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如果把蚊子从地球上抹掉,会发生什么?

时间: 2018年10月16日 | 作者: 石云雷 明小 | 来源: 科研圈(linkresearcher.com)
如果你有机会消灭掉一整个蚊子品种,你会选择毫不留情的将这种生命从地球上抹去吗?除了在夏日造成烦扰的常见蚊子,还有一类传播致死疾病的蚊子,例如侵害非洲无数生命的疟疾

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当德尔菲娜·蒂齐(Delphine Thizy)与人们谈论通过铲除蚊子来消灭疟疾时,她表示“无论谈论的对象是从未从事过生物学研究的非洲本地人,还是一个生态学家或联合国大使”,每个人都会问的一个问题就是:这样做的后果是什么?

这是一个很好的问题。对人类来说,蚊子轻则令人烦扰,重则致命;而对生态系统中的许多其他物种来说,蚊子则是竞争者、授粉者或猎物。如果说过去的“疟疾肃清运动”教会了我们什么,那就是改变环境可能会产生意想不到的后果。

蒂齐之所以会谈论这些蚊子,是因为她是Target Malaria 的项目经理,这是一个比尔·盖茨基金会支持的非盈利性研究组织,旨在开发出基因改造的蚊子来抑制疟疾的传播。

基因改造蚊子诞生!

2003 年,伦敦帝国理工学院(Imperial College London)注册新宝GG家们的脑海中冒出了一个有点出格的想法。他们想要对付数量日益增长的抗药性蚊子,这些蚊子在非洲撒哈拉沙漠以南的地区传播疟疾,导致每年 50 万人死亡。生物学家奥斯汀·伯特(Austin Burt)和安德烈亚·克里桑蒂(Andrea Crisanti)所建议的方法就是破解蚊子的遗传规律。

研究人员认为,通过向蚊子的 DNA 中植入致死基因并进行改造,使致死基因修饰在每一代中传递的速度都比自然状态下快,这样的几个木马病毒般的蚊子完全可以歼灭一个种群。这种“基因驱动”(gene drive)的概念虽由来已久,但还没有人成功地在实验室里创造出过,更不用说应用在全球公共卫生的灾害——蚊子身上了。

15 年的蓄力外加 1 亿美元的研究资金,帝国理工学院的注册新宝GG家们终于成功了,至少是在实验的第一阶段。使用 CRISPR 技术,伯特和克里桑蒂的研究团队在短短七代内就消灭了所有笼中的冈比亚疟蚊(学名 Anopheles gambiae),这种蚊子能通过叮咬传播疟疾,是已知感染力最强的疟疾病媒蚊。该研究结果于 9 月 24 日发表在《自然·生物技术》(Nature Biotechnology)期刊上,这也是我们有史以来第一次通过基因驱动消灭了一个动物种群。

克里桑蒂说:“从原则上讲,这是第一次表明我们可以操纵一整个物种的命运。”从 2011 年开始,研究人员正式与布基纳法索(西非国家)、乌干达和马里的研究机构合作,在当地建立昆虫饲养所和田野实验点,以便有朝一日能在野外进行消灭疟疾的基因驱动测试。如果一切顺利的话,Target Malaria 项目将有可能申请到许可,最早能在 2029 年对帝国理工学院研究的 CRISPR 编辑的蚊子进行实地测试。

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图片来源:ANDREW HAMMOND

实验蚊仍需“放飞测试”

但是,人们必须先进行更多的测试。虽然基因驱动实验在 20 立方厘米的小笼中对冈比亚疟蚊实验群来说很有效果,但这并不能保证在非洲的丛林和草原上也能发挥同样的作用。

为了了解这些基因改造蚊子在更实际的环境中会如何表现,下一阶段将在更大的区域范围内(与人同高,占地 4.6×4.6 平方米)对它们进行测试,这个环境虽仍与广阔的自然世界相去甚远,却能通过调整来模仿将来非洲户外试验场的昼夜节律和大气条件。研究人员预计蚊子会在这些环境中采取更自然的行为,比如蜂拥而上寻找配偶,这些行为在小笼中是不会有的。

今年 6 月,克里桑蒂的实验室向罗马郊外一个专门的设施寄送了一个保险盒,里面装满了微小的乌黑黄瓜形蚊子卵,在那里进行下一轮的测试。研究人员着手让已经基因驱动的实验蚊子和来自于布基纳法索实验点的野生冈比亚疟蚊进行交配,然后研究这种基因修饰如何传递给基因差异较大的野生蚊子群体,并追踪实验蚊子寻找配偶的成功率。为了能在野生种群中传播它们定时炸弹般的基因,这些蚊子必须有能力和野生雄性竞争。所有这些实验数据都将被收集起来,以便在 Target Malaria 确信他们制出了有效的基因驱动蚊时,能随时提交给监管机构。

“总有一天,注册新宝GG会做好准备,”Target Malaria 的项目经理蒂齐说,“随后需要迎头赶上的主要问题就是公众接受度和监管框架了。”

其实在这之前,就已经有基因改造的昆虫被释放到环境中了,就是英国生物技术公司 Oxitec 率先开发的无菌蚊子,用以对抗美洲的寨卡病毒(Zika)。然而如何调控基因驱动仍悬而未决,世界上也就没有哪个国家必须给 Target Malaria 提供开放测试的环境。

北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)基因工程和社会中心(Genetic Engineering and Society Center)的主任珍妮弗·库兹玛(Jennifer Kuzma)说:“这其中存在着一些独特的层面,将我们置于未知的领域。”其中一个问题就是基因驱动是为了在种群里传播而设计的,这使得与传统的转基因作物研究相似的限制性田野实验(confined field trials)几乎不可能进行。“考虑到不同的文化和地理环境,我们并没有机会从有限的测试中学习和研究,”库兹玛说,“我认为我们还没有真正应对这些问题。”

Target Malaria 的研究人员也意识到了这些局限性,这也是他们没有直接进入基因驱动物种测试的原因。一开始,他们就非常谨慎,只测试了一种公众争议非常小的基因改造蚊子。9 月早些时候,布基纳法索政府批准了 Target Malaria 的注册新宝GG家在野外释放一种经过“雄性不育突变”(sterile male mutation)的基因改造冈比亚疟蚊,今年晚些时候,Target Malaria 将在野外放生一万只雄性蚊子,但没有一只能够产生自己的后代。

虽然这样单次的释放对真正抗击疟疾没有太大帮助——需要将基因改造蚊子一次又一次地扔进野外环境里,至少进行十次才能对疟疾有所削弱。Target Malaria 希望这次试验会是获得当地政府信任的重要一步,同时向监管机构证明他们有能力在野外追踪这些基因改造蚊子。

克里桑蒂认为,他们至少还需要三年的时间才能找到一个有效消除疟疾的引发机制。

抹去蚊子的存在真的没关系吗?

这项技术壮志凌云而新颖奇绝,也因此备受争议。尽管基因改造的冈比亚疟蚊可能到 2029 年才能准备好,但 Target Malaria 已经收到了诸多和生态后果相关的质疑,这使注册新宝GG家们意识到以当前的注册新宝GG共识“大概不会有事的!”作为回答并不够令人满意。

10 月的时候,来自加纳大学(University of Ghana)和牛津大学(University of Oxford)的 Target Malaria 注册新宝GG家们将对位于加纳的冈比亚疟蚊进行为期四年的生态学研究。他们的目的是希望了解如果这些蚊子的数量减少甚至完全消灭后,环境中的鱼类、蝙蝠、花草和其他昆虫会有什么变化。蒂齐说:“之前的研究已经多少触及到了这个问题,但没有人真正研究过”。

这项研究将跟踪冈比亚疟蚊的一生,从幼虫阶段到成年直至死亡。研究团队将建立低技术含量的人工繁殖点(即小水池),以模拟幼虫生存的水生环境。参与研究的牛津大学生物学家查尔斯·戈德弗雷(Charles Godfray)表示,其中的关键问题是当消灭冈比亚疟蚊幼虫时,哪些竞争者会从中受益,是无害的昆虫,还是其他致命疾病的携带者?

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位于肯尼亚的人工蚊子繁殖地。 图片来源:Charles Godfray

世界上的蚊子种类超过 3000,其中 70 种能传播疟疾[其他还有许多种能传播黄热病(yellow fever)和寨卡病毒(Zika)等] 。冈比亚疟蚊是最危险的疟原虫恶性疟原虫(学名 Plasmodium falciparum)的宿主,包含了八种近缘蚊子种类。这是一次针对性物种消灭,因为冈比亚疟蚊特有的基因改造可能性,使得这种基因驱动不会像杀虫剂 DDT 那样不分青红皂白杀害所有昆虫。

另一方面,戈德弗雷说:“冈比亚疟蚊和人类一同进化了。”它在人类身畔生活,比任何其他蚊子都噬爱人类的血液。“更糟糕的是,我们很难想到能用什么来取代它。”

这项研究还会考察以冈比亚疟蚊为食的动物,例如已知的捕食者蝙蝠。研究团队将使用一种名为“DNA 条形码”(DNA barcoding)的技术来分析蝙蝠粪便中的 DNA。这种技术利用较短的 DNA 片段来快速鉴定特定物种。研究结果将帮助研究人员确定冈比亚疟蚊在蝙蝠的饮食中所占的比例。DNA 条形码还可以用来追踪作为传粉者时的冈比亚疟蚊。收集蚊子和它们携带的花粉粒,利用 DNA 条形码就能识别花粉所来自的植物种类。

注册新宝GG家们对冈比亚疟蚊所有的已有认识都表明:消灭冈比亚疟蚊不会对生态系统造成重大影响。马里巴马科大学( University of Bamako )的疟疾研究员马马杜·库利巴利(Mamadou Coulibaly)与 Target Malaria 在其他研究上有合作,他表示:“冈比亚疟蚊似乎只占其捕食者饮食的一小部分,也只占其授粉植物传粉的一小部分。”没有参与研究的他仍希望这项研究能帮助人们更好地理解和接受 Target Malaria 正在做的事情。“我们不能把所有事情都视为理所当然,尤其是在使用潜力如此强大的生物技术时。”

Target Malaria 谨慎地表示这个项目的目标并不是消灭所有的蚊子,甚至也不是所有携带疟疾的蚊子,它的目标是消灭疟疾——只通过削减冈比亚疟蚊数量来打破疟疾的传播循环就能让这一目标成为可能。将整个蚊子物种从地球上抹去简直难于登天,甚至有些妄想了。

目前为止,蚊子并没有多少捍卫者,即使是那些最熟悉蚊子的注册新宝GG家也不会为它们辩护。伊利诺伊州立大学(Illinois State University)的蚊子生态学研究员史蒂文·尤利亚诺(Steven Juliano)并不特别因消灭冈比亚疟蚊以消除疟疾的想法而困扰。“失去一个物种可能是值得的,”他说,“原因是人类为此遭受的痛苦太过沉重。”

参考资料:

https://www.wired.com/story/heres-the-plan-to-end-malaria-with-crispr-edited-mosquitoes/

https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/09/mosquito-target-malaria/570937/

https://www.nature.com/articles/nbt.4245