转基因不会灭绝人类,但也许能彻底消灭蚊子

转基因不会灭绝人类,但也许能彻底消灭蚊子

近日,美国联邦政府和佛罗里达州政府批准了一项计划,准备在明、后年间,向佛罗里达群岛放出7.5亿只蚊子。但消息传出后,这项计划很快遭到了当地居民和一个环保组织联盟的怒声反对。

蚊子是一种有害却又无处不在的生物。他们不仅吸人血,还会在顺口朝你的身体吐口水,口水中那些蚁酸、抗凝血剂及成分不明的蛋白质则会让人奇痒难忍,身体上肿起一个个小包。

更严重的是,蚊子还是许多病毒或者寄生虫的携带者。当它们叮咬人类时,病毒或寄生虫就有可能会感染人体。经蚊子传播的疾病多达80余种,比如疟疾、登革热、乙型脑炎等让人闻之色变的名词。

根据世界卫生组织公布的2015年数据,在致人死亡的动物排名中,蚊子以杀人83万高居榜首,比第2名的动物——人——多出25万。近几年这个排名没有太大变化,每年因为蚊子传播疾病致死的人数都在70万以上。

不过,当地人抗议,并不是因为当地政府投放7.5亿只这种恐怖生物,可能给他们带来巨大的健康风险。恰恰相反,靠着这7.5亿只蚊子,可能让更多的蚊子失去传播病毒的能力,甚至死亡。

这项美国环境保护署今年5月批准的试点项目,旨在试验一种经过转基因处理的蚊子,是否可以取代一些逐渐失效的传统方法,控制能够携带寨卡病毒、登革病毒的埃及伊蚊。

死循环

灭蚊是非常困难的工作,因为蚊子几乎是天生适应现代人类社会的物种:人类在城市中大量集聚,提供丰富的食物;人类储水需求,以及轮胎、花盆、废旧游泳池这些东西,提供了良好的繁殖环境;城市环境不利于鸟类、两栖类动物生活,减少了蚊子的天敌。

只要有积水的地方,蚊子都可以繁殖。所以要从切断繁殖途径入手灭绝蚊子,几乎是一件不可能完成的任务。

同时,蚊子本身数量庞大,每只雌蚊子一次还可以产上好几百颗卵,增长极快。人类传统的灭蚊方式——用手掌进行“降维打击”,不仅效率不高,还有点疼。像蚊香、引诱器这些,也只能覆盖极小的地区,相较于全球分布的蚊子而言,无疑是杯水车薪。

在此之前,最高效率的灭蚊手段是在野外大量喷撒杀虫剂。

然而,前面说到蚊子繁殖速度快,这也意味着这个物种的变异和适应能力很强,任何对付它们的手段,很快就会产生抗性,逼迫人们用上新的、毒性更强的药物,比如DDT。

然而,杀虫剂不仅会杀死蚊子,还会杀死其他无辜的虫类,再毒死以之为食的其他生物。杀虫剂灭蚊越有效,对生态环境破坏就越大。2004年,曾经的功臣DDT已经变成了联合国挂号的“肮脏的12种化学物”之一,遭到禁用。

可以说,用传统方法杀灭蚊子,已经陷入了一个死循环。科学家一直在寻找更加具有针对性,也不那么容易产生抗性的灭蚊方法。近年来基因技术的进步,给科学家带来了新思路。

消灭蚊子?

要想彻底消灭蚊子传播的疾病,科学家有2种方法,其中一种简单粗暴——彻底消灭蚊子不就行了?这种思路被称作“种群抑制策略”。

上世纪50年代,科学家提出了“昆虫节育技术”(sterile insect technique,SIT)的方案。他们使用X射线(后来是伽马射线和其他技术)照射雄蚊,使之失去生育能力,再将其大量投放到自然中。

雌蚊一生只会交配1次。所以,只要消灭雄蚊的生育能力,就等于同时消灭了它和交配对象的生育能力。只要释放足够多的不育蚊子,就能起到消灭其种群的作用。

另外,蚊子还有一种特性,那就是雄蚊是不叮人的,靠植物里面的汁液、花蜜等维生,只有雌蚊叮人。这样,就算在一个地方释放数十亿只照射后的雄蚊,也不会增加人们一丝被叮咬的烦恼。

然而,这种方法失败了。

使用射线照射,虽然可以使蚊子身体发生改变,但却无法精确达到目标。即便生殖细胞对射线更敏感,但是射线引起的突变大体还是随机的。

总体来看,经过辐射的雄蚊会变得虚弱。在1年多的试验中,尽管科学家对释放的雄蚊进行了精挑细选,但依然无法在野外争夺交配权的过程中竞争过正常蚊子,导致试验最终失败。

还有一种策略是利用“胞质不亲和性”(cytoplasmic incompatability)现象。这种现象指的是因为细胞内寄生虫引起的配子细胞变化,导致精子和卵子不能形成有活力的后代。

1971年,加州大学洛杉矶分校的2位教授珍妮丝·严(Janice Yen)和拉斐尔·巴尔(A.Ralph Barr)发现,雄性蚊子感染一种叫“沃尔巴克氏体”(Wolbachia)的细菌后,它和未携带相同沃尔巴克氏体类型的雌蚊交配,会产生胞质不相容性。

这种方法比前一种好得多,缅甸奥波市一度利用这种方法,在9个星期内成功消灭了致倦库蚊。

然而,其弊端依然明显。最关键的是,这种方法只能让雄性蚊子感染沃尔巴克氏体,万一雌蚊也感染了同类沃尔巴克氏体细菌,那么就不会产生胞质不相容性。如果不慎让感染这类细菌的雌蚊跑到野外,将细菌扩散,整个方法就失败了。

为了避免这一情况,科学家需要在实验室内仔细筛选,确保没有一只雌蚊可以飞出去。这么做,不仅这个环节费时费力,还等于说之前培育蚊子的投入有一半打了水漂,非常不经济。

这个时候,基因技术闪亮登场。

从2000年开始,科学家尝试通过转基因技术来改造雄性蚊子。相对于比较盲目的射线处理在基因技术逐渐发展后,科学家又以此开发出了一种新方案——昆虫显性致死释放技术(Release of Insects carrying Dominant Lethals,RIDL)。

这个方案非常巧妙,蚊子不必接受辐射照射,因此它们和野生蚊子一样健康,一样富有竞争力。和前一种方法不同的是,这种方法培育的蚊子是可以生育的。在这种情况下,怎么样能使蚊子种群灭绝呢?

科学家的办法是,消灭他们的下一代。

他们利用基因编辑技术,在蚊子的基因中插入一种叫“tTAV”(tetracycline repressible activator variant,四环素可抑制活化剂变体)的基因。

顾名思义,这种基因的关键是一种叫四环素的物质。当蚊子被喂食四环素时,这种基因被抑制,蚊子可以正常生长;但当缺乏四环素时,这种基因就会被激活,产生一种有毒蛋白质,阻塞昆虫细胞内的细胞器活动,使其他基因无法激活,从而导致昆虫死亡。

这样,科学家在实验室中,用四环素将这种转基因蚊子喂大,然后释放到野外。它们在和野外蚊子交配后,就将tTAV基因传播出去。而在野外没有四环素的情况下,下一代蚊子在长成成蚊之前就会死掉。

2009年,推出这项技术的Oxitec公司在南亚大开曼岛上释放了首批经过转基因的OX513A埃及按蚊。在结果良好的情况下,2015年,研究人员进行了更大规模的释放。最后有300万只在实验室中被培育出的转基因埃及斑蚊进入开曼群岛的野生环境中。

实验结果很不错,转基因雄蚊有很强的竞争力,野生雌蚊交配对象的50%都是人工培育出的转基因雄蚊。在实验进行至6个月后,开曼群岛上的蚊子数量已经下降了80%。

之后在2010年、2011年和2014年,Oxitec公司又和马来西亚、巴西、印度、巴拿马等国家合作进行RIDL项目,也都取得了不错的效果。

值得一提的是,2018年,Oxitec公司又发明了第2代转基因蚊子。新一代转基因蚊子同样采用了RIDL技术,不过,它们比老一代蚊子多改造了1个基因,使得其具有性别选择。换句话说,这是一种雌性特异的RIDL。

当这种转基因蚊子和野外蚊子交配后,只有雌性后代会激活tTAV基因,在没有四环素的环境下全部死亡。而雄性后代继续携带tTAV与野生型雌虫交配……最终就能使目标种群“自毁”。

当然,这只是理想状态。在孟德尔遗传方式下,这些蚊子携带的基因会逐渐被稀释。根据官方文章,这种方法的效果可以持续10代,所以要完全消灭蚊子种群,还需要持续投放这种转基因蚊子。

消灭疾病?

除了直接消灭蚊子,科学家还有另一种思路:既然最终是为了消除蚊子传播的疾病,那么不一定要消灭所有蚊子,消灭蚊子传播病毒的能力不也可以吗?

这种策略叫做“种群改变策略”,或者是“种群替代策略”,旨在将基因传播到媒介种群中,从而降低蚊子的媒介能力而不杀死它们。

这里同样涉及到前文说的“沃尔巴克氏体”,但并非利用雌雄蚊子的“胞质不亲和性”。

这里首先要搞清楚一个问题,为什么和人血亲密接触的蚊子,却不会传播像艾滋病毒、乙肝病毒等可以经由血液传播的疾病?

首先,蚊子不会像人体吐出血液,只会吐出唾液。而吐出唾液的管道和吸入血液的并不是同一个,吸血的通道也只作为一个单向的通道通向蚊子体内,因此,蚊子吸血后不会将血液吐出。

更重要的是,病毒实际上并不是像许多人想象那样,是粘附在蚊子表面,一碰到人就会传播。事实上,蚊子传播病毒,首先自己要“感染”病毒,再通过吐出的唾沫,将病毒传播到人体内。

比如寨卡病毒,就可以存在于蚊子的中肠上皮细胞,然后转移到唾液腺细胞。在之后的5-10天,寨卡可在蚊子的唾液中继续存活。相反,艾滋病毒既不会在蚊子体内发育,也不会增殖,反而会被其消化系统所消灭。

而沃尔巴克氏体除了能让感染它的雄蚊和没有感染它的雌蚊交配后,后代无法存活以外,本身还有特别的作用:能提高蚊子的免疫力,不被登革热病毒、寨卡病毒以及奇昆古尼亚热病毒“感染”。这样,病毒也就无法通过蚊子在人群中传播了。

所以,先前进行的沃尔巴克氏体实验实际上有2种结果:没有放跑转基因雌蚊,成功避免沃尔巴克氏体在野外泛滥,那就有可能消灭蚊子种群;就算放跑了,那么野外种群带上这种菌群后,也会失去对登革病毒、寨卡病毒的传播能力,只不过人就无法躲开叮咬之苦了。

基因驱动

需要注意的是,以上介绍的方法,无论是通过RIDL技术消灭蚊子,还是通过沃尔巴克氏体使之失去传播病毒能力,都面临着孟德尔遗传规律。

根据孟德尔遗传规律,某一特定基因随着逐渐传代,会逐渐被“稀释”。几代之后,那些含有抗体基因的蚊子也就不剩下什么了。

而基因编辑技术的兴起,尤其是可以随意剪切基因的CRISPR/Cas9技术出现,使得科学家看到了用一种叫“基因驱动”的技术,颠覆孟德尔遗传规律的可能。

一般来说物种中都会存在这样一些基因,它们在繁殖的过程被遗传的概率比普通基因高出50%。因此,这些基因就可以很容易在群体中散播,即使它们可能导致个体的适应性下降。

而基因驱动就是借由与这些特殊基因类似的遗传“偏向性”,将人为改造的基因快速散播到野生群体中,不会被稀释。这些改造可以包括基因的增添、破坏或者修饰,也可以包括减少个体的生育能力从而可能导致整个物种的毁灭。

但这也导致了许多人的恐慌。

一方面,和对待转基因食品一样,许多人对改造基因这种“扮演上帝”的行为存在天然的排斥,尤其是在宗教盛行的国家。《麻省理工科技评论》杂志就质疑表示,“哪个国家、机构或个人有权力去改变影响全世界的自然法则?”

除此以外,基因驱动技术发展至今不到10年,很难说是已经成熟的技术。而在安全使用方面,这个技术可以被用作制造生物武器,一旦被不怀好意的人或者恐怖分子掌握,危险性非常大。因此部分人认为,应该等到可以制约基因驱动的手段出现,才能将其投入使用。

此外,去年9月,耶鲁大学的研究团队在知名期刊《科学报告》上发表论文,对转基因蚊子进行了质疑。

他们表示,“杀手蚊”曾的确导致当地埃及伊蚊数量下降了85%,但该项目的有效性似乎在18个月左右就已经失效。在最初因基因编辑蚊子而受到数量抑制之后,当地的蚊子数量反弹到了接近释放前的水平。

之后,蚊子的数量不仅会反弹到之前的水平,而且人工引入的基因让蚊子变得更加强壮,未来可能产生“超级蚊子”。

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