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从星际穿越说开去,AI、基因工程等跨学科技术推动农业4.0

入科学之门,须怀格物致知之心,誓寻普适真言于万物,是为不负天地人生。

过去几十年,计算机、互联网和移动互联网的高速发展,科学技术极大程度上重新塑造了商业生态,我们认为在这个时代,没有一家公司或者一个科学家能独霸所有风口,世界的变局正在来临,以新兴技术为驱动力的经济体,正在迎来利用高校科技转化形成的创新浪潮。

创新的背后是融合,互联网以去中心化的平等结构运用新技术将古今中外进一步融合,把人类社会带进了一个新纪元。

所有的科幻大片,都是未来真实社会的预演。跨界是这个时代的主旋律,基因组学、人工智能和信息技术是农业生命科技的三驾马车,人类在探索自身,适应自然,改造自然的过程中,也在寻找主宰自身命运的机会。

《星际穿越》的故事背景设定在不远的将来,那个未来里没有炫目的高科技,没有外星文明的降维打击,没有光速传播的僵尸病毒,只是地球到处都刮起了Plus版的北京沙尘暴,人口缩减数十倍,政府间没有军备竞赛,没有技术竞争,整个人类社会退回到农耕时代,农民成了最重(niu)要(bi)的职业,大家为温饱而奋斗。地球已经垂垂老矣,枯萎病从一种庄稼蔓延到另一种庄稼,麦子种不了了,秋葵绝种了,只有几亩玉米还活着,但也挺不了多久了,也许到库珀的孙子辈人类就将彻底灭亡,就像地球上很多远古文明一样终将掩盖在黄沙尘土中。

在这里枯萎病导致地球行将毁灭是电影中被吐槽或质疑较多的设定。该片的科学顾问兼制片人基普·索恩是世界著名的广义相对论范畴天体物理学领域的领导者之一,他在筹拍电影之初就坦诚自己不是个生物学家,为了保证“地球因为枯萎病毁灭”这一假设有科学依据,他邀请了加州理工学院的一批教授,其中包括1975年诺贝尔医学及生理学奖获得者戴维·巴尔的摩(David Baltimore)作为影片的专业顾问。

专家们表示在目前的植物病理学研究中,还没有发现某一种生物能够消灭所有农作物,因为不同的植物病原有不同的寄主范围,即针对不同的种、属、科。但是假如出现某种超级真菌或细菌可以跨种属传播的话,那还是可能的。总而言之,这种枯萎病造成大量粮食减产和地表荒漠化,也就带来了片中地球上无处不在的沙尘暴。但是所幸的是,这种可能性微乎其微。

电影最深重的绝望不是席卷世界的沙尘暴,而是整个人类文明失去了向前发展的希望与动力。未来是所有人都关心的事情,但是未来是什么样子的?科技的演进到底会给人类一个怎样的未来,能在多大程度上改变人类和我们赖以生存的世界,在那个未来的时间节点到来之前都是猜测。

科幻电影之所以深入人心,是因为它包含了我们对未来期待、好奇还有焦虑。有人说所有的科幻大片,都是未来真实社会的预演。电影里的库珀利用“虫洞”、“引力弹弓效应”、“五维空间”这些源自广义相对论的知识拯救了人类文明。

但我们回到造成地球毁灭的“枯萎病”,科技的力量是否让我们在拯救文明之前先拯救地球,毕竟就像《流浪地球》电影是里所希望的,地球是我们的家园,我们应该先想办法呆下去,而不是离开她。

真实的枯萎病与爱尔兰近代史

枯萎病(blight,电影就是用这个单词)亦称疫病。是由真菌或细菌引致的植物病害,病原体导致的枯萎病症状,主要是由于它们在植物体内大量繁殖,堵塞维管束,阻碍水和营养物质的输送,最终导致细胞坏死。

在植物病理学上,当植物的叶片、茎、花乃至植株整体出现迅速褐变、干枯、死亡的症状时,我们往往就导致这些症状的病害冠以“枯萎病”的名字。

历史上确实曾出现过“枯萎病”引起的饥荒。19世纪马铃薯是爱尔兰人最主要的粮食来源,1845年,爱尔兰地区的马铃薯患上一种名为晚疫病的疾病,病菌通过叶部感染马铃薯植株,整株的幼苗还没等到收获就腐烂了。

1845年秋季,病害从爱尔兰东部向西部蔓延。随后几年,晚疫病毒在当地肆虐,加之政治、宗教等因素严重打击了当地农业生产,导致岛上数十万人死于饥饿或疾病,百余万人被迫移居海外。

这是人类历史上最重要的人口迁徙之一,这场大饥荒也是欧洲甚至美洲现代历史的重大转折点,100万人像蒲公英一样,移民至美洲、英格兰以及澳大利亚,来自欧亚大陆的文明散落世界,开花结果,重塑了近代世界文化的格局。然而即使到了今天,爱尔兰的人口仍然没有恢复到饥荒前的数量。

无论从科幻电影还是历史事件本身,我们都不难看出农业生产是社会发展和文明延续的根本保障。

回顾近代农业的三次重大突破:20世纪30年代美国双杂交玉米的推广,由原来的亩产100kg增加到350kg;40年代墨西哥选育的矮杆、高产、耐肥、抗倒伏的小麦品种,亩产由原来的50kg增加到250kg,并掀起一场“绿色革命”。

60年代我国黄耀祥院士发现和利用具有sd-g的矮性基因源,开创丛生快长高光效高产株型育种,使得水稻亩产达650kg以上。每一次科技和工具上的重大突破和革命,都将农业推上一个新的台阶,进入到一个新的历史阶段。

人工智能+生物技术革新农业

人类农业的历史就是一部人类不断追求技术速度与精度的历史。与田间精确喷药、灌溉等数据的曲线救国利用相比,信息技术与人工智能在育种、化肥以及新品种方面的作用可能更为迅速和直接。

从新石器到20世纪中期,人类依靠植物的自然变异来选择产量、品质表现优良的品种,主要凭经验和运气的阶段称为“经验和统计学为基础的农业1.0时代”,1.0时代是根据田间植物形态和农艺性状的表现来筛选亲本,将高产优质的亲本和抗病的亲本进行杂交,在后代中通过大群体多年多地点筛选性状表现好的植株,不断繁殖鉴定,培育出高产抗病的品种。这种筛选依靠植物的田间表现和育种家的经验,需要世代累积才能寻求最佳植株,工作强度极大,选育一个优良品种通常需要10-20年的时间才能完成。

传统育种与数字化育种

 左图作者自制,右图来自华大基因

步入21世纪,育种家开始利用高通量测序(NGS)、分子标记(MAS)等先进的生物技术和信息技术手段,架起了育种资源基因信息衔接多维度大数据的桥梁,建立起常规育种与生物育种相结合的平台,大幅度提高了育种效率,使育种工作实现了由"经验驱动"向"数据驱动"的根本性转变,这个阶段我们称作农业2.0时代。

目前我国植物基因组数据的大小已经达到了TB甚至PB级别,对这些数据的存储、分析以及利用这些数据对成千上万份种质资源材料进行杂交配组和筛选成为目前农业大数据应用的一个热点,这是一个利用基因组学结合大数据及人工智能技术加速育种进程的农业3.0阶段,我国的科学家已经成功培育出了抗枯萎病的品种,这在某种程度上也算是拯救世界了吧?

利用高通量基因组与表型信息技术开发枯萎病鉴定体系

资料来源:由国家蔬菜工程技术研究中心提供

人工智能、大数据在农业领域的另一应用方向是作物保护产品的研发,根据PhilipsMcDougall的分析,将一种新的作物保护产品推向市场需要11年的研发时间,分析16万份化合物,每个产品商业化支出超过2.8亿美元。在新农化产品的开发中,整个行业每年的花费超过26亿美元。

而人工智能技术可以提高这一过程的效率,2018年孟山都参与了AI新药研发公司Atomwise的A轮融资,该公司的核心技术是使用深度神经网络进行结构稳定性的药物设计,提高研发效率,孟山都希望用该平台提高农药化合物的筛选。

对于AI在作物生物技术方面的应用,孟山都正在与Second Genome进行合作。该公司基于人类微生物组的分析,从中找到开发新药的线索。为了加速新一代昆虫控制解决方案的新蛋白质的发现,孟山都开放了其广泛的基因组数据库,并通过大数据的宏基因组学、机器学习和预测分析功能,来加速这一过程。

农业4.0:

一个技术颠覆与敬畏传统共存的新系统

农业4.0 阶段是一个跨学科、多交叉的技术体系,该体系涵盖生命科学与信息科学领域的基因组技术、表型组技术、基因编辑技术、生物信息学、系统生物学、合成生物学,以及信息领域的人工智能技术、机器学习技术、物联网技术、图形成像技术,共同支撑未来农业向更高的层面发展。预计到本世纪中叶,新品种的培育周期可以缩短至一年或数月,甚至实现在短时期内快速驯化出崭新的农业品种为人类社会所用。国内外众多学者、创业者都在为这一目标努力。

以正在各个领域大放异彩的基因编辑技术来说。如Caribou Biosciences公司正在把这项技术转化为能够直接影响到人们生活的商业产品,与其竞争对手Editas Medicine聚焦医学应用不同,Caribou目标客户集中在农业领域,杜邦公司(DuPont)以专利许可和未来商业利益共享的方式获得公司的技术开发权。

Caribou可以实现将有害基因的定向敲除或是在基因组的特定位置插入一个新基因来获得优良的性状。与人类实践了数千年的杂交技术相比,这一技术可以使得植物育种过程中发生最小的生物学改变。同时这一技术还可以使科学家回避插入来自其他物种外源DNA技术(转基因)所带来的争议。

转基因技术的核心是我们转入已知的基因,比如说这种基因会产生抗虫蛋白,向植物中转入该基因就能使作物抗虫。有了基因编辑技术,我们就可以把作物和动物任意修改成我们想要的样子吗?

这也许是对基因编辑的误解。人类农业起源于农民从田间表现选择,再往后有了更先进的育种技术、转基因、基因编辑等,这是一个连续的过程,其目的始终如一。基因编辑给我们带来更多机会,但并不代表它可以取代转基因或传统育种技术。事实上这些技术相辅相成,作物的几万个基因我们只会去编辑几个,剩下的大部分基因依然要靠传统育种来筛选。利用这项技术改良作物,提高产量、营养成分含量、抗病虫害能力和在恶劣环境下的生存能力。

农业发展的4个阶段

来源:Wallace, Jason G., E. Rodgers-Melnick , and E. S. Buckler . "On the Road to Breeding 4.0: Unraveling the Good, the Bad, and the Boring of Crop Quantitative Genomics." Annual Review of Genetics 52.1(2018).

基因编辑技术的转化和商业户都非常快速,以基因编辑的代表公司EditasMedicine为例,其科研成果于2012年发表,2013年被授予专利,2014年成立公司,2016年公司在纳斯达克上市,基本上都是闪电速度,几乎是实验室里刚有成果,马上就有人开始与之合作开发商业应用。

一项科研成果对社会的推动很容易从商业的角度去鉴别,很多有应用价值的技术会直接被社会接受,产生的社会效应和商业效应清晰可见。

反观我们国家,在生命科学这个领域里我们很大程度上是和国际同步的,甚至在很多方面是单项领先的,但是大多数的研究成果只是停留在论文上,缺少应用转化,商业化程度更是低到被忽略不计的程度。

不难发现,在美国创业和在中国创业很不一样,美国的创业公司产品需要有很高的科技含量,而且这些高科技几乎都不是公司自己拍脑袋想出来的,技术都是源自高校。

2003年-2013年的10年间,《财富》世界1000强有172家被替换掉了,新上榜的无疑都更具科技含量,如谷歌、Facebook。当然还有很多是硬科技公司,如SpaceX、基因测序公司illumina等。这些公司背后无一例外都有大量从高校转让过来的知识产权支撑着其科技产品的发展。

我们相信这一定是这个时代创新的规律,科学技术的发展走到今天已经超越了过去几千年的效率。任何一个领域的背后都有深厚的基础科学研究作为支撑,多学科交叉融合,协同发展,才能出现真正颠覆世界的伟大发明。

对中国来讲,我们要理解全球科研商业化的进程正在提速,过去30年中国企业从“贸”到“工”,实现了经济的快速腾飞,成为全球第二大经济体,未来的30年我们要从“工”到“技”,中国的创业者和投资人应该从全球视野的角度想问题,应该勇敢地站在世界的最前沿。

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