我们应该从基因上改造碳饥渴的树木吗?

这些科学家正在寻找转基因树木来吸收世界上多余的碳。

查尔斯·德利西(Charles DeLisi)在上小学时第一次意识到环境正在发生变化。那时,他喜欢在森林里玩。幸运的是,他住在一个树木繁茂的地区。他家附近到处都是树。但是,当他进入高中时,他心爱的许多树都不见了——被胶结了,他说这是他青春期最悲伤的事件之一。

DeLisi说,现在我们正接近另一个临界点,在那里,大片的自然游乐场将消失,就像他心爱的森林一样,但规模更大。人类每年向大气中释放400亿吨二氧化碳——如果不加以控制,这一速度可能会产生严重后果。

“即使我们停止,现在达到零(碳排放),温度在某个时候还会再升高0.4到0.5摄氏度。这将是一场灾难。珊瑚系统将会彻底崩溃,”他说。“这是一个巨大的生命损失——整个生态系统、所有依赖珊瑚礁的鱼类和其他生物。”

Jay Mantri / Upsplash

DeLisi是波士顿大学的生物医学工程师,他说政府在2050年实现零净碳排放的目标是雄心勃勃的。但即使我们达到了这个目标,仍然会有一些排放需要被抵消。包括美国、日本、英国和德国在内的几十个国家都打算通过一些方法来捕获碳来抵消剩余的温室气体排放,比如直接空气捕捉——一种从大气中吸走碳的巨型机器。

但DeLisi表示,仅做到收支平衡是不够的。我们必须想办法从大气中吸收更多的气体——多得多。

他说:“如果你两样都不做,你就不会走得很远。”他希望将“碳减排”技术引入转基因树木的讨论中。

去年,DeLisi组织了一个由重量级人物组成的研讨会——理查德·罗伯茨爵士(生物化学家,诺贝尔奖得主,转基因生物的坚定倡导者),瓦尔·吉丁斯(信息技术与创新基金会的遗传学家),以及橡树岭国家实验室的研究人员来创造解决方案,比如基因改造碳饥渴树。

它们很接近。

增强型树木,大自然的自然疗法

这个想法很简单:利用树木来对抗气候变化,通过增强树木已经做得很好的事情——从大气中吸收二氧化碳。

树木吸收大气中的二氧化碳,并通过光合作用将其转化为氧气和碳。然后它们将氧气释放到我们呼吸的空气中,并将碳储存在它们的叶子、根和树干中。

但天然的碳储存并不是永久性的。森林砍伐和森林火灾会将其全部释放回大气中。甚至虫害也会导致森林腐烂并释放碳。

一个完美的世界将平衡这一过程——进入大气的碳被排出,反之亦然。但是,如果再加上人类通过燃烧化石燃料或扩张农业等工业过程排放的多余二氧化碳,这个系统就不堪重负了。大自然跟不上。

DeLisi和他的团队说,为什么不通过基因工程让树长得更快或扎根更深来给树增压,让它们跟上呢?

当谈到碳封存时,年龄和大小很重要。随着树木年龄的增长,碳吸收速率加快,在其生命的最后阶段积累了大部分储存的碳。高大的古树是地球上最大的碳库之一。的最大1%全球50%的碳都储存在树木中。但一棵新树可能需要数百年甚至数千年才能达到那个年龄和大小。

现在,这些科学家希望利用基因工程来加速它们的生长速度,这样它们就可以在20到50年内达到“老生长”状态,在更短的时间内吸收更多的碳。此外,即使树木被砍伐、死亡或燃烧,储存在根部的碳也会被困在土壤之下。树根特别深的树木可以吸收更多的碳。

好处:德利西说,转基因树木甚至可以通过编程将捕获的碳转化为白色的碳酸钙物质,这可以防止碳在树木腐烂时再次释放。这种材料甚至可以收集和用作塑料或其他耐用材料的天然原料来源。

这个想法很简单:利用树木来对抗气候变化,通过增强树木已经做得很好的事情——从大气中吸收二氧化碳。

德利西说,将二氧化碳转化为碳酸钙的生物途径已经很清楚了——在珊瑚中。从理论上讲,科学家可以将这些途径转移到树木上,封存碳,把树干变成超硬木材,适合建筑和其他结构。

信息技术与创新基金会(Information Technology and Innovation Foundation)的遗传学家Val Giddings说:“如果你砍伐(树木)来为建筑提供结构木材,将会在相当长的一段时间内锁住碳。”该基金会是一家研究技术创新和公共政策的智库。

“这削弱了大气中现有的碳储存库,并为开发更多、更永久的地质储存库赢得了时间。毫无疑问,这是对现状的改善。”

德里西表示,创造出化石燃料的经济替代品将变得至关重要。但他同时表示,虽然美国可以转向可再生能源,但发展中国家很难实现这一转变。他们依赖化石燃料,因为化石燃料更便宜。

其他的解决方案,比如从大气中吸收碳的工业洗涤器,既昂贵又低效。太阳能地球工程——向大气中喷洒硫酸以阻挡太阳的热量——可能会产生意想不到的后果,而且无法解决大气中的碳累积问题。为什么不补充一些自然疗法呢?

一些人已经在努力实现这一目标

玛蒂·霍尔(Maddie Hall)是Living Carbon公司的创始人兼首席执行官,这家初创公司种植的转基因杨树和松树比普通树木能吸收更多的二氧化碳。

她说,她的初创公司成立不到两年,运营方式是“隐形模式”。他们已经筹集了数百万的风险投资。他们的工作大部分是私有的,但她说他们已经在地里种了幼苗,树将在今年年底前准备好。

高风险业务

但是基因改造生物有冲突的历史。一些科学家担心环境风险,担心森林生态会不可逆转地改变。他们说,人类对地球的修补已经够多了。

分子遗传学家里卡尔达·施泰因布雷彻(Ricarda Steinbrecher)说,即使有CRISPR这样的先进技术,她认为CRISPR是“了解更多基因、它们的功能、调控、相互作用和相互依赖的优秀研究工具”,基因工程树仍然存在风险。

“调查和理解的可能性是有限的,尤其是考虑到不仅树木的复杂性,还有它们所处的生态系统的复杂性,以及跨越时间和空间的复杂性,”她在一封电子邮件中说。

由于树木需要很长时间才能生长,并且与自然界的许多系统相联系,它们是如此复杂,以至于“目前还不可能对转基因树木进行有意义和充分的风险评估,”她说写了在2008年,她说今天仍然如此。

美国栗子研究与恢复项目主任、生物学家威廉·鲍威尔(William Powell)对这些担忧表示赞赏。他说,研究转基因树木的生态环境至关重要(这需要得到美国农业部的批准,该部门负责监管哪些转基因树木可以被释放到野外)。

安迪·纽豪斯和凡妮莎·格拉芬斯汀在温室里种植美国栗树。纽约州立大学环境科学与林业学院

鲍威尔对美国栗树的研究始于2006年。一种真菌消灭了美洲板栗,但许多根保留了下来,因为真菌不能渗透土壤。现在,一棵新树可以从根系中发芽,但如果它们长得比灌木还高,枯萎病就会再次将其杀死。

为了拯救这个物种,鲍威尔将小麦的一种必需基因转移到美洲栗子细胞中。该基因增强了对引起枯萎病的真菌的抵抗力。

他正在进行一系列环境测试,以确保他的改良美洲栗子是真正的美洲栗子:坚果同样有营养,落叶不会伤害昆虫等。

到目前为止,一切顺利,他说。

但是鲍威尔担心转基因生物的坏名声。许多美国人对转基因作物持谨慎态度,主要是在食品方面,尽管几乎一致的科学共识认为转基因作物是安全的。鲍威尔说,事实上,基因工程和基因编辑比传统的植物改良方法——杂交育种——产生的意想不到的后果更少。

“我们这里的一切基本上都颠倒了。更安全的方式是人们曾经更害怕的方式,”他说。

在科学家进行基因工程和基因编辑之前,农民和科学家通过杂交改变了植物的基因。但这样做可能会引入数千个额外的基因、新的变异和意想不到的变化。通过CRISPR和其他新方法,他们可以一次专注于改变一个特定的基因。

“与人类传统的育种方法相比,尤其是杂交育种,即你将两个物种进行杂交,会产生较少的意外后果。会导致各种变异。它混合了在不同环境中生长的物种的基因,”他说。

“(现代方法)实际上对保护等事情更好,因为你在保持树木的完整性,只是做了非常小的改变,”他补充说,转基因作物也是如此。

DeLisi团队的遗传学家之一Val Giddings最初是一个转基因生物怀疑者,他花了40年的时间“小心翼翼”——寻找和评估与转基因树木相关的风险。最终,和鲍威尔一样,他没有发现任何令人担忧的后果。

他说:“我可以说,尽管投入了大量的鲜血和财富来寻找与使用这些基因工程技术来改良作物或牲畜品种相关的新问题,但没有人提出新问题。”

“可能会出现与安全有关的潜在问题。但它们对我们来说都不新鲜。所有这些都是我们在传统植物育种中所做的事情,”他解释说,如果你在干旱地区种植一棵树,它吸收了太多的水,那么这就是一个问题。

但这是我们已经熟悉的问题。

他表示:“我看到的主要风险是,行动不够迅速,未能充分利用这一机遇。”

作物和森林

罗格斯大学(Rutgers University)名誉教授马丁•邦兹(Martin Bunzl)重申了施泰因布雷彻对未知风险的看法。他说,我们应该关注新品种树木可能产生的连锁反应。

“我们不知道相互依赖是什么,也不知道调整相互依赖的时间尺度会带来什么,”他说。但他并不反对转基因——他实际上更倾向于将转基因作物作为气候变化的解决方案,而不是树木。

由于作物是每年种植和收获的,时间尺度更短,因此,研究和评估所涉及的风险更可行。此外,农民每年购买和种植作物,因此转基因作物已经有了一个内置的分配计划。

索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的驾驭植物计划(Harnessing Plants Initiative)引领了针对气候变化的转基因作物。最近,他们在了解其背后的遗传秘密方面取得了进展浮萍,世界上增长最快的植物。他们希望创建一个优化的下一代工厂,以打击气候变化 - 具有独特的功能,如优步的根,耐害虫和快速增长率。

模型植物拟南芥幼苗,生长在Salk的一个气候控制的生长室。索尔克研究所

该计划的植物生物学家沃尔夫冈·布施(Wolfgang Busch)表示,即使作物收获后,它们的根仍会留在地下,将碳锁在土壤下面的时间更长。

在农作物和树木的辩论中,他是无党派的。他说,通过加强这些自然过程,利用自然来解决气候危机有相当大的潜力。

他说:“在这一领域使用基因工程来缓解气候变化的动手能力越强,效果就越好。”

我们很高兴收到你的来信!如果你对这篇文章有任何评论,或者你对Freethink未来的故事有任何建议,请发邮件至tips@freethink.com。

下一个
太阳能汽车
订阅到Freethink了解更多信息伟大的故事