原創(chuàng) Mary E. Power 集智俱樂(lè)部 收錄于話題#生命復(fù)雜性21#復(fù)雜科學(xué)前沿202196

導(dǎo)語(yǔ)

CRISPR-Cas 基因編輯工具將研究人員帶入可以改變世界的合成生物學(xué)時(shí)代。對(duì)這些工具在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得的突破而感到興奮之余，人們也會(huì)對(duì)它們?cè)陂_放環(huán)境中應(yīng)用時(shí)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤而感到擔(dān)憂。研究人員不知道這些基因表達(dá)過(guò)程（包括基因調(diào)控和表觀遺傳修飾）、進(jìn)化變化、生態(tài)系統(tǒng)相互作用和其他更高級(jí)的過(guò)程將如何影響自然界中被基因編輯的生物體的性狀、適應(yīng)性和對(duì)環(huán)境的影響。然而，在“基因驅(qū)動(dòng)時(shí)代即將到來(lái)”的情況下，預(yù)測(cè)被編輯的性狀或生物在異質(zhì)、不斷變化的環(huán)境中的傳播、變化和影響尤為重要。為了預(yù)測(cè)Synthetic threads“合成線”對(duì)地球上的生命網(wǎng)絡(luò)的影響，科學(xué)家們必須直面跨越多個(gè)生物組織層次的復(fù)雜系統(tǒng)相互作用。目前，研究人員缺乏相關(guān)的計(jì)劃、基礎(chǔ)設(shè)施和資金來(lái)讓這個(gè)科學(xué)家在有或沒(méi)有基因驅(qū)動(dòng)改造的情況下追蹤不斷在開放環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的新的合成生物。

研究領(lǐng)域：合成生物學(xué)，生物網(wǎng)絡(luò)，生態(tài)系統(tǒng)，基因編輯

Mary E. Power | 作者

王帥 | 譯者

趙雨亭 | 審校

鄧一雪 | 編輯

CRISPR-Cas 基因編輯工具將研究人員帶入了一個(gè)將改變世界的合成生物學(xué)時(shí)代[1，2]。CRISPR工具已經(jīng)在基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)方面取得了突破，并且將在農(nóng)業(yè)、公共衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)方面有更廣闊的前景[1-3]。當(dāng)把基因編輯應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或醫(yī)院以外環(huán)境時(shí)，研究人員需要預(yù)測(cè)基因編輯生物及其性狀將如何傳播、改變和影響其他生物群和生態(tài)系統(tǒng)。作者在2020年撰寫這篇文章時(shí)，發(fā)現(xiàn)身處美國(guó)的人們已經(jīng)在抵御一種新的人類病毒的努力中陷入了癱瘓，而這是因?yàn)槿狈?duì)病毒的野外監(jiān)測(cè)，使得研究人員對(duì)其傳播視而不見(jiàn)。那么當(dāng)（或之前）研究人員將自己通過(guò)基因編輯得到的新生物投放到地球生物圈時(shí)，他們會(huì)在追蹤檢測(cè)方面做得更好嗎？

隨著新的合成生物學(xué)的線索（threads）在全世界人們的生活和世界中穿梭，人類和自然將會(huì)發(fā)生怎樣的改變呢？研究人員該如何做才能預(yù)測(cè)、跟蹤和控制這些變化？如果研究人員要得到CRISPR 技術(shù)帶來(lái)的好處并減少其潛在危害，生態(tài)學(xué)家——尤其是野外生態(tài)學(xué)家——必須在基因編輯生物進(jìn)入地球生物圈之前、進(jìn)入之中和進(jìn)入之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)面對(duì)并需要解決這些問(wèn)題。

解決上述問(wèn)題需前需要考慮以下問(wèn)題：1) 如果對(duì)生物體進(jìn)行基因編輯在實(shí)驗(yàn)室條件下是可行的，那在實(shí)驗(yàn)室以外的開放環(huán)境中，被編輯的基因在短時(shí)間內(nèi)以及隨著時(shí)間的推移會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生什么影響？2）如果基因編輯生物可以在開放環(huán)境中繁殖，它的后代將如何改變并在種群中傳播？基因編輯技術(shù)的發(fā)展也迫使人們關(guān)注這個(gè)問(wèn)題 [3-7]。3）這些基因編輯生物在不同的生態(tài)系統(tǒng)成分中將如何表現(xiàn)？4) 以及將如何影響它們所處的生態(tài)系統(tǒng)？5) 我們或未來(lái)的人們將如何看待這些新生物？我們會(huì)喜歡它們的直接或間接產(chǎn)生的影響嗎？

下面，作者首先回顧了相互作用生物系統(tǒng)的嵌套尺度，它們決定了基因編輯生物體在開放環(huán)境中的命運(yùn)和影響。其次，作者闡述了應(yīng)用基因驅(qū)動(dòng)在野生種群中傳播合成等位基因而引起的問(wèn)題。第三，作者探討了在干旱與正常情況下河流硅藻固氮的影響。問(wèn)題變成了：“可能出什么問(wèn)題了？”以及“研究人員如何才能檢測(cè)到變化，以及對(duì)變化出錯(cuò)的早期做出預(yù)警？”。曾經(jīng)被認(rèn)為只屬于分子生物學(xué)或野外生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的有前途的方法現(xiàn)在越來(lái)越多地在上述兩個(gè)領(lǐng)域都得到應(yīng)用，并將幫助研究人員合作應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。接下來(lái)，作者討論價(jià)值觀。歸功于處于 CRISPR 革命前沿的科學(xué)家等相關(guān)人員，廣泛的社會(huì)價(jià)值觀從一開始就成為討論的重要組成部分[1-7]。最后，本文將描述研究人員在給那些將基因編輯生物投放到開放環(huán)境中的人提供的培訓(xùn)和相關(guān)的資源，這些培訓(xùn)等資源將更好地幫助其履行跟蹤和管理這些新生物產(chǎn)生影響的責(zé)任。

1. 把基因、形狀、生物體和生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)：

預(yù)測(cè)所面臨的挑戰(zhàn)

研究人員利用自己的心智分離出來(lái)的系統(tǒng)實(shí)際上不僅包含在更大的系統(tǒng)中，而且還相互重疊、相互聯(lián)系和相互作用。

Arthur Tansley, 1935 [8]

基因，包括編輯過(guò)的基因，可能會(huì)影響生物體的性狀，進(jìn)而改變它們的表現(xiàn)，甚至某些情況下也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。上述影響也會(huì)從環(huán)境到生態(tài)系統(tǒng)的相互作用中反方向影響到基因表達(dá)。很少有通路是以直接的方式跨越不同層級(jí)的生物組織將因果聯(lián)系起來(lái)。在各個(gè)生物組織層級(jí)，都會(huì)有強(qiáng)烈的非線性控制性、可變的時(shí)間滯后性和環(huán)境依賴性“改變了存在的基本規(guī)則”[9]和有時(shí)會(huì)突然受到性狀的影響[10]。將豐富多樣的成分（基因、生物體和具有特殊進(jìn)化和自然歷史的景觀）添加到這種系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性之中，很明顯這就是為什么所有對(duì)這些不同層級(jí)的生物組織發(fā)生嵌套相互作用（nested interactions）的頂點(diǎn)的研究-即生態(tài)學(xué)，可以有理由稱為最復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)[11]。

2. 從基因預(yù)測(cè)形狀

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為基因組中的基因序列是了解該生物體的生物學(xué)信息所需要的全部?jī)?nèi)容。最近，科學(xué)家們意識(shí)到還有另一個(gè)層面的控制信息：表觀遺傳修飾。

Joseph Ecker, 2020 [12]

遺傳學(xué)家曾希望通過(guò)遺傳密碼直接預(yù)測(cè)生物的表型，但這對(duì)于大多數(shù)具有生態(tài)學(xué)意義的性狀來(lái)說(shuō)是不可能的。當(dāng)分子和發(fā)育遺傳學(xué)家探索基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了日益增加的復(fù)雜性?；虮磉_(dá)在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中發(fā)生明顯的變化，但它如何變化使其可以在細(xì)胞和生態(tài)系統(tǒng)尺度的強(qiáng)大環(huán)境控制下進(jìn)行。給定的基因序列，包括編輯過(guò)的序列，如何在生物體中實(shí)際表現(xiàn)為性狀取決于各種基因組特征（轉(zhuǎn)座元件、拷貝數(shù)變異、染色體非整倍性）；表觀遺傳效應(yīng)（胞嘧啶堿基被甲基修飾、染色體修飾、small RNA等）；以及初級(jí)和次級(jí)基因多效性、同源框DNA序列的調(diào)節(jié)、表型可塑性和其他現(xiàn)象[13-15]。改變基因表達(dá)的表觀遺傳元件以復(fù)雜的非線性方式相互作用，例如在植物的減數(shù)分裂和有絲分裂期間 [16]。環(huán)境誘導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄變化可能會(huì)影響終生甚至?xí)?duì)后代的表型產(chǎn)生影響[14, 17, 18]。

表觀遺傳學(xué)對(duì)于從基因型預(yù)測(cè)表型的初步探索結(jié)果顯得特別令人興奮且值得深耕。但目前，對(duì)自然環(huán)境中非模式生物的表型、生態(tài)學(xué)和進(jìn)化的結(jié)果的表觀遺傳學(xué)研究才剛剛開始，且這項(xiàng)研究的對(duì)象如果是具有大型復(fù)雜基因組或多倍體的植物，則會(huì)具有很大的挑戰(zhàn)性[17]。生態(tài)表觀遺傳學(xué)家需要從模式生物的研究中得到更多可借鑒的知識(shí)和方法來(lái)研究進(jìn)化成不同物種的基因組，也需要在復(fù)雜的自然環(huán)境中進(jìn)行更多的機(jī)理探討和實(shí)驗(yàn)研究 [17, 18]。正如理查茲等人[17]指出，為了預(yù)測(cè)這些基因組水平的過(guò)程對(duì)真實(shí)（開放）環(huán)境中不同非模式生物的影響，研究人員需要了解天然種群中表觀遺傳變化的程度和來(lái)源，以及這種變化是否會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)相互作用并產(chǎn)生進(jìn)化結(jié)果。

基因組元件的復(fù)雜相互作用、大多數(shù)生物體缺乏詳細(xì)的基因組信息以及來(lái)自于復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)相互作用的反饋，使得基因編輯在整個(gè)生物群體中的結(jié)果難以預(yù)測(cè)。然而，如果研究人員能夠?qū)⑸矬w編輯后的基因可靠地映射到投放到自然環(huán)境中的生物體的性狀，那么尤其是在不同的環(huán)境條件下，研究人員能在多大程度上預(yù)測(cè)它們的對(duì)生態(tài)的影響？環(huán)境的依賴性在所有生態(tài)層級(jí)上都存在，尤其是在最大層級(jí)上，是預(yù)測(cè)自然界中基因編輯生物的命運(yùn)和影響的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

3. 從基因和形狀預(yù)測(cè)生物體的表現(xiàn)

即使在受到高度調(diào)控的農(nóng)業(yè)、醫(yī)院或?qū)嶒?yàn)室生態(tài)系統(tǒng)中，選擇性環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化。也許地球生命史上最受控制的環(huán)境仍然帶來(lái)了進(jìn)化方面的驚喜。截止 2020 年 4 月，當(dāng)實(shí)驗(yàn)因 COVID-19 暫停時(shí)，Richard Lenski 和他的學(xué)生以及同事已經(jīng)追蹤了12個(gè)最初遺傳信息相同的大腸桿菌群體在繁殖超過(guò)70,000代之后的遺傳信息的變化[19]。每天，每個(gè)種群的1% 被轉(zhuǎn)移到一瓶新鮮的成分相同的培養(yǎng)基中，每個(gè)種群的一個(gè)子樣本每隔500代之后會(huì)被冷凍保存。

盡管對(duì)它們的基因型和環(huán)境施加了這種非凡的控制，這12個(gè)大腸桿菌克隆群體還是帶來(lái)了許多進(jìn)化上的驚喜。一個(gè)特別需要小心的是使用基因驅(qū)動(dòng)在野生種群中傳播編輯的基因的行為。兩個(gè)大腸桿菌突變體的克隆最終會(huì)接管整個(gè)種群，但它們最初被其他兩個(gè)后來(lái)滅絕的突變體克隆所擊敗。由于突變會(huì)改變?nèi)旧w超螺旋并影響基因轉(zhuǎn)錄，從而提高突變率，因此贏得長(zhǎng)期勝利的克隆具有更大的適應(yīng)潛力 [20]。盡管最初被賦予適應(yīng)性劣勢(shì)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，改變?nèi)旧w超螺旋的拓?fù)洚悩?gòu)酶突變?cè)试S這些克隆產(chǎn)生具有新的有益突變的后代。

在果蠅中記錄了另一個(gè)戲劇性的“命運(yùn)逆轉(zhuǎn)”，其Sxl基因突變通常會(huì)使雌性果蠅的受精卵完全不育。Starr 和 Cline [21] 發(fā)現(xiàn)沃爾巴克氏體（Wolbachia）的寄生有利于被寄生且Sxl基因突變的雌性果蠅產(chǎn)下有活力的受精卵。作者指出，這種相互作用（這是不可能預(yù)料到的）可能會(huì)將物種相互作用的消極影響轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極，甚至使宿主與前寄生蟲的相互作用成為必然 [21]。隨后的研究工作表明，如果細(xì)菌被帶有細(xì)胞致死膨脹毒素（Cytolethal Distending Toxins）的基因的噬菌體感染，則含有該內(nèi)共生體細(xì)菌的蚜蟲會(huì)對(duì)寄生蜂產(chǎn)生抗性 [22, 23]。Whiteman和他的學(xué)生及同事[24]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，上述編碼毒素的cdtB基因可能是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移的方式使其在兩種宿主蚜蟲 (Myzus spp.) 的基因組中編碼。他們還發(fā)現(xiàn)，原核生物的cdtB基因的這種“馴化”發(fā)生在幾個(gè)果蠅譜系中，而這很可能是通過(guò)螨蟲和短鏈病毒（brachoviruses）介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的，或通過(guò)噬菌體直接整合到蚜蟲和果蠅基因組中 [24]。對(duì)于研究人員在這里的討論，有兩點(diǎn)很關(guān)鍵。首先，基因序列和性狀的變化是由噬菌體、細(xì)菌和昆蟲的物種間相互作用引發(fā)的。這生動(dòng)地說(shuō)明了 Tansley [8]的觀點(diǎn)，即“研究人員利用自己心智分離出來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)不僅作為更大生態(tài)系統(tǒng)的一部分，而且它們還相互重疊、相互連接和相互作用?！逼浯危@些曲折的進(jìn)化步驟和“蟲洞”通過(guò)多級(jí)放大和縮小過(guò)程將基因與生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。正如喬納森·洛索斯 (Jonathan Losos) [25] 的書《不可能的命運(yùn)：天意、機(jī)會(huì)和進(jìn)化的未來(lái)》所描述的那樣，它們很難解釋，更不用說(shuō)預(yù)測(cè)了。

4. 基因驅(qū)動(dòng)

在面臨具有不確定的未來(lái)的野生種群之時(shí)，保持對(duì)未來(lái)進(jìn)化的信心反對(duì)以可能會(huì)導(dǎo)致野生遺傳多樣性減少的方式修補(bǔ)生命。然而，覆蓋可變的“野生型”等位基因的基因驅(qū)動(dòng)力量在種群中傳播時(shí)正是這樣做的?；蝌?qū)動(dòng)至少會(huì)使用像 CRISPR-Cas9 這樣的基因手術(shù)刀而非黑曜石刀那樣的早期基因改造技術(shù)來(lái)覆蓋更短（通常 <1 kb）的相鄰基因組序列。

基因驅(qū)動(dòng)是一種使有性生殖物種中等位基因的傳遞概率高于預(yù)期的的孟德爾概率（50%）的基因工程技術(shù)。基因驅(qū)動(dòng)也是一個(gè)自然過(guò)程，已經(jīng)在自然界中演化了一段時(shí)間 [例如，沃爾巴克氏體（Wolbachia）、轉(zhuǎn)座子和其他“自私的”遺傳元件 [3, 4]]。沃爾巴克氏基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)可被用于害蟲的生物防治 [26]，目前已部署在巴西、法屬波利尼西亞、澳大利亞?wèn)|南部 [27] 和加利福尼亞中央山谷 [28]的開放環(huán)境中，用于可造成人類疾病的蚊媒生物防治。利用 CRISPR-Cas技術(shù)，可以精準(zhǔn)編輯目的基因，然后以比沃爾巴克氏體中的可轉(zhuǎn)移遺傳因子更高的效率（> 99% 復(fù)制保真度和傳輸率）進(jìn)行驅(qū)動(dòng) [3, 29]。CRISPR-Cas 9可以使雌性岡比亞按蚊（Anopholes gambiae）（在非洲傳播瘧疾）不育的研究已在倫敦帝國(guó)理工學(xué)院展開，目前研究人員正在考慮未來(lái)把這種技術(shù)應(yīng)用到非洲 [30]。然而，對(duì)蚊子和昆蟲進(jìn)行生物防治的基因驅(qū)動(dòng)應(yīng)用目前正受到宿主抗性快速進(jìn)化的挑戰(zhàn) [31, 32]。目前有很多解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，包括針對(duì)雙性基因，該基因的突變既會(huì)阻礙基因變異也會(huì)使岡比亞按蚊雌性不育。如果基因有多個(gè)位點(diǎn)可以編輯，那么抗性進(jìn)化的機(jī)會(huì)可以減少[30-32]。

另一種對(duì)付宿主抗性進(jìn)化的方法是使用可能增強(qiáng)而不是降低基因編輯宿主對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性的基因編輯器。Anthony James 及其同事[33]已使用 CRISPR 編輯用于在印度傳播瘧疾的斯氏按蚊（Anopholes stephensi）。他們將兩個(gè)獨(dú)立的等位基因轉(zhuǎn)入蚊子宿主，這兩個(gè)基因編碼的抗體分別能攻擊處在不同生命階段的瘧原蟲（一種瘧原蟲感染宿主的腸道，另一種感染宿主的唾液腺）。同樣，這兩個(gè)功能獲得性等位基因使瘧原蟲抗性進(jìn)化的可能性降低。此外，對(duì)瘧原蟲的抗性可能會(huì)提高蚊子宿主的適應(yīng)性，比如，利用基因編輯技術(shù)改造的斯氏按蚊在引入印度次大陸后其存活和傳播的概率增加了。類似這樣的基因改造后物種的引入需要當(dāng)?shù)毓姾捅O(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量討論與協(xié)商。不過(guò)，與此同時(shí)，基因編輯改造過(guò)的斯氏按蚊在環(huán)境中的表現(xiàn)也在更加逼真但封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行仔細(xì)研究，這個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境位于加利福尼亞州爾灣。在另外一個(gè)試驗(yàn)地（倫敦的試驗(yàn)地）中，基因編輯的蚊子如果逃逸至自然環(huán)境則無(wú)法存活 [7]。

如果基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)了問(wèn)題，那是否能在投放基因驅(qū)動(dòng)改造的生物體后把這一切又恢復(fù)原樣呢？目前研究人員已經(jīng)提出了一些關(guān)于如何控制基因驅(qū)動(dòng)改造生物在自然環(huán)境中蔓延并產(chǎn)生有害影響的想法[2, 29]，并且其中一部分想法已在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試 [34]。這些想法包括免疫驅(qū)動(dòng)（immunization drives)（例如，保護(hù)會(huì)受到外來(lái)物種排擠的原生物種）、恢復(fù)驅(qū)動(dòng)（recall drives）（主要通過(guò)種群傳播的方式來(lái)尋找和殺死經(jīng)過(guò)基因編輯的、在環(huán)境中廣泛分布的生物體）、化學(xué)約束（chemical tethers）（一個(gè)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功的方法[34]，它能使基因驅(qū)動(dòng)改造的生物因?yàn)橐蕾囉谒鼈冊(cè)谝巴鉄o(wú)法獲得的化學(xué)物質(zhì)而無(wú)法在野外生存）。研究人員目前無(wú)法評(píng)估免疫或恢復(fù)驅(qū)動(dòng)實(shí)施一段時(shí)間后在開放的自然環(huán)境中的效果，也沒(méi)有足夠的資金、組織和人員來(lái)跟蹤在開放環(huán)境中傳播的編輯基因。而且目前尚不清楚，在給予蚊子特定寄生蟲抗性的基因之后，是否會(huì)使蚊子變得更容易感染另一種病原體 [4]。在大多數(shù)瘧疾流行地區(qū)的蚊子感染率低，[35] 這可能會(huì)減少這種擔(dān)憂（為什么未受感染的蚊子不攜帶其他病原體？），除非基因編輯提高了蚊子感染其他病原體的概率，這個(gè)變化目前似乎沒(méi)有明顯的效用。然而，隨著時(shí)間的推移，如果基因突變或非基因方面的原因引發(fā)了基因驅(qū)動(dòng)改造的生物體產(chǎn)生上述變化，那么研究人員對(duì)此依然束手無(wú)策的。

基因編輯技術(shù)還有一些其他問(wèn)題，這些問(wèn)題與研究人員之前有意利用它來(lái)抑制、增強(qiáng)或簡(jiǎn)單地改造野生動(dòng)植物種群是不同的。鑒于 Lenski 的長(zhǎng)期的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)研究，令人擔(dān)憂的是，CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)會(huì)使得配對(duì)染色體上的同源等位基因在傳播時(shí)被覆蓋。等位基因多樣性的喪失可能會(huì)減少后代種群的多樣性 [20, 25]。最后，生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境依賴性會(huì)阻礙更大規(guī)模的預(yù)測(cè)。生物體基因驅(qū)動(dòng)改造后得到的新性狀在某些情況下（對(duì)生物群或社會(huì)）似乎有益而在其他情況下則可能有害，反之亦然。上述這些考慮說(shuō)明在環(huán)境中投放基因驅(qū)動(dòng)改造以及基因定時(shí)炸彈、恢復(fù)驅(qū)動(dòng)或其他方法改造的生物體之前必須進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估、認(rèn)真準(zhǔn)備并使公眾和監(jiān)管部門達(dá)成共識(shí) [3-6]，這樣才能在實(shí)驗(yàn)之后避免不必要的麻煩。

5. 從性狀預(yù)測(cè)影響

生態(tài)學(xué)指的是對(duì)生物分布和豐度的影響因素的研究 [36]。大多數(shù)觀察者，包括許多生態(tài)學(xué)家，都認(rèn)為生物種群主要是受環(huán)境條件和資源的限制。生物體一般會(huì)生存在物理化學(xué)條件良好和資源供應(yīng)充足的地方 [37]。例如，為了預(yù)測(cè)生物體對(duì)氣候變暖的反應(yīng)，一種普遍的做法是分析它們的氣候包絡(luò)（climate envelopes，溫度、濕度的范圍，有時(shí)還包括它們目前所處的其他條件），并假設(shè)它們會(huì)在具有這種氣候條件地區(qū)生存或?qū)?lái)會(huì)遷入這種地區(qū)[38-40]。

這些觀點(diǎn)忽略了物種相互作用，因此在某種意義上類似于“豆袋”遺傳學(xué)（“bean bag”genetics） [41]。資源供應(yīng)和環(huán)境條件固然很重要，但生物體往往不能到達(dá)它們可以到達(dá)的地方，要么是因?yàn)樗鼈冞€沒(méi)有到（擴(kuò)散限制），要么是即使到了目的地也因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)者或天敵的影響而難以在當(dāng)?shù)厣嫦聛?lái)。消費(fèi)者（consumers），尤其是捕食者和病原體會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生很大的影響。它們?cè)谧匀唤缰泻茈y被觀測(cè)到，因此往往被研究人員低估。研究人員經(jīng)常認(rèn)為“世界是綠色的”，那是因?yàn)檫@個(gè)世界給予的條件和資源支持植物生長(zhǎng)。如果世界看起來(lái)很貧瘠，則是因?yàn)樗贿m宜植物的生長(zhǎng)。與未經(jīng)實(shí)驗(yàn)或長(zhǎng)期觀察的普遍理解相比，消費(fèi)者正在對(duì)生態(tài)群落施加神秘的、強(qiáng)有力的直接和間接影響：限制某些物種，并間接釋放其他物種：獵物的獵物42]。

Paine 等人[43-45]展示了“營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)”這個(gè)生態(tài)現(xiàn)象對(duì)基因進(jìn)化的解釋和潛在預(yù)測(cè)能力。這個(gè)“營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)”是一種個(gè)體之間通過(guò)直接或間接相互作用聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)關(guān)聯(lián)鏈條，能夠把植物通過(guò)消費(fèi)者與捕食者聯(lián)系起來(lái)。并且如果“強(qiáng)相互作用者”物種的豐度和表現(xiàn)發(fā)生變化，便會(huì)在生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。如果強(qiáng)相互作用物種能保持足夠的生物量來(lái)構(gòu)建其生態(tài)系統(tǒng)，那么它們便會(huì)成為“基礎(chǔ)”或“優(yōu)勢(shì)”物種；而一些“關(guān)鍵物種”雖然不常見(jiàn)但有時(shí)會(huì)通過(guò)抑制或支持優(yōu)勢(shì)物種[43, 46]使其仍然能夠強(qiáng)烈地影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果，正如Paine等人所假設(shè)的那樣，相對(duì)較少的強(qiáng)相互作用者會(huì)觸發(fā)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的間接級(jí)聯(lián)效應(yīng)，那么許多共生種群的動(dòng)態(tài)行為會(huì)受到少數(shù)強(qiáng)相互作用者的影響[43]，從而使生態(tài)學(xué)變得更加可預(yù)測(cè)。

然而，環(huán)境依賴仍然是生態(tài)預(yù)測(cè)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)[46-48]。當(dāng)環(huán)境條件和資源改變了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)成員的表現(xiàn)時(shí)，物種之間相互作用強(qiáng)度也會(huì)隨著空間和時(shí)間而發(fā)生變化。向生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中增加或減少成員可能會(huì)改變整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。例如，海獺保護(hù)海帶森林免于過(guò)度放牧而形成的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián) [49] 會(huì)由于虎鯨捕食并使海獺滅絕 [50] 而崩潰，而這可能是因?yàn)榛ⅥL首選獵物的大鯨魚數(shù)量稀缺，以及其他肥美的海洋哺乳動(dòng)物的種群數(shù)量銳減[51]。盡管無(wú)法從性狀預(yù)測(cè)生物體對(duì)環(huán)境的影響，但應(yīng)該有一些規(guī)則可以讓研究人員了解生物體之間相互作用和相互作用強(qiáng)度隨空間和時(shí)間的變化。發(fā)育遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這樣的規(guī)則，他們煞費(fèi)苦心地理清了組織對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生影響的復(fù)雜、特殊的控制路徑 [14, 15]。盡管在更大尺度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中工作會(huì)面臨挑戰(zhàn)，但生態(tài)學(xué)家需要在景觀、海景和淡水這些研究人員的研究領(lǐng)域推進(jìn)類似的工作。

6. 隱藏的調(diào)控過(guò)程，神秘的參與者

肖恩·卡羅爾 [52] 在他非凡的著作《塞倫蓋蒂規(guī)則》中，指出了生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間的相似之處?；蚧芈贰肿用铈湣獙⒄{(diào)節(jié)基因如何、何時(shí)以及是否會(huì)被表達(dá)、抑制或誘導(dǎo)。直到 Monod 和 Jacob 意識(shí)到有一個(gè)神秘的參與者，即一種阻遏蛋白，它會(huì)抑制 β-半乳糖苷酶基因的表達(dá)，而其底物乳糖則又會(huì)抑制阻遏蛋白的活性 [52]， 乳糖操縱子才真正刷新了人們對(duì)基因調(diào)控方式的理解?？_爾指出，這種基因調(diào)控路徑與三級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)的運(yùn)作方式相同，其中肉食動(dòng)物通過(guò)抑制食草動(dòng)物來(lái)間接保護(hù)植物 [42]。當(dāng)研究人員發(fā)現(xiàn)并理清基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)或生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中間接、特殊的控制通路時(shí)，研究人員也提高了預(yù)測(cè)、理解和管理出現(xiàn)意外事件發(fā)生的概率。另一個(gè)充滿希望的跡象是，從基因到生態(tài)系統(tǒng)，最初被視為相互矛盾的多種表現(xiàn)形式在潛在機(jī)制被挖掘出之后實(shí)際上都能夠在概念上被統(tǒng)一 [14, 15, 53]，這通常與發(fā)現(xiàn)了更高組織層次的調(diào)控現(xiàn)象有關(guān)。

單個(gè)基因的突變可通過(guò)基因多效性、拷貝數(shù)變異、單核苷酸替換和表觀遺傳失調(diào)的方式導(dǎo)致各種形式的腦部疾病，而多基因突變可通過(guò)破壞常見(jiàn)的神經(jīng)發(fā)育途徑導(dǎo)致趨同表型（convergent phenotypes ）[14, 15]。類似地，鳥類、蜥蜴和植物生態(tài)學(xué)家都贊同初級(jí)競(jìng)爭(zhēng)是構(gòu)建生態(tài)群落的一種力量[例如，參考文獻(xiàn) 54]，而這種觀點(diǎn)在昆蟲生態(tài)學(xué)家中更為罕見(jiàn)[例如，參考文獻(xiàn) 55]。如果三級(jí)食物鏈很常見(jiàn)，這些觀點(diǎn)可能（有點(diǎn)簡(jiǎn)單地）會(huì)相互調(diào)和，以至于食物鏈頂部的鳥類或蜥蜴和食物鏈底部的植物通常會(huì)受到資源的限制（resource limited），而昆蟲（在第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)）會(huì)受到捕食者的限制，因此不會(huì)為了有限的資源而競(jìng)爭(zhēng) [53]。

7. 性狀影響的環(huán)境依賴性：固氮

生物可利用的氮廣泛分布于陸地、海洋和許多淡水環(huán)境的生物群中。在地球大氣含氧量上升之前，固氮（將氮?dú)膺€原為氨）似乎只進(jìn)化過(guò)一次，并且仍然僅限于少數(shù)古細(xì)菌和細(xì)菌 [56]。其中一些已經(jīng)與真核生物建立了共生伙伴關(guān)系，從硅藻 [57] 到維管植物 [56]，其中固氮微生物（microbial nitrogen fixers）用自己合成且宿主可利用的氮來(lái)交換宿主產(chǎn)生的碳和能量（reduced carbon and energy from their hosts）。自 1970 年代以來(lái)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯的一個(gè)主要目標(biāo)是將這些固氮微生物的宿主范圍擴(kuò)展到非豆科作物，尤其是谷物 [58]。另一種方法是將用于固氮酶生物合成的原核 nif 基因直接轉(zhuǎn)移到植物基因組中 [59]。在農(nóng)業(yè)中廣泛地用生物固氮代替化學(xué)合成的氮肥將帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，也節(jié)省了工業(yè)上哈伯制氨所需消耗的巨大能源成本，并減少了從農(nóng)田到地表和沿海水域的富營(yíng)養(yǎng)化徑流。這可能會(huì)出錯(cuò)嗎？

自從把GMO（轉(zhuǎn)基因生物）作物引入自然環(huán)境中之后，環(huán)保主義者和公眾提出了一些環(huán)境和社會(huì)方面的擔(dān)憂 [60]。這些擔(dān)憂包括谷物體內(nèi)的固氮基因會(huì)通過(guò)風(fēng)媒傳粉的方式傳播到野生近緣種（wild relatives）。一方面，固氮作用可能會(huì)使野生禾本科植物變成具有侵略性的雜草。另一方面，隨著氮含量的增加，基因被編輯的農(nóng)作物和其他植物由于營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的增加更會(huì)遭到食草動(dòng)物采食[61]。如果基因編輯農(nóng)作物或基因被修飾的野生植物的根系分泌物或凋落物使土壤的氮含量增加，它們可能會(huì)促進(jìn)雜草入侵，也會(huì)不利于原本適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)條件的本地植物群的生長(zhǎng)。比如，當(dāng)非本地楊梅入侵并成為夏威夷的第一棵固氮灌木時(shí)，它改變了本地植物的“生存基本規(guī)則”，并使得許多本地物種滅絕 [9]。大片具有豐富多樣的本地植物和節(jié)肢動(dòng)物的地區(qū)正在消失當(dāng)中，固氮植物（野豌豆和羽扇豆）的茁壯生長(zhǎng)，已經(jīng)使得雜草入侵加利福尼亞沿海[62]和內(nèi)陸[63]草原地區(qū)。在亞利桑那州的卡塔利娜山脈，入侵的水牛草帶來(lái)了熊熊野火 [截至 2020 年 6 月仍在燃燒 [64]]，燒死了古老的仙人掌森林。

對(duì)人類而言，當(dāng)河流水文環(huán)境改變固氮生物的命運(yùn)時(shí)，固氮生物對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也可能從有利變?yōu)椴焕?。在清澈、?yáng)光普照的河流中，附著的藻類為食物鏈和食物網(wǎng)提供能量 [65]。硅藻通常在河流藻類中占主導(dǎo)地位，是所有初級(jí)生產(chǎn)者中最有營(yíng)養(yǎng)的。硅藻除了有一個(gè)屬是有毒的之外，其余的會(huì)合成對(duì)動(dòng)物有益的次生代謝物，如類胡蘿卜素，且其富含脂質(zhì)，包括對(duì)動(dòng)物細(xì)胞膜和神經(jīng)健康所必需但自身不能合成的多不飽和脂肪酸 [66]。窗紋藻科（Epithemicaceae）的淡水附著硅藻營(yíng)養(yǎng)特別豐富。窗紋藻屬（Epithemia spp.）似乎擁有地球上最年輕的內(nèi)共生體：固氮“球體”，其現(xiàn)存的最近親緣種（closest free-living relatives）是某種藍(lán)細(xì)菌（Cyanothece ）（cyanobacteria） [67, 68]。雖然其他固氮藍(lán)細(xì)菌會(huì)合成含氮毒素（nitrogen-bearing toxins），且其基因組中已經(jīng)減少了兩個(gè)光系統(tǒng)（photosystems） [68, 69]，但窗紋藻屬的內(nèi)共生體會(huì)合成動(dòng)物所有的 23 種必需氨基酸 [68]。在它們經(jīng)常盛產(chǎn)的未受污染的湖泊和河流中，該屬的藻類組合會(huì)優(yōu)先被食藻昆蟲 [70] 和蝌蚪[71]采食，當(dāng)這些藻類順著河流流到河口時(shí)，則會(huì)被片腳類和等足類動(dòng)物吞食，而它們又是一些魚類和濱鳥的重要獵物[72]。作為一種硅藻藍(lán)細(xì)菌演變而來(lái)的物種，以該屬為食的水生昆蟲 [70] 和蝌蚪[71] 相比于以其他碎屑或藻類為食會(huì)有更高生長(zhǎng)率和出現(xiàn)率。

將硅藻變成像窗紋藻屬這樣完整的“超級(jí)食物”似乎是基因編輯的一個(gè)有價(jià)值的目標(biāo)，自然進(jìn)化還沒(méi)能做到這一點(diǎn)。然而，在干旱期間，且河流流量很高的情況下，當(dāng)把窗紋藻屬作為含鮭魚河流的食物鏈的食物時(shí)，很可能會(huì)引發(fā)水華并間接威脅公共健康[73]。

在加利福尼亞西北部的地中海季節(jié)，多雨的冬季之后是干旱的夏季。冬季和夏季的轉(zhuǎn)變控制著藻類物候，以及在生物活躍的夏季期間河流食物網(wǎng)組成形式 [48, 73, 74]。春季，河流水流消退，河水變清、變暖，絲狀綠色大型藻類（Cladophora glomerata）可以長(zhǎng)到幾米長(zhǎng)，其表面附著的硅藻和其他附生植物的棲息地?cái)?shù)目會(huì)增加五到六個(gè)數(shù)量級(jí)[70]。到了仲夏，剛毛藻屬（Cladophora）的群體從綠色變成了銹紅色，因?yàn)樗鼈儽砻姹淮凹y藻屬覆蓋了。這些藻類為河流以及河口的鮭魚的獵物提供了營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。由自然漂流或?qū)嶒?yàn)研究而引入河口的硅藻-剛毛藻組合體會(huì)在幾分鐘內(nèi)被成群的片腳類和等足類動(dòng)物吃掉，與當(dāng)?shù)氐能浘G色海藻（石莼屬和滸苔屬）（Ulva and Enteromorpha）相比，這些動(dòng)物更喜歡前者，而后者通常被認(rèn)為是沿海海洋食物網(wǎng)的重要食物來(lái)源 [72]。上述這些觀察結(jié)果表明，河流中的漂流藻類對(duì)于河口和沿海食物網(wǎng)來(lái)說(shuō)可能是重要且神秘的能量和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，另一個(gè)例子表明，強(qiáng)大的自上而下的定向選擇可以隱藏食物鏈中的強(qiáng)大聯(lián)系，直到實(shí)驗(yàn)或不斷變化的環(huán)境揭示它們的存在。

在夏季的干旱情況下，窗紋藻屬的藻類組合體及其固氮的命運(yùn)也會(huì)發(fā)生改變。這些藻類的繁殖不再為含鮭魚的食物鏈提供能量，相反它們會(huì)促進(jìn)具有潛在神經(jīng)毒性的藍(lán)藻大量繁殖 [73, 75]。陽(yáng)光照射下，如果河流的流量降至臨界水平以下[人類取水而導(dǎo)致多雨的冬季也可能發(fā)生 [76]]，水池溫暖而不流動(dòng)，營(yíng)養(yǎng)豐富的剛毛藻-窗紋藻組合體菌群將被耐熱的、潛在的神經(jīng)毒性藍(lán)細(xì)菌-魚腥藻屬（Anabaena spp.）[75,77]占據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)魚腥藻通過(guò)剛毛藻-窗紋藻組合體傳播時(shí)，它們會(huì)以其藍(lán)綠色到黑色的斗篷覆蓋紅棕色宿主藻類組合體。這樣魚腥藻既可以獲得陽(yáng)光，也可能從垂死的宿主藻類那里獲得營(yíng)養(yǎng)或能量。雖然魚腥藻固氮，但它通過(guò)異養(yǎng)的方式攝取碳，從而使得它在固氮的同時(shí)也讓河流陷入了數(shù)小時(shí)的黑暗中 [78]。在過(guò)去的十年中，神經(jīng)毒性藍(lán)細(xì)菌已經(jīng)殺死了在Eel、俄羅斯和其他北加州河流區(qū)域的十幾條狗[73, 75]。在南部，蒙特雷灣附近的 20 只海獺的死亡與農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的河流中其他藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生的微囊藻毒素（microcystins）-肝毒素（hepatotoxins）有關(guān) [79]。固氮硅藻或其他營(yíng)養(yǎng)來(lái)源是否會(huì)為河流和相連的高地以及沿海生態(tài)系統(tǒng)中的食物網(wǎng)提供營(yíng)養(yǎng)或毒素，也取決于冬季和夏季的水文、氣候以及越來(lái)越多的人類行為[73, 76]。

8. 修補(bǔ)基因、生命體和生態(tài)系統(tǒng)：價(jià)值觀

查爾斯·曼 (Charles Mann) [80] 對(duì)比了 20 世紀(jì)思想家和科學(xué)家的兩個(gè)流派：“巫師派”——使用技術(shù)解決問(wèn)題的工程師、發(fā)明家或修補(bǔ)匠，敬畏自然的“先知派”——認(rèn)為生命體和景觀并不在人類的控制范圍內(nèi)。巫師派“將人們視為具有無(wú)休止創(chuàng)造力的……狡猾的管理者、思想家和實(shí)干家，可以無(wú)休止地?cái)U(kuò)張。[先知派] 認(rèn)為研究人員從根本上是被嵌入在......更大的東西中，研究人員不應(yīng)該破壞那個(gè)更大的東西”[81]。21 世紀(jì)的 CRISPR 科學(xué)家乍一看似乎處于技術(shù)樂(lè)觀主義巫師派陣營(yíng)。他們希望應(yīng)用 CRISPR 編輯和基因驅(qū)動(dòng)來(lái)保護(hù)野生物種和恢復(fù)半自然生態(tài)系統(tǒng)，并提出了更微妙的想法 [2]。基因編輯、基因驅(qū)動(dòng)和其他現(xiàn)代遺傳工具為環(huán)保主義者提供了新的，在某些情況下，也許是研究人員唯一的希望，用以消除人類對(duì)野生物種和半自然生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞。種間體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移（Interspecies somatic cell nuclear transfer）可能會(huì)增強(qiáng)物種的遺傳多樣性，如黑腳雪貂或灰狼，這些物種由于之前人類的破壞活動(dòng)導(dǎo)致其種群規(guī)模已經(jīng)很小了 [82]。珊瑚生物學(xué)家正在探索基因編輯，以使珊瑚或它們的鞭毛藻內(nèi)共生體在當(dāng)前和未來(lái)的海洋中發(fā)揮作用并減輕氣候變暖和海洋酸化的壓力[83]。基因編輯作為一個(gè)在消滅被研究人員引入島嶼的害蟲、疾病宿主和捕食者（它們現(xiàn)在威脅著當(dāng)?shù)匚锓N，包括地方性物種 [3, 4, 84]）方面，相比于中毒有更小的脫靶率的技術(shù)而被廣泛討論。它們的道德使用需要嘗試預(yù)測(cè)所有可能產(chǎn)生的結(jié)果（作者在本文中的重點(diǎn)）；風(fēng)險(xiǎn)、收益和機(jī)會(huì)成本分析；公眾參與和接受；和監(jiān)督——桑德勒 [85] 將其歸類為“工具主義者的倫理觀點(diǎn)”的標(biāo)準(zhǔn)，其中技術(shù)或工具“既不好也不壞，而是中立的”。

桑德勒認(rèn)為，雖然工具主義者的倫理觀點(diǎn)很重要，但如果沒(méi)有另一種“生命形式的觀點(diǎn)”，即考慮基因編輯將如何重組研究人員的活動(dòng)以及研究人員與生活的關(guān)系，那么工具主義的倫理觀點(diǎn)是不完整的?；蚓庉嫴粌H是達(dá)到某些目的的一種有效的、有時(shí)可能是必要的手段——它會(huì)改變研究人員和未來(lái)的人類對(duì)自然的看法，因?yàn)榛蚓庉嫷纳镌絹?lái)越多，而這些生物即使只是研究人員保護(hù)的物種或生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的代理人。對(duì)于研究人員中的一些人來(lái)說(shuō)，“復(fù)活”物種是非常有吸引力的，這些物種可以重構(gòu)出研究人員哀悼的、過(guò)去景觀和生態(tài)系統(tǒng)：例如，從北美中部和東部[86-88]以美洲板栗為主的森林到白令陸橋的猛犸象草原[89, 90]。如果研究人員限制人類活動(dòng)并騰出足夠的空間和時(shí)間，使這些物種能夠自行進(jìn)化和重新配置生態(tài)系統(tǒng)，研究人員就有可能保持對(duì)今天某些感興趣的研究人員來(lái)說(shuō)[80]，很重要的荒野環(huán)境。如果在一個(gè)更加擁擠、以人類為主導(dǎo)的世界中，研究人員又不限制自己的行為，那他們將會(huì)為了解決問(wèn)題并將生命支持參數(shù)保持在可接受的范圍內(nèi)不得不無(wú)休止地修補(bǔ)地球的生物群和生態(tài)系統(tǒng)[91]（用創(chuàng)可貼來(lái)解決創(chuàng)可貼式問(wèn)題）。

即使基因編輯的生物充當(dāng)了研究人員物種保護(hù)或生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的代理人，那當(dāng)前和未來(lái)的人類將如何看待它們呢？Paolo Bacigalupi [92] 在他關(guān)于猖獗的合成生物學(xué)及其潛力的科幻小說(shuō)中，描述了農(nóng)業(yè)企業(yè)之間爆發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)性生物戰(zhàn)使人類食物供應(yīng)變得緊缺這一場(chǎng)景。小說(shuō)中的一些人也對(duì)合成生物的文化非常厭惡。然而，人類的觀念和價(jià)值觀會(huì)發(fā)生變化。歐洲血統(tǒng)的美國(guó)環(huán)保主義者曾經(jīng)崇敬北美的“原始荒野”，但他們最近開始意識(shí)到之前歐洲殖民者發(fā)現(xiàn)的古老森林和各種植物和獵物實(shí)際上依賴于美洲原住民的精心照料和火災(zāi)管理[93-95]?；牡毓芾碚吆捅Ｗo(hù)生物學(xué)家越來(lái)越意識(shí)到，研究人員需要重新進(jìn)行這種管理，以通過(guò)改變區(qū)域火災(zāi)和旱澇狀況來(lái)維持西部森林及其生物群和生命支持功能 [95]。然而，當(dāng)?shù)厝藢?duì)使用合成生物學(xué)來(lái)恢復(fù)其土地上的物種（例如美洲栗或鮭魚）或生態(tài)系統(tǒng)的看法目前似乎仍然是負(fù)面的或者莫衷一是的 [93]。

9. 在實(shí)驗(yàn)室之外得時(shí)刻小心謹(jǐn)慎：

追蹤合成線在真實(shí)環(huán)境中的表現(xiàn)的重要性

研究人員想要轉(zhuǎn)移、增強(qiáng)或沉默基因，以便讓微生物為自己工作，使研究人員不必為自然選擇而煩惱。研究人員將成為微生物代謝的創(chuàng)造者，并將設(shè)計(jì)微生物來(lái)滿足研究人員的要求。研究人員有能力這樣做，但這種能力似乎并沒(méi)有使研究人員對(duì)微生物進(jìn)化帶來(lái)的潛在巨大后果有深入的理解，更不用說(shuō)讓他們能改變地球未來(lái)的發(fā)展軌跡。

Paul Falkowski [56]

只要保持警惕——通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)——人們就會(huì)認(rèn)識(shí)到變化。為什么我們熟知的世界會(huì)發(fā)生如此大的變化？

Robert T. Paine [96]

弗蘭肯斯坦博士的罪行不在于他把狂妄自大和高科技結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造了一種生物，而在于他拋棄了這種生物。[拉圖爾隨后引用了瑪麗雪萊的弗蘭肯斯坦：“記住，我是你的生物，”怪物抗議道，“我應(yīng)該是你的亞當(dāng)；但我更像是被你無(wú)緣無(wú)故從歡樂(lè)中驅(qū)趕的墮落的天使……我是仁慈且善良的；苦難使我變成了惡魔。讓我快樂(lè)吧，我將再次賢德?！盷

Bruno LaTour [97]

在對(duì)非模式生物系統(tǒng)進(jìn)行基因編輯的早期階段，許多合成生物學(xué)家專注于他們實(shí)驗(yàn)室中新創(chuàng)造的生命體在沒(méi)有被悉心照料的情況下是否可存活?，F(xiàn)在主要關(guān)注“如果它們存活下來(lái)了、建立了自己的群落且向外傳播又會(huì)怎樣呢？如果它們被‘驅(qū)使’在野生種群傳播會(huì)怎樣呢？”

對(duì)它們的未來(lái)以及它們將如何影響研究人員的未來(lái)的前瞻性預(yù)測(cè)將會(huì)受到挑戰(zhàn)，并經(jīng)常受到跨越規(guī)模的復(fù)雜性和突發(fā)事件的阻礙，包括作者在這里回顧的那些問(wèn)題。然而，研究人員越是尋求對(duì)推動(dòng)變化和將基因與生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程的預(yù)測(cè)性機(jī)制理解（predictive mechanistic understanding），研究人員就會(huì)在解釋意外方面更加游刃有余。無(wú)論是先見(jiàn)之明還是后見(jiàn)之明，21 世紀(jì)的工具都會(huì)幫助研究人員實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)的一些愿景并降低其潛在危害。曾經(jīng)被認(rèn)為只屬于分子生物學(xué)或野外生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的方法現(xiàn)在越來(lái)越多地在這兩個(gè)領(lǐng)域都得到應(yīng)用 [17, 98]?？珙I(lǐng)域方法的溢出會(huì)加強(qiáng)分子遺傳學(xué)家、細(xì)胞生物學(xué)家、表觀遺傳學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、進(jìn)化生物學(xué)家和地球科學(xué)家之間的交流，以應(yīng)對(duì)全球使用 CRISPR-Cas 9 技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)和責(zé)任。拉格朗日對(duì)獨(dú)立生存?zhèn)€體（free-living individuals）的觀察極大地啟發(fā)了野外生物學(xué)家，現(xiàn)在也使得細(xì)胞生物學(xué)家能夠了解單細(xì)胞在其生活微環(huán)境中跨時(shí)空運(yùn)動(dòng)和變化時(shí)的功能和命運(yùn) [99, 100]。定量穩(wěn)定同位素探測(cè)讓生態(tài)學(xué)家和生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)家能夠識(shí)別關(guān)鍵微生物分類群并跟蹤它們?cè)谧匀唤缰薪閷?dǎo)的基本的和分子的交換 [99,101]。遺傳學(xué)家使用“knockin”和“knockout”實(shí)驗(yàn)來(lái)研究基因如何影響表型；生態(tài)學(xué)家使用enclosure/exclosures和其他實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示特定物種對(duì)食物網(wǎng)（food web）的影響。生態(tài)學(xué)家 [43–50, 102] 尋找由強(qiáng)相互作用物種（基礎(chǔ)或關(guān)鍵物種）引發(fā)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)現(xiàn)象，希望能解釋或預(yù)測(cè)這些帶來(lái)的間接“knockon”效應(yīng)。類似地，分子生物學(xué)家尋找關(guān)鍵的“基因程序”，這些基因調(diào)控通路包含許多其他通路并決定更高階的表型特征，如性別[103]。在生物組織的所有層次上，環(huán)境控制著相互作用的強(qiáng)度和結(jié)果，景觀生態(tài)學(xué)（landscape ecology）中“過(guò)程模式”的影響[104]縮小到空間基因組學(xué)中基因表達(dá)的拓?fù)湎嚓P(guān)域[105]。地球系統(tǒng)科學(xué)中遙感的進(jìn)步使研究人員能夠從飛機(jī)或太空追蹤生物群的分布、豐度和生理狀態(tài)以及環(huán)境條件的變化 [106]。國(guó)家科研基金機(jī)構(gòu)對(duì)“融合”的廣泛呼吁要求生物學(xué)家和地球科學(xué)家既要有明智的謙遜，又要有綜合的想象力，以突破學(xué)科壁壘，彌合研究人員各個(gè)子學(xué)科之間的深刻歷史分歧。

這種團(tuán)隊(duì)合作對(duì)于構(gòu)建檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)以在開放環(huán)境中追蹤基因編輯生物體至關(guān)重要。這些追蹤工作應(yīng)該集中在“關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵時(shí)刻”上，因?yàn)榛蚓庉嬌矬w在“關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵時(shí)刻”的表現(xiàn)、選擇力或影響最有可能發(fā)生變化。研究人員可以使用來(lái)自無(wú)人機(jī)、飛機(jī)或太空觀測(cè)平臺(tái)的重復(fù)攝影測(cè)量來(lái)表征不斷變化的環(huán)境控制，以及基因編輯生物（例如樹木或巨型動(dòng)物）的傳播或顯著變化狀況[106]。如果生物體受到CRISPRCas 改造的DNA沒(méi)有產(chǎn)生可見(jiàn)的表型，那么就需要對(duì)該生物體或環(huán)境 DNA (eDNA) 進(jìn)行遺傳監(jiān)測(cè)。

科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新使得 CRISPR-Cas 技術(shù)不僅用于編輯細(xì)胞或生物體，還用于跟蹤它們的eDNA，使得后續(xù)研究變得更加可行。為臨床診斷而開發(fā)的新 CRISPR-Cas12a [例如 DETECTR [107]] 和 CRISPR-Cas13 [SHERLOCK [108]] 平臺(tái)具有低至阿摩爾濃度的檢測(cè)靈敏度，并且可以區(qū)分僅有幾個(gè)堿基對(duì)差異的不同的核苷酸鏈。在使用重組酶聚合酶擴(kuò)增(RPA)對(duì)目標(biāo) DNA 進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增后，向?qū)?RNA 將 CRISPR-Cas12a 核酸酶引導(dǎo)至目標(biāo)位點(diǎn)。一旦酶切割該位點(diǎn)，CRISPR-Cas12a 就會(huì)不加選擇地切割其他單鏈 DNA（“反式切割”）。如果添加了單鏈 DNA 熒光團(tuán)-猝滅劑分子，Cas12a的反式切割將從其猝滅劑中釋放熒光團(tuán)，觸發(fā)隨后可在樣品中測(cè)量的熒光信號(hào)。這些檢測(cè)系統(tǒng)價(jià)格低廉且適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用：可以凍干以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立冷鏈運(yùn)輸，然后與紙張點(diǎn)樣 [108] 或智能手機(jī)檢測(cè)設(shè)備 [109]一起使用；或最近開發(fā)的用于細(xì)菌檢測(cè)的手持熒光監(jiān)測(cè)器 [110, 111]。

威廉姆斯等人 [110, 112]似乎是第一個(gè)將該技術(shù)應(yīng)用于自然界物種檢測(cè)的人。他們從四個(gè)愛(ài)爾蘭溪流采集到的eDNA樣本中可以檢測(cè)和區(qū)分出密切相關(guān)的大西洋鮭魚 (Salmo salar) 和褐鱒魚 (Salmo trutta)。靈敏的 CRISPR-Cas12a 檢測(cè)極大地增強(qiáng)了對(duì)有價(jià)值的、稀有的或潛在入侵的外來(lái)物種 [109、110、112] 的 eDNA“預(yù)警”能力，還可以通過(guò)基因驅(qū)動(dòng)追蹤在開放環(huán)境中傳播的基因編輯生物。

在迄今為止最詳盡的基因驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃之中，克勞福德等人[28] 在加利福尼亞中部近 400 公頃（包括 3,000 個(gè)家庭）的區(qū)域內(nèi)追蹤了帶有 沃爾巴克氏體、基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)改造的埃及伊蚊（Aedes aegypti）（是登革熱、基孔肯雅熱、寨卡病毒和黃熱病的宿主）。如果受沃爾巴克氏體感染的雄性蚊子與未感染的雌性蚊子交配，生成的受精卵就會(huì)死亡。但是，如果受感染的雌性與受感染或未受感染的雄性交配，則受精卵會(huì)正常存活。若要使這種昆蟲生物防治工作能正常進(jìn)行下去，就不能釋放受沃爾巴克氏體感染的雌性。在一個(gè)自動(dòng)化幼蟲飼養(yǎng)系統(tǒng)中，克勞福德及其同事讓兩種性別的幼蟲都感染了沃爾巴克氏體，然后通過(guò)基于大小的自動(dòng)化性別篩選器分離雌性蛹，接著通過(guò)工業(yè)圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)分類器（進(jìn)行一些人工檢查）進(jìn)行核查。對(duì)于這項(xiàng)工作來(lái)說(shuō)，重要的是，投放的帶有沃爾巴克氏體的雄性蚊子和整個(gè)埃及伊蚊種群都在大面積范圍內(nèi)受到監(jiān)測(cè)。在地圖上仔細(xì)標(biāo)定投放地點(diǎn)和隨后的誘捕器監(jiān)測(cè)讓調(diào)查人員可以檢查他們的生物防治計(jì)劃的成功與否，并監(jiān)測(cè)事故的發(fā)生，例如意外投放了被沃爾巴克氏體感染的雌性蚊子。

本研究中的有策略的廣泛監(jiān)測(cè)行為表明，在有足夠資源的情況下，負(fù)責(zé)任地追蹤已投放自然界的基因編輯生物體是可行的方法。作者的技術(shù)創(chuàng)新 [28] 可以促進(jìn)其他努力。這些監(jiān)測(cè)計(jì)劃需要由本領(lǐng)域的生物學(xué)家相互協(xié)作，而且他們還得在當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)過(guò)、有資金資助且有組織。如果團(tuán)隊(duì)由當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家領(lǐng)導(dǎo)并雇用當(dāng)?shù)厍嗄陞⑴c其中，那將會(huì)很理想，如 Dan Janzen 在哥斯達(dá)黎加的分類學(xué)工作者會(huì)議 [113]。理想情況下，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)包括接受過(guò)基因組學(xué)和表觀基因組學(xué)、生態(tài)生理學(xué)和相關(guān)學(xué)科訓(xùn)練的成員，以便他們可以預(yù)測(cè)具有不同進(jìn)化和自然歷史的物種的行為和命運(yùn)。在社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)以及遙感方法方面受過(guò)訓(xùn)練的團(tuán)隊(duì)成員可以設(shè)計(jì)跨越一定時(shí)空間隔的采樣，以確定這些生物的性狀和影響是否仍然符合預(yù)期。

實(shí)地檢測(cè)研究人員基因編輯創(chuàng)造的生物，不僅可以為世界貧困地區(qū)（包括美國(guó)）的人們提供一份有意義的工作，而且應(yīng)該招募具有重要傳統(tǒng)生態(tài)知識(shí)的人來(lái)為管理工作提供建議。只有當(dāng)?shù)厮型林推渌?dāng)?shù)厝硕纪獾那闆r下，研究人員才能在這塊區(qū)域投放基因編輯生物。更多可能從地球上消滅目標(biāo)物種的不受控制的生物投放應(yīng)該需要更廣泛的共識(shí) [6]，盡管如何從約 80 億人中達(dá)成這一共識(shí)仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。即使經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)時(shí)間的參與和認(rèn)真傾聽，達(dá)成或達(dá)不成共識(shí)可能會(huì)也可能不會(huì)發(fā)展，但該過(guò)程將使科學(xué)家和利益相關(guān)者了解在自然界中使用基因編輯生物的危險(xiǎn)和自己對(duì)該行為所作的承諾。它也可能幫助研究人員更多人思考自然（包括人性）在研究人員日益設(shè)計(jì)的未來(lái)中將在哪里找到一席之地。

研究人員什么時(shí)候可以放松對(duì)“有希望的怪物”——研究人員基因編輯改造的生物，及其引發(fā)反饋的警惕管理？也許永遠(yuǎn)不會(huì)，研究人員越是尋求對(duì)從功能基因組學(xué)到物種相互作用和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的過(guò)程和聯(lián)系的預(yù)測(cè)性理解，在 CRISPR 改變的人類世開始之際，研究人員越能很好地履行研究人員的兩項(xiàng)關(guān)鍵職責(zé)：首先，設(shè)計(jì)有效的方案以追蹤被編輯的基因在不同場(chǎng)景中的傳播、變化和影響，其次，分析事情出錯(cuò)的原因，甚至可能很快就可以糾正錯(cuò)誤并使自己幸免于難。

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原文地址：

https://www.pnas.org/content/118/22/e2004833118

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原標(biāo)題：《前沿綜述：生命網(wǎng)絡(luò)的合成路線》

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