浪潮的影响,而且他们的影响也在日益增加。1984年,总共只有6000人居住在129个岛屿和小岛中的五个岛屿上;今天有超过30,000人。游客呢?三十年前每年有20,000人;2016年有218,000人。正如越来越多的人开始来到加拉帕戈斯群岛惊叹于当地的生物多样性一样,这种生物多样性也日益受到入侵物种的威胁。

加拉帕戈斯国家公园管理局控制着群岛97%的土地,于1971年首次尝试清除平塔岛上的山羊——这是一项人手不足的行动,证明了清除业务中的一句格言:“99%的成功就是100%的失败。” 参加过多次清除工作的国家公园管理局前官员维克多·卡里翁回忆说,清除计划后,岛上只剩下10只山羊。10年内,数量又回升到2000只。“问题,”卡里翁耸耸肩说,“是最后阶段。”

加拉帕戈斯国家公园管理局在1990年代后期开始制定更有效的清除计划。大约在这个时候,当时22岁,正在考虑自己人生道路的坎贝尔出现在群岛上。他对加拉帕戈斯群岛并没有特别的感情——也许除了,在他十几岁的时候,他在布里斯班自己建造的鸟舍里养了数百只宠物鸟。1997年8月,他作为志愿者参加了伊莎贝拉岛上的山羊清除项目。十年之内,他将在世界上一些最雄心勃勃——也最具争议性——的岛屿清除项目中发挥主导作用。

II. 我们已知的魔鬼

清除是一项丑陋的、委婉的行业。2004年,国家公园管理局和查尔斯·达尔文基金会发起了一项更系统的行动,以清除群岛中最大岛屿伊莎贝拉岛北部无人居住地区的山羊。使用了两架直升机进行空中狩猎;每架直升机上的两到三名猎人从空中射杀山羊,使用半自动12口径霰弹枪和半自动.223口径AR15步枪。在第一次空中扫荡之后,带有专门犬只的地面猎人进入岛上植被茂密的地区,驱赶出在最初的袭击中幸存下来的山羊。在最后阶段,从2005年3月开始,清除小组部署了约700只“玛塔哈里山羊”和“犹大山羊”。

坎贝尔的博士项目是开发玛塔哈里山羊——犹大山羊的一种变体,犹大山羊是在1980年代开发的。犹大山羊配备了无线电遥测项圈。这些动物非常喜欢群居,所以猎人使用戴着导线的山羊,如果你愿意这么说的话,来寻找其他山羊。玛塔哈里山羊更进一步——它们是被植入激素植入物的雌性山羊,这些植入物会诱导它们进入永久发情状态,从而寻找和吸引雄性山羊。不用说,玛塔哈里山羊不是在加拉帕戈斯群岛的进化熔炉中炮制出来的。事实上,坎贝尔训练当地猎人在雌性山羊身上进行野外手术——结扎它们的输卵管,终止任何妊娠,并插入激素包,使它们处于持续发情状态,之后在它们的项圈上安装无线电遥测发射器,以便可以追踪它们。一旦被释放,犹大山羊和玛塔哈里山羊就会追踪到最后的顽固分子。当一切尘埃落定时,伊莎贝拉项目杀死了62,818只山羊,耗资约410万美元。听卡里翁说,当地人的主要抱怨是他们没有得到任何肉。“他们说,‘我们饿了,我们需要食物!’” 他回忆道。即使是100%的成功,在这种情况下也不够——根据卡里翁的说法,至少有九次,心怀不满的当地人故意重新引入已被清除的物种,部分原因是抗议当地的捕鱼法规。

黑鼠 (1) 最早于17世纪通过船只来到加拉帕戈斯群岛,它们吞食本地爬行动物和鸟类产下的卵。为了反击,生物学家们不得不使用鼠药诱饵来诱捕加拉帕戈斯海燕 (2) 和其他物种的筑巢区。图片来源:图伊·德·罗伊 (1);皮特·牛津 Getty Images (2)

但是,加拉帕戈斯群岛清除行动的规模是惊人的:从圣地亚哥“移除”了79,579只山羊,从平塔“移除”了41,683只,从圣克里斯托瓦尔“移除”了7,726只——总共从13个岛屿“移除”了201,285只山羊(当“移除”等委婉语代替“杀死”时,你就知道这是一项令人毛骨悚然的业务)。可以肯定的是,成群结队来到加拉帕戈斯群岛与海龟一起游泳,并追随其传奇鸟类优雅弧线的游客们并不知道,在过去的二十年里,为了保护其著名的生物多样性,这些岛屿已被变成了杀戮战场。

即使是一项规模适中的啮齿动物清除行动也说明了传统方法有多么棘手。2012年,加拉帕戈斯国家公园管理局及其合作者开始在无人居住的小岛品松岛上施用啮齿动物毒药溴敌隆,以清除老鼠,这些老鼠数十年来一直在破坏巨龟的卵和幼龟。清除工作取得了成功,据报道,一个世纪以来,该岛首次出现了大量的陆龟幼龟。但是毒药进入了熔岩蜥蜴的体内,而熔岩蜥蜴又被濒危的加拉帕戈斯鹰吃掉,导致至少22只鹰因溴敌隆中毒而死亡(即使许多鹰在为期两周的“圈养”中得到了保护)。在一个案例中,研究人员在诱饵投放两年多后,在一具猫头鹰尸体中发现了极高水平的鼠药。

这就引出了加拉帕戈斯群岛乃至世界上最雄心勃勃的岛屿清除行动,这项行动弗洛雷纳岛上的每个人都简单地称之为“Proyecto”——项目。

III. 魔鬼在细节中

弗洛雷纳岛上有一家商店和一条主要道路。与加拉帕戈斯群岛的其他地方一样,房屋都是简单的煤渣砖结构,屋顶是波纹金属。如果你去岛上唯一城镇的几家餐馆之一,你最好提前告诉他们你要来:否则,他们就没有足够的食物给你。弗洛雷纳岛的居民说话轻声细语,慷慨大方,含蓄幽默,而且非常有原则。几年前,当另一个岛屿的一位企业家拖欠当地工人工资时,岛上没有人会给他提供食物,没有人会租房间给他睡觉,也没有人会和他说话。企业家的项目破产了。该岛古怪的政治和强烈的独立性使这样的事业在社会上令人望而生畏。正如坎贝尔所说,“情况很快变得复杂起来。”

最近美国国家科学院关于基因驱动的报告——以及,事实上,在过去四十年里几乎每一份关于基因工程的官方白皮书中——反复出现的一句口头禅是需要“公众参与”。但是,这个冷冰冰的短语并没有开始捕捉到真实情况下真实项目的热情和复杂性。如果说一般的清除工作已经很困难,那么在有人居住的岛屿上进行清除工作就真的非常困难。几年前,坎贝尔在与弗洛雷纳社区成员举行的一次小型会议上讨论Proyecto时,意识到了这一点。一位居民坚决反对将牲畜从岛上移走,他直视着坎贝尔,用不堪入耳的语言说,“如果你这样做,我就杀了你。” 坎贝尔回忆起那一刻,认为“非常具有冲突性”。

考虑到破坏的程度,这种强烈的情绪似乎并非完全不恰当。自2012年以来,加拉帕戈斯群岛当局与岛屿保护组织一直在制定他们认为迄今为止最复杂的有人居住岛屿的清除计划。使情况复杂化的不仅仅是弗洛雷纳岛上争吵不休的成年人。还有儿童、宠物和牲畜,以及濒危鸟类和熔岩蜥蜴。

弗洛雷纳巨龟一度被认为已经灭绝,但最近的基因研究表明,在附近的伊莎贝拉岛上生活着相关的物种。生物学家正在繁殖陆龟,并将它们重新引入弗洛雷纳岛。图片来源:图伊·德·罗伊

考虑一下“传统”的、非基因的清除工作带来的惊人环境风险。为了清除弗洛雷纳岛上的每一只老鼠和小鼠,该项目要求直升机多次投放约3.6亿粒一克(0.035盎司)的溴敌隆颗粒——用坎贝尔的话说,“基本上,系统地给整个岛屿上色”多次(在附近的北西摩岛进行了一个试点项目后,现在正在考虑使用无人机)。为了最大限度地减少潜在的健康和环境风险,该计划要求采取极端预防措施。必须保护水资源。儿童可能需要离开该岛长达六周。宠物要么需要被移走,要么需要限制在住所或笼子里。大型农业牲畜,如牛、猪和马,将不得不限制在畜栏中(在弗洛雷纳岛的农民明确表示,将动物送离岛屿六个月是不可接受的选择之后)。鸡将被安置在新的带顶棚的鸡舍中,其中一些鸡舍已经完工。和平庇护所的巨型加拉帕戈斯陆龟将不得不暂时受到限制。濒危鸟类将在空中诱饵投放期间被诱捕并关在专门建造的鸟舍中。在禁止空中诱饵投放的地点,如建筑物、房屋或其他构筑物,清除小组将部署陷阱和诱饵站(每个家庭中每个诱饵站的位置都必须明确,岛屿保护组织的律师卡罗琳娜·托雷斯正在收集与每个家庭签订的协议草案的签名)。“一只怀孕的雌鼠,或一个遗漏的区域,都是失败,”坎贝尔说。“你需要进入每一栋建筑,每一所房屋,每一个爬行空间,每一个壁橱,每一个冰箱下面,才能抓住每一只老鼠。”

岛屿保护组织的人员已将“公众参与”的理念提升到了一个新的水平。在最近的一次旅行中,托雷斯为岛上最古老家族之一的女族长埃丽卡·维特默带来了巧克力,并拜访了几位岛上的农民,解释了涉及与其土地上的佃户签订合同的法律问题。该组织最近为当地房主提供了油漆,以美化他们的煤渣砖房屋。当一位居民表示有兴趣开一家餐馆时,坎贝尔和托雷斯鼓励了她,并承诺会成为顾客。该组织已聘请建筑师为岛上的农民设计新的鸡舍;每个单元将耗资约22,000美元。坎贝尔已经痛苦地认识到,一对一的关系建立是让人们参与到这样一个敏感项目的决策过程中的最佳方式。“如果你做镇民大会之类的事情,他们肯定会把你骂得狗血淋头,”他说。“两三个人主导谈话,你不知道其他人在想什么,然后在事后,你必须花大量时间处理错误信息。”

坎贝尔说,尽管最初有所保留,但弗洛雷纳岛上的大多数居民都支持清除计划。在高地,农民霍尔格·维拉站在一片橘子树林、菠萝树和其他农作物中,哀叹当地啮齿动物的贪婪。他说,它们吃刚发芽的玉米苗;它们吞食菠萝;它们吃木薯的块茎。“现在它们甚至吃甘蔗,”他抱怨道。“它们什么都吃。但如果我们摆脱它们,我们就可以种植一切。” 托雷斯说,维拉最初对Proyecto持怀疑态度,但他现在听起来很热情。即使他不得不寄养他的七只狗?“是的,是的,”他回答道。同样,拥有80头牛、130头猪、200多只鸡、10匹马和两条狗的克鲁兹也同意该计划以及与弗洛雷纳岛居民讨论该计划的方式。“我们觉得我们在正在发生的事情方面处于同一阵线,”他说。

坎贝尔说,“基本上,我们已经与几乎所有居民达成了口头协议”。该计划仍有待加拉帕戈斯群岛当局的最终批准。他认为,如果资金能够及时到位,该项目本可以更早启动。(预计总成本为2000万美元,但资金问题现在已将其推迟到至少2020年;坎贝尔估计,每延迟一年将损失100万美元。)尽管资金不确定,但当七个橙色的20英尺集装箱于2017年运抵弗洛雷纳岛时,Proyecto的现实意义开始显现。这些集装箱旨在储存未受污染的牲畜饲料或青贮饲料,供啮齿动物清除期间使用;一些农民已经开始在集装箱中储存动物饲料。

完成这样一个复杂的项目就像管理一个官僚生态系统——平衡监管部分、公众参与部分、后勤部分、资金部分、毒药缓解部分。这就是为什么坎贝尔认为弗洛雷纳岛项目“最大限度地发挥”了传统清除工具的能力。这就是为什么,他会经常说,“如果我们采用基因驱动技术,对话会更简单,答案也会更加务实。”

IV. 我们未知的魔鬼

坎贝尔在2011年首次对基因驱动的可能性产生了兴趣,当时他旁听了北卡罗来纳州立大学的生物学家和美国鱼类和野生动物管理局官员之间的电话会议,讨论一种可能的基因方法来控制旧金山附近加利福尼亚海岸以西约20英里的东南法拉隆岛上失控的小鼠问题。北卡罗来纳州立大学研究动物行为的神经生物学家约翰·戈德温在2011年浏览互联网时了解到了法拉隆的问题。他碰巧在一所大学工作,该大学拥有完善的基础设施,致力于试验——并考虑基因改造的伦理影响。他的两位同事弗雷德·古尔德和大卫·斯雷德吉尔已经在讨论改造小鼠基因组的可能性,试图创造出无法产生雌性后代的小鼠。另外两位同事詹妮弗·库兹马和杰森·德尔伯恩深入参与了如何让更广泛的利益相关者群体——政府监管机构、动物管理官员、生物伦理学家,当然还有普通公众——参与到考虑将转基因动物释放到野外的 перспективе 中。库兹马和古尔德担任北卡罗来纳州立大学基因工程与社会中心的联合主任。

长话短说,岛屿保护组织于2016年与其他国际组织联合发起了一项名为GBIRd——入侵啮齿动物基因生物防治——的项目。GBIRd的科学家们正在“谨慎地调查”基因工具,以保护岛屿生态系统。基因编辑工具CRISPR的出现促进了开发替代清除方法的努力。这些努力在2017年7月获得了推动力,当时国防高级研究计划局向北卡罗来纳州立大学的研究小组提供了320万美元,用于在岛屿上进行小鼠清除的基因驱动研究。

基因驱动的基本思想似乎与任何在格雷戈尔·孟德尔的豌豆植物和父母基因的随机遗传概念下长大的人的直觉相悖。你通常有50-50的机会从一位或另一位父母那里继承一个基因。然而,在极少数情况下,某些基因会受到青睐,或者说是“自私的”——它们的遗传率远高于随机排序所暗示的水平。染色体17上的小鼠中存在一种这样的基因(技术上来说,是基因组的一个区域);它被称为T-复合体,其遗传率为95%。从理论上讲,它可以作为走私者的圣经,允许将第二个基因快速引入种群中。

在清除情景中,研究人员理论上可以将第二个搭载基因连接到T-复合体上,并基本上将第二个性状驱动到大多数后代中。一种这样的小鼠基因,称为SRY,决定雄性性别,因此将其缝合到自私基因上将产生越来越多的雄性(和越来越少的雌性),直到小鼠种群变成无雌性。基因驱动的基本要求之一是目标动物的世代之间的时间很短;小鼠当然符合条件,因为它们从出生到性成熟的时间是10周。如果实验室中的小鼠可以被改造为传递所需的基因,例如产生单一性别的基因,并且如果这些小鼠在野外具有繁殖能力,那么该基因就可以迅速被驱动到种群中。

这里有很多“如果”,但现在在德克萨斯农工大学的斯雷德吉尔一直在小鼠身上 точно 追求这种策略。这种所谓的无雌性品种可以消除本地小鼠种群,而无需环境毒药,无需离岸动物搬迁,无需弗洛雷纳岛项目所带来的所有后勤噩梦。澳大利亚阿德莱德大学的生物学家保罗·托马斯一直在探索使用CRISPR灭活小鼠体内与雌性生育能力相关的基因,这种方法可以被采用来产生完全不育的雌性种群。此外,神经生物学家戈德温正在测试转基因小鼠是否会通过野生小鼠的性考验(他目前正在研究一批从东南法拉隆岛移植的小鼠)。

弗洛雷纳熔岩蜥蜴很容易成为潜伏在岛上的野猫的猎物。图片来源:图伊·德·罗伊

物种清除绝不是基因驱动的唯一应用。目标疟疾项目试图改造蚊子,使其无法传播疟疾;该小组在比尔及梅琳达·盖茨基金会的资助下,已经开始在非洲开展社区外展工作,为田间试验做准备。但麻省理工学院的生物学家凯文·M·埃斯维尔特曾提出在楠塔基特岛上进行小鼠基因驱动实验,现在他认为田间试验风险过高。在基因驱动游戏中,经验法则是岛屿是田间试验的最佳地点;较小的岛屿比大的岛屿更好,无人居住的岛屿比有人居住的岛屿更好。坎贝尔怀疑基因驱动的首次田间试验将涉及蚊子,并补充说,美国、澳大利亚或新西兰可能是最合适的地点,因为它们的监管基础设施足够完善,可以评估新的热门基因技术。

清除工作是有争议的,基因改造更具争议性。“在野外试验这些技术没有任何安全的方法,”地球之友的高级食品和技术活动家达纳·珀尔斯说。简·古道尔、弗里乔夫·卡普拉和其他自然资源保护主义者在2016年9月发表的一封公开信中呼吁暂停这项研究。签署者向岛屿保护组织开炮,称他们“感到震惊的是,一些自然资源保护组织已经接受了资金,并正在促进将工程基因驱动生物释放到野外。”

最大的恐惧是“意外后果”——会发生一些意想不到的坏事。毫无疑问,正如美国国家科学院所说,基因驱动“可能对其他物种或生态系统产生有害影响”,仅凭这一点就值得谨慎和审慎地发展。但在之前关于基因技术的公众辩论中,例如1970年代关于重组DNA的斗争,往往很难将合理的担忧与夸大的恐惧区分开来。

回到现实世界,在弗洛雷纳岛高地的一次短途旅行中,坎贝尔和托雷斯带我来到一个淡水泉——离岛上的第一个定居者,酒鬼沃特金斯,据称在那里借酒消愁的山洞不远。作为项目的一部分,泉水周围的整个区域,已经用栅栏围起来了,将被帐篷覆盖,管道上将安装特殊的过滤器,以确保没有啮齿动物诱饵进入系统——即使溴敌隆不溶于水。坎贝尔说,公众参与的一部分是处理人们的看法以及合理的恐惧。“你正在与人们对毒物的看法打交道,”他解释说。“要改变人们对此的看法是具有挑战性的,因为他们不改变。” 坎贝尔继续说道,基因方法更具吸引力的另一个原因。然后他突然改变了话题。

“我们到了,”他迅速说道,指着链条围栏内一阵沙沙作响的植被。“你看到了吗?一只老鼠!”

一对闪亮的黑眼睛在树叶中短暂地出现了一下。坎贝尔将其鉴定为Rattus rattus——黑鼠,众所周知,它吃加拉帕戈斯海燕和巨龟的卵和幼龟。像世界各地的老鼠一样,它很快消失了——这是一个更大的种群的哨兵,也是对坎贝尔所说的“濒临灭绝的物种”的更大秘密威胁。

V. “陌生人的技艺或力量”

在加拉帕戈斯群岛的每一次漫步都是一次自然之旅,每一种生物都在讲述一个保护故事——有些故事结局美好,有些则不然。在我们待在弗洛雷纳岛的最后一天,当坎贝尔敏锐的目光停留在使这片土地如此受人喜爱——又如此饱受摧残的动物身上时,这些故事中的一些故事开始了。

早餐时,一只地雀在我们桌子旁偷偷觅食。坎贝尔解释说,它那粗壮的黑色和黄色喙已经进化得更大更强壮,以便咬开弗洛雷纳岛当地Opuntia仙人掌异常大而坚硬的种子;反过来,仙人掌也在进化出更大更硬的种子,以阻止这种“偷窃”——这提醒我们,进化不是教科书上的概念,而是一个持续进行的过程。片刻之后,坎贝尔发现一只老鼠飞快地躲在一块熔岩后面。当我们吃完饭时,另一种入侵物种出现了——光滑、黑色、喙光滑的阿尼鸟(发音为“安妮”)。这是老式无意后果的一个例子,农民在 20 世纪 60 年代将这种鸟引入加拉帕戈斯群岛,他们认为它可以控制侵扰牛的蜱虫;但事实证明它名不副实,而且作为一种入侵物种,它的数量已经爆炸式增长。

稍后,在步行前往拉洛贝里亚海滩的路上,坎贝尔指出了沙滩上野猫新鲜的足迹;它们吞食幼年海鬣蜥和熔岩蜥蜴。(“小家伙们根本没有逃脱的机会,”他说。)在海滩的尽头附近,他指着一株被啃断树枝的Opuntia仙人掌。他解释说,当啮齿动物啃食仙人掌时,植物就无法开花或结果——这剥夺了陆龟和嘲鸫的关键食物来源,尤其是在旱季,也剥夺了地雀的筑巢地点。我们还停下来欣赏了几只在退潮时暂时被困在泻湖中的壮丽海龟。它们的卵和幼龟也为老鼠和猫提供了美味的食物。

正是达尔文 20 世纪的“斗牛犬”理查德·道金斯重新启用了诗人阿尔弗雷德·丁尼生勋爵的短语“自然,在牙齿和爪子上都是红色的”,来描述自然选择的黑色一面——大自然的博弈并不总是美好的,像加拉帕戈斯群岛这样的明信片般完美的生态环境常常掩盖了掠食者和猎物之间更黑暗、更不带感情色彩的互动——这种微妙的平衡已经被人类反复扰乱,无论是通过引入入侵物种,还是试图用实际上有毒的补救措施来弥补那些考虑不周的引进行为。而现在,展望未来,我们可能不得不决定是否使用未来的基因改造技术,将这些岛屿恢复到更早、更原始的状态。

无论如何,对弗洛雷纳岛上的一小部分人进行的意见抽样调查并没有显示出当地人对基因驱动潜在应用的太多担忧,尽管尚不清楚这些技术(及其潜在风险)的理解程度如何。维拉对任何担忧都耸耸肩,并表示他对用基因解决方案解决啮齿动物问题没有任何异议。英格丽德·维特默是弗洛雷纳岛最早的家庭之一的后裔,当被问及时,她摇了摇头表示反对,而是表达了对短耳鸮命运的担忧,一旦它的主要食物来源——老鼠在Proyecto期间被消灭。克鲁兹的父亲于 1939 年移民到该岛,当时人口为 11 人,他对无雌老鼠的想法提出了农民的看法:“这就像牛的人工授精,”他说。“如果你想要雌性,你就使用雌性的精液。这是一样的道理。”

“对我来说,这些都是我们创造的问题,袖手旁观、无所作为将会产生严重的后果,”坎贝尔说。“我们知道事情的发展方向。实际上做些什么是……是不负责任的。如果你有工具,却不使用它,你就有罪责。”

我们还没有掌握这个工具。但是,如果分子生物学的技艺最终掌握了基因驱动的力量,并且它被用于管理加拉帕戈斯群岛或任何岛屿上的入侵物种,那么值得记住的是,几乎每一场降临到地球这个生物进化实验室的生态灾难,都是人类造成的。山羊、驴、老鼠、猫、猪、骡子、家鼠,是的,甚至那些短命的虎猫,都是在人类的帮助下,乘坐人类的船只,通过人类的活动来到这里的。

达尔文在他的日记中敏锐地观察到,将近两个世纪后,这一观察仍然引起共鸣。他写道,虽然英国的鸟类已经对人类产生了当之无愧的不信任感,但加拉帕戈斯群岛的鸟类“还没有学会[这种]有益的恐惧”。他接着提出了可能作为对 21 世纪科学,特别是基因驱动的警示之言。“我们可以从这些事实中推断,”达尔文在提到鸟类缺乏恐惧时写道,“在土著居民的本能适应陌生者的技巧或力量之前,任何新的食肉野兽的引入,都必然会在一个国家造成多大的浩劫。”

更多探索

加拉帕戈斯群岛外来脊椎动物的现状:入侵历史、分布和潜在影响。R. Brand Phillips 等人,《Biological Invasions》,第 14 卷,第 2 期,第 461-480 页;2012 年 2 月。

基因驱动展望:推进科学、驾驭不确定性以及使研究与公众价值观相一致。美国国家科学、工程和医学院。国家科学院出版社,2016 年。 www.nap.edu/23405

当前的 CRISPR 基因驱动系统很可能在野生种群中具有高度侵入性。C. Noble 等人,《eLife》,第 7 卷,文章 e33423;2018 年 6 月 19 日。

来自我们的档案

编辑蘑菇。 Stephen S. Hall;2016 年 3 月。

Stephen S. Hall 是一位屡获殊荣的科学作家和定期撰稿人。他是智慧:从哲学到神经科学(Knopf,2010 年)的作者,这是他最近的作品。

更多作者:Stephen S. Hall
大众科学 Magazine Vol 317 Issue 6这篇文章最初以“基因工程能否拯救加拉帕戈斯群岛?”为标题发表于大众科学 Magazine 第 317 卷第 6 期(),第 48 页
doi:10.1038/scientificamerican122017-jdZeUBBuOQ017K4m4wpxU
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