蒋高明：试论转基因作物的生态风险

蒋高明

本文应《科学对社会的影响》而作，近期发表

一、什么是转基因作物

        基因是决定物种生命现象的最基本因子，是最基本的遗传物质。转基因，也称遗传修饰，就是将某生物物种基因分离的基因片段，植入另外一个生物物种的基因组，从而部分改变该生物物种的性状，实现人类某种目的的现代高新科学技术。转基因作物，就是将转基因技术用于人类传统作物如水稻、玉米、小麦、蔬菜、果树等，从而人工加快遗传育种进度，其突出特点是子一代有优势，子二代以后表现不如常规种子，因此不能留种。转基因技术用于农业，其出发点是减少农药使用，减少环境污染，或提高作物水分、养分利用效率。如将苏云杆菌中的Bt基因植入水稻的遗传物质DNA中，使水稻自己产生Bt抗虫毒素，杀死以水稻为食的二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等害虫。转基因食品是用转基因生物品种制作的食品。

        已经知道的转基因农作物、蔬菜和果实就有：玉米、大豆、小麦、水稻、棉花、烟草、木瓜、土豆、西红柿、油菜、茄子、亚麻、菊苣、甜菜、樱桃番茄、苜蓿、甘蓝、豇豆、胡萝卜、辣椒、生菜、苹果、猕猴桃、葡萄、柑橘、草莓、海棠、梨，等等。动物品种中，已知的有转基因牛、猪、羊、鲤鱼、鲫鱼、泥鳅(这三种鱼类转的是老鼠重金属结合蛋白基因、人生长激素基因等)、团头鲂、大马哈鱼、虹鳟等。据了解，中国科学家已经对100多个生物物种进行了转基因“手术”，涉及基因200多个，其中很大一部分是人类的食品。

        然而，作为一种新兴的生物技术手段，还存在不成熟和不确定性，国际上对于转基因农作物及其食品的安全性成为人们关注的焦点。2009年11月，中国有关部门批准转基因水稻、玉米的商业化种植安全证书，更引起了媒体和公众的广泛关注。

二、转基因与杂交有什么区别？

        转基因与杂交有本质上的不同。杂交是在多发生同种、同属或同科物种之间，亲缘关系很近，如袁隆平的杂交稻是野生稻与水稻杂交，但都是稻属这个植物。杂交最远发生在属间，科间就需要人帮助了。而转基因是不同的类群（生物类群中的界有三大类，动物界、植物界与微生物界，界以下分别是门，纲，目，科，属，种）之间，如将深海里的鱼的基因转到西红柿，微生物的基因转移到水稻里去。杂交在自然界可自然发生，不同界之间的杂交是零概率事件。当然，按照进化论观点，生命起源于一个细胞，但是，生命进化到今天，绝对不可能发生今天这样人与水稻的基因交流，但转基因技术可以办到。

        杂交指基因型不同的个体之间进行的交配。遗传学中经典的也是常用的实验方法。通过不同的基因型的个体之间的交配而取得某些双亲基因重新组合的个体的方法。一般情况下，把通过生殖细胞相互融合而达到这一目的过程称为杂交；而把由体细胞相互融合达到这一结果的过程称为体细胞杂交。杂交产生的后代称为杂种。

        转基因作物是将人工分离和修饰过的基因导入到作物体基因组中，由于导入基因的表达，引起作物的性状的可遗传的修饰。遗传转化的方法按其是否需要通过组织培养、再生植株可分成两大类，第一类需要通过组织培养再生植株，常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法；另一类方法不需要通过组织培养，目前比较成熟的主要有花粉管通道法。其中基因枪法的原理，是利用火药爆炸或高压气体加速，将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。这里已经出现了明显的人为操作痕迹，且转基因已经扩大到不同的物种，不同界门纲目科之间的物种。

        因此，转基因是“武器化”的生物杂交，是将自然界发生的零概率事件变成大概率事件；而杂交还是基本尊重了自然界的生物遗传规律，是比较保守的育种手段，不会发生跨界(动物、植物、微生物、病毒等生物界)之间。

三、转基因作物的工作原理

        那么，转基因作物是怎么实现抗虫、抗旱、抗除草剂、抗盐碱、抗寒等生理功能呢？除了转入的基因发挥作用外，一些必要的外界条件也要具备，甚至，为了呵护转基因作物，要使用专门的除草剂、肥料就是这个道理。

        第一，关于抗虫原理。前面已经说过，就是虫子吃了转基因作物的抗虫Bt蛋白会引起消化系统损伤而死亡。但是，转基因作物的抗虫性并不是广谱的，往往对目标害虫有作用，如转基因抗虫棉中的棉铃虫，抗虫稻针对稻化冥等等。当主要害虫被控制后，次要害虫也可能成为主要害虫而爆发。2010年5月14日，美国著名刊物《科学》发表文章称，在中国北方一项长达十年的研究中发现，种植转基因棉花来杀死它的主要害虫棉铃虫，但却导致其它昆虫的大量爆发。盲蝽是盲蝽科一些昆虫的统称，以前在中国北方只是一种数量较少、危害并不严重的害虫。但是，研究人员发现自从1997年以来它们的数量增加了12倍。它们的数量大量增加与大规模种植Bt转基因棉花有很大的关系。盲蝽对Bt毒素并不敏感，因此农民还需要借助农药控制害虫，用药量不减反增了。

        第二，转基因作物耐旱原理。据介绍，转基因作物能够能节水60%，这个节水抗旱机理是通过生理和生态学途径实现的。从内部机理看，转基因作物抗虫无杂草，营养丰富无干扰，所以根系发达超长，吸水能力强；从外表环境看，种植转基因作物，还需要专用除草剂，除草剂杀光杂草后，无杂草与转基因作物争水分。如果不喷除草剂，转基因作物就不节水了，也会不耐旱了。实际上，种植转基因作物消灭杂草后，土壤失去涵水功能，再被转基因作物无限吸水，最后会导致耕地退化。

        第三，转基因作物抗除草剂原理。农达(Round-up)是除草剂的英文译名，成分为草甘膦、二恶英，国内别名之一飞达红。农达特征之一，是对动植物生殖系统有立竿见影的破坏效果，但对无性植物毒害呈慢性反应，表现相对迟钝。作物抗农达基因后，造成转基因作物种子可以发育但无法生育，使转基因作物表现为无性植物特征，从而对于除草剂反应迟钝。几乎所有的转基因生物都无法繁殖，其原因就是转基因技术离不开辐射手段。因此，抗除草剂转基因作物实际上人工“绝育”手术的结果。

        第四，.转基因作物耐寒原理。农作物耐寒的关键，是根系要长，要长到突破冻土层，到非冻土层吸收水分。转基因作物抗虫无杂草，营养丰富无干扰，根系发达超长，突破了冻土层，可以到非冻土层吸收水分，这样，转基因作物就耐寒了，但耐寒的直接原因，不是转基因而是除草剂。如果不喷除草剂，转基因作物就不耐寒了。这是因为，不喷除草剂，就有杂草与转基因作物争营养水分，无充足营养水分，转基因作物的根，无法长到突破冻土层，到非冻土层吸收水分，这样，转基因作物就不耐寒了。

        从以上的介绍看，转基因技术是将以前农耕的活让作物自己干，既要抗虫(让植物自己制造农药)、又要抗草，还要抗旱，自己找水喝。这些出发点是好的，但长期下去，会使得农民越来越懒，地力越来越下降的。转基因作物适合人少地广的大面积种植，而对于精耕细作的农业，其破坏力就大于带来的直接好处，尤其长期种植转基因作物后，中国北方转基因棉花暴露的问题，美国超级杂草、超级害虫的出现，都证明了转基因作物的严重缺陷。

四、转基因作物对生物多样性的影响

        第一，转基因作物将破坏自然生态系统。生态系统是一个有机整体，任何环节遭到破坏都会危及到整个系统。例如，一些盐碱地、沼泽地、热带雨林以及某寄生虫分布的区域，以前原本不适合农业种植，但由于转基因作物出现，科学家向作物中转入了耐盐碱、耐高温、耐高湿、抗病虫害的基因，在这些地区种植转基因作物，就使原本生活在这里的生物栖息地丧失，从而造成物种减少、退化乃至灭绝，使原有的生态系统结构与功能遭受破坏。

        第二，转基因生物对非目标生物尤其有益生物产生危害。释放到环境中的抗虫和抗病类转基因植物，除对害虫和病菌致毒外，对环境中的许多有益生物也将产生直接或间接的不利影响，甚至会导致一些有益生物死亡。另外，转基因生物将增加目标害虫的的抵抗性，刺激害虫进化，这就加大了害虫控制的难度。转基因抗虫棉在第一、第二代时，对棉铃虫有很好的抵抗作用，但在第三代、第四代后，棉铃虫就对转基因棉产生了抗性。专家警告说，如果这种具有转基因抗性的害虫变成具有抵抗性的“超级害虫”，就需要喷洒更多的农药，将对农田和自然生态环境造成更危害。这是因为，在转基因作物推广中，那些有益生物被消灭了。

        第三，降低生物多样性和食物多样性。保持食物多样性是减少疫病侵袭的重要措施。1864年，爱尔兰土豆枯死病，造成了100多万人死亡，几百万人流离失所，原因就是当地人只种植两个土豆品种，而这两个品种又特别脆弱，发生意外后无法挽救。与此相反，1970年在斯里兰卡、巴西和中美洲地区，咖啡作物爆发了咖啡锈，而在咖啡故乡埃塞俄比亚却发现了一种具有抵抗性的品种，从而挽救了全球咖啡农业全军覆没的命运。遗憾的是，由于转基因作物的入侵性和污染性，大面积推广转基因作物将导致生物多样性尤其是食物多样性降低，从而加大食物安全隐患。

        第四，转基因导致“超级杂草”。农业是从自然生态系统演变来的，长期以来，作物与杂草就形成了既相互竞争、又相互依存的状态。“锄禾日当午”就说明，传统农耕控制杂草是“斩草”而不“除根”的，即杂草也发挥了控制水土流失、保持土壤水分的生态作用。但抗除草剂作物出现后，其目的是要消灭杂草，这样杂草就与人类发明的这一技术强烈的抗争，因为生存是一切物质最基本的本能，消灭一个物种不付出残酷的代价是做不到的。事实上，杂草并不会按照人类的意愿自愿消失，而是采取更强有力的对策产生进化。更有意思的，杂草会将人类转入作物中的抗草甘膦基因“俘获”武装自己，成为人类难以去除的“超级杂草”。 据报道，美国农民过度使用草甘膦除草剂——尤其是由孟山都最先制造的“农达”除草剂，导致近几年抗除草剂杂草迅速滋生。为对付这些超级杂草，农民被迫喷洒毒性更强的除草剂，或者干脆用手拔除杂草，回到了以前的劳动密集型耕种方式。在田纳西州西部，“超级杂草”长芒苋每天可以长七八厘米，能长到两米多甚至更高，把农作物全都盖在底下。它非常结实，收获的时候还会损坏收割工具。为了在长芒苋还没有长大的时候杀死它们，农民们被迫翻耕土地，往土壤里施加除草剂。

        由于转基因作物物种植导致生物多样性下降，耕地土壤涵水性质变了，土壤中没有了“杂草”植物的根系，涵水功能严重降低；土壤水分早被吸干了，造成耕地质量的严重下降。因此，转基因技术是在除草剂、大农药、大化肥基础上，按照人的主管愿望采取的农业“偷懒”技术，将简单问题复杂化，对于农业生态系统的影响是“雪上加霜”。

四、转基因作物对生态环境和健康的影响

        迄今为止，已有英国、法国、美国、俄罗斯、澳大利亚、挪威、奥地利、瑞典、比利时、芬兰、德国等国科学家，证明转基因食品对实验动物、人体和生态环境具有多种潜在不利影响。转基因作物大面积推广对生态环境和健康产生不利影响。

        第一，转基因作物作为“新物种”侵占新环境，表现不折不扣的入侵性。自然界里从来没有过转基因生物，这是按照人的意志合成的“怪物”。它们因其体内有特殊基因，具更强的竞争性和入侵性。植入抗虫基因的作物，比一般的作物更能抵抗病虫害袭击。长此下去，转基因作物将取代原来的作物，造成品种(系)丧失。除此之外，转基因公司为了强化转基因作物的“入侵”能力，还发明了专用除草剂、化肥，将别的作物视为杂草“除之而后快”，更加剧了转基因作物入侵危害。这就是为什么阿根廷农业，一旦发现了转基因大豆的危害后，想恢复原来的传统种植体系“已基本不可能”的根本原因。

        第二，转基因作物产生基因环境污染。转基因植物通过花粉进行基因转移，导致非转基因植物受到污染。东南亚是大米基因多样性的故乡和中心，加利弗尼亚大学专家指出，世界上最重要的13种粮食作物中有12种与其野生的近缘物种进行了杂交。在加拿大，被用作实验的油菜，开始只具抗草甘磷、谷氨酸磷或咪唑啉酮其中一种功能，后来发现了同时具备这三种功能的油菜，这说明这三种油菜之间产生了“基因交流”。既然人类轻而易举地将基因转入了目标作物，那么，这些基因会不会轻而易举地逃逸出来吗？答案是肯定的。
 
        第三，转基因生物对人类健康造成不利影响。这是普通消费者最担心的，也是最为敏感的话题。转基因生物及其产品作为食品进入市场，对人体将会产生某些毒理作用和过敏反应。2002年，英国科学家进行了转基因食品DNA的人体残留试验，有7名做过切除大肠组织手术的志愿者，吃了用转基因大豆做的汉堡包之后，在他们小肠肠道的细菌里面检测到了转基因DNA的残留物。然而，尽管如此，转基因食品对人体健康的影响，可能还需要经过较长时间才能逐渐表现和检测出来。　

五、转基因作物并不能从根本上提高产量

        转基因作物能够提高产量是支持转基因技术人士手中的一张王牌。据华中农业大学介绍，他们研发的“华恢1号”和“Bt汕优63”品系主要优点是控制导致水稻减产的主要害虫。实验证明可减少80%化学农药用量，提高约8%的产量。这是他们与全国水稻专家共同实现“绿色超级稻”构想的第一步。“绿色超级稻”构想的基本目标是：不打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产，使水稻生产实现资源节约、环境友好。

        然而，事情并不会朝着科学家预料的那样发展。2008年，国际农业知识与科技促进发展评估报告显示，业界观点一致认为转基因(GM)作物的主要目的就是摆脱贫困和饥饿，但遗憾的是，这一点在评估报告中没有得到充分体现。相反，根据同行审查中对经验论据进行严格的分析之后，国际评估报告并没有特别对转基因作物进行支持。取而代之的是，转基因作物所带来的疑虑和不确定因素越来越显示出来。对于贫穷的农民，该报告的结论是，转基因作物无法真正地解决他们的需要。转基因作物的另一个关键性问题是，生物技术产业在当前的农业研发领域占据了绝对优势的地位，而牺牲了其它农业科学。此外，农民还面临着由转基因作物带来的新债务，尤其是对传统农作物和有机作物进行转基因作物筛查时引发的专利侵权诉讼，还会被取消认证。目前的知识产权制度存在缺欠和不平等现象，比如在遗传资源领域，对遗传资源知识产权的有力保护严重地影响了公共研究，并剥夺了农民获得种子的权利。

        也就是说，国际权威的评估报告并不支持转基因作物能够提高产量，帮助农民摆脱贫困，相反，会增加影响粮食产量的各种不确定因素。

        上述评估由政府间多个相关部门共同发起，赞助方包括FAO(粮农组织)、GEF(全球环境基金)、UNDP(开发计划署)、UNEP(环境规划署)、UNESCO(教科文组织)、世界银行(WBG)和世界卫生组织(WHO)。400多名参与了报告的起草工作，世界各地的数以千计的专家以最全面和严格的程序进行采证评估。评估草案经过了两个相互独立的同行评审，参与评审的专家分别来自研究机构、国际机构、非政府组织和行业。因此，他们的意见还是很权威的。

        转基因技术能否提高产量，看美国的例子就能知道。美国是掌握转基因技术最早、最多的国家，其技术远比中国先进，但该国粮食总产量仅3.63亿吨，远低于中国5.01亿吨；而美国的耕地还比中国多11亿亩；中国粮食单产为278公斤/亩，美国只有125公斤/亩。之所以出现如此大的差异，其核心秘密就在于中国打赢粮食战争是靠9亿勤劳的农民。“赖其力者生，不赖其力者死”、“治田勤谨”(墨翟)。美国就不具备这个优势，才发明了化肥农业、除草剂农业、无机能农业、转基因农业等，来解决吃饭问题。中国耕地能够连续应用5000年还不退化，所仰仗的就是“人勤地产”的生态循环农业技术，这样的技术在全球都是最先进的。
　　
        到目前为止，几乎还没有转基因作物能够直接提高产量，一般只是通过抗虫抗病而间接增产。转基因技术应该有直接增产的潜力，将来直接能够提高产量和品质的转基因作物品种，随着科技的进步也可能会出现，但是现在还不具备条件，还离不开大化肥、大农药、除草剂的呵护。因此，抛开转基因增产的客观条件，单强调转基因能够增产是不科学的。
 　　
        目前大部分转基因作物其目的是为了减少虫害或者草害，而转入提高产量的基因是比较困难的。决定粮食产量的是“农业八字宪法”的8个方面，种子是其中一个方面。即使在种子方面，控制产量的基因并不是单基因决定的，而是由非常复杂的基因组或者基因群决定的。转入某种控制虫害或者除草剂的基因可以，但转入提高产量的基因很难。目前制约中国粮食的是生态和人的因素。中国农业的基础正在受到破坏，这是很令人揪心的。　

        其实，通过转基因技术提高粮食产量并非治本的措施。除了人的因素外，耕地质量才是关键的。据国土资源部不久前完成的《中国耕地质量等级调查与评定》结果，我国耕地优等地和高等地仅占32.6%、中等地占50.6%、低产地占16.7%，其中西部地区和东北地区耕地平均质量较低。上述结果是综合自然条件、耕作制度、基础设施、农业生产技术及投入等因素得出来的，是比较科学的。这就是说，我国18亿亩耕地中，高产稳产田仅占三分之一，中低产田占近三分之二。如果中产田改造为高产田，将低产田提高到中产田，我国粮食提升还有很大的空间。我们现在的粮食产量是以大化肥、大农药、大量消耗地下水为代价的，农业环境污染严重。恢复并提高地力、减少环境污染需要生态学的解决之道，而不是生物技术所能够解决的。
　　
        从以上分析可以看出，尽管关于转基因作物安全性是个长期话题，如果贸然将转基因作物大面积投放到环境，尤其是一个国家的主粮生产环境中去，将会损害自然生态系统，长期下去将影响人类的身体健康和粮食安全。我们建议，能够用生态学办法解决的粮食增产问题，尽量不要转基因，毕竟转基因是破坏生态平衡的，是有潜在风险的，无论是对食物本身，还是对生态环境的影响。